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Die
Erfindung betrifft einen Solarkollektor zur Lufterwärmung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solarkollektoren
mit zick-zack-gefalteten oder anderweitig im Querschnitt dreiecksförmigen oder
trapezförmigen
Absorbern sind hinreichend bekannt. Diese bekannten Absorber dienen,
wie in der WO 96/24954 oder der WO 03/052330 A1, entweder als Reflektoren
für photovoltaische
Solarkollektoren oder wie beispielsweise in der
DE 295 16 545 U1 , der WO
79/00881 oder der WO 01/67008 A1 zur Aufheizung von Wasser als Wärmetransportmedium.
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Während diese
bekannten Solarkollektoren zur Erzeugung von Strom oder Warmwasser
verwendet werden, ist ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich die
direkte Erwärmung
von Luft mittels Solarkollektoren. Ein Problem, insbesondere bei
Niedrigenergiehäusern
oder bei zur Energieeinsparung nachträglich hermetisch abgedichteten älteren Gebäuden, ist
die Tatsache, daß sich
aufgrund der mangelnden Durchlüftung
dieser Gebäude
eine hohe Luftfeuchtigkeit im Inneren der Gebäude einstellt und im Extremfall
zu Schimmelbildung an den Wänden
führt.
Werden jedoch derartige Niedrigenergiehäuser zur Vermeidung der Ansammlung
von Luftfeuchtigkeit systematisch durchlüftet, so wird der gewollte
Energieeinsparungseffekt dieser Häuser in unerwünschter
Weise spürbar
herabgesetzt. Zwar kann man der damit verbundenen Erhöhung des
Energieverbrauchs entgegenwirken, indem die zur Durchlüftung des
Hauses verwendete Luft vor dem Austreten aus dem Haus durch Wärmetauscher
geleitet wird, um die in der Luft enthaltene Wärme zurückzugewinnen, doch ist diese
Vorgehensweise technisch und finanziell aufwendig.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Solarkollektor
zur Lufterwärmung
anzugeben, der kostengünstig
herstellbar und betreibbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 angegebenen Solarkollektor
zur Lufterwärmung
gelöst.
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Der
Aufbau des Solarkollektors, insbesondere mit dem Absorber aus zick-zack-gefaltetem
Material, ist einfach und ein derartiger Solarkollektor ist daher
kostengünstig
herstellbar. Das Hindurchleiten der Luft durch den Solarkollektor
unmittelbar entlang der durch die Faltung gebildeten Rippen des
Absorbers sorgt dafür,
daß die
Luft unmittelbar von der im Absorber gespeicherten Solar-Wärmestrahlung
erwärmt
wird, ohne daß es
eines zusätzlichen
Mediums, wie beispielsweise einer Wärmetransportflüssigkeit,
bedarf. Das Vorsehen des zumindest einen Gebläses im Bereich des Kaltluftsammelraums
sorgt dafür,
daß die
von außen
angesaugte Frischluft oder Kaltluft durch die im Bereich der gefalteten
Rippen des Absorbers gebildeten Strömungskanäle hindurchgedrückt wird,
so daß die
Strömungskanäle und auch
ein sich gegebenenfalls daran anschließender Warmluftsammelraum zur
Schalldämmung des
Gebläsegeräusches beitragen.
Zusätzlich
können
auch weitere Schalldämmaterialien
im Inneren des Gehäuses,
insbesondere auch im Warmluftsammelraum, vorgesehen sein. Der Betrieb
des Gebläses
als Druckgebläse,
das die Luft durch die Strömungskanäle hindurchdrückt, sorgt
zudem für
eine gleichmäßige Belüftung aller
Strömungskanäle. Zusätzlich können auch
Luftleiteinrichtungen vorgesehen sein, die den vom Gebläse erzeugten
Luftstrom im wesentlichen gleichmäßig auf die Strömungskanäle verteilen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Solarkollektors sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Dabei
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn zwischen der Abdeckung und
den durch die Faltung gebildeten Rippen des Absorbers zumindest
ein erster Strömungskanal
für zu
erwärmende
Luft gebildet ist und wenn zwischen der thermisch isolierenden Schicht
und den durch die Faltung gebildeten Rippen des Absorbers zumindest
ein zweiter Strömungskanal
für die
zu erwärmende
Luft gebildet ist. Diese Ausgestaltung erhöht nicht nur den Luftdurchsatz durch
den Solarkollektor, sondern erhöht
auch den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs
zwischen dem Absorber und der an seiner oberen beziehungsweise unteren
Oberfläche
vorbeiströmenden
Luft.
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Besonders
vorteilhaft ist auch, wenn das Gehäuse im eingebauten betriebsbereiten
Zustand so aufgestellt ist, daß die
vierte Seitenwand mit dem ihr benachbarten Warmluftsammelraum auf
einem höheren
Niveau liegt, als die dritte Seitenwand mit dem ihr benachbarten
Kaltluftsammelraum. Diese Ausgestaltung nutzt zusätzlich den
Auftrieb der Warmluft und unterstützt somit das zumindest eine
Gebläse zur
Gewährleistung
der Durchströmung
des Solarkollektors mit Luft.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, die das
zumindest eine Gebläse
in Abhängigkeit
von der innerhalb des Solarkollektors gemessenen Temperatur ein-
und ausschaltet, wobei die Temperaturen für die Schaltschwellen vorzugsweise
im Bereich von 20°C
bis 23°C
liegen. Diese Ausgestaltungsform gewährleistet, daß Luft nur
dann durch den Solarkollektor geblasen und somit aus diesem heraus
in das zu erwärmende
Haus oder Gebäude
eingeleitet wird, wenn die Temperatur im Solarkollektor ausreichend
hoch ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung den Luftdurchsatz
des zumindest einen Gebläses
in Abhängigkeit
von der Temperatur im Solarkollektor regelt, um so einen temperaturabhängigen Luftdurchsatz
durch den Solarkollektor zu schaffen. Im Gegensatz zu der vorstehend
genannten gesteuerten Variante schafft die geregelte Variante gemäß dieser
Ausführungsform
eine wesentlich gleichmäßigere Temperatur
der aus dem Solarkollektor in das Haus oder Gebäude eingeleiteten Luft.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß im Bereich
des Warmluftsammelraums eine Gehäuseklappe
vorgesehen ist, die bei Überschreiten
einer voreingestellten Grenztemperatur automatisch öffnet, um
eine Überhitzung
des Solarkollektors zu verhindern. Diese Ausführungsform ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn sich der Solarkollektor nicht im Betrieb
befindet oder wenn bei extrem intensiver Sonneneinstrahlung mehr und/oder
heißere
Warmluft erzeugt wird, als in dem Haus oder Gebäude benötigt wird.
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Einer
weiteren Energieeinsparung dient auch die Ausführungsform, bei der die elektrische Versorgung
des Gebläses
und/oder der Steuerungseinrichtung über Solarzellen mit elektrischem
Strom versorgt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert;
in dieser zeigt:
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1 eine
Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Solarkollektoren auf einem
schrägen Gebäudedach;
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2 eine
teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Solarkollektors;
und
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3 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Solarkollektor.
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1 zeigt
schematisch ein Gebäude 1 mit einem
Satteldach 2. Auf dem Satteldach sind nebeneinander drei
erfindungsgemäße Solarkollektoren 3, 4, 5 so
angebracht, daß sie
parallel zur Dachschräge verlaufen.
Neben den Solarkollektoren 3, 4, 5, sind zusätzlich zwei
photovoltaische Solarzellen 7 angebracht. Der Aufbau der
Solarkollektoren 3, 4, 5 wird nachfolgend
anhand eines Beispiels aus der 2 beschrieben,
in der ein Solarkollektor 3 gezeigt ist. Die anderen Solarkollektoren 4, 5 sind
in gleicher Weise aufgebaut.
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2 zeigt
einen teilweisen geschnittenen Solarkollektor 3 mit einem
Gehäuse 10,
das eine erste Seitenwand 12 und eine zweite Seitenwand 14 aufweist,
die die Längsseiten
des Gehäuses 10 bilden.
Eine dritte Seitenwand 16 und eine vierte Seitenwand 18 schließen das
Gehäuse 10 an
den Stirnseiten ab. An der Unterseite 11 des Gehäuses ist eine
Bodenplatte 13 vorgesehen. An der Oberseite 15 ist
das Gehäuse 10 mit
einer für
Solarstrahlung durchlässigen
Abdeckung 17 verschlossen.
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Im
Inneren des Gehäuses
ist auf der Bodenplatte 13 eine thermisch isolierende Schicht 19 vorgesehen,
auf der eine dünne
Schutzfolie 20 aufgebracht ist. Zwischen der mit der Schutzfolie 20 versehenen
thermisch isolierenden Schicht 19 und der Abdeckung 17 ist
ein Absorber 22 vorgesehen, der aus einem zick-zack-gefaltenen
Material mit hoher Wärmekapazität besteht.
Die Zick-Zack-Faltung des Absorbers 22 erstreckt sich von
der ersten Seitenwand 12 des Gehäuses 10 bis zur zweiten
Seitenwand 14, wobei sich die durch die Faltung ergebenden
Rippen des Absorbers 22 in Längsrichtung des Gehäuses 10,
also parallel zur ersten Seitenwand 12 und zur zweiten
Seitenwand 14, erstrecken. Das den Absorber 22 bildende
Material ist jeweils an den Längswänden, also
an der ersten Seitenwand 12 und an der zweiten Seitenwand 14,
in noch zu beschreibender Weise befestigt.
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Zwischen
der Abdeckung 17 und den durch die Faltung gebildeten Rippen
des Absorbers 22 sind eine Vielzahl von im Querschnitt
im wesentlichen dreiecksförmigen
ersten, oberen Strömungskanälen 21 gebildet.
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In
gleicher Weise sind zwischen der mit der Schutzfolie 20 versehenen
thermisch isolierenden Schicht 19 und den durch den Faltung
gebildeten Rippen des Absorbers 22 eine Vielzahl von im
Querschnitt im wesentlichen dreiecksförmigen zweiten, unteren Strömungskanälen 23 gebildet.
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Der
Vorteil der Faltung liegt darin, eine große Wärmetauscherfläche zu erhalten,
so daß die
Oberflächentemperatur
nicht zu heiß wird,
um eine schonende Lufterwärmung
zu ermöglichen.
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Zwischen
der dritten Seitenwand 16 und der vierten Seitenwand 18 erstreckt
sich der Absorber 22 derart, daß er zur dritten Seitenwand 16 und
zur vierten Seitenwand 18 einen Abstand einhält, wodurch im
Bereich in der dritten Seitenwand 16 zwischen dieser und
dem Absorber 23 ein Kaltluftsammelraum 24 gebildet
ist, während
im Bereich der vierten Seitenwand 18 zwischen dieser und
dem Absorber 22 ein Warmluftsammelraum 26 gebildet
ist.
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Im
Bereich des Kaltluftsammelraums 24 ist eine Lufteintrittsöffnung 25 gebildet,
die die Bodenplatte 13, die thermisch isolierende Schicht 19 und die
Schutzfolie 20 durchdringt. In der Öffnung 25 ist ein
Gebläse 27 vorgesehen,
welches Kaltluft von außerhalb
des Gehäuses
in den Kaltluftsammelraum 24 saugt und durch die ersten
und zweiten Strömungskanäle 21, 23 in
den Warmluftsammelraum 26 am anderen Ende des Solarkollektors
drückt.
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Am
vom Kaltluftsammelraum 24 abgewandten Ende des Solarkollektors
sind im Bereich des Warmluftsammelraums 26 mehrere Luftaustrittsöffnungen 28 im
Gehäuse 10,
zum Beispiel in der vierten Seitenwand 18, vorgesehen,
durch die die im Solarkollektor erwärmte Luft austreten kann.
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In
dem in 1 dargestellten Anwendungsfall sind die Solarkollektoren 3, 4, 5 nebeneinander
so angeordnet, daß der
jeweilige Kaltluftsammelraum 24 im Bereich der Dachtraufe
angesiedelt ist, während
der jeweilige Warmluftsammelraum 26 auf einem höherem Niveau
in der Nähe
des Dachfirstes gelegen ist. Die Warmluftsammelräume 26 der nebeneinander
gelegenen Solarkollektoren 3, 4, 5 münden durch
ihre jeweiligen Luftaustrittsöffnungen 28 in einen
oberhalb der Solarkollektoren 3, 4, 5 vorgesehenen
Sammelkanal 8, der die in den Solarkollektoren 3, 4, 5 erwärmte Frischluft über ein
in der 1 nur schematisch dargestelltes Rohrleitungssystem 9 in
das Gebäude
leitet, wie durch den Luftaustrittspfeil am unteren offenen Ende 9' der Rohrleitung 9 symbolisch
dargestellt ist.
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Die
Solarkollektoren 3, 4, 5 können jeweils als
einzelne vorgefertigte Einheiten vorgesehen und nebeneinander auf
dem schrägen
Gebäudedach – wie in 1 gezeigt – oder auch
vertikal nebeneinander an einer Hauswand angebracht sein.
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Es
ist nicht zwingend erforderlich, daß die Solarkollektoren als
einzelne Einheiten gebildet sind, sondern mehrere Solarkollektoren
können
auch als größere Baueinheit
zu einer Solarkollektorengruppe 6 zusammengefaßt sein,
wobei die mittleren Trennwände 29 gleichzeitig
die erste Seitewand des einen Gehäuses und die zweite Seitenwand
des benachbarten Gehäuses
bilden können.
Ein Vertikalschnitt durch zwei Solarkollektoren 3, 4 einer
derartigen Solarkollektorengruppe 6 ist in 3 im
Ausschnitt gezeigt. Auf der Bodenplatte 13 ist als thermisch
isolierende Schicht 19 eine Dämmplatte angebracht. Diese
Dämmplatte
ist statisch so stabil, daß sie
die Zwischenwand 29 abstützen kann. Oberhalb der Dämmplatte 19 ist
beiderseits der Zwischenwand 29 ein Absorber 22, 22' aus einer zick-zack-gefalteten
Aluminiumfolie angeordnet. Darüber
ist die für
Solarstrahlung durchlässige
Abdeckung 17, 17' vorgesehen. Die
Aluminiumfolie des Absorbers 22, 22' ist auf ihrer zur Abdeckung 17, 17' weisenden Oberseite
mit einem schwarzen Solarlack versehen.
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Der
freie Längsrand
eines jeden Absorbers 22, 22' ist an der Zwischenwand 29 befestigt,
beispielsweise geklebt oder genagelt. Im Beispiel der 3 liegt
der freie Längsrand
eines jeden Absorbers 22, 22' auf der Oberseite der Zwischenwand 29 auf
und ist dort befestigt. Auf die gleiche Weise können die jeweils anderen freien
Längsränder der
Absorber 22, 22' an
den entsprechenden Seitenwänden 12, 14 befestigt
sein. Zwischen der mit dem freien Längsrand des jeweiligen Absorbers 22, 22' verbundenen
Zwischenwand 29 und dem Längsrand der jeweiligen Abdeckung 17, 17' ist jeweils
eine Dichtung 30, 30' vorgesehen, die auch, wie in 3 gezeigt, als
einheitliches Dichtungselement gebildet sein kann. Der freie Längsrand
der jeweiligen Abdeckung 17, 17' stützt sich somit über die
zugeordnete Dichtung 30, 30' auf der Zwischenwand 29 ab.
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Ein
oberhalb der freien Längsränder der
jeweiligen Abdeckungen 17, 17' vorgesehenes Rahmenprofil 31 ist
mittels eines Befestigungselements 32, beispielsweise einer
Schraube, mit der Zwischenwand 29 derart verspannt, daß die jeweilige
Abdeckung 17, 17',
die zugehörige
Dichtung 30, 30' und der
jeweilige freie Längsrand
des zugeordneten Absorbers 22, 22' zwischen dem Rahmenprofil 31 und der
Zwischenwand 29 fest eingeklemmt werden.
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Zur
Befestigung des Solarkollektors 3, 4, 5 sind
weitere Befestigungselemente 34, 35, wie in 3 gezeigt
ist, durch die Zwischenwand 29, die Dämmschicht 19 und die
Bodenplatte 13 hindurchgeführt und in einer den Solarkollektor
abstützenden Tragstruktur 33,
beispielsweise einem Dachsparren, verankert.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Solarkollektors beschrieben.
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Das
Gebläse 27 wird
beispielsweise von den photovoltaischen Solarzellen 7 mit
elektrischem Strom versorgt und saugt kalte Luft von außen in den Kaltluftsammelraum 24.
Von dort wird die Luft wegen des vom Gebläse 27 im Kaltluftsammelraum 24 erzeugten Überdrucks
durch die ersten, oberen Strömungskanäle 21 und
die zweiten, unteren Strömungskanäle 23 hindurch
in den Warmluftsammelraum 26 gefördert. Dabei strömt die Luft
sowohl entlang der Oberseite, als auch entlang der Unterseite des
von der Sonnenstrahlung erwärmten
Absorbers 22, wodurch die im Absorber 22 gespeicherte
Wärme optimal
abgeführt
und an die oben und unten am Absorber 22 vorbeiströmende Luft
abgegeben wird.
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Aus
dem Warmluftsammelraum 26 wird die erwärmte Luft durch die Luftaustrittsöffnungen 28, den
Sammelkanal 8 und das Rohrleitungssystem 9 in das
Gebäude
geführt.
Da die im Solarkollektor erwärmte
Luft eine geringere relative Luftfeuchtigkeit besitzt als die nicht
erwärmte
Außenluft,
ist sie in der Lage, im Gebäude
vorhandene Luftfeuchtigkeit aufzunehmen und beim Wiederaustritt
aus dem Gebäude
nach außen
abzutransportieren. Auf diese Weise wird die Gefahr der Schimmelbildung
im Gebäude deutlich
herabgesetzt.
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Da
dieses geschilderte gesamte Belüftungssystem
des Gebäudes
von einem oder mehreren im Bereich des Kaltluftsammelraums 24 angeordneten Gebläsen unter Überdruck
betrieben wird, ist das Gebläse 27 beziehungsweise
sind die Gebläse
weit entfernt von den im Gebäude
befindlichen Luftaustrittsöffnungen 9', so daß Gebläsegeräusche nicht
bis zu den Luftaustrittsöffnungen 9' im Gebäude dringen und
somit im Gebäude
keine störenden
Gebläsegeräusche hörbar sind.
Zudem wirkt der Aufbau des erfindungsgemäßen Solarkollektors mit der
Vielzahl der Strömungskanäle 21, 23 sowie
den jeweiligen Sammelräumen 24, 26 schalldämmend.
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Der
erfindungsgemäße Solarkollektor
kann nicht nur tagsüber
bei Sonnenschein zu Lufterwärmung
verwendet werden, sondern kann während
der kühlen
Nachtstunden auch der Abkühlung
des Gebäudes
dienen, indem kühle
Außenluft
in das Gebäude
durch das geschilderte Belüftungssystem
geleitet wird, wobei der Absorber 22 wegen der fehlenden Sonneneinstrahlung
keine Erwärmung
der ihn umströmenden
Luft bewirkt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das
lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen
annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen,
die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.