DE4325887A1 - Großflächige Folienspeicherkollektorsysteme - Google Patents

Description

Kollektorsysteme zur Brauchwassererwärmung, bei denen aus Gründen der Kosteneinsparung der Wärmespeicher in dem Kollektor integriert ist, wurden bereits in den verschiedensten Ausführungen realisiert. Die bisherige in Anlehnung an die Flachkollektoren gewählte Baugröße (<5 m²) führte dazu, daß diese sogenannten IKS- Systeme gegenüber von Flachkollektoren weder aus thermodynamischer noch aus ökonomischer Sicht eine überzeugende Alternative darstellten und sich daher nicht auf dem Markt durchsetzen konnten.

Der in den Bildern 1 und 2 dargestellte Folienspeicherkollektor kann im Gegensatz zu den bislang verfügbaren Speicherkollektoren durch den Einsatz von Folienmaterialien großflächig werden. Der modulare Aufbau der Grundkonstruktion ermöglicht, daß die Kollektoren in nahezu unbegrenzten Abmessungen gebaut werden können. Dadurch eignen sich die neu entwickelten großflächigen Folienspeicherkollektoren sowohl zur Brauchwasservorwärmung von Hotels, kommunalen Gebäuden oder ähnlichen Einrichtungen als auch zur Bereitstellung der Wärmeenergie für thermische Prozesse wie z. B. solare Meerwasserentsalzung, solarthermische Pumpsysteme oder Anwendungen in der Industrie z. B. Gerberei. Je nach Einzelfall kann der Speicher als Kurzzeitspeicher d. h. der Kollektor speichert nur tagsüber Wärme, oder als Tagesspeicher ausgelegt werden, so daß auch am nächsten Morgen bzw. nach mehreren Tagen noch ausreichend Wärme zur Verfügung steht.

Der Kollektor mit Kurzzeitspeicher (Bild 1) besteht im wesentlichen aus einer wärmegedämmten Unterkonstruktion, einem Wärmespeicher aus Kunststoffmaterial und einer frontseitigen transparenten Wärmedämmung. Der Kunststoffschlauch ist mit einem eingefärbten oder transparenten Wärmeträgermedium, das einerseits zur Absorption der einfallenden Strahlungsenergie, und andererseits als Wärmespeicher dient, gefüllt. Ein Einsatz der Kollektoren sowohl im Niedertemperaturbereich als auch im mittleren Temperaturbereich bis 95°C kann durch die Verwendung von unterschiedlichen Absorber- und transparenten Wärmedämmaterialien realisiert werden. Für den Niedertemperaturbereich <50°C wird der Folienspeicherkollektor mit einer einfachen transparenten Folie und einem Absorber aus Kunststoffmaterialien versehen, während im mittleren Temperaturbereich eine Doppelfolienabdeckung sowie selektive Absorbermaterialien Verwendung finden. Um zu verhindern, daß beim Einsatz von Kunststoffmaterialien die Abdeckung auf den Absorber sinkt oder bei doppelter Abdeckung eine Einzelschicht bildet, muß sowohl zwischen Speichersack als auch zwischen den Abdeckfolien ein dauerhaftes Luftpolster ausgebildet werden. Dieses Luftpolster entsteht entweder durch den Einsatz eines Kleinventilators, der in die Zwischenräume Luft einbläst und durch die hierbei auftretende Druckdifferenz den Luftspalt ausbildet, oder durch das Spannen der Abdeckfolien mittels Netz, Spannschrauben oder Federn.

Im Gegensatz hierzu wird beim Kollektor mit Langzeitspeicherung (Bild 2) der Speicher opak wärmegedämmt, wobei die Oberseite des Speichers zugleich als Auflage des Absorbers fungiert.

Die Anlage wird im Zweikreissystem betrieben. Der Wärmeaustausch zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf findet in einem Plattenwärmetauscher statt. Dieser kann aus Edelstahl ausgeführt werden, wodurch gewährleistet wird, daß im nachfolgenden, normalerweise aus verzinktem Stahlrohr ausgeführten Rohrleitungsnetz keine Lochfraßkorrosion auftritt. Das im Kunststoffschlauch befindliche Wärmeträgermedium wird mit einer Pumpe, die je nach Wärmebedarf mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben wird, umgewälzt. Durch den modularen Aufbau des Kollektorfeldes kann der Primärkreislauf so gestaltet werden, daß zum Anschluß an den Wärmetauscher nahezu kein Verrohrungsaufwand notwendig ist.

Der modulare Aufbau des Gesamtsystems bietet zudem die Möglichkeit, bei unveränderter Unterkonstruktion die verschiedensten Kollektorvarianten zu realisieren (Bild 3). Die Kollektoren lassen sich so sehr einfach an die zur Verfügung stehende Fläche und den jeweiligen Einsatzzweck anpassen, ohne daß eine Neukonstruktion erforderlich ist. Die langen Folienkollektoren lassen sich sowohl als Speicherkollektor als auch als masseloser Kollektor, der sehr schnell auf die Veränderung der Einstrahlungsbedingungen reagiert, ausführen. Ebenso einfach und kostengünstig kann eine Kombination von masselosem Kollektor mit einem Kollektor mit integriertem Speicher realisiert werden, wie die Kombinationen von geneigten und horizontal ausgerichteten Kollektorsystemen.

Der Kollektor kann in verschiedenen Betriebsweisen betrieben werden, die sehr einfach über einen Microcontroller gesteuert und geregelt werden:

• Direkte Entnahme der Wärme aus dem Kollektorkreislauf, d. h. das erwärmte Wasser wird nicht durch den Speicherkreislauf geführt. Der Kollektor reagiert sofort auf veränderte Einstrahlungsbedingungen.
• Wärmeentnahme aus dem Speicher. Das Wärmeträgermedium wird direkt aus dem Speicher zum Verbraucher geführt; der Kollektorkreislauf wird kurzgeschlossen.
• Mischbetrieb: Dem Verbraucher wird mittels eines Mischventils die für seinen Betrieb erforderliche Energie zugeführt, während die Überschußenergie in den Speicherkreislauf eingespeist wird. Die Steuerung kann über ein Thermostatventil oder einen Microcontroller erfolgen.

Claims (12)

1. Kollektor mit integriertem Kurzzeit- bzw. Tagesspeicher zur solarthermischen Erwärmung von flüssigen Wärmeträgermedien, gekennzeichnet durch modularen Aufbau, großflächige Abmessungen, universelle Anpassung an vorgegebene Dachflächen, Zweikreissystem mit externem Wärmetauscher, minimale Verrohrung dadurch, daß der Speicher und je nach Ausführung auch der Kollektor aus Folienschläuchen besteht, in denen das Wärmeträgermedium umgepumpt wird.

2. Kollektor nach Anspruch 1, bei dem der externe Wärmetauscher durch im Wärmeträgermedium liegende Kunststoffwärmetauscher wie z. B. Kapillarrohrmatten oder flexible Silikonschlauchmatten ersetzt wird.

3. Kollektor nach Anspruch 1, ohne zusätzlichen Wärmetauscher. Kollektor und Speicher werden direkt vom Brauchwasser durchflossen.

4. Kollektor nach Anspruch 1, wobei die Wärmezufuhr in den Speicherkreislauf temperaturgeführt erfolgt. Über eine Regelung der Fördermenge der Umwälzpumpe wird die Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums auf einen bestimmten Wert eingestellt. Die Wärme wandert pfropfenförmig ohne Durchmischung durch den Speicher. Dadurch steht an der Entnahmestelle Wärme einer genau definierten Temperatur zur Verfügung.

5. Kollektor nach Anspruch 1, wobei durch schnelles Umpumpen des Wärmeträgermediums durch den Kollektorkreislauf der Speicher ideal durchmischt wird.

6. Kollektor nach Anspruch 1, wobei die Speichermenge je nach Energieeinstrahlung angepaßt wird, d. h. wird Wärme einer bestimmten Temperatur benötigt und der gesamte Speicherinhalt ist bereits auf dieses Temperaturniveau erwärmt, kann durch ein Bypass zusätzlich Wärmeträgermedium zugeführt werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Anlage steigt. Nach der Wärmeentnahme wird der Speicher wieder bis auf das ursprüngliche Niveau entleert.

7. Kollektor nach Anspruch 1, mit einfacher bzw. doppelter Abdeckung aus Kunststoffolien. Die Folie wird entweder mittels Spannfedern bzw. Spannschrauben schräg abgespannt oder bogenförmig mit einem Kleinventilator, der auch solarangetrieben werden kann, aufgeblasen.

8. Kollektor nach Anspruch 1, bei dem die absorbierende Fläche entweder aus Kunststoffmaterial, das schwarz eingefärbt bzw. selektiv beschichtet ist, oder aus einem Folienschlauch, der mit einem schwarz eingefärbten Wärmeträgermedium befüllt ist, besteht.

9. Kollektor nach Anspruch 1, bei dem der Kollektorteil mit hochviskosen, transparenten Flüssigkeitsschichten bzw. herkömmlichen transparenten Wärmedämmungen wärmegedämmt ist, wobei die Schichtdicke der transparenten Wärmedämmung mit zunehmender Kollektorlänge und Temperatur des Wärmeträgermediums erhöht werden kann.

10. Kollektor nach Anspruch 1 mit opak gedämmtem Wärmespeicher aus Kunststoffmaterial zur Langzeitspeicherung der thermischen Energie. Der Speicher wird längs durchflossen und kann als geschichteter oder gut durchmischter Speicher eingesetzt werden, wobei der Speicher je nach Einsatzzweck flach über der gesamten Kollektorfläche oder tonnenförmig über einen Teil davon ausgeführt werden kann.

11. Kollektor nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher im Speicher integriert wird. Durch Umpumpen des Speichermediums wird die Wärme an den Sekundärkreislauf abgegeben.

12. Kombination von Kollektoren nach Anspruch 1, mit und ohne Speicher, wobei die Kollektoren ohne Speicher je nach Standort gegenüber der Horizontalen geneigt werden können.