DE4103344C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor in der Ausbil­ dung als Speicherkollektor bestehend aus einem mit Flüs­ sigkeit gefüllten, horizontal angeordneten, flachen Speichersack aus Kunststoff und aus einem rohrförmigen, einer zu erwärmende Flüssigkeit führenden Wärmetauscher in Wärmeleitkontakt mit dem Speichersack. In einem Speicherkollektor werden der eigentliche Solarkollektor und der Speicher einer Anlage zum solaren Erwärmen von Wasser oder dergleichen funktionell vereinigt.

Für Flachdächer erwies sich als besonders kostengünstig eine Anlage, bei der ein horizontal liegender Sack aus Plastikfolie, auf dessen Unterseite eine schwarz gefärbte Plastikfolie als Solarabsorber dient, den Speicherkollek­ tor bildet. Im Innern des 5 bis 10 cm hoch mit Wasser ge­ füllten Sackes befindet sich ein meist spiralförmig ange­ ordnetes Kupferrohr, durch das das zu erwärmende Wasser hindurchströmt. Anfang und Ende dieses als Wärmetauscher dienenden Rohrs müssen wasserdicht durch die den Sack bil­ dende Kunststoff-Folie hindurchgeführt werden.

Diese Durchführungen sind ein entscheidender Schwachpunkt der vorgenannten Anlagen, da sich die thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten von Kupfer und Kunststoff stark unter­ scheiden, jeder Kunststoff sich mit der Zeit plastisch verformt und darüber hinaus an Elastizität verliert. Hierdurch entstehen Undichtheiten. Hinzu kommt, daß der Kunststoff-Sack an einer Seite eine so breite Öffnung ha­ ben muß, daß das gebogene Kupferrohr, das fast so breit sein muß wie der Sack, in ihn hineingeschoben werden kann. Um Transportschäden am Kunststoff-Sack zu vermeiden, kann im Normalfall das Kupferrohr erst vor Ort in den Sack ein­ gesteckt werden, was zeitaufwendig ist. Der mechanische Verschleiß der durch die Einführung des Kupferrohrs in dem Plastiksack notwendigen, breiten Öffnung stellt einen wei­ teren Schwachpunkt der Anlage dar.

In der CH 4 91 341 wird ein als Speicherkollektor ausge­ bildeter Solarkollektor beschrieben, der eine geschlossene Umhüllung aus Kunststoff besitzt. Die dem Licht zuzuwen­ dende Vorderseite der Umhüllung ist für Sonnenlicht durch­ lässig, die Rückseite ist mit einer Isolierung ausgestat­ tet. Im Bereich zwischen Vorder- und Rückseite befinden sich Zwischenwände für eine Vorheizung und eine Heizung von Flüssigkeit. Eine flächige Berührung von Vorder- und Rückseite sowie der Zwischenwände wird durch Abstandhalter ausgeschlossen. Mit jeder der Zwischenwände wird eine eine Wärmetauscherflüssigkeit führende Leitung im Zickzack aufgebracht. Jede dieser Leitungen berührt nur die zugehörige Zwischenwand. Der luftgefüllte Raum zwischen den Zwischenwänden und der Vorder- und Rückseite der Anlage ist allseits geschlossen, um Luftturbulenzen und Wärmeverluste an den Zwischenwänden zu vermeiden. Auch bei dieser Anlage befinden sich also alle die Wärmetauscher­ flüssigkeit führenden Teile im Innern einer geschlossenen Umhüllung aus Kunststoff, so daß entsprechende, störanfäl­ lige Durchführungen zum Ableiten bzw. Zuleiten der erwärm­ ten oder zu erwärmenden Flüssigkeit erforderlich sind.

In der US 41 11 189 wird ein Solarkollektor beschrie­ ben, bei dem der Wärmetauscher innerhalb eines Wärmespei­ chermediums liegt. Das das Wärmespeichermedium aufnehmende Gehäuse und das Speichermedium selbst bestehen aus einem festen Material, so daß eine Positionierung des Kollektors schräg in bezug auf die Horizontale möglich ist.

Ein weiterer Solarkollektor, der auf Dächern anbringbar ist und bei dem ein flüssiges Wärmetauschermedium durch geformte, parallel zueinander verlaufende Kanäle zu führen ist, wird in der DE 30 46 596 A1 beschrieben. Der bekannte Flachkollektor kann aus Folien bestehen, zwischen denen eine in Form eines Kanalsystems ausgebildete Zwangsführung für ein Transportmedium vorgesehen wird. Auch hierbei er­ geben sich Schwierigkeiten am Übergang zwischen dem Kanal­ system innerhalb des Kollektors und den äußeren Anschlüs­ sen.

Ein Solarkollektor mit einer integrierten, als Wärme­ tauscher dienenden Kupferleitung ist aus der DE 26 37 370 A1 bekannt. Im Bekannten werden die Wärmetauscherleitungen aus Kupfer in einem Rahmen zwischen einer Glasplatte und einer darunterliegenden Isolierschicht angeordnet. Die Leitungen selbst sind mit einem Kupfer-Flachmaterial verlötet, das auf der der Sonnenstrahlung zugewendeten Fläche schwarz gestrichen ist, so daß Wärmeenergie aufgenommen werden kann. Da nur das Flachmaterial mit den Wärmetauscherrohren als Absorber dient, ist kein Wärmespeicher vorhanden, der die eingestrahlte Energie sammelt.

Schließlich wird in der FR 25 03 855 ein Wärmetauscher beschrieben, in welchem als Wärmespeichermaterial Paraffi­ ne eingesetzt werden. Paraffine schmelzen je nach Zusam­ mensetzung etwa zwischen 25 und 65°C und sind daher für die Anwendung in vorliegenden Solarkollektoren nicht ge­ eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarkol­ lektor eingangs genannter Art zu schaffen, bei dem der me­ tallische Wärmetauscher nicht innerhalb des wassergefüll­ ten, transparenten Kunststoff-Sacks, sondern ganz außer­ halb dieses Speichersacks angeordnet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß auf den Speichersack ein transparenter, mit Flüssigkeit gefüllter, zweiter flacher Sack aus Kunststoff aufgelegt ist und daß der die Oberfläche des Speichersacks nur teilweise ab­ deckende Wärmetauscher flach zwischen den beiden Säcken liegt.

Normalerweise hätte man erwarten müssen, daß ein nicht in­ nerhalb des Speichersacks angeordneter Wärmetauscher wegen des ungenügenden Wärmeübergangs und der zusätzlich notwendigen Wärmeisolation des Wärmetauschers keinen wirt­ schaftlich brauchbaren Wirkungsgrad lieferte. Trotzdem wird es erfindungsgemäß überraschenderweise möglich, den metallischen Wärmetauscher außerhalb des als Kunststoff- Sack ausgebildeten Speichers anzuordnen, weil nämlich der Wärmetauscher im wesentlichen flächig zwischen dem Speichersack und einem zweiten, ebenfalls aus transparenter Folie bestehenden, mit Flüssigkeit gefüllten Sack eingeklemmt wird.

Erfindungsgemäß werden also in zwei aufeinanderliegenden Säcken aus transparenter Kunststoff-Folie getrennte Flüs­ sigkeitsvolumina vorgesehen, wobei sich in oder unmittel­ bar unter dem unteren Sack ein Absorbermaterial befinden soll, daß die von oben einfallende Sonnenstrahlung ab­ sorbiert und die freiwerdende Wärme an die Flüssigkeit im unteren Sack abgibt. Zwischen den beiden Säcken soll der flache Wärmetauscher, durch den die zu erwärmende Flüssig­ keit hindurchströmt, liegen. Die im unteren Folien- bzw. Speichersack eingeschlossene Flüssigkeit soll ihre solar erzeugte Wärme entweder direkt oder über die Flüssigkeit im oberen Sack, in den durch den Kontakt beider Säcke ein Teil der im unteren Sack gespeicherten Solarwärme abge­ zweigt wird, an den Wärmetauscher abgeben. Ersichtlich darf der flache Wärmetauscher die Oberseite des unten liegenden Speichersacks nur teilweise bedecken, da andern­ falls die Sonnenstrahlung nicht bis in den unteren Sack gelangen und die dortige Flüssigkeit nicht erwärmen könn­ te.

Anhand der schematischen Darstellung in der beiliegenden Zeichnung werden Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Der erfindungsgemäße Solarkollektor besitzt einen insgesamt mit 1 bezeichneten Speicherkollektor, der aus einem mit Flüssigkeit 2 gefüllten, horizontal angeordneten flachen Speichersack 3 (auch Untersack) aus Kunststoff besteht. Zu dem Solarkollektor gehört ferner ein rohrförmiger, eine zu erwärmende Flüssigkeit führender Wärmetauscher 4 in Wärmeleitkontakt mit dem Speichersack 3.

Auf den Speichersack 3 wird erfindungsgemäß ein transparenter, mit Flüssigkeit 5 gefüllter zweiter flacher Sack 6 (auch Obersack) aus Kunststoff aufgelegt. Zwischen die beiden Säcke 3 und 6 wird der die Oberfläche 7 des Speichersacks 3 nur teilweise bedeckende Wärmetauscher 4 flach eingeklemmt. Der Speichersack 3 ist auf seiner Unterseite mit einem Absorber 8, z. B. durch Schwarzfärben der dem oberen Sack 6 gegenüberliegenden unteren Fläche des unteren Speichersacks 3 ausgestattet. Außerdem ist es zweckmäßig, den Speicherkollektor 1 mit einem thermischen Isolator 9 zu versehen.

Der an der Unterseite des Speichersacks 3 befindliche Absorber 8 erwärmt die Flüssigkeit 2 in dem Speichersack 3; diese solar erzeugte Wärme wird einerseits durch die als Plastikfolie ausgebildete Umhüllung des Speichersacks 3 hindurch direkt an den darüberliegenden Wärmetauscher 4, andererseits über die Kontaktflächen zwischen den beiden Säcken 3, 6 an die Flüssigkeit 5 im oberen Sack 6 abgegeben und von hier aus an den unter dem oberen Sack 6 liegenden Wärmetauscher 4 weitergeleitet.

Als Wärmetauscher 4 zwischen den beiden Säcken 3, 6 kann ökonomisch vorteilhaft ein in einer Ebene mäanderähnlich gelegtes und darin flach gepreßtes Kupferrohr verwendet werden.

Als Absorber 8 kann entweder eine schwarze Folie inner- oder unterhalb der Unterseite des Speichersacks 3 oder auch dessen Unterseite selbst, wenn diese aus schwarzem Kunststoff besteht, verwendet werden. Es ist auch möglich, die Flüssigkeit 2 im Speichersack 3 dunkel zu färben, so daß die Flüssigkeit selbst als Absorber wirkt. Die Höhe der Wasserfüllung im Speichersack 3 hängt von der Höhe der angestrebten Ausgangstemperatur des durch den Wärmetauscher 4 strömenden Wassers ab, außerdem von der Höhe der Einstrahlung sowie dem zeitlichen Entnahmeprogramm. Bei Einsatz für die Erwärmung von Haushalts-Brauchwasser sind Wasserhöhen von 4 cm im Speichersack 3 und 2 cm im oberen Sack 6 sinnvolle Mittelwerte. Die Länge des den Wärmetauscher 4 bildenden Kupferrohrs hängt von der Geschwindigkeit des durchströmenden Wassers ab und wird bei Einfamilien-Anlagen bei 30 bis 40 m liegen. Bei großflächigen Kollektoren mit Sacklängen von 3 bis 20 m wächst die optimale Rohrlänge weniger als proportional mit der Sacklänge.

Bei Anlagen, die bei höherer Temperatur arbeiten oder die die Flüssigkeit 2, die der Wärmespeicherung dient, vor Abkühlung während strahlungsarmer Perioden schützen sollen, kann der obere Sack 6 statt mit Waser mit einer schlechter wärmeleitenden, möglichst hochviskosen, transparenten Flüssigkeit, z. B. Paraffinöl, oder einer Dispersion von einigen Prozenten einer hochdispersen, oberflächenaktiven Kieselsäure in Paraffinöl gefüllt werden, wodurch die spezifischen Wärmeverluste nach oben wesentlich verringert werden.

Bei Anlagen, die höhere Betriebstemperaturen haben, kann es mit Rücksicht auf die Höhe möglicher Stagnationstemperaturen ratsam sein, auch im Speichersack 3 ein höher als Wasser siedendes, transparentes Heizöl zu verwenden.

Claims (4)

1. Solarkollektor in der Ausbildung als Speicherkollektor (1) bestehend aus einem mit Flüssigkeit (2) gefüllten, ho­ rizontal angeordneten, flachen Speichersack (3) aus Kunststoff-Folie und aus einem rohrförmigen, eine zu erwärmende Flüssigkeit führenden Wärmetauscher (4) in Wär­ meleitkontakt mit dem Speichersack (3), dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Speichersack (3) ein transparenter, mit Flüssigkeit (5) gefüllter, zweiter flacher Sack (6) aus Kunst­ stoff-Folie aufgelegt ist und daß der die Oberfläche des Speichersacks (3) nur teilweise abdeckende Wärmetauscher (4) flach zwischen den beiden Säcken (3, 6) liegt.

2. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des unten liegenden Speichersacks (3) aus dunkel einge­ färbter, als Absorber (8) dienender Kunststoff-Folie be­ steht.

3. Solarkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher (4) zwischen den beiden Säcken (3, 6) ein flach gepreßtes mäanderförmiges Metallrohr vorgesehen ist.

4. Solarkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oben liegende flache Sack (6) eine transparente, hochviskose Flüs­ sigkeit (5) oder ein bei den Betriebstemperaturen stabi­ les, transparentes Gel enthält.