DE2559447A1

DE2559447A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermenutzung von sonnenenergie

Info

Publication number: DE2559447A1
Application number: DE19752559447
Authority: DE
Inventors: Heinz Poellein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-07
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1976-12-02

Description

PATENTANWÄLTE

HENKEL, KERN, FEILER&HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 WECHSELBANK MÜNCHEN Nr. 318-8511t

Ti=IFFOV- mm 66 31*1 66 30 91-92 χ*κτ w««.«■ >- * *v u«^ DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914

TELEGRAMME ELUPSO.DMÜNCHEN D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHHN IB, <7 - S09

Heinz Poellein
8 München 22

Christophstraße 4 , _o

13

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmenutzung von Sonnenenergie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmenutzung von Sonnenenergie bzw. der Licht- und Wärmestrahlung der Sonne.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sonnenenergie mit auch in gemäßigten Breiten wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu nutzen» wobei insbesondere auch eine einfache und funktionsfähige Überbrückung sonnenarmer Zeiträume gewährleistet sein muß, und der Betrieb und die Herstellung der dazu notwendigen Anlagen leicht auf verschieden hohe Anforderungen angepaßt werden kann, und zwar durch Verwendung satzweise als Fertigteile herstellbarer Einzelelemente.

Demgemäß besteht die Erfindung in einem Verfahren, bei dem die Licht- und Wärmestrahlung der Sonne unmittelbar mittels diesem Strahlung absorbierender Flächen in Wärme umgewandelt wird, die dabei erhaltenen Wärmemengen auf eine Flüssigkeit übertragen und von dieser in einem Zwangskreislauf zunächst einem Wärmespeicher und dann einem Warmwassererhitzer zugeführt werden, über welchen die Wärmemengen wirtschaftlich genutzt werden, wonach die Flüssigkeit wieder zur erneuten Aufnahme von Wärme dem Kreislauf zurückgeführt wird. Ke/ro - 2

609849/0605

_₂_ 2553447

Mit diesem Verfahren und der nachstehend beschriebenen zugehörigen Vorrichtung wird - insbesondere, wenn die Flüssigkeit Wasser ist - die Möglichkeit geschaffen, das erfindungsgemäße System auf kleinem Raum bei Ausnutzung einer möglichst großen Wärmemenge in einem temperaturmäßig bewußt niedrigen Temperaturbereich, z.B. speziell zwischen ca. 50 - 60⁰C, technisch vorteilhaft zu nutzen. In einem solchen Temperaturbereich (<60°C) können alle gängigen Wärme Verwendungen eines Haushalts erfolgen, ohne daß einerseits Probleme der Verkalkung zu befürchten sind, Jedoch technisch günstige Werkstoffe, wie z.B. Kunststoffe, einsetzbar sind. Wegen der niedrigen Betriebstemperatur ist es auch nicht notwendig, technisch aufwendige Mittel, z.B. Spiegel, Prismen o.dgl., zur Verstärkung der Sonneneinstrahlung einzusetzen. Es entfällt mit der Erfindung auch jegliche Notwendigkeit, die Sonnenkollektoren mit dem Verlauf der Sonne dementsprechend mitführen zu müssen.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Sonnenlichteinstrahlung mit einem Lichtfühler sowie gleichzeitig die Temperatur der die Sonneneinstrahlung absorbierenden Flächen mit einem Temperaturfühler gemessen werden und daß auf eine bestimmte Meßgrößenkombination der beiden Fühler hin automatisch ein auf Wärmespeicher und Warmwassererhitzer beschränkter Kreislauf unter Ausschaltung der absorbierenden Flächen geschaltet wird.

Dadurch wird vermieden, daß in für eine Wärmenutzung nicht ausreichenden Zeiten (z.B. bei Nacht) die die Wärme umwandelnden Strahlungsflächen das System nicht ungebührend abkühlen. Mit der kombinierten Messung sind alle denkbaren Eventualfälle erfaßt. Bei Vorhandensein entsprechender Temperatur- und Helligkeitsgrade gibt diese Steuerung den ge-

609849/0605

samten Kreislauf zu den wärmeabsorbierenden Flächen frei. Fehlt eine dieser Voraussetzungen, dann wird auf den verküreten Kreislauf Wärmespeicher - Warmwassererhitzer umgeschaltet.

Ein entscheidendes Merkmal der Erfindung liegt zudem nicht nur in der optimalen Anwendung von Speichern, sondern auch in ihrer Steuerung, indem parallel zueinander geschaltete Einheiten des Wärmespeichers jeweils einzeln in den Kreislauf eingeschaltet werden, wobei bei Erreichen der oberen Soll-Wärmekapazität einer Einheit automatisch eine andere Einheit in den Kreislauf eingeschaltet wird und bei Erreichen der jeweils unteren Soll-Wärmekapazität einer Einheit die anderen Einheiten entsprechend sukzessiv in den Kreislauf eingeschaltet werden.

Da die Verwendung von Kalorien-Meßgeräten kostspielig und störanfällig ist, erlaubt dieses Betriebsverfahren eine Kontrolle des Speicherstands nur über einen Temperaturfühler in den Speichereinheiten, und zwar nach der Anzahl der noch vollen oder schon leeren Speichereinheiten.

Die Erfindung besteht im übrigen aus einer Vorrichtung zur Wärmenutzung von Sonnenlichtenergie zur Durchführung des Verfahrens mit einem der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Energiekollektor und einer Einrichtung zur Übertragung der Energie ins Innere eines Gebäudes, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Energiekollektor Elemente zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenlichtenergie in Wärme sowie eine damit in Kontakt stehende Rohrleitungseinrichtung zum Ableiten der aufgenommenen Wärme und zu deren Übertragung ins Innere des Gebäudes aufweist, welche von einer Wärmeenergie aufnehmenden Flüssigkeit durchflossen wird, und daß in die Rohrleitungseinrichtung ein Wärmespeicher und ein Warmwassererhitzer mit einem Wärmetauscher in einen Kreislauf eingeschaltet sind, wobei vorzugsweise der Energiekollektor

609849/0605

2559U7

der Wärmespeicher und der Warmwassererhitzer im Kreislauf hintereinandergeschaltet sind. Der Kreislauf kann dabei mit einer Umlaufpumpe unter Zwangsumlauf stehen.

Zum wechselweisen Betrieb über die Energiekollektoren oder die Speicher ist es von entscheidender Bedeutung für einen großen Wirkungsgrad der Erfindung, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Wärmespeicher und der Warmwassererhitzer in einen vom Energiekollektor unabhängigen Kreislauf umsteuerbar ist.

Als einfachste Lösung kann als die Wärmeenergie transportierende Flüssigkeit Wasser, vorzugsweise mit Gefrierschutzmitteln (z.B. bis -23 C) verwendet werden.

Zur Umsteuerung von Nutzungszeiten mit Sonneneinstrahlung auf Zeiten mit reinem Speicherenergieverbrauch besitzt eine Meß- und Regeleinrichtung einen Lichtfühler und einen Temperaturfühler, wobei der Lichtfühler z.B. eine Fotozelle, das einfallende Sonnenlicht mißt und der Temperaturfühler die Temperatur der wärmeaufnehmenden Elemente, und die Meß- und Regeleinrichtung auf die Kombination beider Meßgrößen ansprechbar ist.

Um eine Überhitzung in Zeiten hohen Energieanfalls und vergleichsweise geringer Energieentnahme zu vermeiden, kann es aus Sicherheitsgründen wichtig sein, wenn in den Kreislauf eine Einrichtung zum Kühlen des Kreislaufs bei Überhitzung eingebaut ist.

t -

Insbesondere für den mit der Erfindung angestrebten technisch optimal nutzbaren Temperaturbereich ist es von ganz besonderer Wichtigkeit, wenn zur Energiespeicherung von der Schmelzwärme Gebrauch gemacht wird, welche eine weit größere

609849/0605

■und vor allem in einem konstanten Temperaturbereich Wärmemenge als z.B. reine Wasserwärmespeicher/zu speichern vermag und für diese Speicherung nur unwesentliche Temperaturerhöhungen benötigen. Erfindungsgemäß wird dafür vorgeschlagen, daß der Wärmespeicher bzw. seine einzelnen Einheiten mit Paraffin gefüllt sind.

Paraffin (Schmelzwärme 35 Kcal/kg) hat einen Schmelzpunkt zwischen 52° und 54⁰C, nimmt also die zu speichernde Wärme im optimalen Temperatur-Arbeitsbereich mit einer Veränderung der Arbeitstemperatur von nur 2°C auf bzw. gibt sie ab. Außerdem bestehen beim Schmelzen von Paraffin keine Dampfdruckprobleme. Auch ergeben sich bei Paraffin keinerlei Umweltprobleme bei evtl. auftretenden Leckagen, Demgegenüber ist jegliche Wärmespeicherung, z.B. mittels Wasserspeicher, aufwendig in Konstruktion und Betrieb und ermöglicht auch keine Rückgewinnung der Wärme mit konstanter Temperatur über größere Zeiträume.

Ein sehr wesentlicher Zweck der Erfindung liegt in der einfachen und wirkungsvollen sowie serienmäßig herstellbaren Konstruktion der Elemente zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenlichtenergie in Wärme, welche erfindungsgemäß als satzweise zusammenschaltbare Einzelelemente als vorgefertigte Teile ausgebildet sind. Diese Elemente werden auf der vorwiegend schrägen Dachfläche eines Gebäudes in die normalerweise für die Ziegelbedeckung vorgesehenen Felder angebracht und bilden anstatt der Dachziegel eine dichte, vollwertige Dachhaut eines Hausdaches, so daß sich die herkömmlichen Dacheindeckungen in diesem Bereich erübrigen. Als Fertigteile ist die Montage auf der Baustelle entsprechend einfach. Schließlich bilden die Elemente zugleich eine verbesserte Dachisolierung gegen Wärmeverlust.

Während z.B. Rohrschlangen eine relativ kleine brauchbare Nutzoberfläche haben wurden,sind die erfindungsgemäßen EIe-

609849/0605

mente dahingehend aufgebaut, daß sie mit jeweils einer Grundplatte mit in einem bestimmten Abstand darüber wasserdicht angebrachter Deckplatte aus Metall sowie mit (Jeweils einem Zu- und Ablauf für die Kreislaufflüssigkeit ausgebildet sind und daß die Deckplatte mit einer das Sonnenlicht aufnehmenden Schicht bzw. Fläche versehen ist.

Als speziell vorteilhaftes Erfindungsmerkmal besteht die Deckplatte aus dünnem, jedoch steifem, mindestens an ihrer Außenseite mattgebürsteten und schv/arz bzw. dunkel eloxiertem Aluminium. Zur Erhöhung der V/ärme aufnahme sind von der Grundplatte zur Deckplatte hochstehende Abstandserhöhungen vorgesehen, welche parallel zueinander angeordnet undwechselweise von gegenüberliegenden Randabstützungen beginnend die Flächenausdehnung der Elemente in Kanäle aufteilen, wobei zwischen zwei jeweils parallel liegenden Kanälen Enddurchlässe ausgespart sind.

Ferner ist nach der Erfindung oberhalb eines mit Luft gefüllten dünnen Luftspalts über der Deckplatte eine Glasplatte als Schutz gegen Witterungseinflüsse vorgesehen. Diese Glas- oder auch transparente Kunststoffplatte sichert die strahlungsabsorbierende Metalloberfläche vor Verschmutzung und Minderung ihres Wirkungsgrads. Außerdem bildet sich zwischen Deckplatte und Glasplatte ein wärmeisolierendes Luftpolster, in dem bis zu einem gewissen Ma$e auch noch Streustrahlung in Wärme umgesetzt wird.

Da die Deckplatte starken wärmedilatorischen Einflüssen ausgesetzt ist, können zur Entlastung ihrer randseitigen dauerelastischen Abdichtung auf ihrer Oberfläche Dehnungssicken oder Rillen angebracht sein, und zwar vorzugsweise parallel zueinander und quer zu den Abstandserhöhungen. Diese erhöhen im übrigen durch die Bildung von Querverbindungen die Durchwirbelung in den Kanälen.

609849/0605

2559U7

Eine unter den genannten Wärmebeanspruchungen der Deckplatte besonders einfache und doch dauerhafte Abdichtung der Deckplatten kann darin bestehen, daß die Deckplatten näie ihren Rändern zur Grundplatte hin abgebogen und unmittelbar am Rand ein kurzes Stück in leichter Abrundung wieder nach außen abgekröpft sind, daß die Randkröpfungen in einer außerhalb der Randabstutzungen vorgesehenen, der Form der Ränder der Deckplatte angepaßten Rundumnut angeordnet sind und diese Nut mit einer elastischen Dichtung derart versehen ist, daß an der jeweils der Randabstutzung gegenüberliegenden Flanke der Nut eine dichte Verbindung zwischen dieser Nutflanke und der Dichtung besteht, während an der von der Außenseite einer Randabstutzung gebildeten Nutflanke die Dichtung fest mit dem abgekröpften Randbereich der Deckplatte verbunden ist, wobei sowohl der Boden der Nut als auch die Randkröpfung im Querschnitt aufeinander angepasste Rundkehlenform besitzen und die halbrunde Randkröpfung bis zum Übergang des halbrunden Nutbodens in die der Randabstützung gegenüberliegende gerade Planke der Nut reicht.

Die Einfachheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des zugehörigen Verfahrens ergibt sich wegen der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur sowohl im Rohrleitungssystem als auch durch Verwendung von Paraffin als Speichermittel in der Kombination, daß dementsprechend die Wandung des Speicherbehälters aus Kunststoff bestehen kann.

Dieser Behälter ist auf einfachste Weise wärmeisolierend herstellbar, wenn die Wandung aus jeweils ;einer mit Abstandsprofilen versehenen Außenschale und einer darin eingepaßten Innehschale besteht, deren Zwischenraum mit wärmeisolierendem Material gefüllt ist.

Da Paraffin eine gegenüber Wasser (0,21 statt 0,5) deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist es zur Beschleunigung des Wärmeübergangs notwendig, daß die Wärmeaustauscherrohre mit sich in das Wärmespeichermittel lamellenartig hineinerstreckenden Wärmetauscherflächen ver-

609849/0605

— ο —

sehen sind, welche z.B. aus dünnen Kupferlamellen oder Kupferdrahtgewe'ben "bestehen können.

Aufgrund der erfindungsgemäß niedrigen Betriebstemperatur kann aber auch sogar die Behalterwandung des Warznwassererhitzers aus Kunststoff hergestellt sein, und zwar mit praktisch den gleichen Formaten und nach gleicher Art wie die Speicherbehälter.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn innerhalb des Behälters des Warmwassererhitzers ein Innenbehälter mit einem im Vergleich zum Behälter erheblich geringeren Volumen vorgesehen ist, in den die Zufuhr des warmen Kreislaufwassers vom Wärmespeicher her mündet. Dabei können ferner die Wärmetauscherrohre zur Entnahme der Wärmeenergie innerhalb des Innenbehälters und im Gegenstrom zur Zufuhr an Kreislaufwärme angeordnet sein.

Auf diese Weise kommt das im Warmwassererhitzer zu erwärmende Nutzwärmewasser stets mit dem wärmeren Wasser des KreislaufZuflusses in Berührung, und zwar vorzugsweise auch besonders im oberen Teil des Warmwassererhitzers.

Eine für Warmwasserspeicher besonders geeignete Abdichtung zwischen Deckel und Unterteil kann darin bestehen, daß Deckel und Unterteil des Behälters mit ggf. schraubenverbundenen Außenflansch versehen sind und daß an den aufeinanderliegenden Flächen der Wandungen eine zusätzliche Preßdichtung vorgesehen ist, indem die Auflagefläche des Dekkels einen um die gesamte Dichtungsfläche -herumlaufenden hervorstehenden .Randkragen aufweist, welcher in eine in der Auflagefläche' des Unterteils des Behälters eingeformte entsprechende Nut formschlüssig eingreift, wobei die radial äußeren Flanken des Randkragens und der Nut eine flachere Steigung besitzen als die innen liegenden Flanken und die

609849/0605

Preßdichtung von der Auflagefläche Ms zum Grund der Nut an der innenliegenden Flanke angeordnet ist.

Sinkt die Temperatur der Kreislaufflüssigkeit unter einen bestimmten Minimalwert ab, dann kann - vorzugsweise als Nachtstrom - eine Fremdzusatzbeheizung erfolgen.

Mit der aus dem Warmwassererhitzer entnehmbaren Wärme kann in erster Linie die Warmwasserversorgung normaler Haushalte gewährleistet werden, wobei für einen vier- oder fünfköpfigen Familienhaushalt in München schon eine nur ca. große Fläche an Energiekollektoren ausreichend ist.

In der Regel kann die erfindungsgemäße Anlage auch als eine Zusatzheizung - an kühlen Sommertagen, in der Übergangszeit o.dgl. - dienen, so daß die Wirtschaftlichkeit ihren Einsatz insbesondere bei der beschriebenen Einfachheit der Konstruktion voll rechtfertigt.

Letzten Endes ist auch der Betrieb einer Kaltdampfturbine mit Generator (mit Schwefelkohlenstoff - CS₂-) möglich.

Die Erfindung wird nachstehend in einem AusfUhrungsbeispiel aijhandevon Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Arbeitsstellung zur Wärmegewinnung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der'\Vorrichtung nach Fig. 1,·. jedoch in ihrer Arbeitsstellung aus einem Wärmespeicher,

Fig. 3 eine Draufsicht von oben auf einen Satz erfindungs-

609849/0605

gemäßer Elemente zur Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme,

Fig. 4a einen Längsschnitt durch ein Einzelelement der Einrichtung gemäß Fig. 3f

Fig. 4b einen Längsquerschnitt durch ein Einzelelenent der Einrichtung gemäß Fig. 3 (Schnitt A-A von Fig. 4a),

Fig. 4c eine quer zur Längserstreckung eines Einzelelements nach Fig. 3 verlaufende Querschnittsdarstellung (Schnitt B-B von Fig. 4a),

Fig. 5 und 6 eine stark vergrößerte Teilschnittdarstellung durch Randabschnitte der in den Fig. 4b und 4c wiedergegebenen Querschnittsdarstellungen,

Fig. 7 einen lotrechten Längsschnitt durch eine Einheit eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 8 einen lotrechten Querschnitt durch die Wärmespeichereinheit nach Fig. 7»

Fig. 9 einen waagerechten Querschnitt durch eine Wärmespeichereinheit gemäß Fig. 7»

Fig. 10 einen lotrechten Längsschnitt durch einen Warmwassererhitzer nach den Fig. 1 oder 2,

Fig.11 einen lotrechten Querschnitt durch einen Wannwassererhitzer gemäß Fig. 10,

Fig. 12 einen horizontalen Querschnitt durch einen Warmwassererhitzer gemäß Fig. 11,

609849/0605

2559U7

Fig. 13 eine aus Schnitts weise Vergrößerung des VersJilußbereichs gemäß Ausschnitten C* in Fig. 7 und 10 eines Wärmespeichers bzw. eines Warmwas sere rhi tzers und

Fig. 14 eine Ansicht der ausschnittsweisen Vergrößerung nach Fig. 13» jedoch aus der Sicht des Pfeils C in Fig. 7.

Gemäß Fig. 1 ist auf der Oberfläche eines vorzugsweise schrägen Daches 2 eines Gebäudes 1 ein Energiekollektor 3 angebracht, welcher gemäß den Pfeilen A der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Ein solcher Energiekollektor sollte vorzugsweise an Südseiten derartiger Dächer 2 oder aber sowohl an einer Ost- als auch einer Westseite vorgesehen sein, während die Anbringung auf einer nach Norden liegenden Dachseite vermieden werden muß.

Der Energiekollektor 3 besteht aus einer Vielzahl von Elementen 4 zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme, welche zur Ableitung der aufgenommenen Energie von einer Flüssigkeit, vorzugsweise mit einem Gefrierschutz bis zu -23°C versehenem Wasser, durchströmt werden und an eine Rohrleitungseinrichtung zur Übertragung der Wärmeenergie ins Innere des Gebäudes 1 angeschlossen sind.

Über Verbindungsleitungen 24 und 25 ist der Energiekollektor 3 in Strömungsrichtung zunächst mit einem Wärmespeicher 6 verbunden, von dem aus über eine weitere Verbindungsleitung 22 ein Warmwassererhitzer in Reihe in den Kreislauf eingeschaltet ist, welcher über eine Umlaufpumpe 10 (Leistungsaufnahme z.B.0,5 PS) und eine letzte Verbindungsleitung 23 mit dem anderen Ende des Energiekollektors 3 in Verbindung steht. Zu diesem Kreislauf gehört ferner ein Druck-

6098A9/0605

2559U7

ausgleichbehälter 19 sowie eine nicht gesondert dargestellte Entlüftung.

In Kreislaufrichtung nach der Umlaufpumpe 10 ist in den Kreislauf mittels eines Umsteuerventils 12 (Motorventil) eine Einrichtung 9 eingeschaltet, mit der der Wärmespeicher 6 und der Warmwassererhitzer 7 in einen vom Energiekollektor unabhängigen Kreislauf umsteuerbar ist, und zwar über eine Umgehungsleitung 11.

Das Umsteuerventil 12 wird automatisch.von einer Meß- und Regeleirichtung 13 in Abhängigkeit einer kombinierten Lichtmessung durch einen Lichtfühler 14 (z.B. Fotozelle) und einen Temperaturfühler 15 betätigt, welcher die Temperatur In einem Luftspalt im Energiekollektor mißt· Das Uinsteuerventil 12 wird nur dann auf Umsteuerung über die Umgehungsleitung 11 betätigt, wenn beide Meßwerte zusammen in einem jeweils bestimmten Meßbereich liegen. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Kreislauf über den Energiekollektor 3 geleitet wird, wenn dessen Temperatur gemäß dem Temperaturfühler 15 zwar noch ausreichend, jedoch die Sonneneinstrahlung gemäß dem Lichtfühler 14 bereits nicht mehr ausreichend ist. Auf diese Weise verhindert die Meß- und Regeleinrichtung 13t daß die im Speicher 6 im Lauf einer Zeit der Sonneneinstrahlung gespeicherte Wärme über den Energiekollektor 3 verlorengeht, wenn keine Sonneneinstrahlung mehr vorliegt.

Bei normaler Sonneneinstrahlung auf den Energiekollektor 3 wird die in den Elementen 4 aus der Sonnenenergie gebildete Wärme mittels des Wassers als Transportmittel im Kreislauf zunächst zum Wärmespeicher 6 transportiert, so daß sich der Wärmespeicher 6 bis zu einem bestimmten festgesetzten Wert aufladen kann. Der Kreislauf setzt sich nach dem Wärmespeicher 6 zum Einlauf des Warmvassererhitzers 7 fort, In

609849/0605

welchem über einen Wärmetauscher 8 dem Kreislaufwasser diejenige Wärmeenergie entzogen wird, die innerhalb des Gebäudes genutzt werden soll. Dafür können verschiedene Kreisläufe, z.B. 8' und 8", vorgesehen sein. Normalerweise entzieht also der Wärmespeicher 6 dem Kreislauf zunächst so lange Wärme, bis er das Maximum seiner Speicherung erreicht hat. Danach bildet er einen auch in sonnenfreien Zeiten ausreichenden Puffer, um die Wärmeenergiegevinnung über den Warmwassererhitzer 7 und dessen Wärmetauscher 8 kontinuierlich zu gewährleisten.

Um in Zeiten hohen Einergieeinfalls und vergleichsweise geringer Energieentnahme eine Überhitzung des Systems zuverlässig auszuschalten, ist eine Einrichtung 16 zum Kühlen des Kreislaufsystems vorgesehen, durch die auf die Messung eines Temperaturfühlers bei Erreichen einer maximalen Sicherheitstemperatur über eine Umsteuereinrichtung 17 eine Kühleinrichtung 18, beispielsweise mit Ventilator und Kühlrippen, eingeschaltet werden kann.

Während also Fig. 1 die Arbeitsweise des Systems bei Aufnahme von Sonnenenergie zeigt, erfolgt gemäß Fig. 2 bei mangelndem Sonneneinfall die Energiezufuhr zum Warmwassererhitzer 7 ausschließlich aus den Wärmesüe^£hern 6. Als Temperatur des Kreislauf wassers ist/ein Betriebsbereich bis maximal etwa 60 ⁰C vorgesehen, welcher für die normalen Nutzungsarten innerhalb einea Einfamilienhauses völlig ausreicht.

Der Wärmespeicher 6 ist aus mehreren parallel zueinander geschalteten.Einheiten 20 aufgebaut, welche mit Paraffin als Wärmespeichermittel gefüllt sind. Paraffin eignet sich im angegebenen Temperaturbereich für die Wärmespeicherung besonders, well sein Schmelzbereich zwischen 52 - 54°C liegt,

609849/0605

so daß bei Durchleiten des erhitzten Kreislaufwassers das innerhalb der Behälter befindliche Paraffin bis zum Erreichen eines Maximalwerts von zunächst 54°C unter Aufnahme von Schmelzwärme schmilzt. Bei Erreichen dieser Temperatur wird über einen Temperaturfühler automatisch durch eine Umsteuereinrichtung 21 die nächste Einheit 20 des Wärmespeichers 6 zugeschaltet, bis auch diese ihre Schmelzwärmekapazität erschöpft hat. Die spezifische Schmelzwärme von Paraffin beträgt 35 Kcal/kg, so daß Jeweils Inhalte von 1200 kg je Einheit 20 etwa ausreichend für einen Tag Energiebedarf eines Vierpersonenhaushalts sind. Die Anzahl der im Baukastensystem zuschaltbaren Einheiten 20 kann dementsprechend beliebig sein. Auch die Entnahme der Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher 6 erfolgt durch entsprechende Umschaltung bei Erreichen der Verfestigungstemperatur von 52°C dadurch, daß eine Einheit nach der anderen Einheit in den Kreislauf eingeschaltet wird. Auf diese Weise ist die Kontrolle der noch vorhandenen Speicherenergie ohne aufwendige Kalorien-Meßgeräte allein dadurch möglich, daß die Anzahl der vollen bzw. leeren Einheiten 20 bestimmt werden kann.

Hie gemäß Fig. 3 auf einem schrägen Dach 2 angebrachten Elemente 4 eines Energiekollektors 3 werden mittels Rohranschlüssen in einem Kreislaufwasser-Umlauf gemäß den Pfeilrichtungen B und über Anschlußleitungen 31 an die Rohrleitungseinrichtung 5 des Gesamtkreißlaufs angeschaltet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bilden die zusammengesetzten Elemente 4 eines Energiekollektors 3 eine zusammenhängende Dachfläche, welche eine völlig dichte Dachhaut bilden, so daß auf einer solchen Fläche keine Dachziegelbedeckung vorzuliegen braucht. Infolge der nachstehend beschriebenen hohen Wärmeisolierung der Elemente 4 bildet die von ihnen abgedeckte Dachfläche zugleich eine gute Wärmeisolierung für die darunter liegenden Dachgeschoßräume.

60984 9/0605

Die in den Fig. 5 und 6 in Teilschnitten A und B dargestellten Elemente 4 sind auf einem in einer entsprechenden Form ausgeschäumten Block aus einer Isolierung 34 angebracht, welcher.genau, ,mKLzwar auch mit einem Winkel von

_o Declanaße der Dachziegel auf den 2 Schrägneigung auf die Normabmessungen der/Dachsparren 32 angepaßt ist. Von außen werden die Elemente 4 durch Befestigungs- bzw.Deckleisten 33 gehalten. Im übrigen besteht ein Element 4 aus einer Grundplatte 35 aus Kunststoff, welche auf ihrer der Isolierung 34 abgewandten Seite mit einer blanken Metallfolie 49 oder einer ähnlichen Reflexionsschicht bedeckt sein kann. In diese Grundplatte 35 sind vorstehende Abstandserhöhungen bzw. Lamellen 36 eingeformt, über denen wiederum eine metallische Deckplatte 39 angeordnet ist. Diese metallische Deckplatte 39 bildet die eigentliche, das Sonnenlicht absorbierende Schicht bzw. Fläche und kann aus einem ca. 0,6 - 0,3 mm dicken Aluminiumblech bestehen, welches auf seiner Oberseite durch beispielsweise Bürsten mattiert und schwarz eloxiert ist. Der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 35 und der Deckplatte 39 dient als Durchfluß für die Flüssigkeit zum Transport der Wärmeenergie, welche sich aus der lichtabsorbierenden Wirkung der Deckplatte 39 ergibt.

Gemäß den Fig. 4a bis 4c verlaufen die Abstandserhöhungen 36,jeweils von beiden Seiten von Randabstutzungen 43 ausgehend, wechselweise von der einen oder der anderen Seite eines Elements 4, wobei sie an ihrem jeweiligen Ende Enddurchlässe 38 offen lassen, so daß sich über die Fläche eines Elements 4 hinweg ein paralleles System von Kanälen 37 ergibt, durch welche Flüssigkeit im Rahmen des Wasserumlaufs £ in parallelen hin- und hergehenden Strömungen unterhalb der Deckplatte 39 entlangfließt· Dabei wird die von der Flüssigkeit bestrichene Gesamtfläche der Deckplatte 39 innerhalb der Randabstützungen 43 definiert.

609849/0605

Um die aufgrund der hohen Temperaturwechselbeanspruchung der Deckplatte 39 auftretenden Ausdehnungen und Schrumpfungen der Metallplatte auszugleichen, sind (vgl. Fig. 6) Dehnungssicken 42 in der Deckplatte vorgesehen, die vorzugsweise quer zu den Abstandserhöhungen 36 verlaufen, so daß sich durch Querverbindungen zwischen den Kanälen 37 eine zusätzliche Durchwirbelung des Kreislaufwassers ergibt. Oberhalb der Deckplatte 39 ist sodann mittels einer dauerelastischen Dichtung 44 eine Glas- oder auch Kunststoffplatte 40 befestigt, die u.a. zum Schutz der lichtabsorbierenden Oberfläche der Deckplatte 39 dient und zwischen der und der Glasplatte 40 ein Luftspalt 41 freigelassen ist, der einen Wärmeübergang von der Deckplatte 39 auf die nach außen schützende Glasplatte 40 unterbindet.

Der zu den Fig. 1 und 2 besprochene Temperaturfühler 15 zur Messung der Temperatur des Energiekollektors 3 ist innerhalb eines solchen Luftspalts 41 angeordnet, da die Temperatur der Luft in dem Luftspalt 41 einen brauchbaren Wert für die von der Deckplatte 39 absorbierte Lichtstrahlenenergie ergibt.

Um den vom Wasser durchflossenen Raum der Kanäle 37 für Jedes einzelne Element 4 trotz hoher Temperatur- und Ausdehnungsbeanspruchung der Deckplatte 39 zuverlässig und dauerhaft abzudichten, ist außen anschließend an die Randabstützungen 33 eine Dichtungssicke 46 vorgesehen, welche einen abgerundeten Querschnitt und mit etwas Neigung versehene Flanken aufweist. In diese Dichtungssicke hinein ist über die RandabstUtzungen 43 der Randbereich der Deckplatte 39 mit einer Randkröpfung 47 hineingebogen, welche sich nur etwa bis zum Boden der Dichtungssicke 46 erstreckt. Im übrigen ist die Dichtungssicke 46 mit einer dauerelastischen Dichtung 45 ausgegossen, so daß sich einerseits eine

609849/0605

unmittelbare Außendichtung 48 zwischen der Grundplatte 35 und der Dichtung 45 ergibt, während andererseits das Material der Dichtung 45 an der Seite der Randabstützungen unmittelbar mit der Deckplatte 39 verbunden ist. Auf diese Weise kann sich die Deckplatte 39 bei erhöhter Temperaturbeanspruchung unter Zusammendrückung der Dichtung 45 seitwärts ausdehnen, ohne daß die Abdichtung der Kanäle 37 gefährdet ist. Insbesondere dadurch bildet der äußere Rand der Randabkröpfung ein Widerlager, um welches sich diese schwenkfähig bewegen kann, ohne sich gegenüber dem Nutboden bewegen zu können oder die Bindung der Außendichtung 48 zu beeinträchtigen·

Ein in den Fig. 7 bis 9 beschriebenes Element 20 des Wärmespeichers 6 weist einen isolierten Behälter 50 mit einer Wandung 52 auf und ist mit einem Wärmespeichermittel 51 _t so z.B. billigem Paraffin,weitgehend angefüllt. Die Form des Behälters 50 ist zur Herstellung in Kunststoff-Formmaschinen leicht konisch. Die Wandung 52 besteht aus einer Innenschale 56 und einer Außenschale 55» in welche außen um den Behälter 50 herucOLaufende Abstandaprofile 54 eingearbeitet sind, welche Außen- und Innenschale in genau definiertem Abstand voneinander halten, während der Zwischenraum mit einem wärmeisolierenden Material 57 ausgeschäumt ist. Da das Wärmespeichermittel und auch der Durchfluß durch den Wärmespeicher nur auf eine verhältnismäßig geringe Temperatur, nämlich beispielsweise 52 - 54⁰C, erwärmt werden, kann die Wandung 52 des Behälters vollständig aus ggf. glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Durch einen Deckel 63 hindurch ist eine Zufuhrleitung 60 und eine Auslaßleitung 61 für die im Energiekollektor 3 erwärmte Kreislaufflüssigkeit angebracht, welche innerhalb des Behälters 50 durch Wärmeaustauacherrohre 58 miteinander verbunden sind. Da Paraffin 51 Wärme wesentlich schlechter als Wasser leitet, sind die Wärmeaustauseherrohre zusätzlich mit Wärmetauscherflächen 59 versehen, welche aus einem Kupferdrahtgewebe oder Kupferlamellen bestehen können. Diese Wärmeaustauscherflächen ragen weit in das umgebende

S09S49/Q60S

Paraffin hinein und sorgen dafür, daß die Wärmeübertragung von den Wärmeaustauscherrohren erheblich verbessert

Gemäß Fig. S ist die Zufuhrleitung 60 in der Mitte eines Abstandsprofils 54 angeordnet, so daß es durch von außen in die vertieften Abstandsprofile 54 eingebrachte Füllungen fest im Deckel verankert ist, wobei die Füllung 62 auch im Bereich der Abstandsprofile 54 Kälttbrücken verhindert. Der Deckel 63 ist mit einem Flanschverschluß 64 auf dem Unterteil des Behälters 50 im Sinne der Fig. 13 und 14 befestigt.

Der in den Fig. 10 bis 12 wiedergegebene Warmwassererhitzer 7 kann wegen der relativ geringen Temperatur des Kreislaufwassers ebenfalls mit seinem Behälter aus Kunststoff hergestellt sein, und zwar nach Art und Größe genau so und mit den gleichen Werkzeugen wie die in den Fig. 7 bis 9 beschriebenen Einheiten 20 des Wärmespeichers 6.

Demgemäß besteh* der Behälter 70 und der Deckel 83 aus einer Außenschale 75 und einer Innenschale 76, welche mit rundumlaufenden Abstandsprofilen 74 in Sandwichform im Abstand voneinander gehalten werden, wobei der Zwischenraum mit einem wärmeisolierenden Material 77 aus geschäumt ist. Innerhalb der derart aufgebauten Wandung 72 befindet sich das im Warmwassererhitzer verweilende Wasser 71 des Kreislaufwassers, welches nur unter geringem Druck, nämlich praktisch nur dem Steigdruck des Gesamtsystems, steht.

i -

Vorzugsweise im Oberteil des Behälters 70 befindet sich ein beispielsweise langgestreckter Innenbehälter 73, in dem die Wärmeaustauscherrohre 78 zur Entnahme der zur Nutzung verwendeten Wärme aus dem Warmwassererhitzer angeordnet sind.

B098A9/0605

Über die Zufuhrleitung 80 und eine Auslaßleitung 81 sind die innerhalb des Gebäudes 1 angeschlossenen Wärnieverbrauchs stellen mit den Wärmeaustauscherrohren 73 verbunden· Das über den Einlaß 86 vom Wärmespeicher zum Wanawassererhitzer gelangende Heißwasser wird in Gegenstromrichtung zu den Wärmeaustauscherrohren 78 durch den Innenbehälter 73 geleitet, so daß sich die Wärmeaustauscherrohre stets im höchsten Temperaturbereich befinden. Das Kreialaufwasser gelangt durch einen Auslaß 83 in den übrigen Innenraum des Behälters 70 und wird aus diesem über eine Abzugleitung 85 via Umwälzpumpe 10 zum Energiekollektor 3 weiterbefördert. Die Abstandsprofile 74 sind zur Vermeidung von KältebrUcken mit einer äußeren Füllung 82 aus wärmeisolierendem Material gefüllt.

Um außergewöhnliche Zeiten hoher Wärmeentnahme oder geringen Sonnenenergieangebote zu überbrücken, ist es zusätzlich möglich, dad Wasser 71 innerhalb des Behälters 70 mittels einer elektrischen Zusatzheizung, mit beispielsweise 8 KST und unter Nachtstromanschluß fremd zu erwärmen.

Sämtliche Anschlüsse befinden sich im Deckel 83, der mittels eines Verschlusses 84 am Unterteil des Behälters 70 befestigt ist.

Der in den Fig. 13 und 14 dargestellte Verschluß des Deckels 63 bzw. 83 der Behälter 50 bzw. 70 kann eine gesonderte Preßdichtung 94 aufweisen, welche die sich berührenden Abschnitte des Deckels und des Unterteils des Behälters umso besser und stärker abdichtet je höher der»innendruck ρ innerhalb des Behälters ist. Dafür ist eine im Verschlußrand des Unterteils des Behälters vertiefte Dichtungsnut 90 vorgesehen, in welche ein entsprechend in die gegenüberliegende Wand des Deckels eingearbeiteter Kragen 96 foraschlüssig

609849/0805

2559U7

eingreift. Die Dichtungsnut 90 und der Kragen 95 besitzen unterschiedlich geneigte Flanken, nämlich eine praktisch senkrechte Innenflanke 91 und eine mit flacherer Steigung schräg nach außen verlaufende Außenflanke 92. Zwischen der Innenflanke 91 ist eine Preßdichtung 9h angeordnet, welche mit steigendem Druck ρ verstärkt abdichtet, und zwar deshalb, weil der Deckel und der Unterteil des Behälters lediglich über die Verschlußflansche 93 an der Außenseite aneinandergepreßt werden und sich damit ein Hebelarm ausbildet, welcher bei einer Schwenkung im Sinne des Pfeils D¹ eine Bewegung der steilen Innenflanken 91 im Sinne des Pfeils D" verursacht. Der Behälter 50 bzw. 70 ist zusätzlich durch eine im Bereich der Anschlußflansche 93 vorgesehene Außendichtung 95 abgedichtet.

6098A9/06DS

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmenutzung von Sonnenenergie» dadurch gekennzeichnet , daß die Licht- und Wärmestrahlung der Sonne unmittelbar mittels diese strahlung absorbierender Flächen in Wanne umgewandelt wird, die dabei erhaltenen Wärmemengen auf eine Flüssigkeit übertragen und von dieser in einem Zwangskreislauf zunächst einem Wärmespeicher und dann einem Warmwassererhitzer zugeführt werden, über welchen die Wärmemengen wirtschaftlich genutzt werden, wonach die Flüssigkeit wieder zur erneuten Aufnahme von Wärme dem Kreislauf zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenlichteinstrahlung mit einem Lichtfühler sowie gleichzeitig die Temperatur der die Sonneneinstrahlung absorbierenden Flächen mit einem Temperaturfühler gemessen werden, und daß auf eine bestimmte Heßgrößenkombination der beiden Fühler hin automatisch ein auf Wärmespeicher und Warmwassererhitzer beschränkter Kreislauf unter Ausschaltung der absorbierenden Flächen geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zueinander geschaltete Einheiten des Wärmespeichers jeweils einzeln in den Kreislauf eingeschaltet werden, wobei bei Erreichen der oberen Soll-Wärmekapazität einer Einheit automatisch eine andere Einheit in den Kreislauf eingeschaltet wird und bei Erreichen der jeweils unteren Soll-Wärmekapazität einer Einheit die anderen Einheiten entsprechend sukzessiv in den Kreislauf eingeschaltet werden.

809849/0605

4. Vorrichtung zur Wärmenutzung von Sonnenlichtenergie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Energiekollektor und einer Einrichtung zur Übertragung der Energie ins Innere eines Gebäudes, dadurch gekennzeichnet , daß der Energiekollektor (3) Elemente (4) zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenlichtenergie in ¥ärme sowie eine damit in Kontakt stehende Rohrleitungseinrichtung (5) zum Ableiten der aufgenommenen Wärme und zu deren Übertragung ins Innere des Gebäudes aufweist, welche von einer Wärmeenergie aufnehmenden Flüssigkeit durchflossen wird, und daß in die Rohrleitungseinrichtung ein Wärmespeicher (6) und ein Warmwassererhitzer (7) mit einem Wärmetauscher (8) in einen Kreislauf eingeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiekollektor (3)f der Wärmespeicher (6) und der Warmwassererhitzer (7) im Kreislauf (22, 23, 24, 25) nintereinandergesehaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch {* oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (22, 23, 24, 25) mit einer Umlaufpumpe (10) unter Zwangsumlauf steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (9) vorgesehen ist, mit der der Wärmespeicher (6) und der Warmwassererhitzer (7) in einen vom Energiekollektor (3) unabhängigen Kreislauf (22, 11, 25) umsteuerbar sind. '

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser, vorzugsweise mit Gefrierschutzmitteln versehenes Wasser, ist.

609849/0605

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Umsteuerung auf einen unabhängigen Kreislauf eine Umgehungsleitung (11) vor dem Energiekollektor (3) aufweist, welche von einem Ums teuer ventil (Motorventil 12) wahlweise mittels einer vom Sonnenlichteinfall gesteuerten automatischen Meß- und Regeleinrichtung (13) betätigbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regeleinrichtung (13) einen Lichtfühler (14) und einen Temperaturfühler (15) aufweist, wobei der Lich^tfühler (14), z.B. eine Fotozelle, das einfallende Sonnenlicht mißt und der Temperaturfühler die Temperatur der wärmeaufnehmenden Elemente (4), und die Meß- und Regeleinrichtung auf die Kombination beider Meßgrößen ansprechbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kreislauf (24, 11, 23) eine Einrichtung (16) zum Kühlen des Kreislaufs bei überhitzung eingebaut ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4) zur Aufnahme und Umwandlung von Sonnenlichtenergie in Wärme als satzweise zusammenschaltbare Einzelelemente als vorgefertigte und auf Normabmessung abgestellte Teile ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4) mit jeweils einer Grundplatte (35) mit in einem bestimmten Abstand darüber wasserdicht angebrachter Deckplatte (39) aus Metall sowie mit jeweils einem Zu- und Ablauf für die Kreislaufflüssigkeit ausge-

609849/06G5

2559U7

bildet sind und daB die Deckplatte ir.it einer das Scr-r.erL-licht aufnehmenden Schicht bzw. Fläche versehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (39) aus dünnem, jedoch steifem, mindestens an ihrer Außenseite mattgebürstetem und schwarz bzw. dunkel eloxiertem Aluminium besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß von der Grundplatte (35) zur Deckplatte

(39) hochstehende Abstandserhöhungen (36) vorgesehen sind, welche parallel zueinander angeordnet und wechselweise von gegenüberliegenden Randabstützungen (43) beginnend die Flächenausdehnung der Elemente (4) in Kanäle (37) aufteilen, wobei zwischen zwei jeweils parallel liegenden Kanälen (37) Enddurchlässe (38) ausgespart sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb eines mit Luft gefüllten dünnen Luftspalts (41) über der Deckplatte (39) eine transparente Kunststoff- oder Glasplatte (40) als Schutz gegen Witterungseinflüsse vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß über die Fläche jeder Deckplatte (39) Dehnungssicken (42) angebracht sind, und zwar vorzugsweise parallel zueinander und quer zu den Abstandserhöhungen (36) .

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch

gekennzeichnet* daß die Deckplatten (39) nahe ihren Rändern zur Grundplatte (35) hin abgebogen und unmittelbar am Rand ein kurzes Stück in leichter Abrundung wieder nach außen abgekröpft sind (Randkröpfung 47), daß die Randkröpfungen (47) in einer außerhalb der Randabstützungen (43) vorgesehenen, der Form der Ränder der Deckplatte angepaßten Rundumnut (Dichtungssicke 46) angeordnet sind

609849/0605

und daß diese Nut mit einer elastischen Dichtung (45) derart versehen ist, daß an der jeweils der Randabstützung (43) gegenüberliegenden Flanke der Nut eine dichte Verbindung (Außendichtung 48) zwischen dieser Nutflanke und der Dichtung (45) besteht, während an der von der Außenseite einer Randabstützung (43) gebildeten Nutflanke die Dichtung fest mit dem abgekröpften Randbereich der Deckplatte verbunden ist, wobei sowohl der Boden der Nut als auch die Randkröpfung im Querschnitt aufeinander angepasste Rundkehlenform besitzen und die halbrunde Randkröpfung bis zum Übergang des halbrunden Nutbodens in die der Randabstützung gegenüberliegende gerade Flanke der Nut reicht.

xxxxxxxxxxxxxxxx

809849/0605