DE3608197A1

DE3608197A1 - Glas-satteldach-luftkollektor zur versorgung einer waermepumpe oder eines waermetauschers

Info

Publication number: DE3608197A1
Application number: DE19863608197
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dipl I Ottensmeyer; Lutz Dipl Ing Gottschalk
Original assignee: GOTTSCHALK LUTZ DIPL ING TU; OTTENSMEYER HANS ULRICH
Current assignee: GOTTSCHALK LUTZ DIPL ING TU; OTTENSMEYER HANS ULRICH
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1987-09-17

Description

1. Bestehende Heizungsanlagen:

Die übliche Gebäudeheizung geschieht durch Erdöl-, Kohle- oder Gasbefeuerte Brenner. Die durch Dachflächen, Fenster, Außenwände und Keller entweichende Wärmemenge wird dabei insoweit ersetzt, daß sich die gewünschte Temperatur differenz zur Außenluft einstellt.

Ähnliche Heizungssysteme lassen sich mit Wärmepumpen betreiben. Wärme pumpen entnehmen der Außenluft, dem Boden oder eigens eingerichteten Kollektoren die Wärmeenergie der Umgebung und transformieren sie auf eine ausreichende Temperatur, die für den Betrieb einer Warmwasserheizung ausreicht.

Wärmepumpen erreichen Wirkungsgrade um 200%, d.h., zur für den Antrieb verwendeten Energie wird noch ein gleicher Energieanteil aus der Umgebung zugefügt.

Der Nachteil von elektrisch betriebenen Wärmepumpen liegt darin, daß durch thermodynamische Verluste in den Kraftwerken nur etwa ein Drittel der eingesetzten Energie in Strom verwandelt wird (der Wirkungsgrad liegt bei dieselmotorischem Betrieb am höchsten, bei Kernenergie am niedrigsten), bis zum Verbraucher entstehen weitere Übertragungsverluste.

Mit Kolbenmotoren betriebene Wärmepumpen können die Verlustwärme aus dem Kühlwasserkreislauf und dem Abgas zusätzlich nutzen, ihre Wirkungsgrade liegen höher. Die Standzeit bei kleinen Anlagen bereitet allerdings noch Probleme, die Kosten für solche Anlagen sind sehr hoch.

2. Wärmegewinnung mit dem beschriebenen Glas-Satteldach-Luftkollektor:

Messungen von mit Glas abgedeckten Kollektoren ergaben, daß die Temperatur bei starker Sonneneinstrahlung deutlich über der Umgebungstemperatur liegt (Größenordnung 50°C), auch bei bedecktem Himmel ist noch eine beachtliche Temperaturerhöhung gegeben.

Insbesondere bei Sonnenschein steht ein großes Energiepotential zur Verfügung: ein Haus von z.B. 100 qm Grundfläche verfügt unabhängig von der Dachform über eine von der Sonne beschienene Fläche um 50 qm. Bei einer Einstrahlungsleistung von 1 KW/qm stehen also ca. 50 KW Leistung zur Verfügung, was auch bei niedrigem Wirkungsgrad im Sommer zum Heizen ausreicht.

Die vorgenannte Heizungsanlage nutzt je nach Temperaturverhältnissen mit und ohne Betrieb einer Wärmepumpe diese Energiemenge.

Wird unterhalb der Sparren eine dunkel gestrichene Verschalung mit Isolie rung angebracht, dann entsteht zwischen Dachpfannen und Verschalung eine Luftschicht, die durch die Sonne bzw. die Dachziegel besonders aufgewärmt wird. Werden an der unteren Ziegelreihe kleine Öffnungen angebracht, ergibt sich ein Luftstrom zum Dachfirst hin. Unterhalb des Dachfirstes läßt sich ein einfacher Luftkanal gestalten. Wird an einem Endes dieses Luftkanals ein schwaches Gebläse und ein leistungsfähiger Wärmetauscher eingebaut, dann kann mit diesem Luftstrom das Heizungswasser des Hauses angewärmt werden. Nach Durchtritt durch den Wärmetauscher soll die Luft ähnlich wie aus einem Schornstein ins Freie gelangen.

Energie ist lediglich für den Betrieb des Lüfters und der Umwälzpumpen des Wasserkreislaufs notwendig.

Wird eine Seite des Daches besonders beschienen, dann wird durch die Luft ausdehnung diese Seite im besonderen Maße Warmluft nach oben befördern, während die der Sonne abgewandte Seite weitgehend passiv bleibt.

Je nach Isolierung des Hauses gelangen 20 bis 30% der Heizwärme durch das Dach ins Freie. Diese Heizenergie wird bei dem oben beschriebenen System zurückgewonnen, da der Luftstrom zwischen Pfannen und innerer Sparrenver kleidung mit angewärmt wird.

Bei Betrieb dieser Anlage nur mit einem Lüfter steht nicht die volle Sonnen leistung von 1 KW/qm zur Verfügung, da die Glaseindeckung einen noch zu bestimmenden Energieanteil auch nach außen an die Umgebungsluft abgibt.

Bei tieferen Außentemperaturen leistet das oben beschriebene System zu wenig. Zwar wird eine große Energiemenge durch den Wärmetauscher geführt, die Temperatur ist bei niedrigeren Außentemperaturen und wenig Sonnenein strahlung jedoch nicht ausreichend. Für diesen Fall muß eine Wärmepumpe zwischengeschaltet werden, die für eine genügend hohe Temperatur des Heizkreislaufs sorgt. Im Gegensatz zu einer Grundwasser oder Luft-Wärmepumpe üblicher Bauart wird hier jedoch die Sonnen- und Umgebungsenergie genutzt, wobei die Dachfläche als vergleichsweise sehr großer Kollektor dient. Hierin liegt der energiemäßige Vorteil gegenüber anderen Wärmepumpensystemen, die Zuluft wird durch die Sonne bzw. durchs Dach austretende Heizenergie vorgewärmt. Es entsteht auf diese Art und Weise ein sehr preiswerter, großer Kollektor, der im wesentlichen aus ohnehin vorhandenen Bauteilen zusammen gesetzt ist. Da Dachflächen im Gegensatz zu im Garten aufgestellten Kollektoren aufgrund ihrer Höhe fast immer besonnt sind ergeben sich die entsprechenden Energievorteile.

Die Vorwärmung der Zuluft durch Sonne und durch im Haus zum Dach aufsteigende Wärme dürften bei einer guten Isolierung der Außenwände bzw. der Fenster auch im Winter ausreichen, um einen Heizbetrieb nur mit einer Wärmepumpe zu ermöglichen.

Eine hier einzusetzende Wärmepumpe muß bestimmte Anforderungen erfüllen. Aufgrund des Einbaus innerhalb des Hauses ist eine sehr geräuscharme Kon struktion vonnöten, der Antrieb erfolgt auch aus Gründen der Regelungstechnik am besten elektrisch. Im Gegensatz zu den meisten elektrisch betriebenen Wärmepumpen sollte diese Bauart in der Übergangs- und Winterzeit ständig laufen, die Leistung sollte - evt. über Thyristorsteuerung am besten über die Drehzahl geregelt werden. Auf diese Weise wird die kontinuierlich von der Dachfläche aufgenommene Wärmeenergie am günstigsten genutzt.

Im Hochsommer kann die oben beschriebene Anlage bei Betrieb nur des Lüfters (ohne Umwälzpumpe für das Heizwasser) auch als Klimaanlage genutzt werden, da die unter dem Dach entstehende Wärme abgesaugt wird. Die in einem Gebäude leichter Konstruktion leicht entstehende hohe Innentemperatur kann auf diese Weise gesenkt werden.

Selbstverständlich kann auf diese Weise auch Brauchwasser angewärmt werden.

Bei weiter fortschreitender Entwicklung ist der Betrieb mit gasgetriebe nem Stirlingmotor sinnvoll.

Claims

1. Glas-Satteldach-Luftkollektor zur Versorgung einer Wärmepumpe oder eines Wärmetauschers, bei dem als Wärmequelle durch Sonnenener gie erwärmte Luft genutzt wird, gekennzeichnet durch folgen den Aufbau:

a) Ausbildung von zum Dachfirst führenden Luftkanälen unterhalb von Glasdachziegeln durch Anbringung einer Verschalung und einer Wärmedämmung unter der Verschalung, die unter dem First in ei nen zentralen, zu einem Hausgiebel führenden Luftkanal münden,
b) Gestaltung von einseitig wärmedämmenden Glasziegeln oder großflächigen Glasdachelementen,
c) Aufbringung von dunkler Farbe auf die Konstruktion unter halb der Glaselemente
d) Anbringung von im Querschnitt einstellbaren Lüftungsgittern an den unteren Enden der zum First führenden Luftkanälen
e) Montage eines Wärmetauschers und/oder einer Wärmepumpe an einem Ende des unter dem First verlaufenden zentralen Luftkanals, zum Erwärmen von Heizungs - und/oder Brauchwasser eines Gebäudes.

2. Glas-Satteldach-Luftkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Glaselemente in eine bestehende Dach eindeckung mit Ziegeln einpassen lassen und daß nicht von der Sonne beschienene Dachflächen normal mit Ziegeln eingedeckt werden.

3. Glas-Satteldach-Luftkollektor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum besseren Wärmeübergang horizontal ver laufende Querrippen aus geeigneten Materialien in die zum First verlaufenden Luftkanäle montiert werden, die durch Vergrößerung der Fläche und Verwirbelung der Luft einen besseren Wärmeüber gang ermöglichen.