DE4300839A1

DE4300839A1 - Switchable heating bridge for energy efficiency and saving

Info

Publication number: DE4300839A1
Application number: DE4300839A
Authority: DE
Inventors: Michael Klier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-04

Abstract

The heating bridge (5) with operation similar to a cooking stove, is switchable in that at one position of the switch one or more direct element contacts are made between two energy reservoirs (8), thereby allowing heat exchange to be carried out between them. In a different position, heat exchange is prevented by air or insulation between the contacts.One or both of the reservoirs has a ray absorber (3), or is a fixed body with a fluid or gas or solid content. A unit may contain two or more bridges arranged in parallel or one behind the other.

Description

In der Bauphysik sind Wärmebrücken als einzelne, örtlich begrenzte Stellen in Wänden und Decken mit geringer Wärmedämmung unzulässig.In building physics, thermal bridges are individual, local limited areas in walls and ceilings with low thermal insulation inadmissible.

Zur Energieeinsparung bzw. -gewinnung werden von der thermischen Solartechnik Sonnenkollektoren, die transparente Wärmedämmung, sowie stark verbesserte Isolierverglasungen angeboten (siehe Goetzberger/Wittwer: Sonnenenergie - thermische Nutzung. Teuber, Stuttgart 1989, S. 76-151).To save or generate energy, the thermal Solar technology solar panels, transparent thermal insulation, as well as greatly improved double glazing (see Goetzberger / Wittwer: Solar energy - thermal use. Teuber, Stuttgart 1989, pp. 76-151).

Die übliche, opake (undurchsichtige) Dämmung bleibt dennoch oft die einfachste und wirtschaftlichste Methode zur Energie einsparung. (vgl. Dr. H. Werner: Optimierung von baulichen Maßnahmen zur Energieeinsparung und deren Bewertung, VDI- Berichte 356, 1980, S. 18).The usual, opaque (opaque) insulation often remains the simplest and most economical method of energy saving. (see Dr. H. Werner: Optimization of structural Energy saving measures and their assessment, VDI Reports 356, 1980, p. 18).

Folgende besonderen Probleme bestehen:
Sonnenkollektoren, die im Sommer recht gute Wirkungsgrade erzielen, sind im Winter wesentlich weniger effektiv, da die für einen ökonomischen Betrieb erforderlichen Absorbertemperaturen von ca. 30°C seltener erreicht werden.The following special problems exist:
Solar collectors, which achieve very good efficiencies in summer, are considerably less effective in winter, since the absorber temperatures of approx. 30 ° C required for economical operation are reached less frequently.

Der im Winter erwünschte Energieeintrag durch die TWD (transparente Wärmedämmung) führt im Sommer zu ganz erheblichen Überhitzungsproblemen. Deshalb muß durch Rollos aktiv beschattet werden (siehe z. B. "Das energieautarke Solarhaus", 1. Aufl. Okt. 1992., S. 22, auf Wunsch erhältlich vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme, Otmannstr. 22, 7800 Freiburg), was nicht nur die Energie ungenützt läßt, sondern auch die Systemkosten bis auf ein Vielfaches des Preises für die eigentliche TWD ansteigen läßt.The desired energy input by the TWD in winter (transparent thermal insulation) leads to very considerable in summer Overheating problems. Therefore must be actively shaded by blinds (see eg "The self-sufficient solar house", 1st edition Oct. 1992., p. 22, available on request from the Fraunhofer Institute for solar energy systems, Otmannstr. 22, 7800 Freiburg), which is not only leaves the energy unused, but also the system costs up to a multiple of the price of the actual TWD can rise.

Die opake Dämmung ist wegen ihres besseren k-Wertes der TWD bei Dunkelheit und Kälte deutlich überlegen, läßt aber die täglichen Sonnenstrahlen fast ungenützt. Der enorme Energiebedarf zur Heizung und Erwärmung von Brauchwasser wird klar, wenn man bedenkt, daß selbst ein Niedrigenergiehaus ca. 100 KWh/m² pro Jahr benötigt.Because of its better k value, the opaque insulation is clearly superior to the TWD in the dark and cold, but leaves the daily sun rays almost unused. The enormous energy requirement for heating and heating domestic water becomes clear when you consider that even a low-energy house requires approx. 100 KWh / m ² per year.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, durch sinnvolle Kombination der erwähnten Komponenten zu einer besseren Ausnutzung solarer Energie zu gelangen. Das würde wegen des geringeren Flächenbedarfs besonders die Chancen für eine erfolgreiche Nachrüstung bestehender Gebäude erhöhen.The invention is based on the problem by meaningful Combination of the components mentioned to a better one To exploit solar energy. That would be because of the less space requirements especially the chances for one Increase successful retrofitting of existing buildings.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine schaltbare Wärmebrücke erreicht, die so funktioniert, daß in einer Stellung ein direkter (Festkörper-)Kontakt zwischen dem Absorber und dem Energiereservoir oder Wärmespeicher hergestellt wird und in einer anderen Stellung der Energiestrom durch isolierendes Material oder Luft unterbrochen wird. Zu beachten ist dabei, daß die Dimensionierung des wärmeleitenden Zwischenstücks (z. B. Al, Cu) aus Kostengründen zwar möglichst klein sein soll, sich aber andererseits an den Wärmestromdichten orientieren muß, wie sie maximal vom Absorber oder dem Wärmereservoir geliefert oder abgenommen werden können. Zudem ist wichtig, daß die Kontaktflächen möglichst plan aneinanderliegen und vor Korrosion geschützt werden, ähnlich wie dies in der Elektrotechnik angestrebt wird.According to the invention, this is achieved by a switchable thermal bridge achieved that works so that in one position direct (solid state) contact between the absorber and the Energy reservoir or heat storage is manufactured and in another position the energy flow through isolating Material or air is interrupted. It should be noted that the dimensioning of the heat-conducting intermediate piece (e.g. Al, Cu) should be as small as possible for cost reasons, but itself on the other hand, must be based on the heat flow densities as they are maximum supplied by the absorber or the heat reservoir or can be removed. It is also important that the Contact surfaces should be as flat as possible and against corrosion be protected, similar to this in electrical engineering is sought.

In Fig. 1 ist die schaltbare Wärmebrücke in einem Gesamtsystem aus Transparente Wärmedämmung (2), Absorber (3), Kollektor (3+4) und Reservoir (8) dargestellt. Die Strahlung (1) durchdringt die Transparente Wärmedämmung oder Glas (2) und trifft auf einen Absorber (3), der sich zusammen mit den in seinen Hohlräumen oder angeschlossenen Rohren (4) befindenden Gasen oder Flüssigkeiten erhitzt. Wird der aus wärmedämmendem Material bestehende Riegel (5) in den Hohlraum (9) geschoben, so ist normaler Kollektorbetrieb möglich.In Fig. 1, the switchable thermal bridge in an overall system of transparent thermal insulation ( 2 ), absorber ( 3 ), collector ( 3 + 4 ) and reservoir ( 8 ) is shown. The radiation ( 1 ) penetrates the transparent thermal insulation or glass ( 2 ) and strikes an absorber ( 3 ) which heats up together with the gases or liquids located in its cavities or connected pipes ( 4 ). If the bolt ( 5 ) consisting of heat-insulating material is pushed into the cavity ( 9 ), normal collector operation is possible.

Wird der Absorber (3) nach hinten geschoben, so erhitzt er bei direktem Kontakt den stark wärmeleitenden Verteiler (6). Dieser kann je nach Ausführung Festkörper (z. B. Wand (12)), Flüssigkeiten (10) oder Luft (7) erwärmen, die zusammen im physikalischen Sinn ein Energiereservoir (8) darstellen. Es ist zu sehen, daß eine eingeschränkte Funktionsweise auch dann noch gewährleistet ist, wenn die Leitungen (4) im Kollektor fehlen. Der Aufbau stellt dann eine Art von Transparente Wärmedämmung dar, mit besserem Verhalten bei Kälte und Dunkelheit. Bei vorgeschobenem Wärmedämmriegel gibt es keine Wärmebrücken mehr. Das Reservoir ist nun von opaker Dämmung (13), (9) umgeben. If the absorber ( 3 ) is pushed backwards, it heats the highly heat-conducting distributor ( 6 ) in direct contact. Depending on the version, this can heat up solid bodies (e.g. wall ( 12 )), liquids ( 10 ) or air ( 7 ), which together represent an energy reservoir ( 8 ) in the physical sense. It can be seen that a limited functionality is still guaranteed if the lines ( 4 ) are missing in the collector. The structure then represents a type of transparent thermal insulation with better behavior in the cold and dark. When the thermal insulation bar is pushed forward, there are no longer any thermal bridges. The reservoir is now surrounded by opaque insulation ( 13 ), ( 9 ).

In Fig. 2 ist ein weiteres spezielles Beispiel für eine schaltbare Wärmebrücke gezeigt. Hier wird der Kontakt zwischen dem Absorber/Kollektor-Endstück (14), das durch zwei Klötz chen (15) gehalten wird, und dem Verteiler (21) durch Drehen des dargestellten Schalters um seine Mittelachse (16) erreicht.In FIG. 2, a further specific example of a switchable thermal bridge is shown. Here the contact between the absorber / collector end piece ( 14 ), which is held by two blocks ( 15 ), and the distributor ( 21 ) is reached by turning the switch shown about its central axis ( 16 ).

Der Schalter besteht aus einem guten Wärmeleiter (17) (z. B. Cu), der außer an den vorgesehenen Kontaktstellen (18) von opaker Dämmung (19) umgeben ist. Der Schalter paßt in den von der umgebenden Wärmedämmung (20) gebildeten Hohlraum. Die Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen, daß es im Wesentlichen darauf ankommt, daß die wärmeleitenden Teile der Brücke um eine geeignete Achse gedreht werden können. Der Schalter kann deshalb sowohl der Form des Absorberendstückes (14) als auch der des Verteilers (21) angepaßt werden. Längenveränderungen infolge von Temperaturver änderungen können durch Druck auf die Stellen (22) oder (23) ausgeglichen werden. Die Form des Verteilers hängt im Wesentlichen von seiner Aufgabe, den Kosten seiner Herstellung und von baustatischen Vorgaben ab, falls z. B. eine Wand durchstoßen werden soll.The switch consists of a good heat conductor ( 17 ) (e.g. Cu), which is surrounded by opaque insulation ( 19 ) in addition to the intended contact points ( 18 ). The switch fits into the cavity formed by the surrounding thermal insulation ( 20 ). FIGS. 3, 4 and 5 illustrate that substantially it matters that the heat conducting parts of the bridge can be rotated about a suitable axis. The switch can therefore be adapted to both the shape of the absorber end piece ( 14 ) and that of the distributor ( 21 ). Changes in length due to changes in temperature can be compensated for by pressing on the points ( 22 ) or ( 23 ). The shape of the distributor essentially depends on its task, the cost of its manufacture and structural requirements, if z. B. to pierce a wall.

Fig. 6 soll die vorteilhafte Wirkung des Einsatzes der schaltbaren Wärmebrücke in der Solartechnik verdeutlichen. Durch die transparente Dämmung (24) fällt die Strahlung (25) auf einen Parabolspiegel (26), der die Strahlung auf dem Absorber (27) konzentriert, in dessen Innerem sich Gase oder Flüssigkeiten (28) befinden können. Die Arbeitsweise hängt nur noch von der Schaltungsstellung der Wärmebrücke (29) und der Strömung im Inneren des Kollektors/Absorbers ab. Fig. 6, the beneficial effect is intended to illustrate the use of the switchable thermal bridge in solar technology. Through the transparent insulation ( 24 ), the radiation ( 25 ) falls on a parabolic mirror ( 26 ), which concentrates the radiation on the absorber ( 27 ), in the interior of which gases or liquids ( 28 ) can be located. The mode of operation only depends on the switching position of the thermal bridge ( 29 ) and the flow inside the collector / absorber.

Falls jeglicher Energiefluß ausgeschaltet wird, erhitzt sich die Luft zwischen transparenter und opaker Dämmung (30). Diese kann nach Bedarf zur Raumluftheizung verwendet werden oder aber auch helfen, durch Undichtigkeit eingedrungene und kondensierte Feuchtigkeit (z. B. an der Innenfläche der transparenten Dämmung (24)) zu verdampfen und zu entfernen. Die Gesamteffektivität des gezeigten Aufbaus ist von vielen Randbedingungen abhängig und nur durch Simulation zu berechnen. Dennoch seien hier folgende Eckdaten erwähnt: Der Flächen querschnitt der Leitung liegt für Aluminium sinnvollerweise bei etwa 1%, für Cu bei 0,5% der eingefangenen Strahlungsfläche. Der einfachste zu berechnende Vorteil der Anlage ergibt sich aus dem Vergleich der Transmissionswärmeverluste von opaker und transparenter Wärmedämmung bei Nacht und frostigen Temperaturen.If any energy flow is switched off, the air between transparent and opaque insulation ( 30 ) heats up. This can be used for room air heating as needed or can also help to evaporate and remove moisture that has entered and condensed through leaks (e.g. on the inner surface of the transparent insulation ( 24 )). The overall effectiveness of the structure shown depends on many boundary conditions and can only be calculated by simulation. Nevertheless, the following key data should be mentioned here: The area cross-section of the line is expediently about 1% for aluminum and 0.5% for Cu of the captured radiation area. The simplest calculable advantage of the system results from the comparison of the transmission heat losses from opaque and transparent thermal insulation at night and frosty temperatures.

Claims

1. A thermal bridge, the mode of operation of which is comparable to that of a hotplate is characterized in that it is switchable by allowing one or more direct solid-state contacts between two energy reservoirs to enable heat exchange between the two in a switch position and, in another position, the exchange by intervening air or insulation is prevented .

2. A switchable thermal bridge according to claim 1, which thereby is marked that one of the reservoirs or both radiation-absorbing absorber or collector or a with a liquid, a gas or a solid in contact brought solid is.

3. A structure that is characterized in that two or several bridges in any way parallel or one after the other are switched.

4. A thermal bridge circuit according to claim 1, which is characterized in that the solid-state contact is achieved by pushing ( Fig. 1) or turning ( Fig. 2) a stable, heat-conducting body.