DE4319027A1

DE4319027A1 - Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigen Absorbergewebe

Info

Publication number: DE4319027A1
Application number: DE4319027A
Authority: DE
Inventors: Karlfried Cost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1994-12-15

Description

Gattung

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor zur Luftanwärmung.

Angaben zur Gattung

Mit Hilfe der Sonnenstrahlen soll Luft erhitzt werden. Dabei treten die Sonnenstrahlen nicht auf eine ebene Fläche auf, sondern sie treten in ein dreidimensionales Gebilde ein, wo sie mit fortschreitender Eindringtiefe immer stärker absorbiert werden.

Stand der Technik

Es gibt eine sehr große Anzahl von Sonnenkollektorbauarten.

Kritik des Standes der Technik

Die herkömmlichen Sonnenkollektoren sind von der Konstruktion oder von den Kosten der Bauteile her zu teuer für den letztlich doch sehr einfachen Anwendungszweck, die Erzeugung von heißer Luft. Oder aber die Wärmeübertragungsfläche ist zu gering oder der Schutz gegen Wärmeverluste ist zu gering.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, robusten Sonnenkollektor zur Luftanwärmung zu schaffen mit großer Wärmeübertragungsfläche vom Absorber an das Wärmeübertragungsmedium Luft und mit niedrigen Wärmeverlusten an die Umgebung und außerdem sollen die Kosten gering sein.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß ein flächengroßes, grobmaschiges und dickes Gewebe der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird und sich dabei erhitzt,
und daß Luft mittels eines Gebläses durch dieses Gewebe hindurchgedrückt wird und sich durch Vorbeistreichen an den Gewebefäden erhitzt
und daß das Gewebe einerseits als Absorber wirkt, andererseits auch als Wärmedämmung,
und daß die einströmende Luft einerseits als Wärmeträger wirkt, andererseits sie durch ihre Fließrichtung die Wärmeverluste nach außen vermindert.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Das Gewebe kann mit einer Glasscheibe abgedeckt sein, welche es vor der Witterung und den UV-Strahlen der Sonne schützt, wobei ein Hohlraum zwischen Gewebe und Glasscheibe bestehen muß und in diesen Hohlraum muß die Umgebungsluft eindringen können.

Hinter dem Absorbergewebe auf der sonnenfernen Seite kann sich noch ein zweites Gewebe mit höherem Strömungswiderstand befinden, welches aufgrund dieses Widerstandes die Saugkraft des Gebläses relativ gleichmäßig auf die Fläche verteilt, so daß das Absorbergewebe sehr grobmaschig sein kann und somit die Sonnenstrahlen sehr tief eindringen läßt und somit die Wärmedämmwirkung des vorderen Gewebes erheblich verstärkt wird. In Bild 2 ist dies dargestellt.

Die Anlage kann mit vorgefilterter Luft betrieben werden, damit sich das Gewebe nicht mit Schmutz zusetzt.

Für das Absorbergewebe können Fäden verwendet werden, die selbst weitgehend lichtdurchlässig sind, so daß die Sonnenstrahlen nicht nur durch die Maschen hindurch, sondern sogar auch durch die Fäden hindurch durchschnittlich noch weiter in das Gewebeinnere eindringen können und somit die Wärmedämmwirkung des Absorbergewebes noch mehr verstärkt wird und sich gleichzeitig der Wärmeübergang von den Gewebefäden an den Wärmeträger Luft noch weiter verbessert durch die geringere Energiedichte, die von den weitgehend lichtdurchlässigen Fäden an die Luft übertragen werden muß im Vergleich zu schwarzen Fäden.

Das Gebläse kann auf Intervallbetrieb geschaltet werden. Bei geringer Sonneneinstrahlung und hoher Nutztemperatur ist die durchgesetzte Luftmenge gering. Sie reicht unter Umständen nicht aus, um die Konvektion aus dem heißen Kollektorinneren außen zu unterbinden. Durch den Intervallbetrieb des Gebläses ist während der Laufzeit ein kräftiger Sog vorhanden, der Wärmeübergang ist sehr gut und die Konvektion nach außen wird unterbunden. Während der Gebläsepause dauert es eine ganze Zeitlang, bis sich die Konvektion wieder ausbildet. Durch eine geschickte Wahl der Intervalldauer des Gebläsebetriebes springt das Gebläse in diesem Moment wieder an. Es kann sich keine stetige Konvektion aufbauen, da sie immer wieder unterbunden wird. Sie muß immer wieder bei Null anfangen und sich langsam aufbauen, aber dann wird sie wieder unterbrochen.

Die Anlage kann an einer Gebäudehüllfläche (Dach oder Wand) außen angebracht werden und wirkt sowohl als Sonnenkollektor als auch wie eine herkömmliche Hauswärmedämmung.

Die Anlage kann außer der Sonnenkollektorfunktion und der Hauswärmedämmung auch noch die Frischluftversorgung des Hauses übernehmen.

Die Anlage kann sich an der Außenwand eines Hauses befinden und durch einen Dachüberstand vor Hagel geschützt werden. Dann können dünnere, preiswerte Glasscheiben verwendet werden.

Die Luft kann auf ihrem Weg noch durch eine weitere Einrichtung hindurchgeleitet werden, in welcher sie weiter aufbereitet wird, insbesondere Nacherhitzung, Trocknung, Befeuchtung, Dämpfung der Schallwellen (Lärmpegelminderung).

Die Anlage kann mit einem Rollo oder einer Jalousie zur Beschattung bei Nichtbenutzung versehen werden.

Die Drehrichtung des Gebläses kann umgekehrt werden, so daß die Luft von innen nach außen strömt und eine Erhitzung der Hauswand verhindert wird.

Erzielbare Vorteile

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin begründet, daß sowohl das Gewebe als auch die Luft gleichzeitig mehrere Funktionen ausüben, und die erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß man mit billigen Werkstoffen einen Sonnenkollektor bauen kann, der bei einer hohen Temperaturspanne dennoch einen guten Wirkungsgrad aufweist, mit dem man Luft auf eine hohe Temperatur erhitzen kann. Der typische Nachteil vieler Sonnenkollektoren, daß bei einer höheren Temperaturspanne die Energieverluste stark zunehmen, wird hier durch die Wärmedämmwirkung des Absorbergewebes und durch die Fließrichtung der Luft sehr stark vermindert.

Die Zusatzfunktionen Hauswärmedämmung, Frischluftversorgung, Lärmpegelminderung verbessern die Wirtschaftlichkeit gegenüber anderen Sonnenkollektorkonstruktionen erheblich.

Durch den Anbau an die Hauswand wird die Rückseite des Sonnenkollektors eingespart und dennoch eine sehr hohe mechanische Stabilität der Anlage erreicht. Das senkt die Kosten erheblich.

Vorteilhaft sind auch die Selbstwärmedämmung des Absorbergewebes durch das tiefe Eindringen der Sonnenstrahlen und das vollflächige Einströmen der Luft von außen nach innen, wodurch die Wärmeverluste weiter stark vermindert werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung Bild 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

1 Hauswand
2 Wärmedämmung
3 Zwischenraum
4 Gewebe
5 Zwischenraum
6 Glasabdeckscheibe
7 Sonnenstrahlen
8 Weg des Luftstroms
9 Gebläse
10 Gebäudeinneres

Die Sonnenstrahlen können durchschnittlich ein ganzes Stück weit in das Absorbergewebe hinein eindringen, sie werden allmählich an den Fäden absorbiert und ihre Energie wird in Wärmeenergie umgesetzt. Durch ein Gebläse wird Luft von der Sonnenseite durch das Gewebe hindurchgesaugt und danach dem Rauminneren zugeführt. Während des Weges durch das Gewebe hindurch erhitzt sich die Luft an den Gewebefäden und dient schließlich in Gestalt von Warmluft der Raumbeheizung. Die Gewebefäden vergrößern die Wärmeübertragungsfläche enorm, einmal durch die größere Wärmeübertragungsfläche des Kreises gegenüber dem Durchmesser, andererseits durch ein teilweise schräges Auftreffen der Sonnenstrahlen (schräg in Beziehung auf die Längsachse der Fäden) und schließlich auch durch die teilweise Lichtdurchlässigkeit der Fäden.

Bild 2

Nr. 1 bis 10 wie Bild 1, Nr. 11 inneres Gewebe.

Das innere Gewebe hat einen relativ zu den übrigen luftdurchströmten Anlagebestandteilen hohen Luftdurchströmungswiderstand und dies führt dazu, daß die Luft gleichmäßig über die Fläche verteilt durch beide Gewebe hindurchströmt.

Claims

1. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe", dadurch gekennzeichnet,
daß als Absorber ein dickes Gewebe verwendet wird, bei welchem die auftreffenden Sonnenstrahlen durch die Maschen hindurch durchschnittlich bis in eine erhebliche Gewebetiefe Vordringen können, ehe sie auf die Gewebefäden auftreffen, so daß das Gewebe sowohl als Absorber als auch gleichzeitig als Wärmedämmung wirkt
und daß als Wärmeträger Luft verwendet wird, die mittels eines Gebläses vollflächig durch das Gewebe hindurchgedrückt oder hindurchgesaugt wird, und zwar von der Sonnenseite zur sonnenferneren Seite hin, so daß die Luft einerseits als Wärmeträger wirkt und gleichzeitig durch ihre Fließrichtung den Wärmeverlusten des Kollektors nach außen entschieden entgegenwirkt,
und daß sich an der sonnenfernen Seite des Gewebes ein Hohlraum befindet, der einerseits durch das Absorbergewebe andererseits durch eine Rückwand abgegrenzt wird,
und daß die Rückwand in der Regel wärmegedämmt ist,
und daß der Kollektor an den Seiten von einem luftdichten Rahmen eingefaßt wird.

2. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sonnenseitig vor dem Absorbergewebe eine oder mehrere Glasplatten angebracht sind, welche das Gewebe vor der Witterung und den UV- Strahlen der Sonne schützen
und daß diese Glasplatten in einem gewissen Abstand vor dem Absorbergewebe angebracht sind, so daß zwischen Absorbergewebe und Glasplatten ein Hohlraum ausgebildet ist
und daß der Rahmen des Kollektors im Bereich dieses vorderen Hohlraums große Durchlässe aufweist durch welche die Außenluft in den Hohlraum hineingelangen kann
oder daß die Außenluft durch andere Öffnungen, Spalten und Ritzen in und/oder zwischen den Glasscheiben und/oder Rahmen von außen in diesen sonnenseitigen Hohlraum gelangen kann.

3. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Absorbergewebe auf der sonnenfernen Seite sich noch ein zweites Gewebe mit höherem Strömungswiderstand befindet, welches aufgrund dieses Widerstandes die Saugkraft des Gebläses relativ gleichmäßig auf die Fläche verteilt, so daß das Absorbergewebe sehr grobmaschig sein kann und somit die Sonnenstrahlen sehr tief eindringen läßt und somit die Wärmedämmwirkung des vorderen Gewebes erheblich verstärkt wird.

4. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit vorgefilterter Luft betrieben wird, damit sich das Gewebe nicht mit Schmutz zusetzt.

5. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß für das Absorbergewebe Fäden oder sonstige Strukturelemente verwendet werden, die selbst weitgehend lichtdurchlässig sind, so daß die Sonnenstrahlen nicht nur durch die Maschen hindurch, sondern sogar auch durch die Fäden oder Strukturelemente hindurch durchschnittlich noch weiter in das Gewebeinnere eindringen können und somit die Wärmedämmwirkung des Absorbergewebes noch mehr verstärkt wird und sich gleichzeitig der Wärmeübergang von den Gewebefäden oder Strukturelementen an den Wärmeträger Luft noch weiter verbessert durch die geringere Energiedichte, die von den weitgehend lichtdurchlässigen Fäden oder Strukturelementen an die Luft übertragen werden muß im Vergleich zu schwarzen Fäden oder schwarzen Strukturelementen.

6. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Absorbergewebe aus mehreren Schichten besteht, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, so daß die Wärmedämmwirkung noch weiter verbessert wird. Die Zwischenräume befinden sich parallel zu der Hauptebene des Sonnenkollektors.

7. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse nicht stetig, sondern intervallartig arbeitet und somit während seiner Arbeitszeit ein kräftiger Sog beziehungsweise Druck vorhanden ist, so daß die Ausbildung von ungewollten Energieverlusten aufgrund von Konvektion unterbunden wird, wobei die Intervallänge kürzer gewählt wird als die Zeitspanne, welche bis zur Ausbildung einer Luftkonvektionsströmung verstreicht.

8. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage flächig an der Außenseite einer Gebäudebegrenzung (Außenwand oder Dach) angebracht ist und sowohl als Sonnenkollektor als auch wie eine herkömmliche Hauswärmedämmung wirkt.

9. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage neben der Hauswärmedämmung und der Sonnenkollektorfunktion zusätzlich noch die Versorgung des Gebäudes mit Frischluft übernimmt, so daß Energieverluste durch das herkömmliche "Lüften" der Wohnräume wegfallen.

10. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einströmende Luft vor oder nach dem Kollektor noch durch eine Luftaufbereitungseinheit hindurchströmt, wo sie weiter aufbereitet wird, insbesondere nacherhitzt, getrocknet, angefeuchtet, gefiltert und/oder mit Zusatzstoffen versehen wird, oder daß in dieser Anlage die Schallwellen der Luft gedämpft werden.

11. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, die Anlage neben den drei Funktionen Hauswärmedämmung, Sonnenkollektor und Frischluftversorgung zusätzlich noch die Funktion Lärmpegelabsenkung ausführt, indem die Absorbermatte und/oder die innere Gewebeschicht und/oder die Außenseite der Wärmedämmschicht als schallschluckende Elemente ausgebildet sind, so daß diese Anlage besondere Vorteile in lärmbelasteten Gebieten aufweist.

12. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich dieser an der Außenwand eines Gebäudes befindet und durch einen Dachüberstand vor steilstehender Sonne und/oder vor Hagelschaden geschützt ist, und daß deshalb auch dünnes Glas als Abdeckung verwendet werden kann, weil es vor Hagelschlag geschützt ist, so daß sich die Anlage deutlich verbilligt.

13. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus preiswerten Werkstoffen und Halbzeugen aus dem Gewächshausbau und aus Geweben aus der Serienproduktion aufgebaut wird, insbesondere, daß auch kleinformatige, dünne Glasscheiben verwendet werden, die mit Klipsen und Federn und Profilen auf einer einfachen Tragekonstruktion und untereinander befestigt sind, so daß die Anlage auf kleiner Fläche zusammengelegt verschickt werden kann und bei der Montage kein Verschnitt anfällt und Reparaturen durch Austausch der kleinen Glaspatten sehr preiswert ausgeführt werden können.

14. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei senkrechter Anordnung des Sonnenkollektors die kleinen Glasplatten sich dachziegelartig senkrecht überlappen, so daß kein Regen eindringen kann, und daß sie an der Überlappungsstelle in waagrechter Richtung nicht dicht aufeinander liegen, sondern an den Überlappungsstellen ein kleiner waagrechter Abstand besteht, so daß die Umgebungsluft an den Überlappungsstellen in den vorderen Hohlraum eindringen kann und somit nicht nur vom Kollektorrand her, sondern, über die Fläche verteilt, an den Überlappungsstellen der kleinen Glasplatten eindringen kann, so daß die Luftverteilung über die Fläche bedeutend gleichmäßiger ist, und daß insbesondere der kleine waagrechte Abstand der Glasplatten an den Überlappungsstellen durch die Formgebung der Verbindungsklipse oder Verbindungselemente gewährleistet wird.

15. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in der seitlichen Begrenzung (Rahmen) des vorderen Hohlraums oben und unten große Öffnungen zum Luftdurchlaß sind, so daß die Luft, wenn das Gebläse nicht angestellt ist, unten eintritt, sich am Absorbergewebe etwas erwärmt, im äußeren Hohlraum aufsteigt und durch die obere Öffnung austritt
und daß die absorbierte Energie bei Stillstand des Gebläses weitgehend mit diesem Luftstrom abgeführt wird, ohne durch die beiden Gewebe in Richtung auf die Hauswand vordringen zu können
und daß bei Betrieb des Gebläses die Umgebungsluft von außen durch die oberen und unteren Rahmenöffnungen zugleich in den äußeren Hohlraum eindringt und von dort durch die Gewebeschichten in den inneren Hohlraum hinein.

16. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit einer Einrichtung zur Beschattung bei Nichtbenutzung versehen ist, insbesondere einer rollo- oder jalousieartigen Einrichtung.

17. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des hellen Absorbergewebes nur geringe Temperaturen an der vorderen Oberfläche des Absorbergewebes auftreten und somit auch nur eine geringe thermische Belastung der Glasabdeckung auftreten kann und somit besonders preiswerte Glassorten verwendet werden können, weil kein vorgespanntes Glas, das gegenüber temperaturbedingten Spannungen wenig empfindlich ist, verwendet werden muß.

18. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß sich vor dem Absorbergewebe auf der Sonnenseite ein Hohlraum befindet und davor ein weiteres, weitgehend lichtdurchlässiges, aber wenig wärmestrahlungsdurchlässiges Gewebe, davor wieder ein Hohlraum und davor die Glasabdeckung,
und daß der Seitenrahmen im Bereich des vorderen Hohlraums oben und unten große, dauernd geöffnete Durchlässe für die Luft aufweist, und der mittlere Hohlraum große, aber verschließbare Durchlässe im Seitenrahmen oben und unten enthält,
und daß bei Nichtbenutzung des Gebläses die Durchlässe im mittleren Hohlraum geöffnet sind, so daß die Sonnenstrahlen zur Hauptsache im Absorbergewebe absorbiert werden und dieses erwärmen,
und daß von unten Luft durch die Durchlässe einströmt, sich am Absorbergewebe erwärmt und nach oben aufsteigt und sich durch die oberen Durchlässe entfernt, so daß der größte Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie auf diese Art weggeführt wird,
und daß deshalb nur sehr geringe Temperaturspannungen an der vorderen Glasabdeckung auftreten können und daß deshalb sehr preiswerte Glassorten verwendet werden können
und daß bei Benutzung des Gebläses die Durchlässe im Seitenrahmen im Bereich des mittleren Hohlraums geschlossen werden.

19. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2, 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläsesaug- bzw. Druckrichtung umkehrbar sind, so daß die Luft entweder von der Sonnenseite her kommend die Gewebeflächen durchströmt, das ist der Sonnenkollektorbetrieb der Anlage, oder aber daß die Luft vom Gebäudeinneren her kommend die Gewebeflächen durchströmt, und somit eine Aufheizung der raumseitigen Gewebeoberfläche verhindert und die im Absorbergewebe absorbierte Sonnenenergie nach außen abgeführt wird, das ist der Kühlbetrieb der Anlage.

20. "Gegenstrom-Luft-Sonnenkollektor mit licht- und luftdurchlässigem Absorbergewebe" nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasabdeckung mit einer Beschichtung versehen ist, um Wärmeabstrahlverluste an die Umgebung zu vermindern.