DE69327102T2

DE69327102T2 - Durch sonnenwärme geheizte gebäude-entwürfe für bewölkten winter

Info

Publication number: DE69327102T2
Application number: DE69327102T
Authority: DE
Inventors: Day Chahroudi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-05-25
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2013-05-26
Also published as: AU4392493A; EP0650320B1; EP0650320A4; CA2136759A1; JPH08500966A; ATE186813T1; DE69327102D1; US5524381A; EP0650320A1; WO1993023987A1

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Continuation-in-part der US-Anmeldung Nr. 07/670 783, eingereicht am 19. März 1991. Diese entspricht der WO-A- 9216702, welche als Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ gilt und die offenbart ein Gebäude mit Solarheizung mit einem Sonnenwärme-Kollektor (22), wobei der Kollektor gebildet ist aus einer Platte, umfassend: eine Schicht Klarsicht-Verglasung (26), eine Schicht lichtdurchlässige Isolierung (30) mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.), eine Schicht Sichtblende (36), angeordnet auf einer Seite der lichtdurchlässigen Isolierung (30), wobei die Sichtblende (36) eine maximale Sonnendurchlässigkeit hat, die in ihren Zustand des Durchlassens von Strahlen drei- oder mehrfach größer ist als in ihrem lichtundurchlässigen Zustand, und eine Schicht Sonnenstrahlen-absorbierendes Material (40) mit einer Adsorption des Sonnenenergiespektrums von 70% oder mehr.

WEITERE RELEVANTE INFORMATIONEN

Ein Gegenstand dieser Anmeldung betrifft eine Veröffentlichung mit dem Titel "Weather Panel Development And Architecture", vorgestellt am 26. Mai 1992 von Day Chahroudi auf der Transparent Insulation Technology Conference in Freiburg, Deutschland, finanziell unterstützt vom Fraunhofer-Institut, sowie eine Schrift mit dem Titel "Solar Heated Building Designs For Cloudy Winters", 19. Mai 1992, ebenfalls verfasst von Day Chahroudi. Die vorstehend genannte Veröffentlichungen werden durch Bezugnahme mitaufgenommen. Kopien davon liegen der Anmeldung an.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Entwurf für Gebäude mit Solarheizung. Sie betrifft insbesondere ver besserte Entwürfe für Gebäude mit Solarheizung, die eine einfachere Bauweise und Konstruktion, niedrigere Kosten und bessere Leistung als die gängigen passiven Solarheizungsmodelle, insbesondere in Klimabereichen mit bewölkten Wintern, bieten.

2. Beschreibung des dazu gehörigen Fachgebietes

Es gibt viele bekannte Systeme zum Sammeln, Speichern und Abgeben von Sonnenenergie. Gängige Sonnenwärme- Kollektoren sammeln die Sonnenwärme gewöhnlich während ein bis zehn Tagen pro Monat bei sonnigem Winterwetter. Diese gängigen Solarsysteme speichern die aufgefangene Wärme nur an sonnigen Tagen und geben die Wärme bei bewölktem Wetter ab. Ein großer Anteil der Weltbevölkerung lebt an Orten mit bewölktem Winterhimmel. Vor kurzem haben Solararchitekten mit einer Baustrategie reagiert, bei der die Sonnenenergie während ein bis zehn Tagen pro Monat bei sonnigem Winterwetter gesammelt wird, diese Wärme dann gespeichert wird und bei bedecktem Winterwetter wieder abgegeben wird. Diese Bauweise unterliegt einige Nachteilen. Bspw. sollte bei dieser Bauart zusätzlich ein Vollofen für fossilen Brennstoff verwendet werden, wenn die Wärmespeicherung während der längsten Schlechtwetterperioden versagt. Sie erfordert eine große Wärmespeichereinheit, die teuer ist und einen Teil der gespeicherten Wärme verlieren kann. Sie braucht zudem einen großen Sonnenwärme-Kollektorbereich, der zum Äquator in Richtung der Wintersonne gerichtet ist und zudem teurer ist. Der Sonnenwärme-Kollektor muss einen Großteil einer nach Süden gerichteten Wand und/oder eines nach Süden gerichteten Dachs einnehmen, was die Gebäudeform, die Ausrichtung und das Aussehen stark einschränkt. Aufgrund der vorstehenden Einschränkungen wird die Bauweise eines Gebäudes mit herkömmlicher Solarheizung zu einem höchst anspruchsvollen Kompromiss zwischen den widersprüchlichen Anforderungen an Ästhetik, Gebäudeform, Anwendungs- und Platzbeschränkungen, Kosten und Solareffizienz. Solarraumheizung und Tageslichtbeleuchtung haben die Erwartungen noch nicht erfüllt, da die widersprüchlichen Anforderungen an Solareffizienz, niedrige Kosten, Einfachheit der Konstruktion, Ästhetik, Gebäudeform und Platz schwierig und oft nicht miteinander vereinbar sind.
Früher sind verschiedene ähnliche Bauarten für das Sammeln und Speichern von Sonnenlicht verwendet worden. Trotzdem eignet sich keine dieser bekannten Bauarten zum Einbau in ein Gebäude, ohne dass die Ästhetik, Form, Richtung oder Funktionalität des Strukturaufbaus verändert wird oder alternativ ohne dass die Effizienz des Einfangens der Sonnenwärme beeinträchtigt wird. Die herkömmlichen Solarheizsysteme benötigen große Wärmespeichereinheiten und große, zum Äquator weisende Sonnenwärme- Kollektoren, die gewöhnlich auf der Südseite an den Gebäudewänden angebracht sind.
Keines der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Systeme hat den wichtigen Vorteil, dass es an bewölkten Tagen das Sonnenlicht effektiv auffangen und speichern kann. Entsprechend befinden sich bei keinem der vorstehend genannten herkömmlichen Systeme die Sonnenwärme- Kollektoren auf dem Gebäudedach, wenn die Bauart des Dachs durch Architektur- statt durch Sonnenbedingungen vorgeschrieben wird. Statt dessen wurden die Sonnenwärme- Kollektoren an den Südwänden oder dem Dach des Gebäudes angebracht, was eine erhebliche Veränderung des traditionellen Gebäudedesigns und der Ausrichtung nötig machte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Maximierung der Solarleistung, wobei zugleich keine speziellen Gebäudebaupläne oder Kompromisse mit der Gebäudeästhetik nötig sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Austauschen von Dach- oder Wand-Bauteilen gegen Sonnenwärme- Kollektoren, statt diese den Dach- oder Wand-Bauteilen hinzuzufügen, so dass die Kosten des Dachs von den Kosten des Sonnenwärme-Kollektors subtrahiert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Lösung von Problemen hinsichtlich der Plazierung und Ausrichtung der Sonnenwärme-Kollektoren. Weitere Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Erfindungsgemäß wird ein Gebäude mit Solarheizung mit einem Sonnenwärme-Kollektor bereitgestellt, wobei
mehr als die Hälfte der Fläche des Sonnenwärme- Kollektors durch einen Dach-Kollektor gestellt wird, der einen Teil des Dachs des Gebäudes bildet, der Sonnenwärme- Kollektor eine maximale Sonnenenergie-Admittanz von 30% oder mehr hat, und wobei
der Dach-Kollektor gebildet ist aus mindestens einer Platte, umfassend eine Schicht Klarsicht-Verglasung;
eine Schicht lichtdurchlässige Isolierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/- Quadratfuß/ºF/Std.),
eine Schicht Sichtblende, angeordnet auf einer Seite der lichtdurchlässigen Isolierung, wobei die Sichtblende eine maximale Sonnendurchlässigkeit hat, die in ihrem Zustand des Durchlassens von Strahlen drei- oder mehrfach größer ist als in ihrem lichtundurchlässigen Zustand, und
eine Schicht Sonnenstrahlen-absorbierendes Material mit einer Adsorption des Sonnenenergiespektrums von 70% oder mehr, wobei das Gebäude ferner umfasst:
ein oder mehrere Wärmespeicherelemente, die mindestens 70% der erforderlichen Wärme speichern, so dass das Gebäude über Nacht beheizbar ist an einem durchschnittlichen Tag im kältesten Monat des Jahres am Ort, wo das Gebäude steht.
In einer besonderen Ausführungsform befindet sich das Wärmespeicherelement bezüglich des Wegs des einfallenden Sonnenlichtes hinter der Schicht aus lichtdurchlässigem Isolierungsmaterial. Die Sichtblende befindet sich in der Nähe des lichtdurchlässigen Isolierungsmaterials und ist in Bezug auf das Wärmespeicherelement wärmeleitend, und/oder befindet sich zwischen der Verglasung und dem lichtdurchlässigen Isolierungsmaterial. Wird die Sichtblende als Reflektor verwendet, kann das Wärmespeicherelement alternativ durch ein Sonnenstrahlen absorbierendes Material ersetzt werden. Der Begriff "in Bezug auf... wärmeleitend" bedeutet, dass das Wärmespeicherelement einen hinreichenden Wärmekontakt zu einem Element bildet, auf das es Wärme übertragen kann. Die Wärme kann auf irgendeine Weise auf das Element übertragen werden, bspw. durch Konvektion, Wärmeleitung oder erzwungene Wärmeübertragung, bspw. mittels Ventilatoren, die warme Luft durch das Gebäude blasen. Der Begriff "Element" bedeutet einen Gegenstand im Gebäude, der Wärme absorbieren kann, wie Steinplatten, Möbel, Topfpflanzen oder sonstige Strukturkomponenten des Gebäudes, wie Innenziegelwände oder Steinsammlungen.
Je nach Klima kann der vielschichtige Sonnenwärme- Kollektor in den größeren Teil des Gebäudedachs eingebaut werden. Die Wärmeleitfähigkeit des lichtdurchlässigen Isolierungsmaterials ist notwendigerweise kleiner als 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.). Eine zusätzliche Schicht, umfassend ein Sonnenstrahlen-absorbierendes Material mit einer Absorption von mehr als 70% des Sonnenenergiespektrums, befindet sich an einer Stelle, wo sie Sonnenlicht absorbiert, das von der Sichtblende und der lichtdurchlässigen Isolierung durchgelassen wird. Die Sichtblende muss - damit sie die erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllt - in ihrem Zustand des Durchlassens von Strahlen mindestens dreimal mehr Sonnenenergie durchlassen als in ihrem lichtundurchlässigem Zustand.
Erfindungsgemäß bedeutet Sonnenwärme-Kollektor ein Sonnenenergie-durchlassendes Element mit einem Sichtblendenmaterial, welches lichtundurchlässig wird, damit sich die Platte nicht überhitzt.
Die hier verwendeten Sonnenwärme-Kollektoren sind vorzugsweise Hochleistungs-Sonnenwärmekollektoren mit lichtdurchlässiger Isolierung und Sichtblende ("high efficiency transparent insulation and optical shutter solar collectors", HETIOSSC). Während trüber und winterlicher Tage hat der HETIOSSC eine so große Sonnendurchlassleistung, dass genug Sonnenwärmeenergie aufgefangen wird, um das Gebäude, auf dem er sich befindet, zu heizen.
Wie nachstehend eingehender beschrieben, stellt die Unterbringung des Sonnenwärme-Kollektors auf dem Dach des Gebäudes wichtige Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereit. Durch Anbringen der Sonnenwärme-Kollektoren am Dach statt an den Seitenwänden bestimmen die Ausrichtung und die Form des Gebäude nicht seine Solarleistung. Dies verringert stark die Fertigkeit, die zum Aufbau eines Gebäudes mit effizienter Solarheizung notwendig ist.
Werden die HETIOSSC falsch angebracht, verwandeln sie sich nur in lichtundurchlässige Isolierungsplatten. Somit sind Designfehler nicht entscheidend. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass dieses Design herkömmliche Dachelemente ersetzt und nicht einer bestehenden Dachstruktur hinzugefügt werden muss, so dass die Kosten eines herkömmlichen Dachs von den Kosten für die Sonnenwärme- Kollektoren subtrahiert werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Isolierungswert und die Kosten bei Einsatz des erfindungsgemäßen Designs vergleichbar (aber nicht unbedingt gleich) einer herkömmlichen Dachkonstruktion sind, so dass sich Teile des Dachs ohne große zusätzliche Kosten oder nächtlichen Wärmeverlust ersetzen lassen. Folglich benötigt man keine große, mit fossilem Brennstoff betriebene Zusatzheizung (oder kein anderes nicht-solares Heizungssystem).
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die größere Effizienz, mit der die vergleichsweise schwache und diffuse Sonnenenergie, die bei bewölktem Wetter verfügbar ist, sogar bei den kalten Wintertemperaturen der nördlichen Längengrade aufgefangen wird. Diese Sonnenwärme-Kollektoren haben so große Sonnentransmissions- und Isolierungswerte, dass bei bewölktem Wetter Wärme gespeichert werden kann.
Die Erfindung selbst lässt sich zusammen mit weiteren Aufgaben und damit einher gehenden Vorteilen am besten anhand der nachstehenden eingehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verstehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt/zeigen:
Fig. 1 ein Gebäude, das im Dach einen Sonnenwärme- Kollektor enthält;
Fig. 2 einen Gebäudequerschnitt, wobei das Dach und der Sonnenwärme-Kollektor gezeigt sind;
Fig. 3A-3C einen Querschnitt eines Sonnenwärme- Kollektors mit einer thermochromen Blende von außen (links) nach innen (rechts);
Fig. 3 eine ³/&sub4;-Ansicht einer möglichen Plattenanordnung;
Fig. 4 schematisch die relative Positionierung der Schicht Klarsicht-Verglasung in der Nähe zur Schicht der absorbierenden Sichtblende in einem Sonnenwärme-Kollektor.
Fig. 5 eine übliche Reaktion des Reflexionsvermögens der Sichtblende auf die Umgebungstemperatur. Diese Figur zeigt, wie die Reflexion der Sonnenstrahlung mit Temperaturänderungen variiert;
Fig. 6 schematisch die relative Positionierung der Schicht der thermochromen reflektierenden Sichtblende zur Schicht aus lichtdurchlässigem Isolierungsmaterial und gegebenenfalls zum Sonnenstrahlen-absorbierenden Material in einem Sonnenwärme-Kollektor;
Fig. 7 schematisch eine alternative Ausführungsform der lichtdurchlässigen Isolierungsschicht, in der ein oder zwei Niederemissionsschichten an den Innenflächen eines mit Glas umschlossenen Vakuums befestigt sind;
Fig. 8 eine alternative Ausführungsform der lichtdurchlässigen Isolierungsschicht unter Verwendung eines Wabenmaterials;
Fig. 9 schematisch das lichtdurchlässige wabenförmige Isolierungsmaterial, dessen Öffnungen nahezu rechtwinklig zur Verglasung der Struktur und zum Dach verlaufen;
Fig. 10 schematisch eine alternative Ausführungsform des wabenförmigen Materials, dessen Öffnungen nahezu rechtwinklig zu den Gebäudeböden verlaufen;
Fig. 11 schematisch eine alternative Ausführungsform einer lichtdurchlässigen Aerogel-Isolierungsschicht;
Fig. 12A die verschiedenen möglichen Stellen sämtlicher notwendigen und wahlfreien Schichten im Sonnenwärme-Kollektor;
Fig. 12B die Identität der in Fig. 12A gezeigten verschiedenen möglichen Schichten;
Fig. 13 schematisch verschiedene zusätzliche Abwandlungen und Stellen für das Wärmespeicherelement und mögliche Stellen für Wasser-Verdampfer und -Kondensor;
Fig. 14 schematisch ein Beispiel für Wärmeübertragung mittels Luft, welche mittels Ventilatoren durch Leitungen zirkuliert wird;
Fig. 15 schematisch einen Luft-zu-Luft-Wärmetauscher mit damit verbundenen gesonderten Ventilatoren, die die Luft in beiden Zirkulationskreisläufen befördern;
Fig. 16 schematisch die Wärmezirkulation mit Wasser, Rohren und Pumpen;
Fig. 17 schematisch die Art der Wärmeübertragung von Wärmespeicherelementen, die sich im Boden unter dem Dach befinden, zum übrigen Gebäudeinneren durch Wärmestrahlung;
Fig. 18 schematisch die Stelle und den Betrieb eines solaren Destillierapparates;
Fig. 19 den Betrieb eines Luft-zu-Luft-Wärmetauschers; und
Fig. 20 den Gebälk-Ausschnitt mit der Befestigung von Mehrfach-Sonnenwärme-Kollektoren an den Dachsparren eines Gebäudes sowie die Kondensationskanäle zum Auffangen des destillierten Wassers.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei den Zeichnungen zeigt die Fig. 1 ein Gebäude 20 mit einem im Dach 24 befindlichen Sonnenwärme-Kollektor 22. Die Bauweise des Gebäudes 20 wirkt sich nur minimal nachteilig auf das Aussehen oder die Kosten aus. Dieses bestimmte Beispiel ist ein Wohnblock mit vier Apartments zu je 150 m² (1500 Quadratfuß). Die Neigung des Dachs 24 beträgt 30º. Dies ist ungefähr der Mindestwinkel, bei dem Schnee abrutscht. Das Dach 24 besteht vollständig aus Sonnenwärme-Kollektoren 22, mit Ausnahme eines Rands aus herkömmlichem Dachmaterial. In seinem lichtdurchlässigen Zustand lässt ein Sonnenwärme-Kollektor 22 diffuse Sonnenstrahlen (genauer Durchlässigkeit für das hemisphärische Sonnenspektrum) in einer Rate von mehr als 30% durch. Jede Sonnenwärme-Kollektor-/Gebäude-Konfiguration (der Absorber und der Wärmespeicher können Teil des Gebäudes und nicht des Kollektors sein, siehe Fig. 13), die befähigt ist zu: einer Solarübertragung 30%; einem Verhältnis der maximalen : minimalen Durchlässigkeit der Sichtblende 3 : 1, einer Solarabsorption 70% des Absorbers; einer Speicherung 70% der nächtlichen Wärmeausnutzung an einem durchschnittlichen Tag des kältesten Monats, lässt sich erfindungsgemäß einsetzen. Geeignete Sonnenwärme-Kollektoren werden hier als Hochleistungs-Sonnenwärmekollektoren mit lichtdurchlässiger Isolierung und Sichtblende ("high efficiency transparent insulation and optical shutter solar collectors", HETIOSSC) abgekürzt. Bevorzugte Ausführungsformen der Sonnenwärme-Kollektoren aus solchen HETIOSSC sind eingehend beschrieben in WO-A-9216702, mit dem Titel "Light Admitting Thermal Insulation Structure". Diese Anmeldung ist hier angefügt. Aus Verständnisgründen betrifft der Begriff "Konvektions-Ablenkscheibe" in dieser Anmeldung dem in der vorstehenden Anmeldung WO-A-9216702 als CBTLTR bezeichneten Element. Zusammengefasst umfasst die lichtdurchlässige Wärmeisolierungsstruktur in dieser Anmeldung eine lichtdurchlässige Wärmeplatte mit verbesserter Wärmebeständigkeit, die Licht- und Sonnenstrahlung zwischen dem Platteninneren und dem Plattenäußeren überträgt, ein oder mehrere lichtdurchlässige Isolierungsschichten (Materialien, die die Wärmestrahlung und -Konvektion unterdrücken) in der Nähe der Außenfläche der Platte, sowie eine Sichtblendenschicht und gegebenenfalls eine Sonnenstrahlen-absorbierende Schicht in der Nähe des Gebäudeinneren. Diese HETIOSSC sind so ausgelegt, dass sie auf dem Dach oder den Wänden des zu heizenden Gebäudes untergebracht werden oder diese bilden.
Die Konvektions-Ablenkscheibe ist eine Struktur, die einen mit Gas gefüllten Hohlraum in Kompartimente aufteilt, wodurch die Wärmeübertragung mittels Konvektion durch das im Hohlraum vorhandene Gas unterdrückt wird. Die Konvektions-Ablenkscheibe kann bei Verwendung mit einer lichtdurchlässigen oder Niederemissionsschicht aus dünnen Blättchen oder Folien eines Sonnenlicht- und Wärmestrahlungs-durchlässigen Materials bestehen. Diese Sperrflächen können aus einem Polyolefin, vorzugsweise einem sehr hochkristallinen Polyethylen oder einem sehr niederkristallinen Polyethylen bestehen.
Die Niederemissionsschichten lassen das Licht entweder durch oder absorbieren es. Diese Schichten können ein oder mehrere Beschichtungen oder Schichten aus einem Material umfassen, das die Wärmestrahlung reflektiert und nicht emittiert, damit ihre Übertragung verhindert wird. Sie können Licht durchlassen oder absorbieren. Diese Schichten sind nachstehend eingehender beschrieben.
Die Sichtblende ist eine Schicht, die den Lichtdurchlass steuert, wodurch der Wärmefluss in Form von Sonnenlicht verhindert wird.
Eine Blende lässt sich reversibel aktivieren durch die lokale Temperatur (thermochrom), die einfallende Lichtintensität (photochrom), einen elektrischen Strom oder ein elektrisches Feld (elektrochrom) oder durch lokale Temperatur und die einfallende Lichtintensität (thermophotochrom).
Die Sichtblende ermöglicht die Regulation der gewünschten Sonnenwärme und somit der Temperatur für den Bereich, in den die Sonnenenergie geleitet werden soll oder aus dem sie weggeführt werden soll.
Das US-Patent 4 085 999, ausgegeben am 25. April 1978 an Day Chahroudi, mit dem Titel "Transparent Thermal Insulating System", und das US-Patent 4 307 942, ausgegeben am 29. Dezember 1981 an Day Chahroudi, mit dem Titel "Solar Control System" offenbaren einige Beispiele für Sichtblenden, die sich in den erfindungsgemäß eingesetzten Sonnenwärme-Kollektoren verwenden lassen.
In dieser Erfindung (Fig. 1) befinden sich die Sonnenwärme-Kollektoren 22 auf dem Dach 24 statt auf einer senkrechten Gebäudewand, so dass an bewölkten Tagen maximale Sonnenwärme aufgefangen werden kann.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform des Gebäudes 20 mit dem Sonnenwärme- Kollektor 22 auf dem Dach 24. Aus Fig. 2 geht hervor, dass das Gebäude billig sein und bspw. Apartments oder Büros enthalten kann. Der Neigungswinkel des Dachs 24 kann 30º oder mehr betragen, so dass der Schnee abrutschen kann. Mit einem Isolierungsmantel 23 aus 200 Fuß (65 m) breiten Tunnelsegmenten (nicht gezeigt) lässt sich die Spannweite und Schneeansammlung an den Rändern eindämmen. Aufgrund seiner Höhe von 65 Fuß (20 m) erleichtert der Isolierungsmantel 23 die Sommerkühlung durch Einfangen von Wind und durch den Kamineffekt. Im Isolierungsmantel 23 des Gebäudes 20 befindet sich ein Wärmespeicher, der aus irgendeinem Innenraum besteht oder der in der lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Isolierung des Gebäudes 20 enthalten ist, und der Boden, auf dem es steht. Somit ist bei dem Gebäude bspw. weder eine Ziegelwand, auf dem der Außenputz (nicht gezeigt) aufgetragen ist, noch die äußere Klarsichtverglasung eines Dachfensters (nicht gezeigt) enthalten. In dem zuweilen durchscheinenden, zuweilen durchsichtigen Tunnel, der den Isolierungsmantel 23 ausmacht, befinden sich einige stockwerkartige Räume 25, die wie offene Tribünen angeordnet sind. Auf die Decken über diesen Räumen können Pflanzen 26 gestellt werden, die sich zur Bereitstellung von frischer Nahrung, Wasser und Luft verwenden lassen. In der nichtisolierten Struktur der Räume 25 lässt sich Wärme speichern. Der Garten für ein oben liegendes Apartment kann sich bspw. auf dem Dach des darunter liegenden Apartments befinden. Dieser Garden lässt sich durch Gitterwände, die mit Pflanzen oder Sträuchern bepflanzt sind, von den Nachbargärten abgrenzen. Wird diese Gebäudebauweise nicht für Apartments verwendet, können die Dachgärten öffentlich zugänglich gemacht werden, wobei der Mantel etwas mehr Abstand zu den Räumen erhält, so dass Platz für größere Bäume geschaffen wird. Ganzjährig geöffnete Sommerparks, Gärten, Sportplätze und Swimmingpools können von hohen Bäumen zwischen den Apartmentreihen und an Stellen, wo die Mantelsegmente aneinander stoßen oder sich biegen, beschattet werden.
Die Fig. 3A-3C zeigen schematisch einen Querschnitt verschiedener Ausführungsformen des HETIOSSC- Sonnenwärme-Kollektors 22, der aus Niederemissionsschichten, thermochromer Blende und Konvektions-Ablenkscheiben besteht. In den Fig. 3A-3C sind die Schichten von außen (links) nach innen (rechts) beschrieben. Die Fig. 3A-3C zeigen eine Schicht Klarsicht-Verglasungsmaterial 26, welches Sonnenstrahlen durchlässt, wie Glas, Kunsstoffplatten oder -folien oder durchscheinender glasfaserverstärkter Kunststoff. Neben dem Klarsicht- Verglasungsmaterial 26 befindet sich eine Schicht lichtdurchlässiges Isolierungsmaterial 30, das Sonnenstrahlung gut, Wärme aber nicht gut durchlässt und eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.) aufweist. Der Begriff "neben", wie er hier verwendet wird, bedeutet im wesentlichen parallel zu einer anderen Schicht, jedoch nicht in unmittelbarem Kontakt dazu. Das lichtdurchlässige Isolierungsmaterial 30 kann aus ein oder mehreren Niederemissionsschichten 32 und ein oder mehreren Schichten 34 bestehen, die die Wärmeübertragung unterbinden, jedoch für Sonnenstrahlung durchlässig sind, wie Niederemissionsschichten und Ablenkscheiben, Waben, Aerogele und evakuierte Fenster mit Niederemissionsschicht. Geeignete Materialien für die Schicht(en) 34 sind Konvektions-Ablenkscheiben 34 oder Wabenstrukturen, evakuierte Fenster, Aerogele und Mehrfachscheiben aus entspiegelter Kunststofffolie oder Glas. Die Niederemissionsschicht(en) 32 bestehen aus einem Material, das Sonnenstrahlung durchlässt, Wärmestrahlung jedoch reflektiert, bspw. In&sub2;O&sub3;/Ag/In&sub2;O&sub3;, oder anderen, mittels Vakuumbeschichtung hergestellten Stapeln aus Dielektrikum/Metall/Dielektrikum oder pyrolytisch hergestellten Indium- oder Zinnoxidschichten. Auf die Schichten 34 folgt Schicht 36, die als Sichtblende dient. Die Schicht 36 besteht geeigneterweise aus einer reflektierenden oder absorbierenden Sichtblende, die durch Spannung, Strom, Wärme oder Licht aktiviert wird. Auf Schicht 36 folgt Schicht 37 (nicht gesondert gezeigt), die als Strukturoberfläche (Schutzschicht) des Kollektors dient und absorbierend oder lichtdurchlässig ist. Sie kann aus einem festen Material bestehen, wie Metall, Kunststoff, Glas, Kunststofffolie oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Die Schicht 37 verleiht dem Kollektor mechanische Festigkeit, schützt ihn und speichert gegebenenfalls Wärme.
Die Fig. 3B und 3C veranschaulichen alternative Ausführungsformen des Sonnenwärme-Kohlektors, die vier Schichten 34 (Konvektions-Ablenkscheiben) umfassen. Bei diesen alternativen Ausführungsformen ist die Solarplatte der vorstehend beschriebene HETIOSSC-Sonnenwärme-Kollektor.
Das lichtdurchlässige Isolierungsmaterial 30 hat den gleichen Isolierungswert wie 1 bis 2 Zoll dicker Schaumstoff, was vergleichbar ist (aber nicht unbedingt gleich) mit dem Isolierungswert einer üblichen Dach- und Wandkonstruktion. Zugleich lässt ein solches lichtdurchlässiges Hochleistungs-Isolierungsmaterial 30 bis 70% der einfallenden Sonnenenergie hindurch.
Die Fig. 7 bis 11 veranschaulichen den Einbau verschiedener Typen lichtdurchlässiger Isolierungskomponenten im Sonnenwärme-Kollektor 22. In den Fig. 3A, 3B und 3C lässt das Niederemissionsmaterial 32 nicht viel (d. h. weniger als 25%) Raumtemperatur-Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 40 um durch. Die Niederemissionsschicht 32 kann lichtdurchlässig sein und besteht bspw. aus einer dünnen Silberschicht, die durch zwei dielektrische Schichten auf jeder Seite, bspw. eine Indium-/Zinnoxid-Schicht, entspiegelt ist (d. h. weniger Sonnenstrahlung reflektiert). Die Niederemissionschicht 32 kann Sonnenstrahlung absorbie ren und besteht bspw. aus einer Nickelsuboxidschicht auf einer Aluminiumschicht. Sind die Niederemissionsschichten absorbierend, werden sie im Kollektor 22 und zwischen der Konvektions-Ablenkscheibe 34 und dem Gebäudeinneren 20 untergebracht. Die Konvektions-Ablenkscheibe ist vorzugsweise eine Schicht aus einem Material, das weniger als 25% Wärmestrahlung zwischen 3 und 40 um Wellenlänge absorbiert. Ein geeignetes Material für die Konvektions-Ablenkscheibe 34 ist bspw. eine 0,001 Zoll dicke Polyethylenfolie. Die Konvektions-Ablenkscheiben 34 verdoppeln die Wärmebeständigkeit eines Sonnenwärme-Kollektors 22 (verglichen mit einem Kollektor ohne Konvektions-Ablenkscheiben) und sind zudem billig. Das als Konvektions-Ablenkscheibe verwendete vorstehend genannte Polyethylenmaterial ist im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen zu 90% durchlässig für langwellige infrarote Strahlung mit 3 bis 40 um Wellenlänge. Es ist gegenüber Sonnenlicht äußerst durchlässig und kann 30 Jahre lang die UV-Strahlen der Sonne aushalten. Absorbieren die Konvektions-Ablenkscheiben 34 zu viel Strahlung, beeinträchtigen sie die Wirksamkeit der Niederemissionsschicht 32. Die Verwendung der Konvektions-Ablenkscheiben 34 kann den Isolierungswert einer Niederemissionsschicht 32 verdoppeln. Sie kosten jedoch nur einen Bruchteil einer zweiten Niederemissionsschicht 32. Die Fig. 3A-3C zeigen, wie eine lichtdurchlässige Isolierung in einem Sonnenwärme- Kollektor 22 installiert wird. In der Nähe des lichtdurchlässigen Isolierungsmaterials 30 und auf beiden Seiten davon befindet sich eine Schicht mit einer Sichtblende 36, die ein Material oder eine Vorrichtung umfasst mit gesteuerter reversibler variabler Durchlässigkeit von Sonnenstrahlung und die in ihrem lichtdurchlässigen Zustand drei- oder mehrmals soviel Sonnenstrahlungsenergie durchlässt wie in ihrem lichtundurchlässigen Zustand. Der Durchlass von Sonnenenergie durch die Sichtblende 3c lässt sich bspw. steuern durch Temperatur (d. h. siehe Fig. 5), elektrisch, wie Strom oder Spannung oder durch mechanische Einwirkung. Die Sonnenstrahlung lässt sich durch Reflexion oder Absorption blockieren. Die Anordnung der Sichtblende 36 hängt davon ab, ob sie in Fig. 12 als reflektierende oder absorbierende Vorrichtung fungiert.
Die Sichtblende 36 befindet sich - wenn es sich um eine absorbierende Vorrichtung handelt - zwischen und neben dem Klarsichtverglasungsmaterial 26 und dem lichtdurchlässigen Isolierungsmaterial 30 (siehe Fig. 4). Wird die Sichtblende 36 als reflektierende Vorrichtung eingesetzt, befindet sie sich entweder neben dem lichtdurchlässigen Isolierungsmaterial 30 oder den gegebenenfalls vorhandenen Wärmespeicherelementen 42, oder einer gegebenenfalls vorhandenen Schicht aus Sonnenstrahlen-absorbierendem Material 40 (siehe Fig. 12).
Die Fig. 3C veranschaulicht eine weitere alternative Ausführungsform des Sonnenwärme-Kollektors mit einer lichtdurchlässigen Niederemissions-Isolierung, die ebenfalls 7 voneinander getrennte Schichten umfasst. Dieser Sonnenwärme-Kollektor kann ebenfalls eine Schicht Sonnenstrahlen-absorbierendes Material 40 umfassen. Dieses umfasst bspw. dunkle Farbe, die die Strahlung absorbiert und die zum Äußeren des Gebäudes 20 passt, und bspw. eine Innenoberfläche aus Tapete, Putz oder Holz, die dem Inneren des Gebäudes 20 ein ansprechendes Aussehen gibt und/oder leicht zu reinigen ist.
Die relative Wärmeleitfähigkeit und Sonnenstrahlungsdurchlässigkeit der drei beispielhaften Sonnenwärme- Kollektoren in den Fig. 3A-3C ist bspw. wie folgt: TABELLE
Die Durchlässigkeit für Sonnenstrahlen und die Wärmebeständigkeit in der vorstehenden Tabelle wurden mit Hilfe des Windows-3.1-Programms vom USDOE Lawrence Berkeley Laboratory berechnet. Die meisten Werte wurden ebenfalls am Fraunhofer-Institut in Freiburg, Deutschland; ISFH in Hannover, Deutschland, und BBRI in Brüssel, Belgien, gemessen. Die Messungen bestätigten das Computermodell in jedem Fall. Die vorstehend aufgeführten hohen Werte für die Durchlässigkeit für Sonnenstrahlen des Sonnenwärme-Kollektors 22 in Fig. 3A legen seine Verwendung in einem Gewächshaus nahe. Die vorstehenden hohen Wärmeisolierungswerte für den Sonnenwärme-Kollektor 22 in den Fig. 3B-3C legen nahe, dass er sich zum Auffangen von Wärme an bewölkten Tagen eignet.
Die Fig. 4 zeigt weitere Einzelheiten im Querschnitt der relativen Positionierung einer Schicht aus einer absorbierenden oder reflektierenden Sichtblende im Sonnenwärme-Kollektor 22. Ein Klarsichtverglasungsmaterial 26 befindet sich neben der Schicht absorbierender oder reflektierender Sichtblende 36, die sich wiederum neben dem lichtdurchlässigen Isolierungsmaterial 30 befindet, das sich in dieser Ausführungsform neben dem gegebenenfalls vorhandenen Sonnenstrahlen-absorbierenden Material 40 befindet. Diese Figur veranschaulicht einen Strukturaufbau verschiedener Schichten, die bei Verwendung einer absorbierend wirkenden Sichtblende 36 nötig sind. Wird eine Sichtblende 36 absorbierend und erwärmt sich, muss sie gegenüber dem Gebäudeinneren durch eine lichtdurchlässige Isolierung 30 isoliert werden. Somit sollte sich eine absorbierende Sichtblende 36 zwischen der Verglasung 26 und der lichtdurchlässigen Isolierung 30 befinden. Eine reflektierende Sichtblende 36 kann sie sich auf jeder Seite der lichtdurchlässigen Isolierung 30 befinden..
Wie in Fig. 5 gezeigt ist die Reflexionsreaktion der thermochromen reflektierenden Sichtblende 36 gegenüber der Umgebungstemperatur gegen die Umgebungstemperatur aufgetragen. Diese Figur zeigt, wie die Reflexion der Sonnenstrahlung mit Änderungen der Umgebungstemperatur für eine thermochrome reflektierende Sichtblende der Fig. 6 variiert, die sich nahe dem Gebäudeinneren oder dem Wärmespeicher befindet, so dass die Gebäudeinnentemperatur oder die Wärmespeichertemperatur konstant gehalten wird. Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind möglich. Die Fig. 6 zeigt bspw. eine Querschnittsansicht eines Sonnenwärme-Kollektors 22. In Fig. 6 befindet sich eine Schicht Klarsicht- Verglasungsmaterial 26 neben einer Schicht lichtdurchlässigem Isolierungsmaterial 30, die sich in dieser Ausführungsform neben einer Schicht reflektierender Sichtblende 36 befindet, die sich wiederum neben dem gegebenenfalls vorhandenen Sonnenstrahlen-absorbierenden Material 40 befindet. Die Fig. 6 zeigt ebenfalls, wie eine reflektierende Sichtblende, wie Cloud Gel, in einem Sonnenwärme-Kollektor 22 installiert werden kann. Cloud Gel, eine thermochrome reflektierende Sichtblende, ist ein Warenzeichen von Suntek, Inc. Andere Materialien können als reflektierende Sichtblende im hier verwendeten Sonnenwärme-Kollektor eingesetzt werden. Siehe ebenfalls "Thinking Window Switches Off the Sun When it is Hot", Popular Science, März 1984 und den Artikel "Contractor Designed Passive Heating, Cooling and Daylighting", US Passive Solar Conference (März 1990).
Cloud Gel ist zusammengefasst eine Thermo-Sichtblendenschicht aus einem Polymer und einem Lösungsmittel, wobei das Polymer über seiner Übergangstemperatur reversibel aus der Lösung ausfällt, so dass Licht reflektiert wird. Das Polymer und das Lösungsmittel bilden fein verteilte getrennte Phasen, von denen eine lösungsmittelreich und die andere polymerreich ist.
Die Sichtblende 36 sorgt im Sonnenwärme-Kollektor 22 für Schatten, so dass eine Überhitzung des Gebäudes vermieden wird, denn die Temperaturen im Kollektor können ohne Konzentration des Sonnenlichts bis zu 400ºF erreichen. Cloud Gel, eine thermochrome Sichtblende, ändert reversibel ihre Farbe nach undurchsichtig weiß und reflektiert bis zu 90% des gesamten Sonnenenergiespektrums, wenn sie über eine angenehme Raumtemperatur erwärmt wird, und kehrt beim Abkühlen wieder in den durchsichtigen Zustand mit 90% Sonnenlichtdurchlässigkeit zurück. Die Übergangstemperatur und das maximale Reflexionsvermögen können bei der Herstellung so eingestellt werden, dass viele verschiedene Raumklimate für Menschen und Pflanzen geschaffen werden.
Andere Sichtblendentypen 36 lassen sich bspw. durch elektrischen Strom oder Spannung aktivieren. Diese Sichtblenden 36 werden als elektrochrom bezeichnet und lassen sich so regulieren, dass sie die Sonnenstrahlung absorbieren oder reflektieren können. Die Sichtblenden lassen sich durch elektrischen Strom oder Spannung steuern. Die Fig. 4 zeigt, wie eine absorbierende Sichtblende 36 in einem Sonnenwärme-Kollektor installiert werden sollte, damit ein Erwärmen des Gebäudes bei der Absorption vermieden wird. Eine Flüssigkristall- Sichtblende enthält bspw. die gleichen Inhaltsstoffe wie die bekannten Chemikalien, die Digitalanzeigen in Uhren erzeugen. Flüssigkristalle befinden sich gelegentlich in Form von Tröpfchen in einer Polymermatrix sandwichartig zwischen zwei Glas- oder Kunsstofffolien, die mit einem lichtdurchlässigen elektrischen Leiter beschichtet sind, wie eine ultradünne Schicht aus Indium-/Zinnoxid, die als Elektrode wirkt. Wird Spannung an die Elektrode angelegt, richten sich die Flüssigkristalle rechtwinklig zum Glas aus, und das Licht kann hindurch treten. Wird die Spannung abgeschaltet, streuen die Flüssigkristalle die Sonnenstrahlung, woraufhin die Sichtblende 36 durchscheinend weiß wird. Variationen der Flüssigkristall-Ausführungsform umfassen eine elektrochrome Verglasung, die sich mit einer durchsichtigen Batterie vergleichen lässt. Bei dieser Ausführungsform werden die Lichtabsorptionseigenschaften einer Schicht elektrochromes Material (d. h. bestimmte als anorganische Halbleiter bezeichnete Übergangsmetalloxide, wie dotierte Wolfram- oder Vanadiumoxide) elektrisch verändert. Diese Blenden nutzen somit zwei lichtdurchlässige Elektroden. Beim Anlegen eines Stroms wandern Ionen von einer Schicht und Elektronen von einer anderen Schicht zu einer dritten Schicht - dem elektrochromen Material.
Die resultierende chemische Umsetzung bewirkt, dass die Verglasung Licht absorbiert und dunkel wird (üblicherweise blau). Diese Wirkung lässt sich umkehren, indem die Polarität der Elektroden vertauscht wird.
Neben den hier offenbarten Flüssigkristall- und Cloud-Gel-Sichtblenden eignen sich andere Blendentypen, bspw. elektrochrome Blenden. Diese Materialien wirken durch elektrisches Verändern der Lichtabsorptionseigenschaften einer Schicht aus elektrochromem Material. Geeignete elektrochrome Materialien sind bestimmte anorganische Halbleiter, bspw. Übergangsmetalloxide, wie dotierte Wolfram- oder Vanadiumoxide. Blenden, die diese Materialien einsetzen, umfassen zwei lichtdurchlässige Elektroden. Beim Anlegen von Spannung wandern Ionen von einer Schicht und Elektronen von einer anderen Schicht zu einer dritten Schicht - dem elektrochromen Material. Die resultierende chemische Umsetzung bewirkt, dass die Verglasung Licht absorbiert und dunkel wird (üblicherweise bläulich). Diese Wirkung lässt sich umkehren, indem die Polarität der Elektroden vertauscht wird. Einige Firmen, welche elektrochrome Technologien entwickeln, sind PPG, Pittsburgh, PA; SAGE Corp. Valley Cottage, NY; das Solar Energy Research Institute, Golden, C0; und das Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA.
Ein weiterer Typ elektrochrome Sichtblende ist eine Suspensionsteilchen-Sichtblende. Suspensionsteilchen-Sichtblenden ähneln insofern der Flüssigkristall-Technologie, als die Inhaltsstoffe, bspw. Polyiodinkristalle, beim Anlegen einer Spannung die Ausrichtung ändern. Die Entwickler haben bis vor Kurzem in einer dichten Flüssigkeit suspendierte nadelförmige Kristalle, die sandwichartig zwischen zwei jeweils mit durchsichtigem elektrisch leitendem Material beschichteten Glasplatten gepackt waren, verwendet. Beim Anlegen einer Spannung richten sich die Nadeln rechtwinklig zu den Wänden aus, so dass das Licht hindurch gelangen kann. Beim Abschalten des Stroms streuen und absorbieren die Teilchen Licht. Die Verglasung sieht dann dunkelblau aus. Ein Entwickler, Research Frontiers, Inc. Woodbury, NY, arbeitet an einem Verfahren, das teilchenbeladene Flüssigkeitstropfen in einem Kunststoffilm verkapselt. Der Niederemissionsschicht der hier verwendeten Sonnenwärme-Kollektoren kann eine Konvektionsablenkscheibe hinzugefügt werden.
Wird eine Blende absorbierend, damit sie die Wärme der einfallenden Sonnenstrahlung reflektieren kann, erwärmt sie sich und muss durch eine lichtdurchlässige Isolierung von dem Gebäudeinneren abgeschirmt werden. Daher sollte sich eine absorbierende Blende zwischen der Verglasung und der lichtdurchlässigen Isolierung wie in Fig. 4 gezeigt, befinden. Handelt es sich um eine reflektierende Sichtblende, kann sie sich auf beiden Seiten der lichtdurchlässigen Isolierung befinden (siehe Fig. 12). Für den Fall, dass das Wärmespeicherelement ebenfalls lichtdurchlässig ist, kann eine reflektierende Sichtblende auf jeder Seite des lichtdurchlässigen Wärmespeicherelementes angebracht werden. Ist die reflektierende Sichtblende thermochrom (wie bspw. Cloud Gel), kann sie sich in der Struktur der lichtdurchlässigen Isolierung befinden, so dass sie reflektierend wird, wenn das Gebäude und/oder sein Wärmespeicher zu warm sind und wird lichtundurchlässig, wenn das Gebäude und/oder sein Wärmespeicher zu kalt sind, wie in den Fig. 3A und B und 6 gezeigt.
Bei einer anderen Abwandlung veranschaulicht die Fig. 7 eine alternative Ausführungsform der lichtdurchlässigen Isolierungsschicht 30, wobei ein oder zwei Niederemissionsschichten 32 an den Innenflächen des glasummantelten Vakuums 43 befestigt sind.
Bei einer anderen Abwandlung veranschaulicht die Fig. 8 eine alternative Ausführungsform der lichtdurchlässigen Isolierungsschicht 30, wobei eine Schicht des Wabenmaterials 44 so ausgerichtet ist, dass seine Öffnungen 46 etwa rechtwinklig zu den Hüllschichten aus lichtdurchlässigem Verglasungsmaterial 26 weisen. In dieser Ausführungsform sind die Sichtblenden 36 gegebenen falls auf oder unter den Wabenmaterlalschichten 44 angebracht.
In Fig. 9 sind die Öffnungen 46 des Wabenmaterlals 44 etwa senkrecht zur Schicht aus Klarsichtverglasungsmaterial und zum Außendach 24 ausgerichtet.
Bei einer weiteren Abwandlung zeigt die Fig. 10 eine alternative Ausführungsform des Wabenmaterials 44, dessen Öffnungen 46 etwa rechtwinklig zu den Böden 50 des Gebäudes 20 ausgerichtet sind.
In einer weiteren Abwandlung zeigt Fig. 11 eine alternative Ausführungsform der lichtdurchlässigen Isolierungsschicht, die aus einem Aerogel 52 besteht und sich neben der Schicht aus Klarsichtverglasungsmaterial 26 befindet Das Aerogel 52 ist ein feinteiliges Material, dessen feste Elemente dünner als
Wellenlänge der Sonnenstrahlung (100 nm) sind, jedoch Wärmestrahlung absorbieren.
Im Stand der Technik gibt es geeignete lichtdurchlässige Isolierungskomponenten, die in den Fig. 7-11 dargestellt sind, und sie sind veranschaulicht durch Wabenstrukturen, offenbart von Volker Wittwer "Transparent Insulation Materials", OPTICAL MATERIALS TECHNOLOGY, S. 284, März 1990, International Society for Optical Engineering; Wabenstrukturen und Niederemissionsschichten, offenbart in den US-Patenten 3 953 110, 4 085 999 und 4 389 452, sämtlich von D. Chahroudi; Vakuum, offenbart von J. D. Garrison in "Evaluation of a Thermally Insulatinc Vacuum Window", 15. National Passive Solar Conference, S. 43, American Solar Energy Society, März 1990; und Aerogele, offenbart von M. Nlielke et al. in "Aerogels - a new class of material", vorgestellt auf dem 1. International Workshop on Transparent Insulation Materials for Passive Solar Energy Utilisation, S. 25, 27.-28. November 1986, German Section of International Solar Energy Society. Sämtliche vorstehend genannten Patente und Veröffentlichungen sind hier durch Bezugnahme vollständig aufgenommen.
Der Bedarf für die Wärmespeicherung ist zwar im Wesentlichen bei Gebrauch der hier Verwendeten Sonnenwärme-Kollektoren reduziert, jedoch nicht vollständig ausgeschaltet. Die Wärmespeicherung gewährleistet, dass so viel Wärmekapazität zur Verfügung steht, dass das Gebäude über Nacht geheizt werden kann. Die Fig. 12A zeigt zeichnerisch viele relative Stellen verschiedener notwendiger und wahlfreier Schichten, die sich zur Herstellung eines Sonnenwärme-Kollektors 22 verwenden lassen. Diese Figur schafft eine Grundlage für die folgende Erklärung verschiedener alternativer Ausführungsformen der Konstruktion des Sonnenwärme-Kollektors 22, In Fig. 12A umfasst ein Querschnitt eines Sonnenwärme- Kollektors 22 ein Wärmespeicherelement 42; ähnliche Wärmespeicherelemente sind gezeigt in: Fig. 13 (Elemente 50 und 56); Fig. 14 (Element 50) und Fig. 2 (Element 25).
Der Fig. 12A zufolge kann sich das Wärmespeicherelement 42 unter und in unmittelbarer Nähe (hier auch als "Wärmeübertragungs-Beziehung" bezeichnet) zu einem Teil des Sonnenwärme-Kollektors 22 befinden. Unmittelbare Nähe (hier auch als "Wärmeübertragungs-Beziehung" bezeichnet) bedeutet, dass das Wärmespeicherelement 42 so zum Rest des Sonnenwärme-Kollektors angebracht ist, dass die vom Sonnenwärme-Kollektor aufgefangene Energie über die nachstehend beschriebenen Wärmeübertragungsmechanismen auf das Wärmespeicherelement 42 übertragen wird. Die Fig. 12A zeigt bspw. mehrere Möglichkeiten für die Unterbringung des Wärmespeicherelementes 42, bspw. zwischen und neben dem Sonnenstrahlen-absorbierenden Material, dessen Stelle alternativ als 40A oder 40B angegeben ist, und der gegebenenfalls vorhandenen Innenabschlussfläche 54 sowie der Sichtblende 36B oder der lichtdurchlässigen Isolierung 30. Das Wärmespeicherelement 42 muss sich wie in Fig. 12A gezeigt unter der lichtdurchlässigen Isolierung 30 befinden. Ist das Wärmespeicherelement 42 lichtdurchlässig, kann eine reflektierende thermochrome Sichtblende 36 an beiden Seiten des lichtdurchlässigen Wärmespeicherele mentes 42 angebracht werden, wie es durch die alternativen Stellen 36C oder 36D veranschaulicht wird. Ist die reflektierende Sichtblende 36 thermochrom, sollte sie sich in der Struktur 20 (nicht gezeigt) von der lichtdurchlässigen Isolierung 30 befinden, so dass die reflektierende Sichtblende reflektierend wird, wenn die Struktur 20 (nicht gezeigt) und ihr Wärmespeicherelement 42 zu warm sind. Die reflektierende Sichtblende wird lichtdurchlässig, wenn das Gebäude 20 und/oder sein Wärmespeicherelement 42 zu kalt sind, wie in den Fig. 3A, 3B und 6 gezeigt. Die aufgrund des Diagramms von Fig. 12A möglichen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind in den Beispielen 14 und 15 dieser Anmeldung eingehender beschrieben.
Die Fig. 13 zeigt mehrere zusätzliche Variationen für die Unterbringung des Wärmespeicherelementes 42. Diese Figur veranschaulicht die Bauweise für ein Einfamilienhaus, das nebst Wärme frisches Obst, Gemüse, Blumen, Wasser und Luft bereitstellt, und zwar bei nur geringfügig höheren Kosten gegenüber den anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Das Wärmespeicherelement 42 (nicht gezeigt) kann der Boden 50 unter dem Dach 24 sein (oder sich darin befinden) oder im Raum 60 zwischen Boden 50 und Dach 24, oder in Gegenständen sein, wie den Pflanzen 62 und der Erde (56) im Gewächshaus 60, die sich im Obergeschoss oder Dachboden 64 eines Gebäudes 20 innerhalb des Isolierungsmantels 23 des Gebäudes 20 befinden. Der Fig. 13 zufolge spendet das Gewächshaus 60 Schatten, der von eingetopften Bäumen und Reihen von Blumentöpfen bereitgestellt wird, die direkt unter der Decke hängen, so dass das obere Stockwerk 64 kein grelles Licht erhält. Dieser Raum kann dann als Wohnraum, Speiseraum oder als Küche verwendet werden. Die Erde 56 für die Pflanzen 62 stellt einen Wärmespeicher dar. Die Pflanzen 62 erneuern die Luft, indem sie Verschmutzung heraus filtern und CO&sub2; durch O&sub2; ersetzen. Wasser, welches zum Waschen und für übliche Haushaltsarbeiten verwendet wurde, wird zu den Pflanzen geleitet, wo es schließlich aus den Blättern transpiriert wird. Dieses destillierte Transpirationskondensat lässt von der Deckeninnenfläche des Sonnenwärme- Kollektors 22 auffangen.
Das Wärmespeicherelement 42 kann sich in Gegenständen befinden, die bereits für andere Zwecke im Isolierungsmantel 23 des Gebäudes angeordnet sind. Dies sind bspw. Gegenstände, die im Gebäude 20 aus anderen Gründen als zur Wärmespeicherung aufgestellt worden sind. Somit speichern bspw. eine Steinplatten- oder Gipskartonwand oder Deckenflächen oder ein Zementfußboden oder Möbel Wärme gut. Diese werden jedoch sowieso im Gebäude 20 ungeachtet ihrer Fähigkeit zur Wärmespeicherung aufgestellt. Das Dachgeschoss 64 in Fig. 13 stellt eine solare Destillieranlage dar. Diese Vorrichtung nutzt die Sonnenstrahlung zur Reinigung von Wasser durch Verdampfung und Kondensation und fängt dann das Kondensat auf. In der Luft befindliches Wasser, bspw. die von den Pflanzenblättern transpirierte Feuchtigkeit, steigt Fig. 13 zufolge aufgrund von Luftströmung und Diffusion nach oben zum Dach und kondensiert dort an der Glasoberfläche. Das Kondensat wird dann als reines Wasser aufgefangen. Die Pflanzen 62 dienen als Verdampfer 70 (nicht gesondert gezeigt), und die Innenfläche 72 des Sonnenwärme-Kollektors 22 dient als Kondensor und Auffänger für das destillierte Wasser. Das Kondensat fließt an der Innenfläche des Sonnenwärme- Kollektors zu einer Auffangstelle und Auffangrinne ähnlich den Rinnen 73 in Fig. 18 am unteren Rand 54 des Dachs 24 (s. Fig. 13, 18 und 20).
Die Fig. 14 ist eine zeichnerische Darstellung des Luftstroms durch das Gebäude 20. Die Wärmeübertragung kann der Fig. 14 zufolge durch Luft erfolgen, die von Ventilatoren 76 durch Röhren 80 zirkuliert wird. Die Decken 50 dienen in Fig. 14 als Wärmespeicherelemente. Warme Luft wird aus den Wärmespeicherelementen 24 und 26 von einem Ventilator 76 durch Leitung 80 in das übrige Gebäudeinnere 20 geblasen. Im Winter kann die Wärme auf diese Weise aus dem Dach- oder Obergeschoss 51 in das übrige Gebäude 20 zirkuliert werden. Der Luftzirkulations kreislauf (59A, B & C) wird durch Decken/Bodenöffnungen 58 (von denen nur eine gezeigt ist, jedoch können mehrere Öffnungen vorhanden sein) von den unteren Stockwerken 59 zum Dachgeschoss 51 geschlossen. Im Sommer lässt sich derselbe Ventilator 76 zur Zirkulation von Außenluft durch das Dachgeschoss 51 verwenden, indem die Luft von außen durch die Lüftungsöffnungen (nicht gezeigt), die serienmäßig in den meisten Dachgebäuden bereitgestellt werden, erhalten wird. Tagsüber entsorgt die Wärmezirkulation die Wärmelast, die von geringfügiger Sonnenenergieübertragung der Sonnenwärme-Kollektoren 22 in ihrem lichtundurchlässigen Zustand hervorgerufen wird. Nachts kühlt der Ventilator 76 das gesamte Gebäude 20 und die Wärmespeicherelemente 50 mit Nachtluft. Der Verlauf der Luftzirkulation ist in der Fig. 14 durch die Pfeile 59A, 59B und 59C angegeben.
Die Fig. 15 veranschaulicht einen Luft-zu-Luft- Wärmetauscher 74 mit daran angeschlossenen gesonderten Ventilatoren 77A und 77B, die die Luft in den Zirkulationsschleifen 82 umwälzen. Der Luft-zu-Luft-Wärmetauscher 74 kann zur Übertragung von Restwärme aus einem Gewächshaus im Obergeschoss (dargestellt durch das Dachgeschoss 51 und in Fig. 13 durch 60) zu einem unteren Geschoss des Gebäudes im Isolierungsmantel 23 genutzt werden, wobei vermieden wird, dass Feuchtigkeit aus dem Obergeschoss ins Innere 24 des Gebäudes 20 gelangt. Der Verlauf der Luftzirkulation ist ebenfalls schematisch in Fig. 1 durch die Pfeile A, B und C dargestellt.
Die Fig. 16 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der die Wärme in Wasser gespeichert wird. In Fig. 16 ist bspw. das Dach 24 des Gebäudes 20 so bestückt, dass es Wasser 84 zurückhält, und die Wärme, die vom Wasser 84 zurückgehalten wird und aus den Sonnenwärme-Kollektoren 22 stammt, wird zu anderen Abschnitten des Inneren 83 des Gebäudes 20 mit einer Pumpe 86 und einem Rohrsystem, das durch Rohr 90 veranschaulicht wird und mit einer Reihe von Heizelementen im gesamten Inneren des Gebäudes 20 verbunden ist, zirkuliert. Geeignete Heizelemente sind bspw. Radiatoren, wie Radiator 92. Auf diese Weise wird der gesamte Isolierungsmantel 23 erwärmt. Das Dach 24 hält Wasser in jeder geeigneten Weise zurück. Das Dach besteht bspw. aus Metallplatten mit daran gelöteten Röhren oder aus Kunststoffextrusionen mit Kanälen zur Wasserwärmespeicherung und Zirkulation.
Die Fig. 17 veranschaulicht eine Ausführungsform, wobei sich Wärmespeicherelemente 42 im Boden 50 unter dem Sonnenwärme-Kollektor-Dach 24 befinden und die Wärmeübertragung in das restliche Innere 83 des Gebäudes 20 mittels Wärmestrahlung erfolgt, wie durch Pfeil A schematisch angegeben.
Die Fig. 18 veranschaulicht die Unterbringung und den Betrieb einer solaren Destillieranlage 66. Schmutzwasser 70 wird auf dem Dachboden 50 verdunstet und kondensiert auf dem Innenabschnitt 72 des Sonnenwärme-Kollektors 22. Das entstandene Kondensat oder destillierte Wasser wird dann in den Rinnen 73 aufgefangen, die sich am unteren Rand 54 der Decke 22 und an (nicht gezeigten) Stirnwänden befinden Das Schmutzwasser ist bspw. abgestandenes Brunnenwasser oder Waschwasser von Wäsche, Geschirr oder vom menschlichen Körper. Der Boden 50 muss derart konstruiert sein, dass er eine 1 Zoll oder mehr dicke Wasserschicht tragen kann. Der Boden 50 besteht daher bspw. aus einer wasserdichten Kunststofffolie auf der Geschossdecke herkömmlicher Bauart.
Die Fig. 19 zeigt den Betrieb des Luft-zu-Luft- Wärmetauschers 74, wobei der Ventilator 76 feuchtwarme Luft umwälzt, und der Ventilator 78 relativ kühlere Luft durch eine Kühlervorrichtung umwälzt, die sich bspw. nicht von einem herkömmlichen Wärmetauscher unterscheidet, bei dem sich Kondensattröpfchen ansammeln und zu einem Kondensatauslassrohr 80 fließen. Diese Figur zeigt ein Detail des Wärmetauschers in Fig. 15, der genauso im Gebäude installiert wird. Feuchtwarme Luft wird bspw. durch das Dachgeschoss 66 in Fig. 18 oder 64 in Fig. 13 erzeugt. Kühlere Luft kommt von dem Gebäude unter dem Sonnenwärme-Kollektor und dem Wasserverdampfer 68 in den Fig. 13 und 18.
Die Fig. 20 veranschaulicht einen Gebälk-Ausschnitt mit der Befestigung des Mehrfach-Sonnenwärme-Kollektors 22 an den Sparren 100 des Dachs (nicht gezeigt) eines Gebäudes (nicht gezeigt); die Kanäle 73 dienen dem Auffangen von destilliertem Wasser. Die Sonnenwärme- Kollektoren 22 werden mit einem wetterfesten Gummi an einem Sparrengitter 100 aus Holz, Stahl oder Aluminium abgedichtet.
Der hier verwendete HETIOSSC kann eine Schicht Sichtblende, Schutzverglasung, gegebenenfalls Wärmespeicherelemente, gegebenenfalls Sonnenstrahlen-absorbierendes Material und lichtdurchlässige Isolierung umfassen, wobei die lichtdurchlässige Isolierung bspw. besteht aus Niederemissionsschichten oder Niederemissionsschichten mit Konvektions-Ablenkscheiben oder Niederemissionsschichten mit einer Vakuumschicht, oder Wabenmaterial oder Aerogelmaterial. Mehrere Komponenten des hier verwendeten HETIOSSC sind der Gegenstand von WO-A-9216702 mit dem Titel "Light Admitting Thermal Insulation Building", worin einige Konfigurationen der erfindungsgemäßen Verglasungs-, lichtdurchlässigen Isolierungs-Sichtblenden- und Absorber- Komponenten beschrieben sind. Zusammengefasst ist HETIOSSC ein Sonnenwärme-Kollektor mit den Schichten: Klarsicht- Verglasung, welche die Gebäudeaußenfläche ausmacht; lichtdurchlässige Isolierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.); eine Sichtblende, die in ihrem lichtdurchlässigen Zustand drei- oder mehrmals soviel Sonnenstrahlungsenergie durchlässt wie in ihrem lichtundurchlässigen Zustand; und gegebenenfalls eine Schicht Sonnentrahlen-absorbierendes Material; gegebenenfalls eine Schicht Wärmespeichermaterial; und gegebenenfalls eine Schicht Innenabschlussfläche. Ein HETIOSSC ersetzt ein Dach- oder Wandelement in einem Gebäude. Ein HETIOSSC hat in seinem lichtdurchlässigen Zustand eine Sonnendurchlässigkeit (genauer eine Durchlässigkeit für das hemisphärische Sonnenspektrum) von mehr als 30%. In dieser Patentanmeldung werden keine HETIOSSC oder anderen Sonnenwärme-Kollektoren beansprucht, sondern die Gebäudebauart, die diese Sonnenwärme- Kollektoren einsetzt.
Die erfindungsgemäße neue Baustrategie für passive Solarheizung, wobei lichtdurchlässige Hochleistungsisolierungen verwendet werden, um Sonnenenergie bei bewölktem Wetter aufzufangen, ist für Solarheizungen sehr effektiv. Wärmemodelle zeigen, dass diese Baustrategie je nach der Gebäudebauweise 80-100% Solarheizung in Boston und 63-100% in Berlin hervorbringen kann. Beide Städte weisen kalte und stark bewölkte Winter auf. Da die Wärme bei bewölktem Wetter aufgefangen wird, wird nur ein Nachtwärmespeicher benötigt, und die Zusatzheizung kann kleiner und billiger sein. Da ein Teil oder das gesamte Dach als Kollektor verwendet wird, und da die Solarleistung gegenüber der Ausrichtung des Kollektors relativ unempfindlich ist (die Sonnenstrahlung kommt bei bewölktem Wetter aus allen Richtungen) ist eine Beeinträchtigung der Ästhetik minimal, und somit ist der Architekt oder Bauherr bei der Gestaltung vollkommen frei. Eine lichtdurchlässige Isolierung und eine Sichtblende können in einem Dach kombiniert werden, wobei die Kosten mit der durchschnittlichen herkömmlichen Dachkonstruktion vergleichbar sind. Diese HETIOSSC ermöglichen eine Gestaltungsstrategie für passiv geheizte Gebäude, die in nördlichen Klimaten gut arbeitet und hinsichtlich der Investitionskosten und der einfachen Bauart und Konstruktion mit einem Gebäude, das vollständig mit fossilem Brennstoff geheizt wird, vergleichbar sind.
Durch das Aufkommen der in WO-A-9216702 beschriebenen HETIOSSC-Technik ist eine vollkommen andere Baustrategie möglich geworden. Die lichtdurchlässigen Isolierungskomponenten von HETIOSSC können umfassen: Niederemissionsschichten, Konvektions-Ablenkscheiben, lichtdurchlässige Kapillar- und Wabenbauten, evakuierte Fenster, Aerogele und Mehrfachplatten aus entspiegelter Kunststofffolie oder Glas (s. Transparent Insulation Technology for Solar Energy Conversion; International Workshop am Fraunhofer Institute, Freiburg, Deutschland, 1986, 1988, 1989, 1991; Transparent Insulation Materials, Volker Wittwer, Optical Materials Technology, S. 284, März 1990, International Society for Optical Engineering; US-Patente 3 953 10, angemeldet 1974, 4 085 999, angemeldet 1976 und 4 389 452, angemeldet 18. Januar 1978, alle von Day Chahroudi; "Evaluation of a Thermally Insulating Vacuum Window", John D. Garrison, 15. National Passive Solar Conference, S. 43, American Solar Energy Society, März 1990; Aerogels - A new class of Material, M. Mielke, Transparent Insulation Materials, S. 25, November 1986, German section of International Solar energy Society). Die Isolierungswerte dieser Materialien entsprechen 1 bis 2 Zoll dickem Schaumstoff, was vergleichbar ist (jedoch nicht unbedingt gleich) dem Isolierungswert einer üblichen Dach- und Wand- Konstruktion. Diese lichtdurchlässigen Hochleistungsisolierungen übertragen zugleich 50 bis 70% der einfallenden Sonnenenergie.
Der Isolierungswert dieser lichtdurchlässigen Isolierungsmaterialien ist hoch genug, dass der Sonnenwärme-Kollektor in die Gebäudekonstruktion integriert werden kann, ohne dass eine gesonderte Schicht lichtundurchlässige Isolierung verwendet werden muss, um nächtliche Wärmeverluste zu verhindern. HETIOSSC kann ein vollständiges Dach- oder Wandelement direkt ersetzen, und muss nicht von außen eingebaut werden. Da HETIOSSC nicht mehr als ein durchschnittliches Dach oder eine durchschnittliche Wand kostet, werden die Kosten für die Installation der Solarraumheizung stark verringert.
Da diese neue Baustrategie für das Einfangen der Wärme an bewölkten Tagen geeignet ist, weisen die HETIOSSC-Oberflächenstellen zu den Wolken. Somit ist das Dach und nicht die Südwand die bevorzugte Stelle für Sonnenwärme-Kollektoren. Ein zusätzlicher Vorteil beim Ersatz von Dach- statt Wandelementen gegen Sonnenwärme- Kollektoren ist eine minimale Beeinträchtigung der Gebäudeästhetik - ein Gebäude mit HETIOSSC-Solarheizung unterscheidet sich von einem herkömmlichen Gebäude ohne Solarheizung nur durch das verglaste Dach. Da das Sonnenlicht an bewölkten Tagen direkt von oben kommt, ist die Ausrichtung des Gebäudes mit HETIOSSC-Heizung und seiner Dachkollektoren sowie der Grundriss nicht entscheidend. Dadurch hat der Architekt bei der Gestaltung nahezu vollständige Freiheit. Da das Sonnenlicht bei bewölktem Wetter weniger intensiv ist, ist einer größere Kollektorfläche erforderlich, so dass je nach Ortsklima mehr als die Hälfte des Dachs aus HETIOSSC bestehen sollte.
Die Konvektions-Ablenkscheibe wird wie in den Fig. 3A, 3B und 3C der Niederemissionsschicht beigefügt. Ein geeignetes Material für eine Konvektions-Ablenkscheibe ist eine klare Kunststofffolie. Die Verwendung dieser Folien als Konvektions-Ablenkscheibe kann den Isolierungswert der Niederemissionsschicht fast verdoppeln. Sie sind zu einem Bruchteil der Kosten für eine zweite Niederemissionsschicht erhältlich. Konvektions-Ablenkscheiben können aus sonnenbeständigem Polyethylen mit hervorragenden Sonnenenergieübertragungseigenschaften von bis zu 92% bestehen. Sie hemmen die Konvektionsströme in den Lufträumen der HETIOSSC, ohne die Funktion der Glas- oder Kunststofffolie mit Niederemissionsschicht zu beeinträchtigen. Dieses Polyethylen ist, anders als die meisten Kunststoffe, für langwellige infrarote Strahlung zwischen 3 und 40 um Wellenlänge, der wärmeübertragenden Strahlungsart, zu 90% durchlässig. (Absorbieren die Ablenkscheiben viel IR, würden sie die Wärmestrahlung trotz der Niederemissionsschicht übertragen, und die Wirkung der Niederemissionsschichten stark verringern). Im Gegensatz zu den meisten Polyethylenen ist dies für Sonnenlicht äußerst durchlässig und hält unter den Ultraviolettstrahlen der Sonne 30 Jahre lang. Die Konvektions- Ablenkscheiben verdoppeln die Wärmebeständigkeit eines HETIOSSC gegenüber den Niederemissionsschichten allein, und sie kosten sehr wenig.
Der Isolierungswert von HETIOSSC ist mit herkömmlichen Wänden und Dächern vergleichbar. Die voraussichtliche Haltbarkeit beträgt bis zu 30 Jahre. Bei einem großen Produktionsvolumen kosten sie nicht mehr als eine normale Wand oder ein normales Dach das keine Sonnenwärme oder - Licht einfängt. Werden sie an einer falschen Stelle installiert, werden sie einfach lichtundurchlässig und bleiben lichtundurchlässig, was einen geringfügigen Gewinn oder Verlust von Wärme oder Licht hervorruft.
Der HETIOSSC hat mit einer Niederemissionsschicht, zwei Schichten Konvektions-Ablenkscheiben und einer Schicht Cloud Gel (siehe Fig. 3A) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,20 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (1,1 Watt/m²/ºK) und eine Sonnendurchlässigkeit, die zwischen 70% und 7% variiert, wobei die meisten Änderungen über eine Änderung von 3ºF (etwa 2ºC) erfolgen. Der hohe Lichtdurchlässigkeitsgrad der HETIOSSC-Konfiguration empfiehlt sich besonders für die Verwendung bei Gewächshäusern. Bei zwei Niederemissionsschichten, abwechselnd mit vier Schichten Konvektions- Ablenkscheiben, und einer Schicht Cloud Gel (siehe Fig. 3B und C), beträgt die Wärmeleitfähigkeit 0,10 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (oder 0-57 Watt/m²/ºK) bei Sonnendurchlässigkeit von 50% bis 5%. Diese Wetterplatten eignen sich aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit zum Auffangen von Wärme bei bewölktem Wetter.
Die HETIOSSC können mit einer Verglasung aus Kunststofffolie, eisenarmem Glas, faserverstärktem Kunststoff oder Kunststoffplatten bedeckt werden, die verschiedenen Marktsegmenten gerecht werden, einschließlich passiver Raumheizung, Tageslichtbeleuchtung (Dachfenster), Gewächshäusern und einer lichtdurchlässigen Gebäudeverschalung, die ihr eigenes Klima erzeugt (siehe Fig. 2). Dieser Typ lichtdurchlässige Isolierungsummantelung, wie zuvor offenbart von Day Chahroudi, 14. U.S. Passive Solar Conference, Denver USA (1989), hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen, hatte eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1,6 W/m²/ºK (0,30 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.) und somit eine niedrigere Wärmeleistung als die hier verwendete lichtdurchlässige Isolierungsummantelung. Die in diesem Dokument offenbarten Gebäudegestaltungen arbeiten nicht gut in nördlichen Klimaten, wenn sie die vorher offenbarte lichtdurchlässige Isolierung aufweisen, die eine Niederemissionsschicht ohne Konvektions-Ablenkscheiben besitzt. Es ist daher wichtig, dass die in dieser Erfindung verwendeten Sonnenwärme- Kollektoren eine lichtdurchlässige Isolierung verwenden, deren Wärmeleitfähigkeit kleiner als 1,6 W/m²/ºK (0,30 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.) ist.
Wie in Fig. 3C gezeigt kann jede dieser HETIOSSC- Konfigurationen auf der Innenseite mit einer dunklen Farbe bestrichen sein, die zum Äußeren des Gebäudes passt und die Sonnenstrahlung absorbiert. Diese Oberfläche kann dann bspw. mit Tapete oder Putz als Innenoberfläche bedeckt werden. Der Schattenwurf der in der Fig. 20 gezeigten Wetterplatten-Ränder und des Strukturrahmensystems beträgt nur etwa 4%.
Die Baustrategie auf der Basis von HETIOSSC zum Auffangen von genügend Sonnenwärme bei bedecktem Wetter senkt zwar den Bedarf an Wärmespeicherung der davon aufgefangenen Solarwärme, er entfällt jedoch nicht ganz. Lediglich der Nachtspeicher wird zum Heizen des Gebäudes bis zum nächsten bewölkten Tag benötigt. Die Nachtspeicherung erfolgt in den bereits im Gebäude vorhandenen Wänden, Decken und Möbeln, oder es lässt sich ein gesondertes Wärmespeicherelement verwenden, wie gezeigt in: Fig. 2 (Element 25); Fig. 9 (Element 50); Fig. 10 (Element 50); Fig. 12A (Element 42); Fig. 13 (Elemente 50 und 56); Fig. 14 (Element 56); Fig. 16 (Element 50); Fig. 17 (Element 50); Fig. 18 (Element 70). Computermodelle haben gezeigt, dass der Prozentsatz der von der Solarheizung bereitgestellten jährlichen Wärmelast rasch steigt, wenn die Wärmespeicherung bis zu der Menge erhöht wird, die zur Nachtspeicherung an einem Durchschnittstag im kältesten Monat des Jahres in dem Klima, wo das Gebäude steht, benötigt wird. Der Prozentsatz der von der Sonnenenergie bereitgestellten Wärme steigt jedoch nur sehr langsam, wenn die Menge der Wärmespeicherung über die Nachtspeicherung erhöht wird, da die Wärme anders als bei der herkömmlichen passiven Sonnenwetterbaustrategie vom bewölktem Wetter des nächsten Tages bereitgestellt wird.

Beispiele 1 bis 13

Gebäude-Solarleistung im Computermodell

Ergebnisse von Wärmemodellen für 13 Beispiele von Computer-Modellen der Gebäude-Solarleistung sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Boston und Seattle haben das schlechteste Wetter für Passivheizung in den USA. In Tokio, Paris und London ähnelt das Klima im Winter sehr stark dem von Boston und Seattle. Diese Ergebnisse sind etwas optimistisch; reale Gebäude stimmen nur fast mit der Leistung ihrer Computermodelle überein, was von den Fähigkeiten des Erbauers abhängt. Da das nicht-solargeheizte Vergleichsgebäude nicht so gut isoliert ist, veranschaulichen die Prozentangaben der in der Liste angegebenen Zusatzheizung nur kleine absolute Wärmewerte. Diese Leistungszahlen sind viel besser als sie in diesen bewölkten Klimaten durch herkömmliche Strategie zum Aufbau von Kollektoren für sonniges Winterwetter und zur Speicherung von Wärme an bewölkten Tagen erzielbar wäre. Calpas3, entwickelt von USDOE Lawrence Berkeley Laboratory, erhältlich von Berkeley Solar Group, Berkeley, CA, wurde zur Erzeugung der Prozentangaben für die Solarheizungsleistung in der Tabelle verwendet. Beispiele 1-13 Prozentsatz Solarheizung (Beispiel-Nr. in Klammern)
Die Leistung der in den Fig. 1, 2 und 13 bis 18 gezeigten Bauweisen wurde mit dem Calpas-3-Programm¹(¹ Calpas 3, entwickelt vom USDOE Lawrence Berkeley Laboratory, ist erhältlich von der Berkeley Solar Group, Berkeley, CA.) im Computermodell errechnet. Da dieses Programm keine Sichtblenden simuliert, wurde angenommen, dass die HETIOSSC immer im Zustand ihrer maximalen Durchlässigkeit vorlagen und überschüssige Wärme abgeleitet wurde. Da die Gebäude in den Fig. 1 und 13 bis 18 fast die gleichen Verhältnisse von Kollektor zu Wandfläche aufwiesen, wurde angenommen, dass sie fast die gleiche Solarleistung hatten. Die nachstehenden Annahmen gelten für die Gebäude in den Fig. 1 und 13 bis 18: der Dachfirst ist in einem Winkel von 45º zur Nord-Süd- Achse ausgerichtet, wobei eine Zufallsausrichtung simuliert wird; der Wärmespeicher befindet sich in einem 2 Zoll (5 cm) dicken nicht isolierten Betonboden des Dachgeschosses (s. bspw. Fig. 13, Element 50), ausgenommen in Berlin, wo er 6 Zoll (15 cm) dick ist; die Wandleitfähigkeit beträgt 0,05 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (0,28 W/m²/ºK); die Fenster machen 10% des Bodenbereichs aus und haben eine Leitfähigkeit von 0,17 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (1,0 W/m²/ºK); das Fundament hat eine Leitfähigkeit von 0,10 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (0,19 W/m²/ºK); die Infiltrationsrate beträgt 1 Luftaustausch in 4 Std. für das Apartment, und 8 Std. für das Dachgeschoss oder Gewächshaus. Die minimale Temperatur im Apartment und im Dachgeschoss oder Gewächshaus beträgt tagsüber 65ºF (18ºC) und nachts 7 Std. lang 60ºF (15ºC); das Dachgeschoss hat die gleiche Temperatur wie sein Wärmespeicherboden. Die Ventilatorgeschwindigkeit im Dachgeschoss beträgt 5000 cfm (10000 m³/Std.) für das Gebäude in Fig. 1; für das Gebäude in Fig. 2 gelten die gleichen Voraussetzungen wie oben, ausgenommen der Wärmespeicher ist 6 Zoll (15 cm) dicker Beton; das Gebäude der Fig. 1 und 13 bis 18 kann superisoliert sein, indem die Infiltrationsrate auf ¹/&sub4; bis 1/8 Luftaustausch pro Std. reduziert wird, und die Wandisolierung von einer Leitfähigkeit von 0,05 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (0,28 W/m²/ºK) erhöht wird. Der Prozentsatz der Solarheizung wurde mit dem Computer für Gebäude errechnet, die zu den vorstehenden Gebäuden identisch sind, bei denen das Dach jedoch lichtundurchlässig ist und eine Leitfähigkeit von 0,05 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (0,28 W/m²/ºK/Std.) hat. Die Fenster verwenden kein HETIOSSC, sondern nur Niederemissionsschichten, und daher haben sie eine Leitfähigkeit von 0,33 BTU/Quadratfuß/ºF/Std. (1,9 W/m²/ºK/Std.).

Beschreibung der verwendeten Wetterdaten:

Das Calpas-3-Modell verwendet stündliche Wetterdaten für ein ganzes Jahr, um die Leistung der Solarheizung eines Gebäudes zu simulieren. Es gibt mehr als 200 solcher Datensätze für die USA. Diese US-Datensätze werden bezeichnet als TMY-(Typical Meteorological Year, Typisches meteorologisches Jahr)-Datensätze. Es lassen sich zwar auch kürzere Perioden simulieren, zur Gewinnung der genauen Jahresleistung ist jedoch eine Zeitspanne erforderlich, die ungefähr einem ganzen Jahr entspricht. Da ein ganzes typisches (oder durchschnittliches) Jahr in Europa nicht leicht erhältlich war, wurde entschieden, ein Verfahren zu verwenden, das genaue Ergebnisse liefert: es wurden 12 kurze Datensätze erzeugt, die jeweils einen durchschnittlichen Monat für den in Betracht gezogenen Ort und ähnliche mittlere Abweichungen darstellen. Jeder Datensatz wurde aus den TMY-Datensätzen für die USA ausgewählt, deren durchschnittliche Wettereigenschaften mit dem in Betracht gezogenen Ort am besten übereinstimmen. Für jeden Monat wurde eine Folge von 2 bis 5 Tagen aus dem TMY ausgewählt, deren durchschnittliche Sonnenstrahlungs- und Temperaturwerte am besten mit dem Mittelwert des in Frage stehenden Orts übereinstimmten. Die Tagesanzahl hing von der mittleren Abweichung dieses Monats ab. Anschließend wurde die Simulation für den kurzen Zeitraum durchgeführt, und die Ergebnisse wurden für die Monate als repräsentativ angesehen.

Beschreibung für die im Calpas-3-Modell verwendeten Variablen:

TITLE: Dies ist lediglich ein Deskriptor, der nicht in die Berechnungen eingeht.
AZMSOUTH: Dieser Wert wurde auf 45º eingestellt und bedeutet, dass das Gebäude um 45º von der wahren Nord-Süd- Ausrichtung abweicht.
Die nachstehenden Werte betreffen den geheizten Bereich des Gebäudes, nicht den Sonnenraum (der Raum zwischen Sichtblende und Wärmeabsorber, wie beim Gewächshaus oder Dachgeschoss in Fig. 13):
HOUSE; FLRAREA ist die Bodenfläche des geheizten Raums (Quadratfuß), VOL: Volumen des geheizten Raums (Kubikfuß). Diese Parameter werden vom Programm benötigt. Bei der Simulation eines Sonnenraums allein, wie in Fig. 2, wurden diese Werte gleich 1 gesetzt.
ROOF: AREA ist die Dachfläche (Quadratfuß). Dieser Wert wird vom Programm benötigt. Da eine Konfiguration mit Sonnenraum auf dem Gebäude simuliert wurde, gab es kein Dach. Dieser Wert wurde gleich 1 gesetzt.
WALL: Nachstehendes gilt für jede lichtundurchlässige vertikale Außenfläche des geheizten Gebäudes. NAME ist ein Deskriptor, der nicht in die Berechnungen eingeht. AREA ist die Fläche der Oberfläche (Quadratfuß). AZM ist der Azimuth (Kompassrichtung) der Normalen zur Oberfläche (0- 360 Grad). UVAL ist die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche in BTU/Quadratfuß/ºF/Std.
GLASS: NGLZ ist die Anzahl der Verglasungen. Die anderen Parameter haben die gleiche Definition wie beim vorstehenden WALL.
INFIL: ACBASE: Die Anzahl der Luftaustausche pro Std. im geheizten Raum aufgrund von Infiltration.
INTGAIN: INTGAIN sind andere Wärmequellen im geheizten Raum (kWh/Tag).
VENT: TYPE = NATURAL simuliert eine natürliche Belüftung mit Einlass und Auslass bei 10% der Glasfläche, 2 Fuß Höhenunterschied für Stapeleffekte und verwendet richtungslosen Wind für Windeffekte.
TSTATSWNTR: THEAT ist der Heizungs-Sollwert zum Einschalten der Zusatzheizung.
THEATNIGHT ist der Thermostat-Sollwert zum Einschalten der Zusatzheizung in der Nacht.
TIMEDOWN ist der Zeitpunkt, an dem sich der Kontroll- Sollwert von Tages- zu Nachtbetrieb umschaltet.
Folgendes gilt für den Sonnenraum:
SUNSPACE: Diese Definitionen sind die gleichen wie bei HOUSE oben.
SSROOF: Diese Definitionen sind die gleichen wie bei HOUSE/ROOF oben.
SSWALL: Diese Definitionen sind die gleichen wie bei HOUSE/WALL oben.
SSMASSWALL: AREA: Fläche der Massivwand (oder Boden in diesem Fall) (Quadratfuß). THKNS ist die Dicke der Massivwand (Zoll). MATERIAL ist das Material der Massivwand (wird zur Berechnung von Wärmemasse und - leitfähigkeit verwendet).
HTASS: Wärmeübertragung von der Innenfläche der Massivwand in die Sonneraum-Luft. (BTU/Std./Quadratfuß/ºF). HTAHS: Wärmeübertragung von der Massivwand in die Luft des beheizten Raums (BTU/Std./Quadratfuß/ºF). HOLGLS: Wärmeübertragung von der Massivwand auf die Außenverglasung für die Massivwand (BTU/Std./Quadratfuß/ºF). HGTASS: Wärmeübertragung von der Sonnenraumverglasung an die Sonnenraum-Luft (BTU/Std./Quadratfuß/ºF).
SSMWGLASS: Dies gilt für die gerade beschriebene SSMASSWALL-Verglasung. AZM: (gleiche Bedeutung wie AZM für HOUSE/GLASS). UGLASS: (gleiche Bedeutung wie UVAL für HOUSE/GLASS). (0 bedeutet, dass keine Wärmeenergie verloren geht oder gewonnen wird). XRFLCT: der Anteil Sonnenstrahlung, der von dieser Verglasung reflektiert wird. (1 bedeutet, nichts wird durchgelassen).
SSGLASS: Dies betrifft die Sonnenraum-Verglasung (Diese und die nachstehenden zwei Erklärungen werden für jede Verglasung mit unterschiedlichen Eigenschaften wiederholt). AREA: (gleiche Bedeutung wie AREA für HOUSE/GLASS). AZM (gleiche Bedeutung wie AZM für HOUSE/GLASS); UVAL (gleiche Bedeutung wie UVAL für HOUSE/GLASS). NGLZ: (gleiche Bedeutung wie NGLZ für HOUSE/GLASS). TILT: Neigung des Glases zur Horizontalen (Grad). XRFLT: Anteil der Sonnenstrahlung, die von dieser Verglasung reflektiert wird.
SGDISTWNTR: SSAIR: Anteil des Sonnenwärmegewinns durch das SSGLASS, der im Winter an die Sonnenraum-Luft abgegeben wird. SSMWO: Anteil des Sonnenwärmegewinns durch das SSGLASS, der im Winter an die Massivwand abgegeben wird.
SGDISTSMR: SSAIR: Anteil des Sonnenwärmegewinns durch das SSGLASS, der im Sommer an die Sonnenraum-Luft abgegeben wird. SSMWO: Anteil des Sonnenwärmegewinns durch das SSGLASS, der im Sommer an die Massivwand abgegeben wird.
SSTSTATSWNTR; THEAT: Sollwert für die Zusatzheizung des Sonnenraums im Winter. TVENT: Sollwert für die Durchlüftung des Sonnenraums im Winter.
SSTSTATSSMR; THEAT: Sollwert für die Zusatzheizung des Sonnenraums im Sommer. TVENT: Sollwert für die Durchlüftung des Sonnenraums im Sommer.
SSCOUPLING: VENT = FAN: beschreibt die Ventilatorkupplung zwischen Sonnenraum und Haus. CFMMAX: Kupplungsausmaß (Ventilatorgröße). KWMAX: Energie vom Ventilator, die in den geheizten Raum abgegeben wird.
END: definiert das Ende der Parameterliste. Tabelle Übliche Dateneingabe für Calpas 3
Zur Entwicklung eines geeigneten Sonnenwärme- Kollektors müssen die nachstehenden allgemeinen und spezifischen Baukriterien (oder Regeln) befolgt werden. Die allgemeinen zu befolgenden Regeln sind zunächst:
1. dass nur jeweils eine Schicht Außenverglasung, Blende, lichtdurchlässige Isolierung, Absorber, Wärmespeicherelement und Innenabschluss erforderlich ist; und
2. gegebenenfalls ein Teil des Sonnenwärme-Kollektors (der jedoch entweder im Kollektor oder im Gebäude benötigt wird) der Absorber, das Wärmespeicherelement und die Innenabschlussschicht ist.
Die zu befolgenden spezifischen Regeln sind:
3. Die Außenverglasung ist auf der Außenseite;
4. Ist die Wärmespeicherung lichtdurchlässig, kann sie sich innerhalb oder außerhalb des Absorbers und der Blende befinden;
5. Die absorbierenden Blende befindet sich zwischen der Außenverglasung und der lichtdurchlässigen Isolierung;
6. Die thermochrome reflektierende Blende befindet sich sowohl innerhalb der lichtdurchlässigen Isolierung und außerhalb des Absorbers;
7. Die thermochrome Sichtblende befindet sich außerhalb des Absorbers;
8. Der Wärmespeicher befindet sich innerhalb der lichtdurchlässigen Isolierung und der Blende;
9. Das Wärmespeicherelement befindet sich innerhalb der Verglasung und der lichtdurchlässigen Isolierung;
10. Ist das Wärmespeicherelement nicht lichtdurchlässig, befindet es sich innerhalb der Sichtblende und des Absorbers;
11. Die lichtdurchlässige Isolierung befindet sich innerhalb der Verglasung;
12. Die Innenabschlussschicht ist innen; und
13. Die Innenabschlussschicht kann lichtdurchlässig sein, wenn alle vorhergehenden Schichten lichtdurchlässig sind.
Die Einhaltung dieser Regeln zusammen mit Fig. 12B ergibt spezifische Ausführungsformen für besondere Anwendungen, wie in den nachstehenden Beispielen gezeigt. Beispiel 14 Anwendung der Baukriterien zur Herstellung eines Kollektors mit einer absorbierenden Blende
* Unter Bezugnahme auf Fig. 12B - Schichtzahlen Beispiel 15 Anwendung der Baukriterien zur Herstellung eines Kollektors mit einer reflektierenden thermochromen Blende
* Unter Bezugnahme auf Fig. 12B - Schichtzahlen

Definitionen

Für erfindungsgemäße Zwecke sind die in der Anmeldung verwendeten Begriffe wie folgt definiert:
Ein "Hochleistungs-Sonnenwärmekollektor mit lichtdurchlässiger Isolierung und Sichtblende" ("high efficiency transparent insulation and optical shutter solar collectors", HETIOSSC) ist ein Sonnenwärme-Kollektor mit den Schichten: Klarsichtverglasung, die die Gebäudeaußenfläche ausmacht; eine lichtdurchlässige Isolierung mit einer Wärmeleitfähigkeit unter 1,6 W/m²/ºK (0,3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.); eine Sichtblende, die in ihrem lichtdurchlässigen Zustand drei oder mehrmals so viel Sonnenstrahlungsenergie durchlässt wie in ihrem lichtundurchlässigen Zustand; eine wahlfreie Schicht Sonnenstrahlen-absorbierendes Material; eine wahlfreie Schicht Wärmespeichermaterial; und eine wahlfreie Schicht Innenabschlussfläche. Ein HETIOSSC ersetzt ein Dach- oder Wandelement eines Gebäudes. Ein HETIOSSC hat in seinem lichtdurchlässigen Zustand eine Sonnendurchlässigkeit (genauer eine Durchlässigkeit für das hemisphärische Sonnenspektrum) von mehr als 30%.
Eine "Klarsicht-Verglasung" ist ein Material, das Sonnenstrahlen durchlässt, wie Glas, Kunststoffplatten oder -folie oder durchsichtiger glasfaserverstärkter Kunststoff, und den HETIOSSC vor Wettereinflüssen schützt.
Eine "lichtdurchlässige Isolierung" ist ein Material, das Sonnenstrahlen gut, aber keine Wärmestrahlen durchlässt.
Eine "Sichtblende" ist ein Material oder eine Vorrichtung mit steuerbarer reversibler Sonnendurchlässigkeit. Ihr Durchlässigkeitsgrad lässt sich bspw. durch Temperatur, elektrischen Strom unter Spannung oder eine mechanische Einwirkung steuern. Sie blockiert die Sonnenstrahlung, indem sie sie reflektiert oder absorbiert.
Eine "Niederemissionsschicht" ist ein Material, das weniger als 25% der Raumtemperatur-Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 40 um ausstrahlt. Sie kann lichtdurchlässig sein und besteht bspw. aus einer dünnen Silberschicht, die durch zwei dielektrische Schichten auf jeder Seite oder einer Schicht Indium-/Zinnoxid entspiegelt ist. Sie kann Sonnenstrahlen-absorbierend sein und besteht bspw. aus einer Nickelsuboxidschicht auf einer Aluminiumschicht.
Eine "Konvektions-Ablenkscheibe" ist eine Materialschicht, bspw. eine 0,025 Zoll dicke Polyethylenfolie, die weniger als 25% der Wärmestrahlung zwischen 3 und 40 um Wellenlänge absorbiert.
"Spiegelartige Durchlässigkeit" ist eine Durchlässigkeit ohne Streuung, d. h. eine Reflexion, bei der die Strahlung ihre Richtung nicht ändert.
"Spiegelartige Reflexion" ist eine Reflexion ohne Streuung, d. h. eine Reflexion, bei der die Strahlung in Bezug auf die fragliche Oberfläche, den gleichen Einfalls- und Ausfallswinkel aufweist, wie bei einem Spiegel.
"Für andere Zwecke angeordnet" bedeutet, dass die fraglichen Gegenstände auf jeden Fall dort vorhanden sind, und zwar für andere Zwecke als zur Wärmespeicherung. So speichern bspw. eine Stein- oder Gipskartonwand oder eine Deckenfläche oder ein Zementboden oder Möbel Wärme gut, befinden sich aber ungeachtet ihres Wärmespeichervermögens sowieso in dem Gebäude.
"Innerhalb des Isolierungsmantels eines Gebäudes" bedeutet alles, was sich innerhalb der lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Isolierung eines Gebäudes befindet oder darin enthalten ist, sowie den Boden, auf dem es steht. So befinden sich weder eine Ziegelwand, die die Außenabschlussfläche eines Gebäudes ausmacht, noch eine lichtdurchlässige Verglasung eines Dachfensters innerhalb des Isolierungsmantes eines Gebäudes.
Eine "Innenabschlussfläche" ist bspw. eine Schicht Tapete, Putz oder Holz, die dem Inneren ein ansprechendes Aussehen verleiht und/oder leicht zu reinigen ist.
Eine "solare Destillieranlage" ist eine Vorrichtung, die mittels Sonnenstrahlung Wasser reinigt, indem sie es verdampft, kondensiert und das Kondensat auffängt.
Selbstverständlich können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf vielerlei Weise verändert und modifiziert werden. Die vorhergehende eingehende Beschreibung soll daher lediglich als beschreibend statt als einschränkend angesehen werden. Selbstverständlich sollen die nachstehenden Patentansprüche, einschließlich sämtlicher Varianten, den Rahmen der Erfindung definieren.

Claims

1. Gebäude mit Solarheizung mit einem Sonnenwärme-Kollektor (22), wobei

mehr als die Hälfte der Fläche des Sonnenwärme- Kollektors gestellt wird durch einen Dach-Kollektor, der einen Teil des Dachs des Gebäudes (20) bildet, der Sonnenwärme-Kollektor (22) eine maximale Sonnenenergie-Admittanz von 30% oder mehr hat, und wobei

der Dach-Kollektor gebildet ist aus mindestens einer Platte, umfassend:

eine Schicht Klarsicht-Verglasung (26), eine Schicht lichtdurchlässiger Isolierung (30) mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1·6 W/m²/ºK (0.3 BTU/Quadratfuß/ºF/Std.),

eine Schicht Sichtblende (36), angeordnet auf einer Seite der lichtdurchlässigen Isolierung (30), wobei die Sichtblende (36) eine maximale Sonnendurchlässigkeit hat, die in ihrem Zustand des Durchlassens von Strahlen drei- oder mehrfach größer ist als in ihrem lichtundurchlässigen Zustand, und

eine Schicht Sonnenstrahlen-absorbierendes Material (40) mit einer Adsorption des Sonnenenergiespektrums von 70% oder mehr,

wobei das Gebäude ferner umfasst:

ein oder mehrere Wärmespeicherelemente (42), die mindestens 70% der erforderlichen Wärme speichern, so dass das Gebäude über Nacht beheizbar ist an einem durchschnittlichen Tag im kältesten Monat des Jahres am Ort wo das Gebäude steht.

2. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die Sichtblende (36) im wesentlichen lichtundurchlässig wird, in erster Linie durch Reflektieren der Sonnenstrahlung, und angeordnet ist zwischen der lichtdurchlässigen Isolierung (30) und der Adsorptionsschicht.

3. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die Sichtblende (36) im wesentlichen lichtundurchlässig wird, in erster Linie durch Absorbieren der Sonnenstrahlung, und angebracht ist zwischen der Klarsicht-Verglasung (26) und der lichtdurchlässigen Isolierung (30)

4. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die Sichtblende (36) im wesentlichen für Sonnenstrahlung undurchlässig wird über einer ersten vorbestimmten Temperatur.

5. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die Sichtblende (36) im wesentlichen für Sonnenstrahlung undurchlässig wird als Reaktion auf eine erste angelegte Spannung oder einen Strom, und die im wesentlichen durchlässig wird für Sonnenstrahlung als Antwort auf eine zweite angelegte Spannung oder einen Strom mit einer zur ersten entgegengesetzten Polarität.

6. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die lichtdurchlässige Isolierung (30) ein oder mehrere Niederemissions- Schichten (32) umfasst.

7. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die lichtdurchlässige Isolierung (30) ein oder mehrere Niederemissions- Schichten (32) umfasst und ein oder mehrere Konvektions-Ablenkscheiben (34), die im wesentlichen durchlässig sind für sowohl Sonnen- als auch Wärmestrahlung.

8. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die lichtdurchlässige Isolierung (30) ein oder mehrere Niederemissions- Schichten (32) enthält und ein oder mehrere Vakuum- Schichten zwischen oder neben den Niederemissions- Schichten.

9. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die lichtdurchlässige Isolierung (30) ein oder mehrere Schichten Wabenmaterial enhält, welches ist:

ausgerichtet mit seinen Öffnungen etwa senkrecht zur Oberfläche des Gebäudedachs oder der -böden,

im wesentlichen nicht-absorbierend für Sonnenstrahlen,

im wesentlichen spiegelartig in seiner Durchlässigkeit und Reflexion von Sonnenstrahlen,

im wesentlichen absorbierend für Wärmestrahlung.

10. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die lichtdurchlässige Isolierung (30) aus ein oder mehreren Schichten Aerogel besteht.

11. Gebäude nach Anspruch 1, wobei eine Schicht Innenputz (54) unter und nebst dem Absorbtionsmaterial ist.

12. Gebäude nach Anspruch 11, wobei eine Schicht Innenputz (54) unter und nebst dem Wärmespeicherelement (42) ist.

13. Gebäude nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Wärmespeicherelemente eine Schicht ist unter und nebst der Schichten aus lichtdurchlässiger Isolierung (30) und Sichtblende (36).

14. Gebäude nach Anspruch 13, wobei ein Teil der Wärmespeicherelemente Wasser ist.

15. Gebäude nach Anspruch 13, wobei Teil der Wärmespeicherelemente ein Material für Phasenumwandlung ist.

16. Gebäude nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Wärmespeicherelemente enthalten ist in dem Boden (50) unter dem Dach.

17. Gebäude nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Wärmespeicherelemente die Innenwände, Decken, Böden und andere Gegenstände sind, die bereits für andere Zwecke in dem Isoliermantel des Gebäudes angeordnet sind.

18. Gebäude nach Anspruch 17, wobei ein Teil der Wärmespeicherelemente durch Gegenstände bereitgestellt wird, die bereits für andere Zwecke zwischen dem Dach (22) und dem Boden (50) unter dem Dach angeordnet sind.

19. Gebäude nach Anspruch 1, wobei die Wärme aus einem Teil der Wärmespeicherelemente in einen Teil des Gebäudeinnenren transportiert wird mittels Luft, die von Ventilatoren (76) durch ein Röhensystem (80) zirkuliert wird.

20. Gebäude nach Anspruch 19, wobei, damit keine Feuchtigkeit mit der transportierten Wärme mitgetragen wird:

ein Luft-zu-Luft-Wärmetauscher (74) zwischen dem Wärmespeicherelement und einem Teil des Gebäudeinneren angebracht ist;

getrennte Ventilatoren (77A, 77B) die Luftzirkulationsschleifen auf beiden Seiten des Wärmetauschers (74) antreiben.

21. Gebäude nach Anspruch 1, wobei Wärme aus den Wärmespeicherelementen zu Teilen des Gebäudeinneren transportiert wird mittels Wasser, das von Pumpen (85) durch Leitungen (90, 92) zirkuliert wird.

22. Gebäude nach Anspruch 1, wobei Wärme von den Wärmespeicherelementen zu Teilen des Gebäudeinneren transportiert wird durch Wärmestrahlung.

23. Gebäude nach Anspruch 1, wobei das obere Stockwerk oder der Dachboden des Gebäudes ein Gewächshaus ist.

24. Gebäude nach Anspruch 1, einschließlich solarer Destillierapparat, ferner umfassend:

einen Verdampfer für Schmutzwasser im Inneren des Gebäudes aus dem Sonnenwärme-Kollektor,

einen Kondensor und Kollektor für destilliertes Wasser, bestehend aus:

einem Teil der Innenfläche des Sonnenwärme- Kollektors, und/oder

einem Luft-zu-Luft-Wärmetauscher.

25. Gebäude nach Anspruch 24, wobei der Verdampfer Pflanzen in einem Gewächshaus umfasst im Obergeschoss oder Dachgeschoss des Gebäudes.

26. Gebäude nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dach schräg ist in einem Winkel von 30º, so dass Schnee, der sich auf dem Dach angesammelt hat, vom Dach rutschen kann.