DE2926931C2 - Heat supply system using prefabricated solar absorbers in a modular system - Google Patents

Heat supply system using prefabricated solar absorbers in a modular system

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Description

3535

Die Erfindung betrifft ein Wärmeversorgungssystem zur ganzjährigen Versorgung von Gebäuden mit warmem Brauchwasser und Raumheizwärme mittels vorgefertigter Solarabsorber im Baukastensystem als Teilsystem einer Wärmepumpenanlage, wobei «sie Solarabsorber ein Energiedach oder eine Energiefassade zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Sonneneinstrahlung und aus der Umwelt bilden und zum Energietransport ein Wärmeträgermedium in zumindest einem Absorberrohr zirkuliert, das mit dem Solarabsorber einstückig ausgebildet istThe invention relates to a heat supply system for the year-round supply of buildings warm service water and space heating by means of prefabricated solar absorbers in a modular system as Subsystem of a heat pump system, where “they solar absorber an energy roof or an energy facade to generate heat energy from solar radiation and from the environment and for Energy transport circulates a heat transfer medium in at least one absorber tube, which with the Solar absorber is integrally formed

Bekannt ist aus der DE-OS 26 15 280 ein auch für J0 Sonnenkollektoren geeigneter Wärmetauscher, auf dessen Grundplatte eine Rohrschlange in halbkreisförmigen Sicken Aufnahme findet und bei dem die Rohrschlange durch Blechstreifen, welche auf beiden Seiten hochgestellt und abgewinkelt sind, mit der Grundplatte verbunden ist. Dadurch wird bei senkrechter Anordnung infolge thermischer Konvektion eine Kaminwirkung zur Erhöhung der Wärmeabgabe an die von unten nach oben strömende Luft bewirkt. Der beschriebene Wärmetauscher, welcher vornehmlich zur Anwendung in Kühl- und Heizgeräten konzipiert ist, weist für einen Einsatz als Solarabsorber verschiedene Nachteile auf. Wenn der Wärmetauscher an einer Außenwand oder auf einer Dachfläche montiert wird, liegen die Blechstreifen, welche die Rohrschlange halten auf der dem Gebäude zugewandten Wärmetauscherinnenseite, wodurch die Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche auf das Wärmeaufnahmevermögen des Wärmetauschers aus der von außen anströmenden Luft ohne Einfluß bleibt. Zugleich wird der gewünschte Kamineffekt bei geneigter Anordnung und wegen der im Abkühlbetrieb umgekehrten Luftströmung — nämlich von oben nach unten — durch die Strömungsbedingungen an der Gebäudeaußenseite beeinträchtigt Das Absorptionsvermögen entspricht dem der ebenen Fläche und ist damit begrenzt Für einen Einsatz als alleinige Dachhaut oder Wandverkleidung ist der Wärmetauscher überdies nicht vorgesehen.From DE-OS 26 15 280 a heat exchanger suitable for J 0 solar collectors is known, on the base plate of which a pipe coil is accommodated in semicircular beads and in which the pipe coil is connected to the base plate by sheet metal strips which are upright and angled on both sides is. In the case of a vertical arrangement, thermal convection causes a chimney effect to increase the heat dissipation to the air flowing from below to above. The heat exchanger described, which is primarily designed for use in cooling and heating devices, has various disadvantages for use as a solar absorber. If the heat exchanger is mounted on an outside wall or on a roof surface, the metal strips that hold the pipe coil are on the inside of the heat exchanger facing the building, so that the increase in the heat exchange surface does not affect the heat exchanger's ability to absorb heat from the air flowing in from the outside. At the same time, the desired chimney effect is impaired by the flow conditions on the outside of the building with an inclined arrangement and because the air flow is reversed in cooling mode - namely from top to bottom - the absorption capacity corresponds to that of the flat surface and is therefore limited In addition, heat exchangers are not provided.

Des weiteren ist aus der DE-OS 25 09 422 eine autonome Sonnenenergieheizung bekannt, bei welcher Wärmekollektorprofile Verwendung finden, die eine Dachhaut bzw. Wandverkleidung durch baukastensystemartige Anordnung bilden. Der Absorptionswirkungsgrad dieser KoUektorprofile wird ebenfalls durch die ebene Ausführung beschränkt Im Konvektionsbetrieb ergibt sich eine durch die ebene Kollektoroberfläche begrenzte Wärmeaufnahme pro Flächeneinheit Zur Vermeidung von Verlusten und zur Erhöhung der Systemverfügbarkeit in bestimmten Betriebsfällen sind umfangreiche und aufwendige Zusatzeinrichtungen wie Glasabdeckung, Luftklappen, Regel- und Steuerkreise, Abtaueinrichtungen usw. erforderlich, welche hohe Investitionskosten der Gesamtanlage verursachen. Die Abkühlung umgebender Medien beschränkt sich auf Luft und Luftfeurhte, wobei der Abkühlprozeß bei bestimmten Betriebsarten nur eingeschränkt möglich ist Der Betrieb der vielen Zusatzeinrichtungen reduziert den Gesamtwirkungsgrad der Anlage und erhöht die Betriebskosten.Furthermore, from DE-OS 25 09 422 an autonomous solar energy heater is known in which Heat collector profiles are used that have a roof skin or wall cladding by means of a modular system Form arrangement. The absorption efficiency of these KoUektorprofile is also through the flat design is limited In convection mode, there is a flat collector surface limited heat absorption per unit area To avoid losses and to increase the System availability in certain operating cases is extensive and costly additional equipment such as Glass cover, air flaps, regulation and control circuits, defrosting devices, etc. required, which high Cause investment costs for the entire system. The cooling of the surrounding media is limited to Air and humidity, whereby the cooling process is only possible to a limited extent in certain operating modes The operation of the many additional devices reduces the overall efficiency of the system and increases it the operating costs.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, weiche durch die gewählte konstruktive Gestaltung ein Minimum an Fertigungsaufwand und ein Maximum an Wärmeaufnahmevermögen für die Absorption von Sonneneinstrahlung und die Abkühlung umgebender Medien (Luft, Feuchte, Regen) besitzt, um eine wirtschaftliche und monovalente Wärmeversorgung von Gebäuden sicherzustellen. Proceeding from this, the invention is based on the object of creating a device which by means of the Chosen structural design a minimum of manufacturing effort and a maximum of heat absorption capacity for the absorption of solar radiation and the cooling of surrounding media (air, Humidity, rain) to ensure an economical and monovalent heat supply for buildings.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein einzelner Solarabsorber aus einer in einer Ebene angeordneten Grundplatte besteht, auf der einseitig, senkrecht zur Grundplatte und parallel zu den Längsseiten der Grundplatte ausgerichtete Kühl- und Strömungsflächen mit integrierten Absorberrohren angebracht sind und daß die Kühl- und Strömungsflächen zur Einstrahlungsseite hin und an den Stirnseiten des Solarabsorbers gleichartige offene Hohlräume bilden.According to the invention, this object is achieved in that a single solar absorber consists of one in one plane arranged base plate consists, on the one side, perpendicular to the base plate and parallel to the Cooling and flow surfaces aligned along the long sides of the base plate with integrated absorber tubes are attached and that the cooling and flow surfaces towards the irradiation side and on the end faces of the solar absorber form similar open cavities.

Des weiteren hat es sich zur einfacheren Vorfertigung der Solarabsorber als vorteilhaft herausgestellt, daß die Hohlräume durch die Anordnung mehrerer Solarabsorber nebeneinander gebildet sind.Furthermore, it has proven to be advantageous for easier prefabrication of the solar absorber that the Cavities are formed by arranging several solar absorbers next to one another.

Um das Wärmeaufnahmevermögen der erfindungsgemäßen Solarabsorber noch weiter zu erhöhen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß in die Hohlräume seitlich von den Kühl- und Strömungsflächen ausgehende und parallel zur Grundfläche verlaufende Flossen hineinragen, welche mit den Kühl- und Strömungsflächen wärmeleitend verbunden sind.In order to increase the heat absorption capacity of the solar absorber according to the invention even further, it has It has been found to be advantageous that extending into the cavities laterally from the cooling and flow surfaces and fins extending parallel to the base project into it, which fins with the cooling and flow surfaces are thermally connected.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die konstruktive Gestaltung der Solarabsorberoberfläche u-förmige Hohlräume geschaffen werden, welche das Wärmeaufnahmevermögen des Solarabsorbers gegenüber bekannten Anlagen wesentlich erhöhen. Diese vorteilhafte Hohlraumstruktur des Solarabsorbers bewirkt bei Sonnen-The advantages achieved by the invention are in particular that through the structural design U-shaped cavities are created on the solar absorber surface, which the heat absorption capacity significantly increase the solar absorber compared to known systems. This advantageous cavity structure of the solar absorber causes sunshine

einstrahlung aus beliebiger Richtung einen Absorptionskoeffizienten nahe 1 und für den Konvektionsbetrieb infolge der großen strömungsgünstigen Oberfläche ein vom Neigungswinkel des Solarabsorbers nahezu unabhängiges Wärmeaufnahmevermögen und nutzt vermehrt die Speicherwärme aus Feuchte und Regen. Durch die hohe spezifische Wärmeleistung pro Flächeneinheit ist bei ausreichender Dimensionierung die ganzjährige Wärmeversorgung von Gebäuden mit warmem Brauchwasser und Raumheizwärme sichergestellt Aufgrund der optimierten Gesamteigenschaften des Solarabsorbers bezüglich Fertigungsaufwand, Wärmeaufnahmevermögen und der Anwendungsmöglichkeit zur Herstellung eines Energiedaches und/oder einer Energiefassade ist damit ein Wärmeversorgungssystem entwickelt worden, welches einfach und effektiv in eine Wärmepumpenanlage integriert werden kann. Gegenüber von Kollektoren oder Solarabsorbern, welche den Stand der Technik darstellen, weist der erfindungsgemäße Solarabsorber wegen seines hohen Wirkungsgrades und seiner niedrigen Investitions- und Betriebskosten technische und wirtschaftliche Vorteile auf.Irradiation from any direction has an absorption coefficient close to 1 and for convection operation Due to the large aerodynamically favorable surface, it is almost independent of the angle of inclination of the solar absorber Heat absorption capacity and increasingly uses the stored heat from moisture and rain. Due to the high specific heat output per unit area, the Year-round heat supply for buildings with hot water and space heating ensured Due to the optimized overall properties of the solar absorber in terms of manufacturing effort, heat absorption capacity and the possibility of using an energy roof and / or a Energy facade, a heat supply system has been developed that can be easily and effectively integrated into a Heat pump system can be integrated. Opposite to collectors or solar absorbers, which the Represent prior art, the solar absorber according to the invention has because of its high efficiency and its low investment and operating costs have technical and economic advantages.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungs^emäßen Solarabsorbers sowie eine Anordnungsdarstelting des Wärmeversorgungssystems als Teilsystem einer Warmepumpenanlage ist in den Zeichnungen nach F i g. 1 bis 4 dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigtAn embodiment of the invention Solar absorbers and an arrangement diagram of the heat supply system as a subsystem of a heat pump system is in the drawings according to F i g. 1 to 4 and described in more detail below. It shows

F i g. 1 eine Ansicht des Solarabsorbers von oben,
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in F i g. 1,
Fig.4 eine Anordnungsdarstellung des Wärmeversorgungssystems als Teilsystem einer Wärmepumpenanlage. F i g. 1 a view of the solar absorber from above,
F i g. 2 shows a section along the line 2-2 in FIG. 1, Fig. 3 shows a section along the line 3-3 in FIG. 1,
4 shows an arrangement diagram of the heat supply system as a subsystem of a heat pump system.

Das Ausführungsbeispiel in F i g. 1 bis 3 zeigt einen Solarabsorber 15, wobei nach Fig.3 die u-förmigen, gleichartigen offenen Hohlräume 12 durch jeweils zwei nebeneinanderliegende Solarabsorber 15 gebildet sind, wobei jeder Solarabsorber 15 eine Grundplatte 1 und die einseitig, senkrecht zur Grundplatte 1 und parallel zu den Längsseiten 8 und 11 der Grundplatte 1 angeordneten Kühl- und Strömungsflächen 2 besitzt. Die Hohlräume 12 sind zur Einstrahlungsseite 13 hin und an den Stirnseiten 6 und 7 offen, so daß die aus beliebiger Richtung einfallende Sonneneinstrahlung 14 maximal absorbiert und die von außen anströmenden Medien Luft, Feuchte und Regen gleichmäßig verteilt und optimal abgekühlt werden. Zur weiteren Erhöhung der gesamten Wärmeaustauschfläche im Konvektionsbetrieb können Flossen 2a vorgesehen sein, welche in die von der Grundplatte 1 und den Kühl- und Strömungsflächen 2 gebildeten, u-förmigen, gleichartigen offenen Hohlräume 12 hineinragen, und welche mit den KOhJ- und Strömungsflächen 2 wärmeleitend verbunden sind. In die Kühl- und Strömungsflächen 2 sind die Absorberrohre 3 integriert Der Solarabsorber 15 weist Anschlußstücke 9 und 10 zur Verbindung der Absorberrohre 3 auf. Zur Ausbildung einer wasserundurchlässigen Dachhaut von neben- und hintcreinanderliegenden Solarabsorbern 15 sind die aneinandergrenzenden Stirnseiten 6 und 7 sowie die aneinandergrenzenden Längsseiten 8 und 11 der Grundplatte 1 mit ineinandergreifenden Profilen versehen. Auf der Unterseite des Solarabsorbers 15 sind eine Wärmeisolierung 5 und Montageeinrichtungen 4 angebrachtThe embodiment in FIG. 1 to 3 shows a solar absorber 15, with the U-shaped, similar open cavities 12 are each formed by two adjacent solar absorbers 15, each solar absorber 15 has a base plate 1 and one side, perpendicular to the base plate 1 and parallel to it has cooling and flow surfaces 2 arranged on the longitudinal sides 8 and 11 of the base plate 1. The cavities 12 are open towards the irradiation side 13 and at the end faces 6 and 7, so that the out Any direction incident solar radiation 14 is maximally absorbed and the incoming from the outside Media air, humidity and rain are evenly distributed and optimally cooled. To further increase the entire heat exchange surface in convection mode can be provided fins 2a, which in the U-shaped, identical, formed by the base plate 1 and the cooling and flow surfaces 2 open cavities 12 protrude, and which with the KOhJ- and flow surfaces 2 are thermally conductive are connected. The absorber tubes 3 are integrated into the cooling and flow surfaces 2. The solar absorber 15 has connecting pieces 9 and 10 for connecting the absorber tubes 3. To form a waterproof The roof skin of solar absorbers 15 lying next to and behind one another are the adjacent ones End faces 6 and 7 and the adjacent longitudinal sides 8 and 11 of the base plate 1 with interlocking profiles. Thermal insulation 5 is located on the underside of solar absorber 15 and mounting devices 4 attached

In F i g. 4 ist die Anordnung der ri-:rch Serien- und Parallelschaltung miteinander verbundenen Solarabsorber 15 des Wärmeversorgungssystems als Teilsystem einer Wärmepumpenanlage dargestelltIn Fig. 4, the arrangement of the ri - RCH series and parallel connection connected solar absorber 15 each shown of heat supply system as a subsystem of a heat pump system

Auf einer geneigten Dachkonstruktion bilden die miteinander verbundenen Solarabsorber 15 eine dauerhaft wasserundurchlässige Dachhaut Die in den Kühl- und Strömungsflächen 2 integrierten Absorberrohre 3 werden über die Zuleitung 16 mit einem Wärmeträgermedium versorgt das die Absorberr?hre 3 in der Richtung 18 durchströmt und über die Ableitung 17 abströmt. Das Wärmeträgermedium, welches die von den Kühl- und Strömungsflächen 2 und den Flossen 2a aus Sonneneinstrahlung und Abkühlung der Umgebung aufgenommene Wärme transportiert wird über einen Solarwärmespeicher 20 einer Wärmepumpe 21 zugeführt Die Wärmepumpe 21 gibt die von den Solarabsorbern 15 zugeführte Wärme an den von einer Umlaufpumpe 22 betriebenen Wärmeverbraucherkreis auf einem entsprechend höheren Temperaturniveau weiter. In diesem Kreis werden die angeschlossenen Wärmeverbraucher — ein Wärmespeicher 23, eine Raumheizungsanlage 24 und eine Brauchwasserversorgung 25 — mit der benötigten Wärmemenge versorgt.The interconnected solar absorbers 15 form a permanent structure on a sloping roof structure water-impermeable roof skin The absorber pipes 3 integrated in the cooling and flow surfaces 2 are supplied with a heat transfer medium via the supply line 16 which the absorber tube 3 in the Flows through direction 18 and flows out via discharge line 17. The heat transfer medium which the the cooling and flow surfaces 2 and the fins 2a from solar radiation and cooling of the environment The heat absorbed is transported via a solar heat storage device 20 to a heat pump 21 The heat pump 21 is the heat supplied by the solar absorbers 15 to the one Circulating pump 22 operated heat consumer circuit at a correspondingly higher temperature level Further. In this circuit, the connected heat consumers - a heat storage 23, a Space heating system 24 and a service water supply 25 - supplied with the required amount of heat.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (3)

Patentansprüche; 10Claims; 10 1. Wärmeversorgungssystem zur ganzjährigen Versorgung von Gebäuden mit warmem Brauchwasser und Raumheizwärme mittels vorgefertigter Solarabsorber im Baukastensystem als Teilsystem einer Wärmepumpenanlage, wobei die Solarabsorber ein Energiedach oder eine Energiefassade zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Sonneneinstrahlung und aus der Umwelt bilden und zum Energietransport ein Wärmeträgermedium in zumindest einem Absorberrohr zirkuliert, das mit dem Solarabsorber einstückig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Solarabsorber (15) aus einer in einer Ebene angeordneten Grundplatte (1) besteht, auf der einseitig, senkrecht zur Grundplatte (1) und parallel zu den Längsseiten (8, 11) der Grundplatte (1) ausgerichtete Kühl- und Strömungsflächen (2) mit integrierten Absorberrohren (3) angebracht sind und daß die Kühl- und Μ Strömungsflächen (2) zur Einstrahlungsseite (13) hin und an den Stirnseiten (6,7) des Solarabsorbers (15) gleichartige offene Hohlräume (12) bilden.1.Heat supply system for the year-round supply of buildings with hot water and space heating by means of prefabricated solar absorbers in a modular system as a subsystem of a heat pump system, whereby the solar absorbers form an energy roof or an energy facade for generating thermal energy from solar radiation and from the environment and a heat transfer medium in at least one for energy transport Circulating absorber pipe, which is formed in one piece with the solar absorber, characterized in that a single solar absorber (15) consists of a base plate (1) arranged in one plane, on which one side, perpendicular to the base plate (1) and parallel to the longitudinal sides (8 , 11) the base plate (1) aligned cooling and flow surfaces (2) with integrated absorber tubes (3) are attached and that the cooling and Μ flow surfaces (2) towards the irradiation side (13) and on the end faces (6,7) of the solar absorber (15) form similar open cavities (12). 2. Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (12) durch die Anordnung mehrerer Solarabsorber (15) nebeneinander gebildet sind.2. Heat supply system according to claim 1, characterized in that the cavities (12) are formed by the arrangement of several solar absorbers (15) next to each other. 3. Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hohlräume (12) seitlich von den Kühl- und Strömungsflächen (2) ausgehende und parallel zur Grundfläche (1) verlaufende Flossen (2a) hineinragen, welche mit den Kühl- und Strömuügsfläcßjn (2) wärmeleitend verbunden sind. 3. Heat supply system according to claim 1, characterized in that fins (2a) protrude into the cavities (12) laterally from the cooling and flow surfaces (2) and extend parallel to the base surface (1), which fins (2a) with the cooling and flow surfaces ( 2) are connected in a thermally conductive manner.
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