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Als begehbarer Weg ausgebildeter Solarkollektor, insbesondere
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zur Bodenerwärmung im Gartenbau Im Gegensatz zu südlicheren Ländern
ist unsere nördliche Klima zone beim Anbau von Nutz- und Kulturpflanzen dadurch
benachteiligt, daß der Erdboden im Winter gefriert und im Frühjahr sehr viel Sonnenenergie
benötigt wird, um das zwischen den Bodenkrumen befindliche Eis zu schmelzen. Vergleicht
man im Frühjahr die Intensität der Sonneneinstrahlung mit der Bodentemperatur, so
stellt man eine erhebliche Phasenverschiebung fest, die bis zu 3 Monate betragen
kann. Um dennoch den Boden früh zum Anbau nutzen zu können, bedient man sich seit
alters her sogenannter Frühbeetanlagen. Z. B. kann man den Boden durch die Wärme,
die bei der Verrottung von Pferdemist und Stroh entsteht, aufheizen. In heutiger
Zeit erfolgt in größeren Gärtnereien die Bodenaufheizung meist durch mit fossiler
Energie erwärmtes, in Rohren zirkulierendes Wasser.
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Klein- und Hobbygärtner verwenden häufig elektrische Beheizung mit
Bodenkabeln.
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Wegen steigender Energiekosten sind vereinzelt auch schon Solarkollektoren
zur Erwärmung von in Bodenrohren zirkulierendem Wasser eingesetzt worden, wobei
man auf handelsübliche Dachkollektoren und deren Pump- und Regel systeme zurückgriff.
Leider sind diese Systeme wegen besonderer Anforderungen bezüglich Dichtigkeit und
Wirkungsgrad recht teuer
und erfordern erhebliche Stellflächen,
die in gärtnerischen Anlagen oft nicht vorhanden sind. Im Gegensatz zu Wohnhäusern
kommt ein Aufbau der Kollektoren auf dem Dach gläserner Gewächshäuser nicht in Betracht.
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Frühbeetkulturen sind wegen des Heranziehens der Sämlinge, Pikieren
oder Auslichten, Pflanzenschutz, Beschatten und Lüften und raschen Folge neuer Kulturen
sehr arbeitsintensiv.
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Zwischen den Beeten wird zwecks guter Zugänglichkeit viel Wegfläche
benötigt. Das Verhältnis von Wegfläche zu Beetfläche beträgt etwa 1 : 2,5. Als erfinderische
Lösung wird nunmehr vorgeschlagen, die auf die Wegfläche auftreffende Sonneneinstrahlung
zur Aufheizung des Erdbodens von benachbarten Frühbeeten zu nutzen. Bei einer im
Frühjahr bereits häufigen Sonneneinstrahlung von z. B. 1 kW/m² und einem Wirkungsgrad
der Anlage, die die Solarwärme dem Frühbeeterdboden zuführt, von z. B. 75 %, beträgt
die im Erdboden verwertbare Heizleistung 250 W/m2. Der Erdboden mit seiner großen
Wärmekapazität dient hierbei gleichzeitig als Speicher, der die Tag/Nacht-Temperaturzyklen
ausgleichen hilft.
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Die zur Umsetzung der auf die Beetwege einfallenden Solarenergie in
transportierbare, dem Erdboden zuführbare Wärme dienende Anordnung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sie im Bereich der Wege aus trittfesten, begehbaren Solarkollektoren mit lichtdurchlässiger
Abdeckung und eingebautem Absorber besteht. In diesem wird entweder eine durch Umlaufpumpen
umgewälzte Flüssigkeit erwärmt oder, nach dem Prinzip der Wärmerohre, eine Flüssigkeit
zum Verdampfen gebracht, die im Rohrsystem der kühleren Frühbeeterde kondensiert
und m. H. von Kapillar- oder Schwerkraftwirkung schließlich in den Absorber des
Beetwegkollektors zurückkehrt. Durch die Ausbildung der Frühbeetwege als trittfeste
Solarkollektorelemente kann das ansonst übliche Belegen der Wege mit Betonplatten
entfallen, d. h. ein Teil der Kosten für die Wegkollektoren wird durch
Einsparung
von Betonplatten und deren Verlegearbeit kompensiert. Im Gegensatz zu Dachkollektoren
brauchen an derartige Wegekollektoren keine besonderen Dichtigkeitsanforderungen
gestellt werden. Sollte einmal eine Schlauchverbindung von Flüssigkeitskollektoren
undicht werden, so läuft lediglich etwas Wasser in das benachbarte Beet, ohne größere
Folgeschäden zu verursachen . Um dem Sicherheitsrisiko der Elektrizitätsanwendung
im Gartenbau entgegenzutreten, wird ferner eine Kollektorbauweise vorgeschlagen,
bei der das Luftvolumen im Kollektor über einen Pumpbehälter und eine Einwegventilgruppe
selbsttätig und in Rückkopplung mit dem kälteren Absorberwasser das zyklische Umwälzen
des flüssigen Wärmeträgers bewirkt, wobei die Umwälzhäufigkeit direkt der Sonneneinstrahlung
proportional ist.
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Die Anwendung der erfinderischen Lösung ist nicht auf den Gartenbau
beschränkt. So kann es z. B. im Zusammenhang mit der Errichtung neuer Wohnviertel
sinnvoll sein, einen Teil der Fußwege oder sogar Fahrwege anstelle von Betonplatten
oder Asphalt aus Wegsolarkollektorelementen mit Abdeckung durch gerilltes Industrieglas
auszuführen, um die anfallende Solarwärme in benachbarten Häusern zur Brauchwasser-Erwärmung
oder Ubergangsheizung zu nutzen. Zur Sauberhaltung dient ein ausreichendes Gefälle
in Richtung Drainage und ggf.
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ein Sprenklerrohr, das bei zu starker Verschmutzung kurzzeitig die
Rillen der Glasabdeckung ausspült.
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Zur näheren Beschreibung des Anmeldegegenstandes bedarf es der zeichnerischen
Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt: Figur 1 einen Wegsolarkollektor in einfacher handwerklicher
Fertigung mit Flüssigkeitszwangsumlauf
Figur 2 einen Wegsolarkollektor
ähnlich Figur 2, Jedoch für industrielle Serienfertigung Figur 3 die Zuordnung einer
durch den Luft innendruck des Solarkollektors betätigten, der Solarenergie proportionalen
Flüssigkeitsumwälzung Figur 4 eine Wegsolarkollektoranordnung, die nach dem Wärmerohr-(Heat
Pipe)-Prinzip arbeitet Figur 5 die leichte Stapelbarkeit und das geringe Transportvolumen
der gemäß Figur 4 ausgebildeten Solarkollektoren Figur 6 den Einsatz von Wegsolarkollektoren
als Fußweg zwecks Versorgung benachbarter Wohneinheiten mit warmen Brauchwasser
und zur Ubergangsheizung.
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Der in Figur 1 dargestellte, handwerklich herstellbare Wegsolarkollektor
hat einen Boden 1 z. B. aus imprägniertem Holz, zwei Seitenstützen 2 und 3 und zur
Versteifung und Aufnahme des Gewichtes der auf dem Kollektor laufenden Menschen
eine Mittelstütze 4. Zur Wärmedämmung dient z. B. geschäumter Kunststoff, der an
den Seiten 5 und 6 und am Boden 7 angeordnet ist. In den dieserart gebildeten wärmegedämmten
beiden Kammern befindet sich je ein Absorberblech 8 und 9 aus gut wärmeleitendem
Material, das fest mit den die zu erwärmende Flüssigkeit führenden Rohren 10a ud
mob verbunden ist. Beide Kammern sind zum Sonnenlicht hin mit einer transparenten
Abdeckung 11 verschlossen. Sie besteht aus armiertem Industrieglas oder glasfaserarmiertem
Kunststoff. Zur Minderung der Wärmeverluste kann durch Bildung zusätzlicher Luftkammern
mit Hilfe zwischengelegter transparenter Kunststoffolien 12 und 13 beigetragen werden.
Die Abmessungen eines wie vorgenannt aufgebauten Wegsolarkollektors betragen bei
Einsatz im Gartenbau
zweckmäßigerweise etwa 30 - 50 cm Breite bei
etwa 10 cm Höhe und 200 - 300 cm Länge.
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Figur 2 zeigt einen mit Figur 1 funktionsgleichen Wegsolarkollektor,
der Jedoch ein in industrieller Serienfertigung aus Hartschaumstoff hergestelltes
Gehäuse 14 hat, mit dem die armierte, transparente und zwecks leichterem Ablauf
von Regenwasser und erhöhter Formsteifigkeit gewölbte Kunststoffplatte 15 verbunden
ist. Für die Absorber 16 und 17 kommen die bereits in Serienfertigung bewährten
Aluminium-Aufblas-Bauweisen in Betracht.
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In Figur 3 ist einem Wegsolarkollektor der Bauweise gemäß Figur 2
ein unmittelbar mit Sonnenenergie arbeitendes Flüssigkeitsumwälzsystem zugeordnet.
Wesentliche Voraussetzung zu dessen Funktion ist, daß die Luft im Solarkollektor
hermetisch abgeschlossen ist und deren temperaturabhängiger Volumenausgleich einzig
und allein über das Luftrohr 18 erfolgen kann.
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Bei steigender Temperatur leistet die expandierende Kollektorluft
nunmehr in einem in einem Wassergefäß 19 stehenden Pumpgefäß 20 Verdrängungsarbeit.
Durch die Gleichrichterwirkung der Ventilgruppe 21 und 22 kann das von der erwärmten
Kollektorluft benötigte Zusatzvolumen nur dadurch erreicht werden, daß das kühle
Wasser des Pumpgefäßes durch das Rohr 23 nach oben und somit in den Absorber des
Kollektors gedrückt wird.
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Dabei entzieht das kühle Wasser über die große Absorberoberfläche
der Umgebung und somit auch der Kollektorluft Wärme.
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Der Druck der Kollektorinnenluft sinkt ab. Über Ventil 22 füllt sich
das Pumpgefäß wieder mit Wasser. Ein neuer Zyklus kann beginnen. Bei diesem in sich
selbst rückgekoppelten Kreisprozeß dient die Sonne als Energielieferant und das
im Anschluß an den Kollektor vom erwärmten Wasser in Rohren 24 durchflossene Erdreich
25 als Kühler. Die Anzahl Zyklen pro Zeiteinheit ist dabei der Solarenergie proportional
und von den thermischen Zeitkonstanten der am Wärmetauscherprozeß beteiligten Kompo-
nenten
abhängig. Ein besonderer Vorteil vorgenannter Anordnung ist, daß weder elektrischer
Strom samt dessen Zuleitung zu Pumpen noch eine das Ein- und Ausschalten von Elektropumpen
bewirkende Meß-, Regel- und Schalteinrichtung notwendig'ist.
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Ein gleichermaßen sich selbst regelnder, ohne elektrischen Strom arbeitender
Betrieb von Wegsolarkollektoren ist unter Nutzung des Wärmerohr-(Heat Pipe)-Prinzips
möglich. Figur 4 zeigt schematisch eine solche Anordnung. Mit 26 ist das wärmedämmende
Gehäuse des Wegkollektors und 27 dessen transparente Abdeckung bezeichnet. Der Wärmetauscher
28 besteht vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitendem, zugleich aber gegen
die im Boden enthaltene Humus säure resistenten Material. Er ist mit Rohren 29 durchsetzt,
die einen unmittelbaren, schnellen und mit hohem Wirkungsgrad erfolgenden Wärmetransport
vom warmen Wegkollektor zum benachbarten kühlen Erdboden 30 bewirken. Zu diesem
Zweck sind die Rohre 29 mit einer Flüssigkeit gefüllt, die durch die Wärme im Kollektor
zum Vert dampfen kommt und im Bereich des Erdbodens unter Abgabe beträchtlicher
Wärmemengen kondensiert, um schließlich mit Hilfe der Wärmerohre in den Verdampferbereich
des Kollektors zurückzukehren. Hiermit ist ein fast isothermer Wärmetransport vom
Beetweg zur Unterseite der Gartenerde des Beetes mit einer Wärmestromdichte möglich,
die mehrere 100 mal größer ist als durch normale Wärmeleitung z. B. mit Hilfe eines
dicken Kupferbleches.
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Die Verlegung vorgenannter Wegkollektoren ist denkbar einfach.
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Es gibt weder komplizierte Installationen noch Sicherheitsrisiken.
Figur 5 zeigt die gute Stapelbarkeit solcher Wegkollektorelemente und deren geringes
Transportvolumen. Während bei den Wegsolarkollektoren gemäß Figur 1 und 2 sowohl
im Kollektor wie im Beet das Wärmetransportmittel Flüssigkeit in Längsrichtung des
Beetes fließt, ist beim Wärmerohrkollektor wegen des kürzeren Weges und der gleichmäßigeren
Wärmeverteilung
im Beet die Querrichtung vorteilhafter. Hier sind
Einzelelemente mit etwa Quadratform, die in Längsrichtung der Beetes aneinandergelegt
werden, von Vorteil. Damit die großflächig an die Beeterde abgegebene Wärme ggf.
nicht in die falsche Richtung, also nach unten abfließt, kann eine (Jnf*Criig der
Wärmetauscherfläche mit Drainage-Hartschaum (siehe 31 in Figur 4) nützlich sein.
Um einen Wasserstau zu vermeiden, sind im Wärmetauscherblech im Erdbodenbereich
Drainagelöcher vorzusehen.
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Durch seitliches Hochziehen der Kanten vorgenannten Wärmerohr-Wegsolarkollektors
ergibt sich als Variante ein kompletter Frühbeetkasten, der lediglich noch einer
transparenten Abdeckung (Folie, Glasfenster) bedarf, und weder biochemische noch
elektrische Bodenbeheizung benötigt.
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Figur 6 zeigt den Einsatz von Wegsolarkollektoren als Elemente eines
Fußweges in unmittelbarer Nachbarschaft von Wohneinheiten. 32 sei ein mit Solarwärme
zwecks Warmwasserbereitung und Übergangsheizung zu versorgendes Haus. Statt; mit
Dachkollektoren wird es durch Wegkollektoren versorgt. Das ist dort von Vorteil,
wo ästhetische Gesichtspunkte oder eine ungeeignete Dachkonstruktion (falsche Richtung
zur Sonne, zu schwaches Dachgebälk, mit Gauben durchsetzter Altbau usw.) die Anwendung
von Dachkollektoren nicht zuläßt. Mit 33 sind die isoliert im Erdboden verlegten
Rohre zwischen Haus und Wegkollektoren bezeichnet.
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Ein einzelnes Wegelement 34 habe eine Länge entsprechend der Bürgersteigbreite.
Es ist mit Gefälle in Richtung Bordstein 35 und Entwässerungskulli 36 verlegt. Als
Abdeckung 37 dient in Gefällerichtung aus Gründen der Rutschsicherheit gerilltes
Industrieglas. Die in Längsrichtung des Bürgersteiges angeordneten Einzelelemente
geben ihre Absorberwärme an die im Rohrkanal 38 verlegten Sammelrohre 33 ab. Ein
mit der Rohrkanalabdeckung kombiniertes Sprenklerrohr 39 dient bei stärkerer Verschmutzung
der Glasrillen der Kollektorabdeckung durch einen
kurzen, manuell
oder automatisch ausgelösten Wasserschwall zur Reinigung (Vergl. PKW-Scheibenwaschanlage).
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Geht man von einem kleineren quadratischen Eigenheimgrundstück von
400 m2 aus, von dem 100 m2 überbaut sind, 20 lfdm des Grundstückes an den 1,5 m
breiten Bürgersteig angrenzen, so sind 30 m2 Wegsolarkollektoren relativ kostensparend
unterbringbar, wenn die hohen Kosten von Dachkollektoren und deren Montage den geringen
Verlegekosten der Wegkollektoren und der Ersparnis einer ansonst notwendigen Verlegung
von Betonplatten als Fußwegbefestigung gegenübergestellt werden. Vorteilhafterweise
wird der Wärmesammelrohrkanal an der Grundstücksgrenze gleich so bemessen, daß er
die anderen öffentlichen Installationen (Strom, Gas, Wasser, Telefon, Straßenbeleuchtung)
mit aufnehmen kann, so daß das häufige kostenaufwendige Aufreißen von Straßen und
Fußwegen für alle Zeit überflüssig wird.
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Nachteilig für Wegsolarkollektoren gegenüber unter 45 ° nach Süden
ausgerichteten Dachkollektoren ist die z. B. Mitte März und Anfang Oktober um etwa
30 % kleinere nutzbare Sonneneinstrahlung. Dies muß, falls es der Wärmebedarf erfordert,
ggf.
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durch mehr Kollektorfläche kompensiert werden.
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Der Wegsolarkollektor bietet zusätzlich Eigenheimbesitzern eine einfache
Möglichkeit, sich selbst mit Solarenergie zu versorgen, ohne Bau- oder sonstige
Aufsichtsbehörden befragen zu müssen. Dazu genügt es,im eigenen Gartengrundstück
in frei wählbarer Anordnung, mit guter Isolation zum Erdboden hin, begehbare Wegsolarkollektoren
zu verlegen. Hierfür bietet sich u. a. der meist etwa 20 m2 große Platz fürs Wäscheaufhängen
an.
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Auch auf der Südseite des Hauses gelegene Terassen- oder Freizeitflächen
sind geeignet, oder man opfert schließlich von der bei vielen Eigenheimen oft zu
großen Rasenfläche ein dem Haus am nächsten gelegenen, sonnigen Randstreifen für
die Verlegung von Wegsolarkollektoren.
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8 Ansprüche 6 Figuren
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