DE19505857C2 - Sonnenkollektorelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sonnenkollektore­ lement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Sonnenkollektorelemente werden zunehmend zur Energiegewinnung, insbesondere zur Warm- oder Heißwasser­ bereitung auf Hausdächern oder anderen, starker Sonnen­ einstrahlung ausgesetzten Flächen montiert.

Aus der US 5 143 053 ist ein Sonnenkollektorelement mit einer Absorberplatte und einem teilweise offenen Aufnah­ mekanal bekannt, wobei in den Aufnahmekanal ein aus Sili­ konkautschuk bestehender Rohrleitungsabschnitt einfügbar ist.

Die Abführung der Wärme von der Absorberplatte und die Erhitzung eines Wärmeträgerfluids erfolgen dadurch, daß die Absorberplatte in thermischem Kontakt mit der Rohr­ leitung steht, durch welche das Wärmeträgerfluid strömt. Die Wärme des Wärmeträgerfluids kann z. B. über einen Wär­ metauscher an eine Brauchwassererwärmungsanlage abgegeben werden.

Zwar läßt die Elastizität des für die Rohrleitung verwen­ deten Materials auch ein Einfrieren des Wärmeträgerfluids ohne Zerstörung der Rohrleitung zu, die Materialauswahl geht aber zu Lasten des thermischen Wirkungsgrades und und der Unbedenklichkeit gegenüber der Durchleitung von Trinkwasser.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung ei­ nes Sonnenkollektorelementes, das aus vorgefertigten Bau­ elementen besteht und am Bau einfach montiert werden kann, wobei das Sonnenkollektorelement einen hohen Wir­ kungsgrad aufweist und zur direkten Erwärmung von Trink­ wasser geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Sonnenkollektorelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Sonnenkollektorelement kann am Ort des Einsatzes für die zur Verfügung stehende Fläche passend zugeschnitten und anschließend die Rohr­ leitung aus elastischem Kunststoffmaterial in thermischen Kontakt damit verbunden werden. Darüberhinaus braucht man dem Wärmeträgerfluid kein Frostschutzmittel beizumengen, da das Kunststoffmaterial aufgrund seiner Elastizität ge­ gen Gefrier- und Auftauprozesse unempfindlich ist.

Bei einer Ausbildung der metallischen Absorberplatte oder Absorberstreifen mit mehreren im Querschnitt teilweise offenen Aufnahmekanälen wird die Rohrleitung in diese Aufnahmekanäle eingebettet. Aufgrund ihrer Elastizität kann die Rohrleitung auch in solche Aufnahmekanäle hin­ eingedrückt werden, deren Aufnahmespalt enger als die Breite der Rohrleitung ist, was die Montage auf der Bau­ stelle wie auch ggf. im Werk weiter vereinfacht.

Als Kunststoffmaterial ein EPDM (Ethylen Propylen Dien Terpolymer)-Kautschuk besonders geeignet ist. Durch den Gehalt eines gut wärmeleitenden Zusatzstoffes in Form von Graphitpulver wird der Kollektorwirkungsgrad gegenüber bekannten Ausführungen deutlich verbessert. Dabei werden die Verarbeitungseigenschaften des Kunststoffmaterials, nur unbedeutend beeinträchtigt.

Die Form- und Alterungsbeständigkeit des Kunststoffmate­ rials gegen extreme thermische Belastungen wird durch Vernetzung verbessert. Statt der üblichen Schwefelver­ netzung wird bei der Erfindung jedoch peroxidvernetztes Kunststoffmaterial verwendet, das frei von trinkwasserge­ fährdenden Zusatzstoffen ist. Da in diesem Fall keine schädlichen Stoffe in das Trägerfluid übertreten können, ist eine direkte Erwärmung von Trinkwasser möglich, so daß auf sonst übliche verlustbehaftete Wärmetauscher ver­ zichtet werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Sonnenkollektorelement ist die dem Sonnenlicht ausgesetzte Oberfläche der Absorberplatte oder Absorberstreifen absorbierend beschichtet ist. Durch eine solche Beschichtung wird eine Reflexion der einfal­ lenden Sonnenstrahlung verringert, so daß ein größerer Anteil der Strahlung in Nutzwärme umgewandelt wird. Durch eine selektive Beschichtung wird der Wirkungsgrad weiter erhöht.

Vorzugsweise wird ein einteiliger durchgehender Schlauch durch alle Aufnahmekanäle verlegt. Auf diese Weise können zahlreiche Verbindungsstücke entfallen, die bei der Aus­ gestaltung des Metallabsorbers nach dem Stand der Technik üblich sind. Dies verringert auch die Gefahr von Lecks im Rohrleitungssystem. Darüberhinaus wird die Herstellung des Sonnenkollektorelementes vereinfacht, denn die beim Stand der Technik zum Verbiegen der Metallrohre notwen­ digen Arbeitsschritte entfallen.

Um einen möglichst hohen Kollektorwirkungsgrad zu erzie­ len, ist weiter vorteilhaft, daß die Aufnahmekanäle die Rohrleitung auf 50% bis 90% ihres Umfangs wärmeleitend berühren, damit ein großflächiger Wärmeübergang stattfin­ den kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung bilden die Aufnahmekanäle Vertiefungen in der einstückigen Ab­ sorberplatte oder den Absorberstreifen. Diese Vertiefun­ gen eignen sich besonders zum montagefreundlichen Hinein­ drücken der Rohrleitung, so daß ein einfacher und voll­ ständiger Zusammenbau auf der Baustelle möglich ist.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Aufnahmekanäle als an die Absorberplatte oder Absorber­ streifen angesetzte Klemmprofile mit teiloffenem Quer­ schnitt ausgebildet sind.

Bei einer dritten Ausführungsform sind Absorberplatte oder die Absorberstreifen gemeinsam mit den Aufnahmekanä­ len als Strangpressprofil hergestellt.

Die erste Alternative ermöglicht eine einfache Herstel­ lung der Absorberplatten oder Absorberstreifen, da eine Vielzahl von parallelen Aufnahmekanälen, leicht durch Biegen, Prägen oder Tiefziehen gebildet werden können. Die zweite Alternative ist besonders flexibel hinsicht­ lich der Verteilung der Aufnahmekanäle an der Absorber­ platte oder den Absorberstreifen. Die dritte Alternative ermöglicht die Herstellung von Absorberplatte oder Absor­ berstreifen zusammen mit den Aufnahmekanälen in einem Ar­ beitsgang. Wegen der Werkzeugkosten ist sie allerdings erst bei großen Stückzahlen wirtschaftlich.

Die Wandung eines Aufnahmekanals kann rund sein, um eine runde Rohrleitung aufzunehmen. In diesem Fall ist zur Op­ timierung der Wärmeübertragung bevorzugt, daß der Aufnah­ mekanal einen Querschnitt hat, der die Rohrleitung auf mehr als der Hälfte ihres Umfangs umgreift. Grundsätzlich kann die Rohrleitung und der Aufnahmekanal jedoch belie­ bigen, z. B. auch einen rechteckigen Querschnitt haben.

Bei an die Absorberplatte oder Absorberstreifen angekleb­ ten Rohrleitungsabschnitten wird für den Querschnitt des Rohrleitungsabschnittes eine Abflachung bevorzugt und diese Abflachung mit der Absorberplatte oder den Absor­ berstreifen verbunden. Dadurch läßt sich auch bei dieser Ausführung die Kontaktfläche zur Absorberplatte oder den Absorberstreifen vergrößern.

Eine selektive Beschichtung kann zweckmäßig aus Komponen­ ten bestehen, die einerseits die Absorpteigenschaften für des Solarspektrums steigern und andererseits die Immisi­ onseigenschaften für das Infrarotspektrum reduzieren.

Als selektive Beschichtungen kommen eine Kombination von Glanz-Nickel und Schwarz-Chrom oder Titannitrid (TiN_xO_y) oder eine gesputterten Keramik in Betracht. Dabei werden die beiden letztgenannten Materialien aus ökologischen Gründen bevorzugt.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der weiteren Beschreibung und den Zeichnungen, anhand derer die Erfindung erläutert wird.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Sonnen­ kollektorelement mit einer Absorber­ platte nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Absor­ berplatte mit Klemmprofilen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Absorber­ platte mit eingeklemmter Rohrleitung aus Kunststoff,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Aufnah­ mekanal mit eingebetteter Rohrlei­ tung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen als Vertiefung ausgebildeten Aufnahmeka­ nal mit eingebetteter Rohrleitung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen als Strangpressprofil ausgebildeten Absorberstreifen mit einer einge­ klemmten Rohrleitung und

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung ähnlich Fig. 6, jedoch mit seitlichen Fi­ xieransätzen und Fixierausnehmungen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Sonnenkollekto­ relement 1 mit einer Absorberplatte 2. Das Sonnenkollek­ torelement 1 umfaßt einen Rahmen 3, der z. B. vollständig aus einem tiefgezogenen Metallblech oder aus Kunststoff­ profilen mit einer Rückwand 4 aus Metallblech bestehen kann. Zwischen der Absorberplatte 2 und der Rückwand 4 ist eine Wärmedämmschicht 5 angeordnet, die aus Mineral­ wolle und/oder PU-Schaum bestehen kann. Nach außen ist das Sonnenkollektorelement 1 mit einer transparenten Ab­ deckung 6 aus eisenarmem Glas versehen. Eine Seitenisola­ tion 7 kann durch eine Luftschicht oder durch Mineral­ wolle gebildet sein.

Die Absorberplatte 2 besteht aus einer 0,3 bis 0,5 mm dicken Kupferplatte mit aufgelöteten Klemmprofilen 8 aus Kupfer als Aufnahmekanäle für die mit Wasser gefüllte Rohrleitung 9 aus Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmate­ rial, hier EPDM-Kautschuk, enthält einen gut wärmeleiten­ den Zusatzstoff, dessen Gewichtsanteil zwischen 20% und 60%, vorzugsweise 40% beträgt. Als Zusatzstoff sind Me­ tallpulver, insbesondere Aluminiumpulver, oder Graphit­ pulver oder ein Gemisch von diesen geeignet.

Aufgrund ihrer Elastizität kann die Rohrleitung 9 in das entsprechende Klemmprofil 8 eingebettet werden, obwohl der Aufnahmespalt des Klemmprofils 8 enger ist als die Breite der Rohrleitung 9. Ferner bewirkt die Elastizität einen guten Formschluß und damit eine gute Wärmeübertra­ gung zwischen der Absorberplatte 2 und der Rohrleitung 9. Das Klemmprofil 8 wirkt neben seiner Aufnahmefunktion mit gutem thermischen Kontakt zur Absorberplatte 2 auch als wärmeübertragende Rippe, die den Wärmetransport von der Absorberplatte 2 in die Rohrleitung 9 verbessert.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Absorberplatte 2, die sich von der in Fig. 1 gezeigten Absorberplatte nur in der Anzahl der Klemmprofile 8 unterscheidet. Auf der Absorberplatte 2 sind zwölf Klemmprofile 8 in einem Abstand a von 115 mm aufgelötet. Die Oberfläche der Ab­ sorberplatte 2 und die Außenseiten der Klemmprofile 8 sind mit einer selektiven Beschichtung versehen, um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Absorberplatte 2, die im wesentlichen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung der Absorberplatten 2 entspricht. In die Klemmprofile 8 ist ein einteiliger flexibler EPDM-Kunst­ stoffschlauch 10 mäanderförmig eingebettet. Der Schlauch 10 muß neben guten thermischen Eigenschaften auch eine für den Betriebsdruck ausreichende Festigkeit aufweisen. Außerdem muß er für eine hohe Anzahl von Einfrier- und Auftauzyklen ausgelegt sein. Aus diesen Gründen wird eine Wandstärke von 1,5 mm bis 2 mm gewählt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Querschnitte durch zwei Ausführungsvarianten eines Aufnahmekanals 11 mit einge­ betteter Rohrleitung 9. In Fig. 4 ist der Aufnahmekanal 11 ein an die Absorberplatte 2 angesetztes Klemmprofil mit teiloffenem Querschnitt ist. In Fig. 5 ist der Auf­ nahmekanal 11 eine Vertiefung in der einstückigen Absor­ berplatte 2. Diese Vertiefungen eignen sich besonders zum Hineindrücken der Rohrleitung 9, so daß ein einfacher und vollständiger Zusammenbau auf der Baustelle möglich ist.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen als Strang­ pressprofil ausgebildeten Absorberstreifen 12 mit einer eingeklemmten Rohrleitung 9. Ein derartiger Absorber­ streifen 2 läßt sich mit einem entsprechend angepaßten Werkzeug in einem Arbeitsgang herstellen. Absorberplatten 2 können durch Kombination mehrerer Absorberstreifen 12 in beliebiger Breite zusammengesetzt werden. Durch zu­ sätzliche Fixieransätze 13 und Fixierausnehmungen 14, wie sie der in Fig. 7 dargestellte Absorberstreifen 12 be­ sitzt, lassen sich Absorberstreifen 12 dabei mechanisch verbinden.

Claims (9)

1. Sonnenkollektorelement (1) mit einer metallischen Absorberplatte (2) oder metallischen Absorberstrei­ fen (12), mit denen jeweils ein Rohrleitungsabschnitt ei­ ner flüssigkeitsführenden Rohrleitung (9) aus elastischem Kunststoffmaterial in thermischem Kontakt verbunden ist, wobei die metallische Absorberplatte (2) oder metalli­ schen Absorberstreifen (12) mit mehreren im Querschnitt teilweise offenen Aufnahmekanälen (11) versehen sind, in denen der Rohrleitungsabschnitt eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (9) ein flexibler Schlauch ist, daß das elastische Kunststoffmaterial ein EPDM (Ethylen Propylen Dien Terpolymer)-Kautschuk ist, der peroxidvernetzt und frei von trinkwassergefährdenden Zusatzstoffen ist und einen gut wärmeleitenden Zusatz­ stoff in Form von Graphitpulver enthält und daß wenig­ stens die dem Sonnenlicht ausgesetzte Oberfläche der Ab­ sorberplatte (2) oder Absorberstreifen (12) absorbierend und/oder selektiv beschichtet ist.

2. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohrleitung (9) einteilig durch mehrere oder alle Aufnahmekanäle (11) der Absorberplatte (2) oder Absorberstreifen (12) verläuft.

3. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufnahmekanäle (11) die Rohrleitung (9) auf 50% bis 90% ihres Umfangs wärmelei­ tend berühren.

4. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeka­ näle (11) als Vertiefungen in der einstückigen Absor­ berplatte (2) oder den Absorberstreifen (12) ausgebildet sind.

5. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeka­ näle (11) als an die Absorberplatte (2) oder die Ab­ sorberstreifen (12) angesetzte Klemmprofile (8) mit teil­ offenem Querschnitt ausgebildet sind.

6. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberplatte (2) oder die Absorberstreifen (12) gemeinsam mit den Aufnah­ mekanälen (11) als Strangpressprofil hergestellt sind.

7. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohrleitungsabschnittes eine Abflachung bildet und diese Abflachung mit der Absorberplatte (2) oder den Absorber­ streifen (12) verbunden ist.

8. Sonnenkollektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Be­ schichtung aus Komponenten besteht, die einerseits die Absorptionseigenschaften für des Solarspektrums steigern und andererseits die Immisionseigenschaften für das In­ frarotspektrum reduzieren.

9. Sonnenkollektorelement nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die selektive Beschichtung aus einer Kombination von Glanz-Nickel und Schwarz-Chrom oder aus Titannitrid (TiN_xO_y) oder aus einer gesputterten Keramik besteht.