DE3527679A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermetechnischen nutzung von sonnenenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des An­ spruchs 2.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 32 36 726 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Ver­ fahren wird das an sich bekannte physikalische Prinzip ausge­ nutzt, daß wärmere Luft aufgrund ihrer geringeren Dichte gegenüber etwas kälterer Luft im Vergleich zur kälteren Luft aufsteigt. Auf diese Weise entsteht durch die Eigenkonvektion der im Solarkollektor erwärmten Luft eine Sogwirkung, durch welche Luft der Außenumgebung in den Solarkollektor nachströmt.

Dadurch wird erreicht, daß dieser Solarkollektor ohne zu­ sätzliche Hilfsaggregate, wie beispielsweise Gebläse, betreib­ bar ist und ohne Zufuhr von Hilfsenergie funktionsfähig bleibt.

Bei der bekannten Vorrichtung sind an den Solarkollektor rückwärtig ein oder mehrere Wärmetauscher angeschlossen, durch welche primärseitig die im Solarkollektor erwärmte Außenluft zirkulierend geführt wird. Dazu ist es vorgesehen, die im Solarkollektor aufsteigend Wärme aufnehmende Luft über einen Anschlußkanal absteigend umzulenken in den Wärmetauscher, aus welchem die abgekühlte Luft wieder in den Solarkollektor zu­ rückgeführt wird. Eingesetzt wird diese bekannte Vorrichtung zur Beheizung von Gebäudeinnenräumen. Zu diesem Zweck wird die Solarwand rückseitig vollisoliert an einer Gebäudefassade be­ festigt und mit zumindest sekundärseitig in die Innenräume ra­ genden Wärmetauschern verbunden.

Diese bekannte Vorrichtung befindet sich in größeren Stückzah­ len im Einsatz und hat sich in der Praxis bestens zur Raum­ heizung bewährt.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem, bzw. mit der eine verbesser­ te Wärmedämmung beispielsweise von Gebäudefassaden erzielbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch das Kennzeichen des Anspruchs 2.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Der Kern der Erfindung liegt darin, daß im wesentlichen die gesamte Rückseite des Solarkollektors vollflächig zur Wärmeabgabe an einen Wärmeabnehmer, wie beispielsweise eine Gebäudefassade, zur Verfügung steht. Erreicht wird dies ver­ fahrensmäßig dadurch, daß für die Luft innerhalb des Solar­ kollektors zwei Strömungswege zur Verfügung stehen, die ab­ wechselnd so über Kreuz geführt sind, daß Luft, die auf dem einen Strömungsweg durch Sonnenenergie erwärmt wurde, ihre Energie an einen Wärmeabnehmer auf der Rückseite des Solar­ kollektors gerade dann abgibt, wenn die auf dem zweiten Strö­ mungsweg aufsteigend strömende Luft von der Wärme abgebenden Rückseite des Solarkollektors auf die Frontseite strömt, wo sie erneut Wärmeenergie von der Sonne aufnimmt. Vorrichtungs­ gemäß ist der im wesentlichen aufrecht betriebene Solarkollek­ tor in mehrere übereinander angeordnete Kammerpaare unterteilt, wobei jeweils eine Kammer des Kammerpaares vor und eine hinter dem Absorber des Solarkollektors angeordnet ist. Die Verbin­ dung der übereinander angeordneten Kammern erfolgt derart, daß jede der frontseitigen Kammern mit jeweils der darüber und darunter liegenden rückseitigen Kammer verbunden ist.

Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zur aktiven Wärme­ isolation von Gebäudefassaden. Zu diesem Zweck wird der aus Kammerpaaren bestehende Solarkollektor zweckmäßigerweise ohne Rückwand an der Gebäudefassade montiert, so daß diese die Rückwand des Solarkollektors und gleichzeitig den Wärmeabneh­ mer bildet.

Vorteilhafterweise sind die beiden hintereinander angeord­ neten Kammern der Kammerpaare thermisch voneinander isoliert. Hierzu ist es vorgesehen, die jeweilige rückseitige Kammer innenliegend mit einer wärmeisolierenden Wand zu versehen, die direkt an den Absorber angrenzt und eine Wärmeabstrahlung des Absorbers in die rückseitige Kammer unterbindet. Dadurch wird sichergestellt, daß die rückseitige Kammer ausschließ­ lich als Wärmeabgabekammer eingesetzt ist und die Solar­ energie vollständig an die durch die frontseitige Kammer strömende Luft übertragen wird.

Bei einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, auch die Restwärme am Luft­ auslaß des Solarkollektors wärmetechnisch zu nutzen. In dem Fall, daß der Solarkollektor bis nahe an das Gebäudedach geführt ist, kann die am Solarkollektor ausströmende Luft über eine relativ kurze isolierte Leitung in die passive Wärmeisolierung des Dachbodens oder des Daches selbst eingeleitet werden und die Wirkung dieser passiven Isolierung unterstützen. Alternativ hierzu kann die Restwärme aber auch einem Wärmetauscher in den oberen Gebäudegeschossen zugeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, die Kammer­ paare in ihrer Höhe so zu gestalten, daß zwei übereinander gesetzte Kammerpaare zwischen Boden und Decke eines Gebäu­ deinnenraums an der Gebäudefassade zu liegen kommen. In diesem Fall kann die rückseitige Kammer des unteren Kammerpaares zur Raumheizung verwendet werden, in dem diese Kammer primärseitig an einen Wärmetauscher im Raum ange­ schlossen ist, während die rückseitige Kammer des darüber­ liegenden Kammerpaares zur Erwärmung der Gebäudeaußenwand und damit zur besseren Wärmeisolation dieser Wand verwendet wird.

Der Solarkollektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zum Zwecke der Gebäudeaußenwandisolation jederzeit auch nachträglich an älteren Gebäuden installiert werden. Der Solarkollektor kann in beliebiger Weise aus identischen Fertigbausteinen zusammengesetzt werden, wobei jeder Fertig­ baustein ein Kammerpaar mit einer frontseitigen und einer rückseitigen Kammer umfaßt, wobei diese Fertigbausteine mit den notwendigen Anschlußöffnungen an den Verbindungsflächen zum Übereinanderstapeln der Kammerpaare versehen sind.

Eine gleichmäßige, von der Sonneneinstrahlung weitgehend unabhängige Wärmedämmung läßt sich mit der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung dadurch erreichen, daß am Luftauslaß des Solarkollektors eine Steuereinrichtung für den Luftdurch­ satz durch den Solarkollektor vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Wärmedämmung an einer Gebäudefassade angebracht ist und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die sowohl zur Wärmeisolsation der Gebäudefassade wie auch zur Beheizung von Gebäudeinnenräumen eingesetzt ist.

Der in den Fig. 1 und 2 schematisch im Längsschnitt dar­ gestellte Solarkollektor 10 ist jeweils an der Fassade einer Gebäudewand befestigt und besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier übereinander angeordneten gleich großen Fertigbausteinen 49, 50, 51 und 52. Jeder Fertigbaustein besteht aus einem Rahmen 17 aus Holz-, Alu-, Beton- oder Stahlprofil, in welchen frontseitig eine sonnenlichtdurchlässige Scheibe aus Glas oder transparentem Kunststoff eingesetzt ist. Jeder Fertigbaustein ist in eine frontseitige Kammer 20-23 und eine rückseitige Kammer 24-27 unterteilt. Die Trennwand besteht frontseitig aus einem Absorber 14 und rückseitig aus einer wärmeisolierenden Schicht bzw. Wand 80-83. Die ober- und unterseitig gelegenen Rahmenteile sind außenseitig als Verbindungsflächen 53-60 zum Anschluß weiterer Fertigbausteine 49-52 ausgebildet. In jede Verbindungsfläche münden zwei Kanäle 61-64, die jeweils mit einer der Kammern 20-27 eines Fertigbausteins 49-52 verbunden sind. Die beiden jeweils in eine Verbindungs­ fläche 53-60 mündenden Kanäle 61-64 verlaufen V-förmig zu­ einander und überkreuzen sich ohne gegenseitig in Verbindung miteinander zu treten derart, daß wenn zwei Fertigbausteine 49-52 über ihre jeweiligen Verbindungsflächen 53-60 aneinan­ dergekoppelt sind, die frontseitige Kammer des einen Bau­ steins mit der rückseitigen Kammer des anderen Bausteins und umgekehrt miteinander verbunden sind. Die Anzahl der übereinandergesetzten Fertigbausteine 40-52 ist prinzipiell beliebig und wird lediglich durch die Höhe der Gebäude­ außenwand begrenzt.

Anschließend soll die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Solarkollektors 10 näher beschrieben werden, der zur Wärme­ isolation der Gebäudefassade 70 eingesetzt ist.

Durch die Eigenkonvektion der innerhalb des Solarkollektors 10, das heißt innerhalb der Kammern 20-27 erwärmten Luft, wird am Lufteinlaß 15 des Solarkollektors 10 Außenluft L angesaugt. Die Außenluft L wird über die Kanäle 61, 62 im unteren Rahmenteil des unteren Fertigbausteins 49 des Solarkollektors 10 in zwei Strömungswege aufgeteilt, welche durch die Pfeile L 1 und L 2 symbolisch dargestellt sind. Auf dem Strömungsweg L 1 gelangt die Außenluft L zunächst in die rückseitige Kammer 24 des Fertigbausteins 49, verläßt diese Kammer am oberen Rahmenteil über den Kanal 63 und gelangt über den Kanal 61 des Fertigbausteins 50 in dessen front­ seitige Kammer 21, aus welcher es dann in die rückseitige Kammer 26 des Fertigbausteins 51 umgeleitet wird. In ähnlicher Weise gelangt die Außenluft L über den Lufteinlaß 15 und den Kanal 61 in die frontseitige Kammer 20 des Fertigbausteins 49, verläßt die frontseitige Kammer 20 über den Kanal 62 und strömt in die rückseitige Kammer 25 des zweiten Fertig­ bausteins 50 usw.

Durch diese Überkreuzführung der Strömungskanäle wird erreicht, daß die an der Frontseite 11 des Solarkollektors 10 erwärmte Luft L 1, L 2 auf der Rückseite 12 des Solarkollek­ tors bzw. der Kammern 24-27 die gespeicherte Wärme vollflächig an die Abnehmerflächen 31-34 der Gebäudeaußenwand 70 abgibt. Die mit Q bezeichneten Pfeile geben symbolisch den Wärme­ übergang an der Gebäudeaußenwand 70 an.

Der Luftdurchsatz durch den Solarkollektor 10 wird mit Hilfe einer Steuereinrichtung 40 kontrolliert, die am Luftauslaß 16 des Solarkollektors 10 angeordnet ist. Die Steuerein­ richtung 40 umfaßt einen nicht dargestellten Wärmesensor der die Temperatur der Außenluft oder alternativ dazu die Temperatur innerhalb des Solarkollektors erfaßt und die Öffnungsstellung einer Regelklappe 41 am Luftauslaß 16 steuert.

Der Solarkollektor 10 in Fig. 1 dient also zur Wärmeiso­ lation der Gebäudeaußenwand 70 und trägt entscheidend dazu bei, daß für die Beheizung der Gebäudeinnenräume erheblich weniger Energie aufgewendet werden muß als bei Verwendung beispielsweise einer herkömmlichen, passiven Gebäudeaußen­ wandisolation.

Der Solarkollektor von Fig. 1 kann jedoch wie in Fig. 2 gezeigt, zusätzlich zur Wärmeisolation der Gebäudeaußenwand 70 auch zur aktiven Beheizung der Gebäudeinnenräume eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist es bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, jeden zweiten Fertigbaustein 50 und 52 an seiner Rückseite an einen Wärmetauscher 35, 36 anzuschließen.

Die Wärmetauscher 35 und 36 sind jeweils in Bodennähe des zu beheizenden Innenraums angeordnet. Primärseitig ist jeder der Wärmetauscher 35, 36 an die rückseitige Kammer 25, 27 eines der Fertigbausteine 50, 52 des Solarkollektors 10 angeschlossen. Die rückseitige Kammer 25, 27 ist mit einer Isolierwand 71, 72 abgeschlossen, um einen Wärmeübergang an die Gebäudeaußenwand 70 zu verhindern. Die Wärmeisolie­ rende Wand 71, 72 weist eine obere und eine untere Öffnung auf, über welche der Wärmetauscher 35, 36 in bekannter Weise primärseitig derart angeschlossen ist, daß die im Solarkollek­ tor erwärmte Luft 10 im geschlossenen Kreislauf aus der rückseitigen Kammer über die obere Öffnung in den Wärme­ tauscher 35, 36 eintritt und diesen über die untere Öffnung wieder verläßt. Die primärseitige Luft wird wie mit den Pfeilen q angedeutet, über die Tauscherfläche auf die Sekundärseite des Wärmetauschers 35, 36 überführt, durch welche die Luft des jeweiligen Innenraums aufsteingend in Zirkulation gehalten ist. Die obere Hälfte der Außenwand jedes mit einem Wärmetauscher 35, 36 versehenen Innenraums wird wie bereits in Fig. 1 beschrieben durch einen Fertig­ baustein 49, 51 des Solarkollektors 10, wie durch die Pfeile Q symbolisch dargestellt, aufgewärmt und damit von der Außen­ umgebung wärmemäßig isoliert. Durch diese kombinierte Verwendung des Solarkollektors 10 zur aktiven Beheizung und zur Wärmeisolierung des Raums nach außen wird die Sonnenenergie wärmetechnisch optimal ausgenutzt.

Claims (11)

1. Verfahren zur wärmetechnischen Nutzung von Sonnenenergie, bei dem Luft in einem Solarkollektor als Wärmeübertragungs­ medium unter Aufnahme von Wärmeenergie aufsteigend geführt wird und dabei Luft der Außenumgebung durch Eigenkonvektion in den Solarkollektor einsaugt, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Solarkollektor (10) einströmende Luft L der Außenumgebung auf zwei voneinander unabhängigen Strömungs­ strecken aufsteigend aufeinanderfolgend umgelenkt wird von der sonnenzugewandten Frontseite (11) des Solarkollek­ tors (10), auf welcher die Luft L 1, L 2 Wärmeenergie auf­ nimmt, zur sonnenabgewandten Rückseite (12) des Solarkollek­ tors (10), auf welcher die Luft L 1, L 2 Wärmeenergie an einen Abnehmer (30, 34, 70) überträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungsstrecken zumindest im wesentlichen auf derselben Höhe von der Frontseite (11) des Solarkollek­ tors (10) auf die Rückseite (12) des Solarkollektors (10) und umgekehrt umgelenkt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, mit einem in einem Winkel gegen die Horizontale, ins­ besondere lotrecht angeordneten Solarkollektor (10), in den frontseitig zwischen sonnenstrahlendurchlässiger Scheibe (13) und Absorber (14) ein Strömungsraum ausgebildet ist, der am unteren Ende des Solarkollektors (10) mit einem Luft­ einlaß (15) und am oberen Ende des Solarkollektors (10) mit einem Luftauslaß (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Absorber (14) und Rückseite (12) des Solarkollek­ tors (10) ein mit dem Lufteinlaß (15) und dem Luftauslaß (16) verbundener rückseitiger Strömungsraum ausgebildet ist, daß der frontseitige Strömungsraum und der rückseitige Strömungsraum in übereinander angeordnete Kammern (20-27) unterteilt ist, und daß jede der frontseitigen Kammern (20- 23) mit jeweils der darüber und darunterliegenden rückseiti­ gen Kammer (24-27) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitigen Kammern (24-27) innenliegend durch eine an den Aborber (14) angrenzende wärmeisolierende Wand (80-83) begrenzt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der außenliegende Abschluß der rückseitigen Kammern (24-27) von einer Fläche (31-34) des jeweiligen Wärmeab­ nehmers (37) gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftauslaß (16) des Solarkollektors (10) an einen weiteren Wärmeabnehmer, insbesondere an einen Wärmetauscher angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der rückseitigen Kammern (25, 27) an einen im geschlossenen Kreislauf mit diesen rückseitigen Kammern (25, 27) verbundenen Wärmetauscher (35, 36) ange­ schlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (40) für den Luftdurchsatz am Luftauslaß (16) des Solar­ kollektors (10).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) eine von der Temperatur der Luft L der Außenumgebung oder der Luft L 1, L 2 im Solarkollek­ tor (10) gesteuerte Regelklappe (41) umfasst.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Solarkollektor (10) aus identischen Fertigbau­ steinen (49-52) zusammensetzbar ist, wobei jeder Fertig­ baustein (49-52) eine frontseitige Kammer (20-23) und eine rückseitige Kammer (24-27) umfasst, die in mit Anschluß­ öffnungen versehene Verbindungsflächen (53, 54; 55, 56; 57, 58; 59, 60) für benachbarte Fertigbausteine (49-52) münden, wobei die Anschlußöffnungen gegebenenfalls den Lufteinlaß (15) oder den Lufteinsatz (16) des Solarkollek­ tors (10) bilden.

11. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 10 zur Beheizung von Gebäuden, insbesondere zur Wärmedämmung von Gebäudeaußenwänden (70).