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Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie für die direkte Einspeisung in
einen Warmwasserheizkreislauf mittels wasserdurchfluteter Kollektorplatten Die Erfindung
betrifft schwarzbeschichtete Kollektorplatten, in denen das Wasser einer Warmwasserheizung
zirkuliert und durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird, wobei durch direkte Einspeisung
in den Wasserkreislauf an der nächstgelegenen Anschlußmöglichkeit des Stranges auf
kostspielige Investitionen verzichtet werden kann.
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Z w e c k der Erfindung ist es, die Sonnenenergie auf so einfache
Weise für die Raumheizung und Warmwasserbereitung nutzbar zu machen, daß die dadurch
erzielten Einsparungen an Brennstoffen oder bezogenen Beitungsenergien in einem
wirtschaftlich annehmbaren Verhältnis zu den für die Anlage erforderlichen Investitionen
und Betriebskosten stehen. Der in jedem Fall erreichbare volkswirtschaftliche und
ökologische Gewinn besteht in der Ersparnis von Primärenergie ohne daß auf Komfort
verzichtet zu werden braucht.
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Es ist bekannt, daß die Sonnenergie in anderen Ländern mit Hilfe von
Kollektoren zu Heizzwecken verwendet wird (vgl. u.a. "Energiewirtschaftliche Tagesfragen",
24. Jahrgang (1974) Heft 1/2 Seite 37: "Sonnenenergie in greifbarer Nähe" und Seite
38: "Die Erforschung und Verwendung von Sonnenenergie in Australien"; "Energie als
Herausforderung", Günter Olzog Verlag, München, 1974, Reihe "Geschichte und Staat"
Band 136 Seite 80 ff: "Sonnenergie als alternative Energiequelle", Vortrag von William
R. Cherry, Generalsekretär der Arbeitsgruppe Sonnenergie beim amerikanischen Präsidialamt
für Wissenschaft und Technik; Bulletin des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätswerke,
Jahrgang 66 (1975) Heft 5 vom 8. März 1975 Seite 246 ff: "Energie von der Sonne";
VDI-Nachrichten, Heft 34/1974 vom 23. August 1074: "Sonnenenergie - Chancen wirtschaftlicher
Nutzung auch in unseren Breiten").
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In der Regel bestehen die Kollektoren aus dünnen, geschwärzten Metallplatten,
auf die ein Rohrsystem aufgeschweißt oder mittels einer Teerschicht aufgeklebt ist.
Zur Verhinderung der Wärmeabstrahlung sind tie Kollektoren mit einer oder mehreren
Glasplatten abgedeckt und auf der Rückseite isoliert. Der aufzuheizende Wärmetrager
wird
durch das in einem Rahmen gehaltene System gepumpt.
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Allen bisher verwendeten Anlagen gemsinsam ist eine ziemlich aufwendige
Ausführung zum Erzielen ph@sikalisch optimaler Werte, wie dem Erreichen von Wassertemperaturen
von 60 bis fast 100 °C. Dadurch werden zusätzliche und kostspielige Infrastrukturen
notwendig. Die geforderten hohen Temperaturen beschränken die Nutzung der Sonnenenergie
im Winterhalbjahr auf wenige Stunden am Tag, so daß die Rentabilitätsschwelle nicht
erreicht wird. Ferner ist das Aufschweißen der Röhren auf die Kollektorplatten umständlich,
und der mit den Röhren erzielbare Wirkungsgrad gering, weil die Röhren nur jeweils
einen Teil der direkt von der Sonne bestrahlten Kollektorfläche bedecken.
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Der Erfindung liegt also die A u f g a b e zugrunde, die in mitteleuropäischen
Breiten nicht so reichlich einstrahlende Sonnenenergie intensiver zu nutzen und
dennoch die Gesamtanlage so weit zu vereinfachen, daß auch die vergleichsweise geringe
Ausbeute die zusatzlichen Kosten einer Installation, insbesondere eines nachträglichen
Einbaues in bereits bestehende Heizsysteme rechtfertigt. Die Sonnenenergie wird
dabei stets als zusätzliche Energiequelle betrachtet.
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Die L ö 5 u n g besteht darin, daß das zu erwärmende Wasser in den
Kollektoren nicht durch Röhren, sondern - zur Vergrößerung der von der Sonne bestrahlten
wasserführenden Fläche - zwischen zwei verschweißen Platten aus tisen-, Kupfer-,
Alluminiumblech oder Kunststoff durchgepumpt wird0 Der Anschluß der Kollektorplatten
erfolgt schließlich nicht über die Beizung, die sich ja in der Regel i-m Keller
befindet, sondern direkt mit den jeweils kürzesten Verbindungen vom Dach zum nächstgelegenen
Warmwasserstrang des Heizsystems.
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Die Kollektoranlage ist also dem bestehenden Heizwasserkreislauf parallel
geschaltet und wird durch einen differenztemperaturgesteuerten Regler zu- oder abgeschaltet.
Ist die Differenztemperatur z.B.
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auf 0,7 °C eingestellt, dann schaltet der Regler bei einer Rück @@@lauftemperatur
von 40 °C die Kollektoranlage über ein Magnetventil zu, sobald sich das Wasser dort
durch die Sonneneinstrahlung auf 40,7 °C erwärmt hat. Kühlt das Wasser in den Kollektoren
dagegen unter 40,7 @@@@ 39,3 °C ab, dann wird die Anlage wieder abgeschaltet0 Die
w e i t e r e A u s g e s t a 1 t u n g der Erfindung sieht
vor,
daß a) bei einem stärkeren Abkühlen der Kollektoren mangels Sonneneinstrahlung,
vor allem während der Heisperiode, entweder eine Umwälzpumpe und eine thermostatisch
gasteuerte Elektroheizung (ca. 5 Watt pro Titer Wasser in den Kollektoren installiert
werden, damit zur Vermeidung von Frostgefahr die Wassertemperatur nicht unter 1
°C absinkt (Minimallösung), oder das Wasser mittels eines Luftventils völlig aus
den Kollektoren in einen gut isolierten Speicherbehälter abgelassen und bei Temperaturanstieg
in den Kollekterplatten wieder in diese hineingepumpt wird (Optimallösung); b) in
den Sommermonaten die Feuerungsanlage ganz abgeschaltet wird, wobei die Heizkörper
von Hand zugedreht werden. Die Nutzung der zur Erwärmung von Brauchwasser Kollekteren
/ erfolgt entweder im Lreislauf über den nickt befeuerten Heizkessel, so daE statt
des kalten Leitungswassers vorgewärmtes Wasser in einen Heißwasserspeicher gelangt
und dort nur noch zusätzlich auf die gewünschte Temperatur gebracht wird (z.B.
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mittels Nachtstrom), oder in einem direkten Kreislauf über den
so daß das von der Sonne erwärmte Wasser in ihm gespeichert und nur. falls en"orderlich.
beim unmittelbaren
Durchlauferhitzer weiter erwärmt wird @@@. Fig.
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Die V o r t e i 1 e , die mit der Erfindung erzielt werden, eind a)
größerer Wirkungsgrad der Kollektoren durch die Verwerdung von Platten mit flachem
Durchflußquerschnitt statt der Röhren b) einfache Anschlußmöglichkeit an geplante
herkömmliche oder bersits bestehende Heizsysteme, da nur die kurzen Verbindungen
vom Dach zum nächstgelegenen Rücklaufstrang notwendig sind c) bei stärkerer Umwälzung
des Heizwassers eine wesentlich niedrigere Vorlauftemperatur (ggf. bis urter 40
°C) und damit eine längere zeitgleiche, also direkte Nutzung der Sonnenenergie d)
außerhalb der Heizperiode Verzicht auf die gerade in dieser Zeit unrationell arbeitende
zentrale Feuerungsanlage, wobei das benötigte warme Brauchwasser so weit von der
Kollektoranlage erwärmt wird, daß durch herkömmliche Brauchwassererhitzer in der
Regel nur noch ein geringer Temperaturunterschied überwunden werden muß.
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Als A u s f ti h r-u n g s b e i s p i e 1 e seien erläutert
a)
die Kollektoren; ein Kollektor ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Der Kollektor
besteht aus zwei Platten, von denen eine Rippen in der dargestellten Weise hat,
so daß der Wärmeträger -hier das Wasser - durch den flachen Durchflußquerschnitt
fließt.
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An den Rippen befinden sich auch die Schweißverbindungen. Der Kollektor
ist an der Oberseite matt ggf. mit Ruß geschwärzt. Das 2 Fassungsvermögen der Platten
sollte bei 5 lA m liegen.
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Die Kollektoren können eine nahezu beliebige Größe haben. Bei nachträglichem
Einbau lassen sie sich am besten in handlioher Größe von etwa einem Quadratmeter
Kollektorfläche einfach auf die Dachbedeckurg eines Süddaohes legen, z. B. in einem
vorhandenen Sohneegitter oder an einem Kaminkehrersteg verankert.
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Auf Flachdächern lassen sich die Kollektoren im günstigsten Neigungswinkel
von etwa 45 ° in einer oder mehreren schmalen REihen aufstellen, je nachdem, wie
sie architektonisch zur Geltung kommen sollen. Bei Neubauten besteht die Möglichkeit
des Einbaues in das Dach oder in die Südseite, wobei entsprechende Einsparungen
an Dachbedeckung usw. entstehen. Die Herstellung der Kollektorplatten kann sich
ggf. an der Herstellung von Plattenheizkörpern orientieren, damit eine Serienfabrikation-erleichtert
wird.
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b) die unterdimensionierte Anlage ist so ausgelegt, daß sie ausschließ
lich zeitgleich die Sonnenenergie ausnützt (vom ggf. schon vorhandenen Heißwasserspeicher
abgesehen) und damit keine Investitionen für die Speicherung erfordert. Neben der
Kollektorfläche von etwa 10 @m2 und den Verbindungsrohren Im Rücklauf ist hierzu
nur der Differenztemperaturregler erforderlich sewie die Sicherung vor Frost durch
eine kleine Umwälzpumpe und eine thermostatisch gesteuerte Elektroheizung im abgeschlossenen
und durch ein Beipaßventil im.Kreis geschlossenen Kollektorsystem auf dem Dach.
Der Stromverbrauch hierfür hält sich aufgrund@ der guten Isolation der Kollektoren
in engen Gronzen.
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Auf ähnlich einfache Weise, nämlich zeitglich, kann die Sonnenenergie
auch zur zusätzlichen Erwörmung des Wassers von Schwimmbädern genutzt werden, was
vor allem wegen des noch niedrigeren Temperaturbereichs noch mehr Benutzungsstunden
garantiert, Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich bei Fischzucht, in Gärtnereien,
us.
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o) die größere Anlage für ein Ein- oder Mehrfamilienhaus oder sonstige
Gebäude; sie kommt in der Regel bei Neubauten in Frage, weil hier die Bedingungen
der Sonnenenergienutzung schon in der Planung berücksichtigt werden können, so daß
den erheblichen Aufwendungen für Grõßspeicner im Rahmen des Heißwasserkreislaufs
oder für andere andere Medien zur Energie speicherung bereits Einsparungen bei herkömmlichen
iieizsystemen gegenüberstehen können. Der gut isolierte Groß####speicher (zur Vermi@derung
von Pumpenergie möglichst im Dachgeschoß plaziert) wird über ein Magnetventil dem
Heizkreislauf zugeschaltet, sobald das Mischerventil über die temperaturabhängige
Steuerung auf Null stellung zu stehen kommt. Nun dient das von den Kollektoren erwärmte
Wasser zum Aufheizen des GroBspeichers. Geht das Mischerventil infolge Abkühlung
der Rücklauftemperatur unter dem eingestellten Wert aus der Nullstellung heraus,
wird das erwärmte Wasser von den Kollektoren wieder voll dem Heizkreislauf zugeführt.
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Der Wasserspeicner erfüllt ferner die Funktion, zeituhrgesteuert
uber eine Druckpumpe das gesamte Kollektorsystem nach Sonnenscheinende zu entleeren
und damit eine Abkühlung in der Nacht zu verhindern. Die Kol1ektoren werden erst
wieder gefüllt, wenn die Platten (über einen Temperaturfühler ermittelt) ca. 60
°C erreicht haben. Das durch ein Druckausgleichgefäß in sich geschlossene System
ist zur Vermeidung von Oxydation mit Stickstoffgas -->t oder einem anderen Dehnungsgas
gefüllt, und zwar jeweils entsprechend dem Volumen der leergepumpten Kollektorplatten.
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d) Speicherbehälter für eine unterdimensionierte Anlage; das unter
c) beschriebene Speichersystem zur Vermeidung der Abkühlung des Wassers in der Zeit,
in der die Sonne nicht scheint, läßt sich in vereinfachter Sorm auch für eine kleine
Anlage errichten1 wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Das Wasser (nur ca. 50 1) läuft
#####s z. 3. abends nach Abschalten des Kollektorsystems vom Heizwasserkreislauf
in einen darunter stehenden isolierten 50-1-Speicher ab, wobei ebenfalls Dehnungsgas
nachströmt. Erwärmen sich die Kollektorplatten am nächsten ag, wird das Wasser mit
einer kleinen Pumpe wieder in die Platten gedrückt. Erst dann kann der Regler die
Verbindung zum H#eizwasserkreislauf wieder herstellen. Der gesamte Vorgang läßt
sich ggf. auch durch den Regler ausführen.