WO2004036122A1 - Vorrichtung zur aufnahme von sonnenenergie - Google Patents

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WO2004036122A1
WO2004036122A1 PCT/AT2003/000313 AT0300313W WO2004036122A1 WO 2004036122 A1 WO2004036122 A1 WO 2004036122A1 AT 0300313 W AT0300313 W AT 0300313W WO 2004036122 A1 WO2004036122 A1 WO 2004036122A1
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thermotropic
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temperature
transparent
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PCT/AT2003/000313
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Jolanta Mekal
Krzysztof Mekal
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Jolanta Mekal
Krzysztof Mekal
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    • F24S20/66—Solar heat collectors integrated in fixed constructions, e.g. in buildings in the form of facade constructions, e.g. wall constructions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B10/20—Solar thermal
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention relates to a device for absorbing solar energy, for example for air conditioning buildings with a preferably transparent wall.
  • An outer transparent wall and an inner wall are particularly preferably provided, as is a cavity arranged between the outer wall and the inner wall, through which a heat transfer medium can preferably flow.
  • the thermal balance of buildings is significantly influenced by two factors. On the one hand, this is the heat flow through the outer skin of the building, i.e. walls, ceilings, glass surfaces and the like, and on the other hand, the heat flow that is generated by heating and possibly cooling, i.e. Air conditioning.
  • the heat flow caused by ventilation i.e. the supply of fresh air to the interior is conditional, which, depending on the technical structure, must be considered combined with the heating and air conditioning.
  • the heat flow through the outer skin can be seen as a loss, the occurrence when the temperature inside the building is higher than the outside temperature and which has to be compensated by the heating.
  • passive solar use has the advantage of great simplicity compared to the thermal use of solar energy by collectors, but has the multiple disadvantage that regulating the internal temperature of the building is much more difficult.
  • the heating In order to be able to realize an environmentally friendly and energy-optimized air conditioning of a building, the heating must be optimally adapted to the heat flow that arises via the outer skin, which is particularly true if heating is provided via thermal solar systems.
  • the problem has to be solved that, with a building structure designed for maximum utilization of solar energy, the use of external energy can be largely minimized in the cold season, but there is the problem of overheating in the event of strong solar radiation.
  • This problem can be at least partially overcome by mechanical shading of collector surfaces or solar-exposed glass surfaces. are solved, but such shadows are very complex and also relatively prone to failure.
  • thermotropic layer which is attached to the outside. If the thermotropic layer exceeds a predetermined temperature, its behavior changes from transparent to reflective, so that further heat absorption is largely prevented. In this way, it is possible to reduce the risk of overheating an ordinary solar collector, but largely independent air conditioning of buildings cannot be achieved in this way.
  • the layer as such is passive, that is, it is not itself involved in converting the radiation energy into heat. Among other things, this results in slow switching times.
  • a composite window is known from DE 100 33 534 A, which can be equipped with a phototropic and / or thermotropic layer. This controls the solar radiation into the interior of buildings accordingly. Although this can make a certain contribution to a balanced heat balance, the measures described are insufficient to enable a largely self-regulating use of solar energy. Here, too, the shielding from further heat is provided by reflection.
  • the object of the invention is to provide a concept in which it is possible in a simple manner to enable demand-oriented heat management for buildings, which largely automatically adapts to the widely differing irradiation output of solar energy.
  • the device according to the invention it should be possible with the device according to the invention to represent an optimal combination of the heating of a building with passive solar use, with the simplest possible regulation of the temperature.
  • a largely automatic adaptation to fluctuating radiation levels should take place in such a way that the best possible use is ensured with low radiation and low outside temperatures in order to minimize the need for additional energy supply, but a reduction in heat transfer at higher outside temperatures and strong radiation. This is done in order to prevent the permitted inside temperatures from being exceeded as far as possible.
  • thermotropic layer which controls the absorption of heat and which changes depending on its temperature between a state in which it is essentially opaque, i.e. is absorbent and another state in which it is substantially transparent or reflective.
  • Opaque in the above sense means that radiation is largely absorbed and thus converted into heat.
  • Transparent means that the radiation is broadly transmitted, and reflective that the radiation is reflected. Of course, smooth transitions are possible here, so that a small part can pass through the layer or is absorbed even in the reflective state.
  • the present invention is fundamentally applicable to conventional solar collectors which are primarily designed to heat a heat transfer medium
  • the particular advantage of the invention is used in collector systems which are in thermal interaction with the building.
  • Air can be used as the heat transfer medium, which enables combined heating and ventilation of the building, as well as a heat transfer fluid, which can be supplied in a known manner, e.g. underfloor heating or wall heating, but can also be used to heat domestic water.
  • the heat transfer fluid can be water-based, i.e. in the form of water, which is provided with additives to meet antifreeze, rust protection and similar requirements, but can also be fully synthetic.
  • the present invention is fundamentally also applicable to systems with purely passive solar use, in which the heat absorption and the temperature regulation are not carried out via a circulating heat transfer medium, but only by radiation, heat conduction and at most natural convection. Self-regulation is particularly advantageous in such systems.
  • thermotropic materials which change their thermal conductivity depending on the temperature.
  • materials which become transparent with increasing temperature ie which become transparent to light and heat at higher temperatures, but which are opaque at lower temperatures.
  • the transition takes place in a relatively small temperature range, i.e. abruptly, so that in such cases one can speak of a transition temperature at which this change takes place.
  • the temperature in the area of the thermotropic layer rises above the transition temperature, it becomes transparent, so that further heating of an absorbent surface of the system is prevented.
  • thermotropic layer is preferably provided on the inner wall.
  • thermotropic layer has a higher transition temperature than the thermotropic layer on the inner wall.
  • thermotropic layer has essentially the same transition temperature as the first thermotropic layer.
  • the two layers can be arranged directly one above the other or can also be formed as a combined layer which has both functionalities combined.
  • the first thermotropic layer is provided on the inner wall and the further thermotropic layer is provided on the outer wall.
  • the radiated heat can be used selectively at particularly low temperatures on the one hand for heating the heat transfer medium and on the other hand for direct room heating.
  • a first transition temperature is exceeded, at which the first thermotropic layer on the inner wall switches to transparent, the sunlight only becomes more Space heating used.
  • the further thermotropic layer also switches over, for example from transparent to reflective, in order to largely prevent further heat absorption.
  • thermotropic layer switches between opaque, i.e. absorbent and transparent and the second thermotropic layer between transparent and reflective. If the heat transfer medium itself is largely transparent, essentially the same effects as described above are achieved. With this embodiment variant, too, it is possible for the first and the second thermotropic layer to be combined. This means that the corresponding chemical functionalities are linked together in a single layer in order to achieve the desired multi-stage behavior.
  • thermotropic layer is transparent, opaque or reflective at different wavelengths depending on the temperature. This means that individual parts of the building facade take on different colors depending on the local temperature.
  • incident light and radiated heat since at high outside temperatures it is necessary to illuminate the interior of a building, but longer-wave rays should be largely shielded to prevent heating as much as possible to prevent. However, longer-wave rays can also be absorbed, with light being reflected at the same time.
  • a phototropic layer can also be provided. This means that the degree of the transparent layer is changed by the amount of light irradiated.
  • a further optimization of the heat balance can be achieved by forming an inner insulating layer within the inner wall.
  • an outer insulating layer can be formed outside the outer wall.
  • simple and inexpensive production can be achieved if the inner insulating layer and / or the outer insulating layer are designed as transparent plastic profiles.
  • the transparent plastic profiles can have a large number of chambers and can be produced inexpensively by extrusion processes.
  • a further optimization with the possibility of actively influencing the heat management can be achieved in that the inner insulation layer and / or the outer insulation layer are designed as preferably controlled, ventilated air spaces. If ventilation of the insulating layers is prevented, these essentially act as insulating layers, especially if their thickness is small enough to prevent natural convection.
  • Appropriate air movement inside these layers can increase the thermal conductivity with simple means, for example to increase the heat absorption of the building if necessary.
  • the air in the insulating layers can also be used as an additional heat transfer medium in order to be able to add or remove heat as required.
  • An additional advantage of this embodiment variant is that the formation of condensed water can be reliably avoided by suitable process control.
  • the outer wall, the inner wall and the cavity arranged between the outer wall and the inner wall can be designed as an integral absorber part.
  • a heating element can also be provided for heating the inner insulating layer and / or the outer insulating layer.
  • Such a heating element which is operated electrically, for example, can be used for a short time to accelerate certain desired switching operations or to enable them in the first place.
  • the temperature of the heat transfer medium is so low that both thermotropic layers are transparent and a large part of the radiated heat reaches the interior of the building. A situation can now arise in which further heating of the interior of the building is not desired.
  • heat can be briefly introduced into the system by an additional heating element or a heat pump, with the further heating then taking place automatically and quickly.
  • a further particularly preferred embodiment variant of the invention is characterized in that the outer wall, the inner wall and the cavity arranged between the outer wall and the inner wall are designed as an integral absorber part.
  • Such an absorber part which can be produced from an extruded plastic profile, enables particularly economical and simple production.
  • the absorber part it is possible in particular for the absorber part to be made of a thermotropic material. is, so that a process of separate application of thermotropic layers can be saved.
  • the heat transfer medium may contain one or more thermotropic components.
  • the manufacturing effort can also be reduced by this measure.
  • Thermotropic layers can be produced not only by using certain chemicals that change the transparency or reflectivity of the layer depending on the prevailing temperature, but also macroscopically, for example by using a material that shows a large change in volume depending on the temperature or undergoes a phase change in which, for example, gas bubbles are formed, which greatly changes the absorption behavior.
  • a material that shows a large change in volume depending on the temperature or undergoes a phase change in which, for example, gas bubbles are formed which greatly changes the absorption behavior.
  • the thermal properties can also be subject to strong changes, so that such materials can also be used in a suitable manner for the embodiment variants described above.
  • FIGS. 1 to 11 show different design variants of the device according to the invention in section
  • FIGS. 12 to 23 show different design variants of absorber parts which are suitable for use in connection with the device according to the invention
  • FIG. 24 shows a circuit diagram to explain the possible Operation of a device according to the invention
  • FIGS. 25 to 27 diagrams which show the transmissivity or the degree of reflection of the thermotropic layers as a function of the temperature in various embodiment variants of the invention.
  • Fig. 1 consists of an inner wall 1 and an outer wall 2, which are designed here as glass panes.
  • the device is intended, for example, as a facade element for a building (not shown in more detail), the inner wall 1 facing the building and the outer wall 2 representing the building's outer skin.
  • further building structures such as walls or the like, can be arranged within the inner wall 1, but these are not shown here.
  • a cavity 3 is provided between the inner wall 1 and the outer wall 2, through which a heat transfer medium can flow.
  • the heat transfer medium can be a liquid medium, for example on an aqueous basis, as is generally used in solar systems becomes. However, it can also be a gaseous medium, such as air.
  • thermotropic layer 4 is provided on the inner wall 1 and switches between a transparent state and an opaque state depending on the temperature.
  • a further thermotropic layer 5 is provided on the outer wall 2, which also switches between a transparent state and a reflective state depending on the temperature.
  • the arrow 6 schematically indicates incident sunlight. Part of the sunlight falling in the direction of arrow 6 passes through the further thermotropic layer 5 and is shown by arrow 7. A certain part of this, according to arrow 7, passing through is absorbed in the first thermotropic layer 4 and converted into heat, whereas the remaining part according to arrow 8 can enter the interior of the building. Part of the light radiated in accordance with arrow 6 is reflected on the further thermotropic layer 5, which is indicated by arrow 9. Due to the properties of the thermotropic layers 4, 5, the ratio of the proportions of light passing through to the reflected or absorbed portions depends on the temperature in the respective layer 4, 5.
  • thermotropic layer 4 At a high temperature, a large part of the light radiated in accordance with arrow 6 is reflected in accordance with arrow 9 and only a very small part is transmitted in accordance with arrow 7.
  • a large part of the light according to arrow 7 is passed through the first thermotropic layer 4 according to arrow 8 in order to heat an interior.
  • the sunlight is absorbed by the first thermotropic layer 4.
  • the embodiment variant of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that first the first thermotropic layer 4 and then the further thermotropic layer 5 are applied to the inner wall 1.
  • the mode of operation is designed such that at high temperature in the cavity 3 the majority of the incident light is reflected on the further thermotropic layer 5. At a slightly lower temperature, a large part of the incident light is transmitted through both thermotropic layers 4, 5 in order to heat the building accordingly. At low temperatures, however, only a minor portion is reflected, but the majority of the portion that has passed through the further thermotropic layer 5 is absorbed in the first thermotropic layer 4 in order to heat the heat transfer medium flowing in the cavity 3.
  • 3 essentially corresponds to that of FIG. 2 with the difference that the cavity 3 is preceded by a further insulating layer 10 in the form of a cavity which is closed off by a glass pane 11.
  • the thermotropic layers 4, 5 are attached to the outer wall 2.
  • an inner insulating layer 10 and an outer insulating layer 12 outside the outer wall 2 are provided.
  • the insulating layers 10, 12 are formed as cavities which are closed off by an inner glass pane 11 or an outer glass pane 13 and which are likewise designed to be ventilated as required.
  • the inner wall 1 is designed as a transparent layer or as a non-transparent part of the building, for example as a brick wall.
  • the wall structure consists of an inner transparent plastic profile 14 and an outer transparent plastic profile 15.
  • the plastic profiles 14, 15 are essentially box-shaped and produced by an extrusion process.
  • the interiors of the plastic profiles 14, 15 form the inner insulating layer 10 and the outer insulating layer 12, and a surface of the plastic profiles 14, 15 forms the inner wall 1 and the outer wall 2, respectively, on which the thermotropic layers 4, 5 are applied , In between, as in the above embodiment, the cavity 3 is formed.
  • inner wall 1 and outer wall 2 are made in one piece as a transparent absorber part 16 in the form of an extruded plastic profile which has a multiplicity of cavities 3 through which the heat transfer medium can flow.
  • the thermotropic layers 4, 5 and the inner and outer insulating layers 10, 12 are formed analogously to the embodiment variant of FIG. 4.
  • transparent plastic profiles 14, 15 are provided inside or outside the absorber part 16, which is designed analogously to that of FIG. 8, but are arranged at a distance from the absorber part 16 and insulating layers 10, 12 train.
  • the Interiors of the plastic profiles 14, 15 form an additional inner insulating layer 10a or an additional outer insulating layer 12a.
  • FIG. 10 shows an embodiment variant in which an extruded plastic profile 18, which surrounds the cavities 3, is applied to a building structure, such as a wall 17.
  • the first thermotropic layer 4 is applied to this plastic profile 18.
  • a glass pane 13 forms the outer boundary and thus closes an insulating layer 12 through which a heat transfer medium is passed.
  • thermotropic layers 4, 5 not shown in FIG. 11 can be applied in order to achieve the effects described above, or a thermotropic fluid can flow through them.
  • FIG. 12 shows an absorber part 16 which is made entirely of a thermotropic material.
  • the left half of FIG. 12 shows the mode of operation at low temperatures at which the absorber part 16 is opaque, i.e. is absorbent and completely absorbs the sunlight incident according to the arrows 6.
  • the right half of FIG. 12 shows the state at higher temperatures at which the sunlight largely passes through the absorber part 16.
  • the additional design with insulating layers or the like can take place in the embodiment variant of FIG. 12 analogously to the variants described above.
  • a phototropic layer 20 is provided, which becomes reflective when the light is highly intense. When the radiation intensity is low, some of the light is let through into the interior of the building.
  • a permanently reflective layer can also be provided instead of the phototropic layer 20.
  • thermotropic material of the absorber part 16 changes depending on the temperature between a matt opaque and a reflective state. At low temperatures, the incident sunlight is therefore predominantly absorbed, as is indicated in the left half of FIG. 14. At higher temperatures, however, the sunlight is predominantly reflected according to arrows 6.
  • the same functionality as in FIG. 14 can be achieved in FIG. 15 by forming a thermotropic layer 21 on an always opaque absorber part 16, which switches between the transparent and reflective state.
  • thermotropic heat transfer medium 22 which is opaque or transparent depending on the temperature, as shown in the left or right half of FIG. 16. In this case, the absorber part 16 is always transparent.
  • thermotropic layer 23 is applied to an absorber part 16, which is transparent, opaque or possibly reflective depending on the temperature at different wavelengths.
  • a further layer 20 is provided below layer 23, which is partly transparent and partly reflective.
  • the radiation is either absorbed (left half of FIG. 17) or (right half of FIG. 17) partially transmitted (arrows 6a) and partially reflected on further layer 20 (arrows 6b).
  • the reflected portion can depend on the wavelength.
  • various color effects can be achieved that influence the appearance of the building. It is of particular interest that the color structure changes continuously depending on the local temperature.
  • FIG. 18 largely corresponds to FIG. 17 with the difference that an adhesive film 24, which has thermotropic properties, is applied to the absorber part 16. In this way, a particularly simple production and thus a great cost advantage can be achieved.
  • FIG 19 shows a further embodiment in which a heat transfer medium 22 changes as a function of the temperature between the transparent and the reflective state.
  • a film 25 which always absorbs heat is attached to the absorber part 16 on the side facing away from the radiation.
  • a first heat transfer medium 22a is guided in corresponding cavities on the side facing the radiation, which is transparent or reflective depending on the temperature.
  • a further heat transfer medium 22b is guided in the chambers below it, which is opaque, ie absorbent, regardless of the temperature and absorbs the received radiation.
  • a special thermotropic layer 26 is formed on the absorber part 16, which has pockets 27 which are filled with a liquid or a gel 28, which changes its material properties depending on the temperature.
  • Gel 28 is transparent at low temperatures, whereas gel 28 is reflective at higher temperatures, as shown in the left and right halves of FIG. 21.
  • the volume of the gel 28, and thus of the pockets 27, can also change in order to intensify the desired effects.
  • FIG. 23 shows an embodiment corresponding to FIG. 20, but the gel 28 or the liquid from FIG. 22 is present in the cavities facing the irradiation side.
  • FIG. 24 shows a possible circuit diagram for the device according to the invention.
  • a device according to the invention with the thermotropic layers 4, 5 and an inner and an outer insulating layer 10, 12 is shown.
  • the heat transfer medium from the cavity 3 is fed via a collector 30 via a line 31 to a first heat exchanger 32 and is returned via a return line 33 to a collector 34.
  • the heat removed in the heat exchanger 32 can be supplied to a schematically indicated heating system 36, such as an underfloor heating system or the like, or stored in a heat store 37 via a line system 35.
  • the inner insulating layer 10, which is present in the air as an insulating and heat transfer medium, is guided to a second heat exchanger 39 via a line system 38.
  • the flow of air through the insulating layer 10 and the line system 38 can in principle take place by natural convection, in which case the possibility must be provided to prevent the convection in order to increase the insulating effect, or corresponding pumps or fans (not shown) can be provided that bring about the revolution.
  • the heat exchanger 39 is connected to the heat exchanger 37 via a further line system 40, so that heat can be fed into or removed from it.
  • a control heat exchanger 41 is provided in order to be able to briefly raise the temperature of the heat transfer medium in the return line 33 if required.
  • the control heat exchanger 41 can from the heat accumulator 37 or an electric heater 42 are supplied.
  • the medium in the return line 33 can also be heated directly by an electrical heating coil.
  • a heat pump can also be used for heating.
  • a cooler 43 with a cooler fan 44 is provided, which serves to cool the heat transfer medium of the line 31 when there is an excess supply of heat and to feed it into the return line 33 in the cooled state.
  • thermotropic layer 25 schematically shows a diagram in which the change in the behavior of thermotropic layers is shown.
  • the temperature T is entered in the region of the respective layer on the horizontal axis, while the optical behavior of the layer is plotted on the vertical axis. Starting from the horizontal axis, which represents complete transparency in this diagram, an increasingly opaque state is shown upwards. The degree of reflexivity is plotted downwards.
  • the behavior of the first thermotropic layer 4 is shown with the first curve 51, while the second curve 52 shows the behavior of the further thermotropic layer 5.
  • the first layer 4 is opaque, the further layer 5 is transparent.
  • the first thermotropic layer 4 also becomes transparent, which is represented by a steep drop in the first curve 51.
  • T 2 the transmissivity of the other drops correspondingly sharply, and this layer 5 becomes reflective.
  • thermotropic layer 4 In the embodiment variant of FIG. 26, the behavior of the first thermotropic layer 4 is reversed, that is to say that it changes from an opaque to a transparent state when the temperature rises.
  • the behavior of the further thermotropic layer 5 is analogous to the above embodiment.
  • FIG. 27 shows the behavior of thermotropic layers in which the optical behavior also depends on the wavelength.
  • the solid lines 51, 52 show the transmissivity at a reference wavelength as a function of the temperature.
  • the curves shown with broken lines 51a, 51b, 51c and 52a, 52b, 52c show the temperature behavior at other wavelengths. It can be seen that the transmissivity depends not only on the temperature, but also on the wavelength of the light with which the layer is irradiated. It is clear that when the light is irradiated with white light, a change in the color of the layer becomes visible, which can also be used for aesthetic effects.
  • the present invention makes it possible to make optimal use of the solar energy that is radiated in, but without causing problems due to excessive heating of the building when there is a large supply of heat. Furthermore, the invention enables optimal air conditioning of the building through passive use of solar energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Sonnenenergie, beispielsweise zur Klimatisierung von Bauwerken mit einer vorzugsweise transparenten Wand (2), wobei vorzugsweise eine äußere transparente Wand (2) und eine innere Wand (1) vorgesehen sind, sowie ein zwischen der äußeren Wand (2) und der inneren Wand (1) angeordneten Hohlraum (3), der vorzugsweise von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist. Eine optimale Steuerung des Wärmemanagements kann dadurch erreicht werden, dass mindestens eine thermotrope Schicht (4, 5) vorgesehen ist, die die Wärmeaufnahme steuert und die in Abhängigkeit von ihrer Temperatur zwischen einem Zustand wechselt, in denen sie im Wesentlichen opak, d.h. absorbierend ist und einem anderen Zustand, in dem sie im Wesentlichen transparent ist.

Description

Vorrichtung zur Aufnahme von Sonnenenergie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Sonnenenergie, beispielsweise zur Klimatisierung von Bauwerken mit einer vorzugsweise transparenten Wand. Besonders vorzugsweise sind eine äußere transparente Wand und eine innere Wand vorgesehen, sowie ein zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand angeordneten Hohlraum, der vorzugsweise von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist.
Die Wärmebilanz von Bauwerken wird von zwei Einflussgrößen wesentlich beein- flusst. Dies ist zum einen der Wärmestrom über die Außenhaut des Bauwerkes, also Wände, Decken, Glasflächen und dgl., und zum anderen der Wärmestrom, der durch Beheizung und gegebenenfalls Kühlung, d.h. Klimatisierung, hervorgerufen wird. Zusätzlich dazu ist im Allgemeinen auch der Wärmestrom zu beachten, der durch die Belüftung, d.h. die Frischluftversorgung der Innenräume bedingt ist, wobei dies je nach technischem Aufbau mit der Beheizung und Klimatisierung kombiniert zu betrachten ist.
Der Wärmestrom über die Außenhaut kann einerseits als Verlust angesehen werden, der Auftritt, wenn die im Gebäudeinneren gewünschte Temperatur größer ist als die Außentemperatur und der durch die Beheizung ausgeglichen werden muss. Es ist aber auch möglich, durch die sogenannte passive Solarnutzung einen erwünschten Eintrag von Wärme in das Gebäude darzustellen. Die passive Solarnutzung besitzt gegenüber der thermischen Nutzung von Sonnenenergie durch Kollektoren den Vorteil einer großen Einfachheit, hat jedoch den vielfachen Nachteil, dass die Regelung der Innentemperatur des Gebäudes wesentlich schwieriger ist.
Um eine umweltfreundliche und energieoptimale Klimatisierung eines Bauwerkes realisieren zu können, muss die Beheizung optimal an den sich über die Außenhaut einstellenden Wärmestrom angepasst werden, was insbesondere dann gilt, wenn eine Beheizung über thermische Solaranlagen vorgesehen ist. Dabei muss beispielsweise das Problem gelöst werden, dass bei einer auf maximale Ausnutzung der Sonnenenergie ausgelegten Gebäudestruktur zwar eine weitgehende Minimierung des Einsatzes von Fremdenergie in der kalten Jahreszeit erreicht werden kann, aber das Problem einer Überhitzung bei starker Sonneneinstrahlung besteht. Dieses Problem kann zwar durch mechanische Abschattung von Kollektorflächen oder von solar exponierten Glasflächen zumindest teilweise ge- löst werden, aber solche Abschattungen sind sehr aufwendig und auch relativ störungsanfällig.
Aus der US 5,977,201 A ist ein Sonnenkollektor bekannt, der durch eine thermotrope Schicht, die auf der Außenseite angebracht ist, in Abhängigkeit von der Temperatur mit Sonnenlicht beaufschlagt wird. Wenn die thermotrope Schicht eine vorbestimmte Temperatur übersteigt, schlägt ihr Verhalten von transparent auf reflektierend um, so dass eine weitere Wärmeaufnahme weitgehend unterbunden wird. Auf diese Weise ist es zwar möglich, die Gefahr der Überhitzung eines gewöhnlichen Sonnenkollektors zu verringern, eine weitgehend selbsttätige Klimatisierung von Bauwerken kann jedoch auf diese Weise nicht erreicht werden. Insbesondere ergeben sich Nachteile dadurch, dass die Schicht als solche passiv ist, das heißt an der Umsetzung der Strahlungsenergie in Wärme nicht selbst beteiligt ist. Dies hat unter anderem langsame Schaltzeiten zur Folge.
Aus der DE 100 33 534 A ist ein Verbundfenster bekannt, das mit einer photo- tropen und/oder thermotropen Schicht ausgestattet sein kann. Dadurch wird die Sonneneinstrahlung in das Innere von Gebäuden entsprechend gesteuert. Dadurch kann zwar ein gewisser Beitrag zu einem ausgeglichenen Wärmehaushalt geleistet werden, die beschriebenen Maßnahmen sind jedoch unzureichend, um eine weitgehend selbstregulierende Nutzung von Solarenergie zu ermöglichen. Auch hier erfolgt die Abschirmung vor weiterer Wärmezufuhr durch Reflexion.
Weiters ist aus der EP 0 440 156 B ein Fassadenelement mit temperaturabhängig schaltenden chemischen Schichten bekannt. Auf diese Weise ist es möglich, die passive Nutzung von Sonnenenergie in gewissem Umfang zu steuern, der Wirkungsgrad der Aufnahme von Solarenergie ist jedoch bei solchen System naturgemäß beschränkt. Ähnliches gilt für eine Lösung, wie sie in der US 5,536,566 A beschrieben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Konzept anzugeben, bei dem es auf einfache Weise möglich ist, ein bedarfsorientiertes Wärmemanagement für Gebäude zu ermöglichen, das sich weitgehend selbsttätig an die stark unterschiedliche Ein- strahlungsleistung der Solarenergie anpasst. Insbesondere soll es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich sein, eine optimale Verknüpfung der Beheizung eines Gebäudes mit einer passiven Solarnutzung darzustellen, wobei eine möglichst einfache Regelung der Temperatur ermöglicht werden soll. Insbesondere soll eine weitgehend selbsttätige Anpassung an schwankende Einstrah- lungsleistungen in der Weise erfolgen, dass eine bestmögliche Ausnutzung bei geringer Einstrahlung und tiefen Außentemperaturen sichergestellt wird, um den Bedarf an zusätzlicher Energiezufuhr zu minimieren, jedoch eine Verringerung der Wärmeübertragung bei höheren Außentemperaturen und starker Einstrah- lung erfolgt, um eine Überschreitung der zulässigen Innentemperaturen möglichst zu verhindern.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass mindestens eine thermotrope Schicht vorgesehen ist, die die Wärmeaufnahme steuert und die in Abhängigkeit von ihrer Temperatur zwischen einem Zustand wechselt, in denen sie im Wesentlichen opak, d.h. absorbierend ist und einem anderen Zustand, in dem sie im Wesentlichen transparent oder reflektierend ist. Opak im obigen Sinn bedeutet, dass Strahlung weitgehend absorbiert und somit in Wärme umgewandelt wird. Transparent bedeutet, dass die Strahlung im großen und Ganzen durchgelassen wird, und reflektierend, dass die Strahlung zurückgeworfen wird. Hierbei sind selbstverständlich fließende Übergänge möglich, das auch im reflektierenden Zustand ein geringer Teil durch die Schicht hindurchtreten kann oder absorbiert wird.
Die vorliegende Erfindung ist zwar grundsätzlich auf herkömmliche Sonnenkollektoren anwendbar, die primär auf die Erwärmung eines Wärmeträgermediums ausgelegt sind, aber der besondere Vorteil der Erfindung wird bei Kollektorsystemen genutzt, die mit dem Gebäude in thermischer Wechselwirkung stehen. Dies betrifft insbesondere Fassadenkollektoren, die sowohl der Erwärmung eines Wärmeträgermediums dienen als auch auf die passive Nutzung der Solarenergie ausgelegt sind, so dass das Gebäude in seiner Gesamtheit praktisch einem Sonnenkollektor entspricht. Als Wärmeträgermedium kann dabei sowohl Luft eingesetzt werden, die eine kombinierte Beheizung und Belüftung des Bauwerkes ermöglicht, als auch ein Wärmeträgerfluid, das in bekannter Weise, beispielsweise einer Fußbodenheizung oder Wandheizung, zugeführt werden kann, aber auch zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet werden kann. Das Wärmeträgerfluid kann dabei auf wässeriger Basis vorliegen, d.h. in der Form von Wasser, das mit Zusätzen versehen ist, um Frostschutz, Rostschutz und ähnliche Forderungen zu erfüllen, kann aber auch vollsynthetisch sein.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch auf Systeme mit rein passiver Solarnutzung anwendbar, bei denen die Wärmeaufnahme und die Temperaturregulierung nicht über ein umlaufendes Wärmeträgermedium erfolgt, sondern nur durch Strahlung, Wärmeleitung und allenfalls natürliche Konvektion. Gerade bei solchen Systemen ist eine Selbstregulierung von besonderem Vorteil.
Eine weitere grundsätzlich mögliche Anwendung der Erfindung besteht darin, Solar-Werbewände zu realisieren, die über thermische Effekte ihr optisches Erscheinungsbild ändern. Es sind thermotrope Materialien bekannt, die ihre thermische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind dabei solche Materialien von besonderem Interesse, die mit steigender Temperatur transparent werden, d.h. die bei höheren Temperaturen licht- und wärmedurchlässig werden, bei tieferen Temperaturen jedoch opak sind. Bei vielen dieser Materialien findet der Übergang in einem relativ kleinen Temperaturbereich, also sprunghaft, statt, so dass man in solchen Fällen von einer Sprungtemperatur sprechen kann, bei der diese Änderung stattfindet. Sobald die Temperatur im Bereich der thermotropen Schicht über die Sprungtemperatur ansteigt, wird diese transparent, so dass eine weitere Aufheizung einer absorbierenden Fläche des Systems verhindert wird.
Vorzugsweise ist im Rahmen der Erfindung die thermotrope Schicht an der inneren Wand vorgesehen. Der Vorteil liegt dabei darin, dass die thermische Wechselwirkung mit der Umgebung verringert wird, d.h. dass Wärmeverluste im Kollektorbetrieb verringert werden, da die Umsetzung der Strahlung in Wärme erst im Inneren der Vorrichtung erfolgt.
Eine weitere Optimierung kann erreicht werden, wenn eine weitere thermotrope Schicht vorgesehen ist. Insbesondere ist es dabei günstig, wenn die weitere thermotrope Schicht eine höhere Sprungtemperatur aufweist als die thermotrope Schicht an der inneren Wand. Dadurch wird zusätzlich zu der oben beschriebenen Wirkung der Effekt erreicht, dass bei besonders starker Einstrahlung eine noch weitergehende Abschottung des Gebäudeinnenraums möglich ist und auch eine mögliche Überlastung der Solaranlage vermieden wird.
Bei manchen Anwendungen kann jedoch auch eine Ausbildung erwünscht sein, bei der ein sofortiger Wechsel aus einem opaken Zustand in einen reflektierenden Zustand erfolgt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die weitere thermotrope Schicht im Wesentlichen die gleiche Sprungtemperatur aufweist wie die erste thermotrope Schicht. Die beiden Schichten können dabei unmittelbar übereinander angeordnet sein oder aber auch als kombinierte Schicht ausgebildet sein, die beide Funktionalitäten kombiniert aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die erste thermotrope Schicht an der inneren Wand vorgesehen und die weitere thermotrope Schicht an der äußeren Wand vorgesehen. Je nach den vorherrschenden Temperaturverhältnissen kann dabei selektiv bei besonders niedrigen Temperaturen nahezu die gesamte eingestrahlte Wärme einerseits zur Erwärmung des Wärmeträgermediums und andererseits zur direkten Raumerwärmung genutzt werden. Bei Überschreiten einer ersten Sprungtemperatur, bei der die erste thermotrope Schicht an der Innenwand auf transparent schaltet, wird das Sonnenlicht nur mehr zur Raumerwärmung genutzt. Nach einem weiteren Anstieg der Temperatur schaltet auch die weitere thermotrope Schicht um, beispielsweise von transparent auf reflektierend, um die weitere Wärmeaufnahme weitgehend zu unterbinden.
In einer alternativen Ausführungsvariante ist es auch möglich, dass die erste und die weitere thermotrope Schicht an der inneren Wand vorgesehen sind. Dabei schaltet beispielsweise die erste thermotrope Schicht zwischen opak, d.h. absorbierend und transparent und die zweite thermotrope Schicht zwischen transparent und reflektierend um. Wenn das Wärmeträgermedium selbst weitgehend transparent ist, werden damit im Wesentlichen die gleichen Effekte erreicht, wie sie oben beschrieben sind. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist es möglich, dass die erste und die zweite thermotrope Schicht kombiniert ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass in einer einzigen Schicht die entsprechenden chemischen Funktionalitäten miteinander verknüpft sind, um das gewünschte mehrstufige Verhalten zu erreichen.
Ansprechende ästhetische Effekte können in Kombination mit den oben beschriebenen wärmetechnischen Effekten erreicht werden, wenn die thermotrope Schicht in Abhängigkeit von der Temperatur bei verschiedenen Wellenlängen transparent, opak bzw. reflektierend ist. Dies bedeutet, dass einzelne Teile der Gebäudefassade unterschiedliche Farben je nach der lokal vorherrschenden Temperatur annehmen. Zusätzlich zu diesen optischen Effekten kann jedoch auch eine gezielte Unterscheidung zwischen eingestrahltem Licht und eingestrahlter Wärme getroffen werden, da es bei hohen Außentemperaturen zwar erforderlich ist, den Innenraum eines Gebäudes zu beleuchten, längerwellige Strahlen jedoch weitgehend abgeschirmt werden sollen, um die Aufheizung soweit als möglich zu unterbinden. Es können aber auch längerwellige Strahlen absorbiert werden, wobei gleichzeitig Licht reflektiert wird.
Um auch die Lichteinstrahlung in ein Gebäude entsprechend steuern zu können, kann weiters eine phototrope Schicht vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass der Grad der transparenten Schicht durch die eingestrahlte Lichtmenge verändert wird.
Eine weitere Optimierung des Wärmehaushaltes kann erreicht werden, indem innerhalb der inneren Wand eine innere Isolierschicht ausgebildet ist. Zusätzlich dazu kann außerhalb der äußeren Wand eine äußere Isolierschicht ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang kann eine einfache und kostengünstige Herstellung erreicht werden, wenn die innere Isolierschicht und/oder die äußere Isolierschicht als transparente Kunststoffprofile ausgebildet sind. Die transparenten Kunststoffprofile können dabei eine Vielzahl von Kammern aufweisen und kostengünstig durch Extrusionsverfahren hergestellt sein. Eine noch weiter gehende Optimierung mit der Möglichkeit einer aktiven Beeinflussung des Wärmemanagements kann dadurch erreicht werden, dass die innere Isolierschicht und/oder die äußere Isolierschicht als vorzugsweise gesteuert belüftbare Lufträume ausgebildet sind. Wenn die Belüftung der Isolierschichten unterbunden wird, wirken diese im Wesentlichen als Isolationsschichten, insbesondere dann, wenn ihre Dicke klein genug ist, um eine natürliche Konvektion zu verhindern. Durch eine entsprechende Luftbewegung im Inneren dieser Schichten kann die Wärmeleitfähigkeit mit einfachen Mitteln erhöht werden, um so beispielsweise die Wärmeaufnahme des Gebäudes bei Bedarf zu vergrößern. Es kann aber auch die Luft in den Isolierschichten als zusätzliches Wärmeträgermedium herangezogen werden, um Wärme nach Bedarf zuführen oder abführen zu können. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass die Bildung von Kondenswasser durch geeignete Prozessführung sicher vermieden werden kann.
Um die aktive Erwärmung bzw. Kühlung der Isolierschichten in optimaler Weise zu bewerkstelligen, kann die äußere Wand, die innere Wand sowie der zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand angeordnete Hohlraum als einstückiger Absorberteil ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein Heizelement zur Erwärmung der inneren Isolierschicht und/oder der äußeren Isolierschicht vorgesehen sein. Ein solches Heizelement, das beispielsweise elektrisch betrieben ist, kann kurzzeitig dazu verwendet werden, bestimmte gewünschte Umschaltvorgänge zu beschleunigen oder überhaupt erst zu ermöglichen. So ist es beispielsweise bei der Ausführungsvariante mit zwei thermotropen Schichten möglich, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums so niedrig ist, dass beide thermotropen Schichten transparent sind und ein Großteil der eingestrahlten Wärmemenge in den Innenraum des Gebäudes gelangt. Es kann nun ein Zustand eintreten, in dem eine weitere Erwärmung des Gebäudeinnenraums nicht erwünscht ist. Um die erste Sprungtemperatur schneller oder überhaupt zu erreichen, kann dabei durch ein zusätzliches Heizelement oder eine Wärmepumpe kurzzeitig Wärme in das System eingebracht werden, wobei die weitere Erwärmung dann selbsttätig und schnell erfolgt.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand, die innere Wand sowie der zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand angeordnete Hohlraum als einstückiger Absorberteil ausgebildet sind. Ein solcher Absorberteil, der aus einem extrudierten Kunststoffprofil herstellbar ist, ermöglicht eine besonders kostengünstige und einfache Herstellung. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere möglich, dass der Absorberteil aus einem thermotropen Material herge- stellt ist, so dass ein Arbeitsvorgang des getrennten Aufbringens von thermotropen Schichten eingespart werden kann.
Alternativ dazu oder zusätzlich dazu ist es auch möglich, dass das Wärmeträgermedium eine thermotrope Komponente oder mehrere solche Komponenten enthält. Auch durch diese Maßnahme kann der Herstellungsaufwand verringert werden.
Thermotrope Schichten können nicht nur durch Verwendung bestimmter Chemikalien hergestellt werden, die die Transparenz oder Reflektivität der Schicht in Abhängigkeit von der jeweils vorherrschenden Temperatur ändern, sondern auch makroskopisch, indem beispielsweise ein Material verwendet wird, das in Abhängigkeit von der Temperatur eine starke Volumsveränderung zeigt oder einen Phasenwechsel durchläuft, bei dem beispielsweise Gasbläschen gebildet werden, was das Absorptionsverhalten stark verändert. Durch diese Volumsveränderung können bei geeigneter Ausbildung auch die wärmetechnischen Eigenschaften starken Veränderungen unterliegen, so dass solche Materialien auch für die oben beschriebenen Ausführungsvarianten in geeigneter Weise einsetzbar sind.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 bis Fig. 11 verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt, Fig. 12 bis Fig. 23 verschiedene Ausführungsvarianten von Absorberteilen, die zur Verwendung in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet sind, Fig. 24 ein Schaltungsdiagramm zur Erklärung des möglichen Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 25 bis Fig. 27 Diagramme, die die Trans- missivität bzw. den Reflexionsgrad der thermotropen Schichten in Abhängigkeit von der Temperatur in verschiedenen Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen.
Die Ausführungsvariante von Fig. 1 besteht aus einer inneren Wand 1 und einer äußeren Wand 2, die hier als Glasscheiben ausgebildet sind. Die Vorrichtung ist beispielsweise als Fassadenelement für ein nicht näher dargestelltes Gebäude gedacht, wobei die innere Wand 1 zum Gebäude hin gerichtet ist und die äußere Wand 2 die Gebäudeaußenhaut darstellt. Je nach statischen Erfordernissen oder den sonstigen Einbaubedingungen können innerhalb der inneren Wand 1 noch weitere Gebäudestrukturen, wie etwa Wände oder dgl., angeordnet sein, die hier jedoch nicht dargestellt sind. Zwischen der inneren Wand 1 und der äußeren Wand 2 ist ein Hohlraum 3 vorgesehen, der von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist. Das Wärmeträgermedium kann ein flüssiges Medium beispielsweise auf wässriger Basis sein, wie es allgemein in Solaranlagen verwendet wird. Es kann sich dabei jedoch auch um ein gasförmiges Medium, wie etwa Luft, handeln.
An der inneren Wand 1 ist eine erste thermotrope Schicht 4 vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen einem transparenten Zustand und einem opaken Zustand umschaltet. An der äußeren Wand 2 ist eine weitere thermotrope Schicht 5 vorgesehen, die ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen einem transparenten Zustand und einem reflektierenden Zustand umschaltet.
Mit dem Pfeil 6 ist schematisch einfallendes Sonnenlicht gekennzeichnet. Ein Teil des in Richtung des Pfeils 6 einfallenden Sonnenlichts tritt durch die weitere thermotrope Schicht 5 hindurch und ist mit dem Pfeil 7 dargestellt. Von diesem, gemäß Pfeil 7, hindurchtretenden Licht, wird ein bestimmter Teil in der ersten thermotropen Schicht 4 absorbiert und in Wärme umgewandelt, wogegen der restliche Teil gemäß Pfeil 8 in das Gebäudeinnere eintreten kann. Ein Teil des gemäß Pfeil 6 eingestrahlten Lichts wird an der weiteren thermotropen Schicht 5 reflektiert, was durch Pfeil 9 angedeutet ist. Aufgrund der Eigenschaften der thermotropen Schichten 4, 5 hängt das Verhältnis der hindurchtretenden Anteile des Lichts zu den reflektierten bzw. absorbierten Anteilen von der Temperatur in der jeweiligen Schicht 4, 5 ab. Bei einer hohen Temperatur wird ein großer Teil des gemäß Pfeil 6 eingestrahlten Lichts gemäß Pfeil 9 reflektiert und nur ein sehr geringer Teil gemäß Pfeil 7 durchgelassen. In analoger Weise wird bei einer höheren Temperatur ein Großteil des Lichts gemäß Pfeil 7 durch die erste thermotrope Schicht 4 gemäß Pfeil 8 hindurchtreten gelassen, um einen Innenraum zu erwärmen. Bei tieferen Temperaturen wir das Sonnenlicht an der ersten thermotropen Schicht 4 absorbiert.
Die Ausführungsvariante von Fig. 2 unterscheidet sich von der von Fig. 1 dadurch, dass auf der inneren Wand 1 zunächst die erste thermotrope Schicht 4 und darauf die weitere thermotrope Schicht 5 aufgetragen sind. Die Wirkungsweise ist dabei so gestaltet, dass bei hoher Temperatur im Hohlraum 3 der Großteil des einfallenden Lichts an der weiteren thermotropen Schicht 5 reflektiert wird. Bei einer etwas geringeren Temperatur wird ein Großteil des eingestrahlten Lichts durch beide thermotropen Schichten 4, 5 hindurchgelassen, um das Gebäude entsprechend zu erwärmen. Bei tiefen Temperaturen jedoch wird lediglich ein geringerer Anteil reflektiert, jedoch von dem durch die weitere thermotrope Schicht 5 hindurchgetretenen Anteil der Großteil in der ersten thermotropen Schicht 4 absorbiert, um das im Hohlraum 3 strömende Wärmeträgermedium zu erwärmen. Die Ausführungsvariante von Fig. 3 entspricht im Wesentlichen der von Fig. 2 mit dem Unterschied, dass dem Hohlraum 3 eine weitere Isolierschicht 10 in der Form eines Hohlraums der von einer Glasscheibe 11 abgeschlossen ist vorgelagert ist. Die thermotrope Schichten 4, 5 sind dabei auf der äußeren Wand 2 angebracht.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 4 sind zusätzlich zu den Bauteilen von Fig. 1 eine innere Isolierschicht 10 und außerhalb der äußeren Wand 2 eine äußere Isolierschicht 12 vorgesehen. Die Isolierschichten 10, 12 sind als Hohlräume ausgebildet, die von einer inneren Glasscheibe 11 bzw. einer äußeren Glasscheibe 13 abgeschlossen sind und die ebenfalls nach Bedarf belüftbar ausgebildet sind.
Die Ausführungsvariante von Fig. 5 entspricht weitgehend der von Fig. 4, jedoch mit dem Unterschied, dass die innere Wand 1 als transparente Schicht oder auch als nicht transparenter Gebäudeteil, beispielsweise als Ziegelwand, ausgebildet ist.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 6 besteht der Wandaufbau aus einem inneren transparenten Kunststoffprofil 14 und einem äußeren transparenten Kunststoffprofil 15. Die Kunststoffprofile 14, 15 sind im Wesentlichen kastenförmig ausgebildet und durch ein Extrusionsverfahren hergestellt. Die Innenräume der Kunststoffprofile 14, 15 bilden die innere Isolierschicht 10 und die äußere Isolierschicht 12 aus, und jeweils eine Oberfläche der Kunststoffprofile 14, 15 bildet die innere Wand 1 bzw. die äußere Wand 2, auf denen die thermotropen Schichten 4, 5 aufgetragen sind. Dazwischen ist, wie bei den obigen Ausführungsvariante, der Hohlraum 3 ausgebildet.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 7 ist anstelle des inneren Kunststoffprofils 14 eine Gebäudewand vorgesehen, die die innere Wand 1 darstellt.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 8 sind innere Wand 1 und äußere Wand 2 einstückig als ein transparenter Absorberteil 16 in der Form eines extrudierten Kunststoffprofils hergestellt, das eine Vielzahl von Hohlräumen 3 aufweist, durch die das Wärmeträgermedium strömen kann. Analog zu der Ausführungsvariante von Fig. 4 sind die thermotropen Schichten 4, 5 und die inneren und äußeren Isolierschichten 10, 12 ausgebildet.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 9 sind innerhalb bzw. außerhalb des Absorberteils 16, der analog zu dem von Fig. 8 ausgebildet ist, transparente Kunststoffprofile 14, 15 vorgesehen, die jedoch im Abstand vom Absorberteil 16 angeordnet sind und in den Zwischenräumen Isolierschichten 10, 12 ausbilden. Die Innenräume der Kunststoffprofile 14, 15 bilden eine zusätzliche innere Isolierschicht 10a bzw. eine zusätzliche äußere Isolierschicht 12a.
In Fig. 10 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der auf eine Gebäudestruktur, wie etwa eine Wand 17, ein extrudiertes Kunststoffprofil 18 aufgebracht ist, das die Hohlräume 3 umschließt. Auf diesem Kunststoffprofil 18 ist die erste thermotrope Schicht 4 aufgebracht. Eine Glasscheibe 13 bildet die äußere Begrenzung und schließt damit eine Isolierschicht 12 ab, durch die ein Wärmeträgermedium geführt wird.
In Fig. 11 ist in allgemeiner Form ein einstückiger Aufbau der Vorrichtung durch ein extrudiertes Profil 19 mit komplexerem Aufbau dargestellt. Je nach der gewünschten Ausführungsvariante und den gestellten Anforderungen können die in Fig. 11 nicht eingezeichneten thermotropen Schichten 4, 5 aufgebracht werden, um die oben beschriebenen Wirkungen zu erzielen, oder es kann mit einem thermotropen Fluid durchströmt werden.
Fig. 12 zeigt einen Absorberteil 16, der insgesamt aus einem thermotropen Material hergestellt ist. In der linken Hälfte der Fig. 12 ist die Wirkungsweise bei tiefen Temperaturen dargestellt, bei denen der Absorberteil 16 opak, d.h. absorbierend ist und das gemäß den Pfeilen 6 einfallende Sonnenlicht vollständig absorbiert. In der rechten Hälfte von Fig. 12 ist der Zustand bei höheren Temperaturen angedeutet, bei denen das Sonnenlicht weitgehend durch den Absorberteil 16 hindurchtritt. Die zusätzliche Ausführung mit Isolierschichten oder dgl. kann bei der Ausführungsvariante von Fig. 12 analog zu den oben beschriebenen Varianten erfolgen.
In Fig. 13 ist zusätzlich zu dem Absorberteil 16 von Fig. 12 eine phototrope Schicht 20 vorgesehen, die bei hoher Strahlungsintensität des Lichts reflektierend wird. Bei geringerer Strahlungsintensität wird ein Teil des Lichts in das Gebäudeinnere durchgelassen. In einer vereinfachten Ausführungsvariante kann anstelle der phototropen Schicht 20 auch eine dauerhaft reflektierende Schicht vorgesehen sein.
Die Ausführungsvariante von Fig. 14 entspricht der von Fig. 12 mit dem Unterschied, dass das thermotrope Material des Absorberteils 16 in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen einem matt opaken und einem reflektierenden Zustand wechselt. Bei tiefen Temperaturen wird daher das einfallende Sonnenlicht überwiegend absorbiert, wie dies in der linken Hälfte der Fig. 14 angedeutet ist. Bei höheren Temperaturen wird hingegen das Sonnenlicht entsprechend den Pfeilen 6 überwiegend reflektiert. Die gleiche Funktionalität wie in Fig. 14 kann in Fig. 15 dadurch erreicht werden, dass auf einem stets opaken Absorberteil 16 eine thermotrope Schicht 21 ausgebildet ist, die zwischen transparentem und reflektierenden Zustand umschaltet.
In der Ausführungsvariante von Fig. 16 ist neben allfälligen sonstigen thermotropen Schichten ein thermotropes Wärmeträgermedium 22 vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Temperatur opak oder transparent ist, wie dies in der linken bzw. rechten Hälfte von Fig. 16 dargestellt ist. Der Absorberteil 16 ist in diesem Fall stets transparent.
Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 17 dargestellt, in der auf einen Absorberteil 16 eine thermotrope Schicht 23 aufgetragen ist, die in Abhängigkeit von der Temperatur bei verschiedenen Wellenlängen transparent, opak oder gegebenenfalls reflektierend ist. Unterhalb der Schicht 23 ist eine weitere Schicht 20 vorgesehen, die teilweise transparent und teilweise reflektierend ist. Dadurch wird in Abhängigkeit von dem Zustand der Schicht 23 die Strahlung entweder absorbiert (linke Hälfte der Fig. 17) oder (rechte Hälfte von Fig. 17) teilweise durchgelassen (Pfeile 6a) und teilweise an der weiteren Schicht 20 reflektiert (Pfeile 6b). Der reflektierte Anteil kann von der Wellenlänge abhängig sein. Auf diese Weise können neben thermischen Effekten in Abhängigkeit von der Temperatur auch verschiedene farbliche Effekte erzielt werden, die das Aussehen des Gebäudes beeinflussen. Von besonderem Interesse ist dabei, dass sich die Farbstruktur in Abhängigkeit von der lokalen Temperatur laufend ändert.
Die Fig. 18 entspricht weitgehend der Fig. 17 mit dem Unterschied, dass auf dem Absorberteil 16 eine Klebefolie 24 aufgebracht ist, die thermotrope Eigenschaften aufweist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Herstellung und damit ein großer Kostenvorteil erreicht werden.
Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführung, bei der ein Wärmeträgermedium 22 in Abhängigkeit von der Temperatur zwischen transparentem und reflektierendem Zustand wechselt. Eine stets wärmeabsorbierende Folie 25 ist auf der der Einstrahlung abgewandten Seite am Absorberteil 16 angebracht.
Bei Absorberteil 16 der Fig. 20 ist ein erstes Wärmeträgermedium 22a auf der der Einstrahlung zugewandten Seite in entsprechenden Hohlräumen geführt, das in Abhängigkeit von der Temperatur transparent oder reflektierend ist. In darunterliegenden Kammern ist ein weiteres Wärmeträgermedium 22b geführt, das unabhängig von der Temperatur opak, d.h. absorbierend ist und die empfangene Strahlung aufnimmt. In Fig. 21 ist auf dem Absorberteil 16 eine spezielle thermotrope Schicht 26 ausgebildet, die Taschen 27 aufweist, die mit einer Flüssigkeit oder einem Gel 28 gefüllt sind, das seine Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Bei niedrigen Temperaturen ist das Gel 28 transparent, wogegen bei höheren Temperaturen das Gel 28 reflektierend ist, wie dies in der linken bzw. rechten Hälfte von Fig. 21 dargestellt ist. Zusätzlich dazu kann sich je nach Materialzusammensetzung auch noch das Volumen des Gels 28, und damit der Taschen 27, ändern, um die erwünschten Effekte zu verstärken.
Die Lösung von Fig. 22 entspricht weitgehend der von Fig. 21 mit dem Unterschied, dass sich bei einer erhöhten Temperatur in den Taschen 27 aus der Flüssigkeit oder dem Gel 28 Gasblasen 29 bilden, die für die entsprechende Reflexionswirkung sorgen.
In Fig. 23 ist eine Ausführung entsprechend der Fig. 20 dargestellt, wobei jedoch in den der Einstrahlungsseite zugewandten Hohlräumen das Gel 28 bzw. die Flüssigkeit von Fig. 22 vorliegt.
In Fig. 24 ist ein mögliches Schaltungsschema für die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Im linken Abschnitt der Fig. 24 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den thermotropen Schichten 4, 5 sowie einer inneren und einer äußeren Isolierschicht 10, 12 dargestellt. Das Wärmeträgermedium aus dem Hohlraum 3 wird über einen Sammler 30 über eine Leitung 31 zu einem ersten Wärmetauscher 32 geführt und über eine Rückführleitung 33 wieder in einen Sammler 34 rückgeführt. Über ein Leitungssystem 35 kann die im Wärmetauscher 32 entnommene Wärme einer schematisch angedeuteten Heizungsanlage 36, wie etwa einer Fußbodenheizung oder dgl., zugeführt werden oder in einem Wärmespeicher 37 gespeichert werden. Die innere Isolierschicht 10, die in der Luft als Isolier- und Wärmeträgermedium vorhanden ist, wird über ein Leitungssystem 38 zu einem zweiten Wärmetauscher 39 geführt. Die Strömung der Luft durch die Isolierschicht 10 und das Leitungssystem 38 kann dabei grundsätzlich durch natürliche Konvektion erfolgen, wobei in einem solchen Fall die Möglichkeit vorgesehen sein muss, die Konvektion zur Erhöhung der Isolationswirkung zu unterbinden oder es können entsprechende nicht dargestellte Pumpen oder Ventilatoren vorgesehen sein, die die Umwälzung bewirken. Der Wärmetauscher 39 steht über ein weiteres Leitungssystem 40 mit dem Wärmetauscher 37 in Verbindung, um so Wärme in diesen einspeisen oder aus diesem entnehmen zu können.
Ein Steuerungswärmetauscher 41 ist vorgesehen, um bei Bedarf die Temperatur des Wärmeträgermediums in der Rückführungsleitung 33 kurzfristig anheben zu können. Der Steuerungswärmetauscher 41 kann vom Wärmespeicher 37 oder einer elektrischen Heizeinrichtung 42 versorgt werden. Es kann jedoch auch das Medium in der Rückführleitung 33 durch eine elektrische Heizschlange direkt erwärmt werden. Weiters kann zur Erwärmung eine Wärmepumpe eingesetzt werden.
Weiters ist in dem in Fig. 24 dargestellten System ein Kühler 43 mit einem Kühlerventilator 44 vorgesehen, der dazu dient, bei einem Überangebot an Wärme das Wärmeträgermedium der Leitung 31 zu kühlen und in gekühltem Zustand in die Rückführleitung 33 einzuspeisen.
In Fig. 25 ist schematisch ein Diagramm dargestellt, in dem die Änderung des Verhaltens von thermotropen Schichten dargestellt ist. Auf der waagrechten Achse ist die Temperatur T im Bereich der jeweiligen Schicht eingetragen, während auf der senkrechten Achse das optische Verhalten der Schicht aufgetragen ist. Von der waagrechten Achse ausgehend, was in diesem Diagramm vollständige Transparenz darstellt ist nach oben ein zunehmend opaker Zustand dargestellt. Nach unten hin ist der Grad der Reflexivität aufgetragen. Mit der ersten Kurve 51 ist das Verhalten der ersten thermotropen Schicht 4 dargestellt, während die zweite Kurve 52 das Verhalten der weiteren thermotropen Schicht 5 zeigt. Bei entsprechend niederen Temperaturen ist die erste Schicht 4 opak, die weitere Schicht 5 transparent. Im Bereich einer ersten Sprungtemperatur Ti wird die erste thermotrope Schicht 4 ebenfalls transparent, was durch einen Steilabfall der ersten Kurve 51 dargestellt ist. Analog dazu fällt bei einer zweiten Sprungtemperatur T2 die Transmissivität der weiteren entsprechend stark ab, und diese Schicht 5 wird reflektierend.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 26 ist das Verhalten der ersten thermotropen Schicht 4 umgekehrt, das heißt, diese wechselt bei einer Temperaturerhöhung von einem opaken in einen transparenten Zustand. Das Verhalten der weiteren thermotropen Schicht 5 ist analog zum obigen Ausführungsbeispiel.
In Fig. 27 ist das Verhalten thermotroper Schichten dargestellt, bei denen das optische Verhalten auch von der Wellenlänge abhängt. Mit durchgezogenen Linien 51, 52 ist die Transmissivität bei einer Referenzwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Die mit unterbrochenen Linien 51a, 51b, 51c und 52a, 52b, 52c dargestellten Kurven zeigen das Temperaturverhalten bei anderen Wellenlängen. Es ist ersichtlich, dass die Transmissivität nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Wellenlänge des Lichts abhängt, mit dem die Schicht bestrahlt wird. Es ist klar, dass bei der Bestrahlung mit weißem Licht für einen Betrachter eine Farbänderung der Schicht sichtbar wird, was auch für ästhetische Effekte nutzbar gemacht werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es einerseits die eingestrahlte Sonnenenergie optimal zu nutzen, ohne jedoch bei großem Wärmeangebot Probleme durch übermäßige Aufheizung des Gebäudes zu verursachen. Weiters ermöglicht die Erfindung eine optimale Klimatisierung des Gebäudes durch passive Nutzung der Solarenergie.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Aufnahme von Sonnenenergie, beispielsweise zur Klimatisierung von Bauwerken mit einer vorzugsweise transparenten Wand (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine thermotrope Schicht (4, 5) vorgesehen ist, die die Wärmeaufnahme steuert und die in Abhängigkeit von ihrer Temperatur zwischen einem Zustand wechselt, in denen sie im Wesentlichen opak, d.h. absorbierend ist und einem anderen Zustand, in dem sie im Wesentlichen transparent oder reflektierend ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere transparente Wand (2) und eine innere Wand (1) vorgesehen sind, sowie ein zwischen der äußeren Wand (2) und der inneren Wand (1) angeordneten Hohlraum (3), der vorzugsweise von einem Wärmeträgermedium durchströmbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4, 5) unterhalb einer ersten Sprungtemperatur (Ti) im Wesentlichen opak, d.h. absorbierend und oberhalb dieser ersten Sprungtemperatur (T im Wesentlichen transparent ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4, 5) an der inneren Wand (1) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere thermotrope Schicht (5) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste thermotrope Schicht (4) an der inneren Wand (1) vorgesehen ist und dass die weitere thermotrope Schicht an der äußeren Wand (2) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die weitere thermotrope Schicht (5) an der inneren Wand (1) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die weitere thermotrope Schicht (4, 5) kombiniert ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste thermotrope Schicht (4) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) transparent bzw. opak, d.h. absorbierend ist und dass die weitere thermotrope Schicht (5) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) transparent bzw. reflektierend ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere thermotrope Schicht (5) eine höhere Sprungtemperatur (T2) aufweist als die erste thermotrope Schicht (4).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere thermotrope Schicht (5) im Wesentlichen die gleiche Sprungtemperatur (Ti) aufweist wie die erste thermotrope Schicht (4).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (23) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) und der Wellenlänge transparent, opak bzw. reflektierend ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der thermotropen Schicht (4, 5) eine phototrope Schicht (20) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der inneren Wand (1) eine innere Isolierschicht (10, 10a) ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der äußeren Wand (2) eine äußere Isolierschicht (12, 12a) ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Isolierschicht (10, 10a) und/oder die äußere Isolierschicht (12, 12a) als transparente Kunststoffprofile (14, 15) ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Isolierschicht (10, 10a) und/oder die äußere Isolierschicht (12, 12a) als vorzugsweise gesteuert belüftbare Lufträume ausgebildet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher zur Erwärmung bzw. Kühlung der inneren Isolierschicht (10, 10a) und/oder der äußeren Isolierschicht (12, 12a) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement zur Erwärmung der inneren Isolierschicht (10, 10a) und/oder der äußeren Isolierschicht (12, 12a) vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe zur Erwärmung der inneren Isolierschicht (10, 10a) und/oder der äußeren Isolierschicht (12, 12a) vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (2), die innere Wand (1) sowie der zwischen der äußeren Wand (2) und der inneren Wand (1) angeordnete Hohlraum (3) als einstückiger Absorberteil (16) ausgebildet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberteil (16) aus einem thermotropen Material hergestellt ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (22, 22a, 22b) mindestens eine thermotrope Komponente enthält.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4) ein in Abhängigkeit von der Temperatur (T) quellfähiges Material enthält.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4) eine in Abhängigkeit von der Temperatur (T) einen Phasenwechsel vollziehende Komponente enthält.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4) eine in Abhängigkeit von der Temperatur (T) gasbildende Komponente enthält.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht (4) als Klebefolie ausgebildet ist.
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