DE2652306A1

DE2652306A1 - Energiekollektor

Info

Publication number: DE2652306A1
Application number: DE19762652306
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Teknoterm Systems AB
Current assignee: Teknoterm Systems AB
Priority date: 1975-11-19
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1977-05-26
Also published as: SE7512982L; FR2362348B3; FR2362348A1; JPS5284840A; GB1562412A; SE420761B

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. WERNER FREISCHEM

. ILSE FREISCHEM

5000 KÖLN 1 HEUMARKT 14 TELEFON: (02 21) 23 58 68

Anmelderin: TEKNOTERM SYSTEMS AB

Fack
S-2O1 10 MALMÖ 1

Titel der Anmeldung: Energiekollektor

Unser Zeichen: T 79 PaGm 76/1

Die Erfindung betrifft einen Energiekollektor mit mindestens einem Wärmetransportmittelkreislauf und Einrichtungen zum Aufbereiten und Verteilen der gewonnenen Wärmeenergie.

Es ist bekannt, eine Wärmepumpe und einen Konvektor zu verwenden, um die Wärmeenergie der Aussenluft im Heizkörpersystem des Hauses nutzbar machen zu können. Hierfür wird eine Reihe von Konvektoren eingesetzt, die in einem Primärkreislauf indirekt oder direkt mit dem Verdampfer oder dem Kompressor einer Wärmepumpe über ein Wärmetransportmedium verbunden sind, zum Beispiel eine Flüssigkeit mit geringem Gefrierpunkt und Freon-Gas. Die Aussenluft umströmt diese Konvektoren. Um einen grossen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu erhalten, wobei man jedoch eine so kleine Oberfläche wie möglich des Konvektors beibehalten möchte, wird die Luft bei der bekannten Vorrichtung durch den Konvektor mit Hilfe eines Ventilators hindurchgedrückt

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Demzufolge ist der Konvektor normalerweise mit einem Ventilator ausgerüstet. Weiterhin sollte der Wärmeübergang vom Wärmetransportmittel zum Konvektor der bestmögliche sein, der Konvektor ist aus diesem Grunde in der Regel nicht mit einem Anstrich versehen. Eine nicht gestrichene Oberfläche gibt tatsächlich die Wärme des Wärmetransportmittels besser an den Konvektor ab als zum Beispiel eine schwarz angestrichene Oberfläche. Im Verdampfer der Wärmepumpe wird das Wärmetransportmittel abgekühlt, so dass es am Eingang des Konvektors eine geringere Temperatur hat als die Umgebungsluft. Der Kondensor der Wärmepumpe gibt die am Verdampfer abgenommene Wärmeenergie an ein zweites Wärmetransportmedium/auf einem höheren Temperaturniveau arbeitenden Sekundärkreis, d^er aufgrund seiner Konstruktion direkt im Heizkörpersystem oder ähnliches des Hauses verwendet werden kann. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensor der Wärmepumpe wie auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmetransportmittel am Eingang des Konvektors und der Umgebungsluft sind so aufeinander abgestimmt, dass Energieverluste, wie zum Beispiel solche in der Wärmepumpe, auf ein Minimum reduziert werden. Solch ein Konvektor wird zum Beispiel auf dem Dach eines Hauses angebracht, so dass ein guter Kontakt mit der Umgebungsluft gewährleistet ist.

Weiterhin ist es bekannt, Sonnenkollektoren zum Sammeln von Sonnenenergie zu benutzen. Ein solcher Sonnenkollektor wird im allgemeinen auf dem Dach eines Hauses angebracht und besteht aus einer Anzahl von parallel oder seriell verbundenen Rohrleitungen,

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durch die das Wärmetransportmedium des Primärkreises hindurchfliesst. Die Sonnenkollektoren sind im allgemeinen schwarz angestrichen, damit sie die Sonnenenergie gut aufnehmen. Um einen hohen Wärmeaustausch zu erreichen, strebt man eine möglichst grosse Kollektoroberfläche an. Zusätzlich ist der Sonnenkollektor überdeckt von mindestens einer Glasplatte und der Raum zwischen dem Sonnenkollektor und dieser Glasplatte ist gegebenenfalls evakuiert. Der Sonnenkollektor ist von dem darunterliegenden. Dach über geeignete Isolationsmaterialien thermisch isoliert. Da die Temperatur des Wärmetransportmediums am Ausgang des Sonnenkollektors relativ hoch ist, kann das Wärmetransportmedium im allgemeinen direkt oder indirekt im Heizkörpersystern des Hauses Verwendung finden.

Aus den oben gemachten Ausführungen wird klar, dass ein Kollektor zum Sammeln der Wärme der Umgebungsluft normalerweise einen aufgezwungenen Luftstrom aufweist, wenn seine sammelnde Oberfläche klein ist. Infolgedessen ist er mit einem Ventilator aus gerüstet und nicht gestrichen, und durch ihn hindurch fliesst ein Wärmetransportmedium von geringerer Temperatur als der Tempe ratur der umgebenden Luft. Ein Sonnenkollektor muss dagegen vor Luftbewegungen geschützt sein und eine schwarz gestrichene und möglichst grosse Oberfläche haben, wobei das ihn durchfliessende Wärmetransportmittel eine höhere Temperatur hat als die Umgebungsluft.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiekollektor zu schaffen der die vorhandenen Energiequellen möglichst effizient nutzt, einfach zu realisieren und anzuwenden ist und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Energiekollektor Vorrichtungen zum Sammeln von Wärme der Umgebungsluft und zugleich von Sonnenenergie aufweist, die außerhalb des zu versorgenden Hauses angeordnet sind, eine Vielzahl von nebeneinander verlaufenden, vom Wärmetransportmittel durchströmbaren, im Abstand vom Hausdach angebrachten Kanälen aufweisen, mit einem schwarzen, Sonnenenergie absorbierenden Anstrich versehen und der Umgebungsluft ausgesetzt sind, das Warmetransportmittel im die Energiekollektoren enthaltenden Primärkreislauf mit dem Verdampfer einer Wärmepumpe zusammenbringbar ist, deren Kondensor mit den Wärmeverteilern des Hauses verbunden ist, und das Wärmetransportmittel am Eingang der Energiekollektoren eine niedrigere Temperatur als die' Umgebungstemperatur der Energiekollektoren aufweist.

Bislang wurde eine Kombination eines Sonnenkollektors und eines Energiekollektors für die Wärmeenergie der Umgebungsluft zu einem einzigen Energiekollektor für undurchführbar angesehen. Mit der vorliegenden Erfindung werden jedoch beide Sammeleinrichtungen in effizienter Weise kombiniert. Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, daß ein Sonnenkollektor, der mit einem Wärmetransportmittel von geringfügig niedriger oder

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gleicher Temperatur als der Temperatur der umgebenden Luft versorgt wird, nicht von seiner Umgebung und dem Hausdach thermisch isoliert werden muss, da die Wärmeverluste gering oder verschwindend sind. Wird weiterhin ein Energiekollektor zum Sammeln der Konvektionswärme der Luft so ausgelegt, dass er eine grosse, die Wärme austauschende Oberfläche hat, so kann er schwarz gestrichen sein und auch ohne Ventilator arbeiten und dabei immer noch denselben Wirkungsgrad aufweisen.

Um die Sonnenenergie und die Wärme der Umgebungsluft so gut wie möglich auszunutzen, wird als vorteilhafte Ausführung für den Energiekollektor vorgeschlagen, diesen mit einer transparenten Platte abzudecken, wobei ein gewisser Zwischenraum zwischen dieser Platte und dem Energiekollektor bleibt, so dass Luft durch diesen Zwischenraum hindurchtreten kann.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Wärmeaustauscher in den Primärkreis eingeschaltet, dieser Wärmeaustauscher ist in einem Luftschacht des Hauses untergebracht, so dass er mit der Luft der Lüftung des Hauses Wärme austauschen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der -Zeichnung dargestellt und werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung eingehend beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1: eine Prinzipdarstellung eines Energiekollektors nach der Erfindung mit zwei Wärmetransportmittel-Kreislaufen,

Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel· des Energiekollektors, in schematischer Ansicht, mit zwei Kreisläufen,

Fig.3: eine prinzipielle Darstellung eines Ausführungsbeispiel des Energiekollektors,

Fig. 4: eine Darstellung eines Energiekollektors entsprechend Fig. 3 mit U-förmig gebogener Glasabdeckung,

Fig. 5: eine prinzipielle Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für den Energiekollektor in serieller Schaltung

Fig. 6: ein drittes Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 3 und 5 des Warmeko^ektors in paralleler Schaltung, und Fig. 7: ein viertes Ausführungsbeispiel des Energiekollektors.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Hausdach, auf dem der Energiekollektor 2 nach der Erfindung in einem gewissen Abstand 3 von diesem Dach angebracht ist. Der Energiekollektor 2 befindet sich im Primärkreis 4, der weiterhin einen Verdampfer 5 und eine Wärmepumpe 7 aufweist. Eine Pumpe 8 sorgt für den Umlauf des Wärmetransportmittels 9 in diesem Primärkreis 4. Der Kondensor 6 der Wärmepumpe 7 ist über einen Wärmeaustauscher verbunden mit aen heizkörpern 10 im. Sekundärkreis 11, der zusätzlich vorteilhafterweise einen Wärmespeicher 24 aufweist.

Wie ausführlicher in Fig. 3 gezeigt, besteht der Energiekollektor 2 aus zwei parallel zueinander angeordneten Metallplatten 12 und 13, zwischen denen eine Vielzahl von Zwischenunterteilungen vor-

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gesehen ist, so dass eine Anzahl von parallel zueinander geschalteten Kanälen, zwischen den Enden dieser Metallplatten 12 und 13 ausgebildet wird. Der Energiekollektor 2 ist weiterhin mit Anschlußstücken 14 und 15 ausgerüstet, durch die das Wärmetransportmittel 9 dem im Primärkreis 4 angeordneten Energiekollektor 2 zugeführt und entnommen wird. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann der Enei giekollektor 2 ebenso aus zwei Wellblechplatten 16 und 17 aufgebaut sein, deren Wellen sich unter Bildung von parallel nebeneinander verlaufenden Kanälen berühren. Diese Kanäle sind innerhalb des Primärkreises seriell untereinander verbunden. In Fig. ist ein Ausführungsbeispiel des Energiekollektors 2 gezeigt, bei dem die Transportleitungen für das Wärmetransportmittel 9 in zylindrischen Ausnehmungen auf einer Wellblechplatte 17 angeord-

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net<""T)er Energiekollektor 2 -nach Fig. 7 ist mit einer Wärmedämmung 25 an seiner Unterseite ausgerüstet.

Zumindest die obere Wellblechplatte 16 bzw. die obere Metallplatte 12 ist schwarz gestrichen, so dass sie die Strahlungsenergie der Sonne gut aufnehmen und diese in Wärmeenergie umwandeln kann. Diese Wärmeenergie wird auf das im Energiekollektor 2 befindliche Wärmetransportmittel 9 übertragen, dieses Wärmetransportmittel 9 zirkuliert im Primärkreis 4. Weiterhin wird der Energiekollektor 2 der Luft ausgesetzt, und zwar sowohl an seiner Ober- wie auch an seiner Unterseite. Da das dem Energiekollektor 2 zugeführ te Wärmetransportmittel 9 eine geringere Temperatur aufweist als die Umgebungsluft, gibt die Umgebungsluft über Konvektion Wärme an das Wärmetransportmittel 9 ab. Die im Energiekollektor 2 ab-

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sorbierte Wärmeenergie wird durch das Wärmetransportmittel 9, das im Primärkreis 4 unter Wirkung der Pumpe 8 zirkuliert, auf den Verdampfer 5 der Wärmepumpe 7 transportiert, wo die Wärmeenergie des Wärmetransportmittels 9 durch die Wärmepumpe 7 auf einem niedrigen Temperaturniveau zusammengefasst und auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird, das direkt im Heizkörpersystern 10 des Hauses verwendet werden kann.

In der in Fig. 4 gezeigten vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Energiekollektor 2 durch eine transparente, einen U-förmigen Querschnitt aufweisende Abdeckplatte 18 abgedeckt. Aufgrund des U-Profils weist diese Platte einen höheren Widerstand gegen Biegungen auf und ist zudem einfacher zu montieren. Zwischen der Abdeckplatte 18 und.dem Energiekollektor 2 ist ein Luftzwischenraum 19, in dem die Luft frei zirkulieren kann. Die Abdeckplatte 18 kann aus Glas oder aus einem transparenten Plastikmaterial hergestellt sein.

In Fig. 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein Wärmeaustauscher 20 im Primärkreis eingeschaltet wurde. Der Wärmeaustauscher 20 ist in einem Luftschacht des Hauses angeordnet, er tauscht mit der aus dem Hause ausströmenden Luft Wärme aus. Während der kalten Jahreszeit ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der Luft im Hausinneren und der Aussenluft gegeben. Dadurch entsteht automatisch ein Zug im Luftkanal, dies* ist jedoch während des Winters von Nachteil. Durch den Wärmeaustauscher 20 wird die Temperatur der aus dem Haus austretenden

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Luft reduziert, wodurch die Kaminwirkung reduziert und die Menge der vom Hause abgegebenen Wärmeenergie verringert wird. Weiterhin ist in der Nähe der Dachoberkante ein Ventilator 21 angeordnet/ der die wärme Luft aus den Hohlräumen unterhalb des Dachfirsts ansaugt und diese Luft dem Energiekollektor 2 zuführt.

Aus diesen Ausführungen wird klar, dass der Energiekollektor 2 nach der Erfindung Sonnenenergie und Konvektionswärme sammelt. Weiterhin sammelt der Energiekollektor 2 auch die vom Haus durch das Hausdach 1 hindurch abgegebene Wärmeenergie und die Wärmeenergie in den Luftkanälen des Hauses. Vorteilhafterweise werden Temperatursensoren bekannter Art im Primärkreislauf und im Sekundärkreislauf angeordnet, mit denen die Temperatur der Wärmetransportmittel abgefragt werden kann, wie auch die Innen- und die Aussentemperatur. Diese Wärmesensoren steuern über ein Steuersystem die Arbeitsabläufe der Wärmepumpe 7 und einer Anzahl von Ventilen 22, 23. Der Energiekollektor 2 nach der Erfindung und das Steuersystem sind so .ausgelegt, dass die verfügbaren Energiequellen in bester Weise ausgenutzt werden. Das bedeutet, dass die Wärmegewinnung während der warmen Jahreszeit zu hoch ist. Während dieser Jahreszeit wird daher die Wärmepumpe 7 abgeschaltet, und die Energiekollektoren 2 arbeiten nur als Sonnenkollektoren. In einem solchen Fall läuft das Wärmetransportmittel durch die Ventile 22 und 23 (Fig. 1) an der Wärmepumpe 7 vorbei und steht in direkter Verbindung mit dem Wärmespeicher 24. Die so gewonnene Wärmeenergie kann zum Aufheizen von Wasser verwendet werden und kann je nach Notwendigkeit zur Heizung des Hauses

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mittels der Heizkörper 10 benutzt werden.

In der Regel wird stets eine gewisse Wärmemenge aufgespeichert, so dass die Schwankungen zwischen Tag und Nacht, wie auch Langzeit Schwankungen in der Temperatur ausgeglichen werden können. Vorteilhafterweise wird ein oder werden mehrere Wärmespeicher vorgesehen, die als grosse Wassertanks oder ähnliches ausgeführt sind. Diese Wärmespeicher 24 können einerseits in den Primärkreis 4 und andererseits-in den Sekundärkreis 11 eingeschaltet werden. In einem solchen Fall kontrolliert das Steuersystem den Zufluss und die Abnahme der Wärmemenge von diesen Wärmespeichern 24 in bekannter Weise.

Der Wärmeaustauscher 20 ist so ausgeführt," dass er die aus dem Haus während der kalten Jahreszeit durch einen Luftschacht austretende Luft abkühlt. Dadurch wird die Kaminwirkung dieser Luftschächte verringert, was während der kalten Jahreszeit vorteilhaft ist. Während der warmen Jahreszeit ist die Temperaturdifferenz zwischen der InnenIuft und der AussenIuft natürlich relativ gering und demzufolge wird die Kaminwirkung ebenfalls klein sein. Um diese Kaminwirkung während der warmen Jahreszeit zu erhöhen, läuft das Wärmetransportmittel 9 vom Energiekollektor 2, der in diesem Fall allein als Sonnenkollektor arbeitet, durch den Wärmeaustauscher 20. Dieser Wärmeaustauscher 20 ist damit wärmer als die Innentemperatur und wird demzufolge die .Luft im Luftschacht aufheizen. Dies führt zu einer erhöhten Kaminwirkung, wie während der warmen Jahreszeit durchaus wünschenswert ist. Da der Sonnen-

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	benötigt, um die Wirksamkeit des	Hausdach Energiekollektor Abstand Primärkreis Verdampfer	die Kollektorvorrichtung nach der
		Kondensor	für das Haus liefern kann.
2652306 * *	Energiekollektor nach der Erfindung wird vorteilhafterweise	Wärmepumpe
It kollektor in diesem Fall einen Überschuss an Wärme liefert,	einer konventionellen Wärmequelle kombiniert, wie zum Bei-	Pumpe	22 Ventil 23 Ventil 24 Wärmespeicher 25 Wärmedämmung
wird keine zusätzliche Energie	spiel einer Elektroheizung, damit die notwendige zusätzliche Wär	Wärmetransportmittel
Ventilationssystems zu erhöhen	me c	Heizkörper	-
Der	jeliefert werden kann, wenn	S ekundärkreis
mit	Erfindung nicht genügend Wärme	Metallplatte
Bezugszeichenliste	Metallplatte
1 2 3 4 5	Anschlußstück
6	Anschlußstück
7	Wellblechplatte
8	We 11b lechp latte
9	Abdeckplatte
10	Luftzwischenraum
11	Wärmeaustauscher
12	Ventilator
13
14
15
16
17
18
19
20
21

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Claims

P ATENT AU SP Rt)CEE

( "ΜEnergiekollektor mit mindestens einem Wärmetransportmittelkreislauf und Einrichtungen zum Aufbereiten, und Verteilen dar gewonnenen Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekollektoren C2) Vorrichtungen zum Sammeln von Wärme der Umgebungsluft und zugleich von Sonnenenergie aufweisen, sie ausserhalb des zu versorgenden Hauses angeordnet sind, eine Vielzahl von nebeneinander verlaufenden, vom Wärmetransportmittel (9) durchströmbaren, im Abstand vom Hausdach (1) angebrachten Kanälen aufweisen, mit einem schwarzen, Sonnenenergie absorbierenden Anstrich versehen und der Umgebungsluft ausgesetzt sind, das Wärmetransportmittel (9) im. die Energiekollektoren (2) enthaltenden Primärkreislauf (4) mit dem Verdampfer (5) einer Wärmepumpe (7) zusammenbringbar ist, deren Kondensor (6) mit den Wärmeverteilern des Hauses verbunden 1st und das Wärmetransportmittel (9) am Eingang der Energiekollektoren (2) eine niedrigere Temperatur als die Umgebungstemperatur der Energiekollektoren (2) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiekollektor (2) durch eine transparente Abdeckplatte (18) abdeckbar ist, die in einem kleinen Abstand oberhalb des Energiekollektors (2) angeordnet ist und der Energiekollektor (2) in einem Abstand (3) oberhalb des Hausdaches (1) befestigt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer transparenten Abdeck-

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platte, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (18) ein U-förmiges Profil aufweist, dessen Schenkel senkrecht zum Dachfirst angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Primärkreislauf (4) ein Wärmeaustauscher (20) einschaltbar ist, der in einem Lüftungsschacht des Hauses angeordnet it.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet
durch einen auf den Energiekollektor (2) gerichteten Ventilator (21).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator (21) in der Nähe eines unterhalb des Hausdachs (1) endenden Luftschachts angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiekollektor (2) aus zwei, parallel und im Abstand zueinander angeordneten Platten ( 12,13,16,17) besteht
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Platten (12,13,16,17) eine Wellblechplatte (16,17) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiekollektor (2) aus einer Wellblechplatte

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(17) besteht, in deren Rinnen Röhren für das Wärmetransportiaittel (9) angeordnet sind,
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine Wärmedämmung C25) an der Unterseite der Energiekollektoren (2).

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