DE102022000096A1

DE102022000096A1 - Device and method for caloric detection and utilization of solar radiation energy with simultaneous reduction of transmission heat flows

Info

Publication number: DE102022000096A1
Application number: DE102022000096.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-07-13

Abstract

1.1 Bezeichnung der Erfindung Vorrichtung und Verfahren zur kalorischen Erfassung und Nutzbarmachung von solarer Strahlungsenergie bei gleichzeitiger Reduktion von Transmissionswärmeströmen1.2 Kurzfassung der in der Anmeldung enthaltenen Offenbarung Vorrichtung und Verfahren der solaren Energieerfassung und Wärmebereitstellung mit gleichzeitiger Reduktion von Wärmetransmissionsströmen. Auf einer Außenfassade wird durch eine aufgesetzte Fassade, vorzugsweise aus Glas, eine Kavität geschaffen. Die Kavität bildet gleichzeitig durch zwei Öffnungen einen mit Luft durchströmbaren Kanal. Die Glasfassade besteht ganz oder teilweise aus, im Wellenlängenbereich der energieintensiven solaren Strahlung transparentem Material. Am Ein- bzw. Austritt der Kavität befindet sich ein oder mehrere Verdampfer eines oder mehrer Wärmepumpenprozesse zur indirekten Aufnahme der solaren Gewinne aus der Luft bzw. zur Kühlung der Luft. Ein oder mehrere Ventilatoren und/ oder Verschlusseinrichtungen gestatten die Kontrolle von Durchfluss, Temperaturanhebung bzw. Temperaturabsenkung der Luft. Der Luftwechsel der Kavität mit dem Gebäudeinneren über Fenster und Leckagen erfolgt durch in der Kavität vorgewärmter Luft und unter Wärmerückgewinnung der Abluft energetisch effizient. Die Abstrahlungsenergie warmer Außenwände wird fast vollständig durch im Bereich der infraroten Wärmestrahlung intransparenten Vorsatzfassade zurückgehalten und der Wärmerückgewinnung mittels des/ der Verdampfer am Austritt der Kavität zugeführt. Innerhalb und /oder außerhalb der Kavität wird zur simultanen Erzeugung von Strom eine photovoltaische Erfassungsfläche platziert. Die Absenkung des effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten und die Kombination der simultanen Erfassung von Strom und Wärme erlaubt durch den Wärmepumpen - Wärmeverschub die hocheffiziente Nutzbarmachung der kompletten solaren Fassadeneinstrahlung.1.1 Designation of the invention Device and method for caloric detection and utilization of solar radiation energy with simultaneous reduction of transmission heat flows 1.2 Summary of the disclosure contained in the application Device and method for solar energy detection and heat supply with simultaneous reduction of heat transmission flows. A cavity is created on an outer facade by an attached facade, preferably made of glass. At the same time, the cavity forms a channel through which air can flow through two openings. The glass facade consists entirely or partially of material that is transparent in the wavelength range of the energy-intensive solar radiation. At the entrance or exit of the cavity there is one or more evaporators for one or more heat pump processes for indirectly absorbing the solar gains from the air or for cooling the air. One or more fans and/or shutters allow the control of flow, temperature increase or temperature decrease of the air. The exchange of air in the cavity with the inside of the building via windows and leaks takes place in an energetically efficient manner using air preheated in the cavity and heat recovery from the exhaust air. The radiation energy from warm outer walls is almost completely held back by the front facade, which is opaque in the area of infrared heat radiation, and fed to heat recovery by means of the evaporator(s) at the outlet of the cavity. A photovoltaic detection surface is placed inside and/or outside the cavity for the simultaneous generation of electricity. The lowering of the effective heat transfer coefficient and the combination of the simultaneous acquisition of electricity and heat allows the highly efficient use of the complete solar radiation on the facade by means of the heat pump - heat displacement.

Description

2.1 Beschreibung des technischen Gebietes2.1 Description of the technical field

Weltweite Anstrengungen den fossilen Energiebedarf zur Vermeidung des Klimawandels deutlich zu senken, führen unter anderem in mittleren und hohen Breiten zur Fokussierung auf die Wohn- und Nichtwohngebäude, die bislang einen hohen Anteil am fossilen Energiebedarf einnehmen. Es ist bekannt, dass gut gedämmte, luftdichte Objekte ihren Bedarf zur Heizung und Kühlung komplett aus der das Objekt treffenden solaren Strahlung decken können. Speziell im Gebäudebestand aber auch im Neubau sind Dämmsysteme zur Reduktion der Transmissionsverluste üblich. Zur solaren Bedarfsdeckung müssen ein Großteil der bestrahlten Objektfläche zur aktiven solaren Erfassung und deren Betrieb vorteilhaft vor allem auch in strenge winterliche Bedingungen ausgedehnt, sowie korrelierende ausreichende Speicherkapazitäten zur Überbrückung auch längerer bestrahlungsarmer Zeiten effektiv und effizient in die Objekttechnik integriert werden. Die solare Erfassung von Wärme und Strom, deren Betrieb, sowie deren Anbindung an die Wärmespeicherung des zu versorgenden Objektes sind Gewerke, die die vorliegende Erfindung unter energetischer Optimierung vereint.Global efforts to significantly reduce the fossil energy demand to avoid climate change lead, among other things, to a focus on residential and non-residential buildings in the middle and high latitudes, which have so far accounted for a large proportion of the fossil energy demand. It is well known that well-insulated, airtight objects can completely cover their heating and cooling needs from the solar radiation hitting the object. Especially in existing buildings but also in new buildings, insulation systems to reduce transmission losses are common. In order to meet solar demand, a large part of the irradiated object area must be extended for active solar recording and its operation, especially in severe winter conditions, and correlating sufficient storage capacities to bridge longer periods of low irradiation must be effectively and efficiently integrated into the object technology. The solar acquisition of heat and electricity, their operation and their connection to the heat storage of the object to be supplied are trades that the present invention combines under energetic optimization.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur solaren Energieerfassung und ein Verfahren zur Optimierung der solaren Erträge und der Minimierung der Außenfassaden-Transmissionsverluste. Die Vorrichtung bildet eine Kavität zwischen Außenwand- und aufgesetzter Fassade und ist zweiseitig mit Ein- und Ausgängen des so gestalteten Strömungskanals zum Ein- und Ausführen des Wärmeträgermediums Luft ausgestattet.The invention relates to a device for solar energy acquisition and a method for optimizing solar yields and minimizing transmission losses on the outside facade. The device forms a cavity between the outer wall and the attached facade and is equipped on two sides with inlets and outlets of the flow channel designed in this way for the inlet and outlet of the heat transfer medium air.

Der Einsatz einer oder mehrer Wärmepumpen im Zusammenhang mit der Enthalpiezunahme des Luftstroms gestattet die Transformation der primär gewonnenen Energie auf einen höheren Exergielevel, welcher die Verwendung auch in Gebäuden älteren Baujahres ohne deren Umrüstung gestattet.The use of one or more heat pumps in connection with the increase in enthalpy of the air flow allows the transformation of the primarily generated energy to a higher exergy level, which also allows it to be used in older buildings without conversion.

2.2 Stand der Technik2.2 State of the Art

Neben der Photovoltaik zur Gewinnung von Strom hat sich die Solarthermie zur Bereitstellung von Wärme aus der solaren Einstrahlung breitflächig etabliert.In addition to photovoltaics for generating electricity, solar thermal energy for providing heat from solar radiation has become widely established.

Bekannt sind im Wesentlichen zwei Typen von Solarkollektoren, so genannte Flach- und Vakuumröhrenkollektoren. Bei den Vakuumröhrenkollektoren befindet sich der Absorber in der evakuierten oder teilevakuierten Kavität der Röhre. Oftmals werden mehrere Röhren parallel an einen Sammler geschaltet und betrieben. Der Absorber eines Flachkollektors besteht oftmals aus einem Absorberblech, durchzogen mit wärmeleitenden Rohren zur Übergabe der Wärme an den Wärmekapazitätsstrom. Anders als bei den Vakuumröhrenkollektoren, bei denen das Vakuum die Funktion der Dämmung erfüllt, wird der Absorber in Flachkollektoren an den Seiten durch Dämmstoffe zur Minderung von Wärmeverlusten gedämmt.Essentially two types of solar collectors are known, so-called flat-plate collectors and vacuum tube collectors. With evacuated tube collectors, the absorber is located in the evacuated or partially evacuated cavity of the tube. Several tubes are often connected and operated in parallel to a collector. The absorber of a flat-plate collector often consists of an absorber plate, traversed by heat-conducting tubes to transfer the heat to the heat capacity flow. In contrast to evacuated tube collectors, where the vacuum fulfills the function of insulation, the absorber in flat-plate collectors is insulated on the sides with insulating materials to reduce heat loss.

Einfluss auf den Kollektorwirkungsgrad nimmt in besonderem Umfang die Wärmedämmung. Einige Kollektore, besonders aber die Vakuumflach- und Vakuumröhrenkollektoren nutzen das Nahezu- Vakuum zur Unterbindung der Konvektion. Die Patentschrift DE000010338483A1 weist in diesem Zusammenhang auf die Möglichkeit zur Schaffung eines Vakuums durch Abpumpen hin. Kollektore mit evakuierten Kavitäten zur Wärmedämmung verfügen über deutlich, nicht selten 20% höhere Kollektorwirkungsgrade.The thermal insulation has a particular influence on the efficiency of the collectors. Some collectors, but especially the vacuum flat and vacuum tube collectors, use the near-vacuum to prevent convection. The patent specification DE000010338483A1 points out in this context the possibility of creating a vacuum by pumping. Collectors with evacuated cavities for thermal insulation have significantly, often 20% higher collector efficiencies.

Während die Absorber von Flachkollektoren in vielen Fällen von einem Wärmekapazitätsstrom auf der Basis von Wasser und Glykol durchströmt werden, wird bei einer Vielzahl von Vakuumröhrenkollektoren ein Kältemittel am Absorber verdampft, welches im oberen Bereich der Röhre die latente Wärme durch Kondensation über einen Wärmeübertrager in einem Sammler an den eigentlichen Wärmekapazitätsstrom übergibt. Als Wärmekapazitätsstrom wird im Sammler ebenfalls meist ein Wasser- Glykolgemisch zur Übernahme und zum Abtransport der Wärme verwandt. Das Prinzip wird auch als Wärmerohr (Heat Pipe) bezeichnet.While the absorbers of flat-plate collectors are in many cases traversed by a heat capacity flow based on water and glycol, in the case of a large number of evacuated tube collectors, a refrigerant is evaporated on the absorber, which in the upper area of the tube absorbs the latent heat through condensation via a heat exchanger in a collector transferred to the actual heat capacity flow. A water-glycol mixture is also usually used as the heat capacity flow in the collector to absorb and transport the heat. The principle is also known as a heat pipe.

Bekannt sind ebenfalls Systeme, welche durch Reflexion die Strahlung erfassen und zum Teil mehrmalig bis zum Erreichen der im Fokus der Reflexion befindlichen Rohrleitung und damit der Übernahme der Wärme durch ein Wärmeträgerfluid umlenken. Die Patentschrift AT344375 beschreibt ein System, welches die Reflexion und damit Abstrahlung der eintreffenden Sonnenstrahlung unter variablen Einstrahlwinkeln verhindern soll.Systems are also known which detect the radiation by reflection and sometimes deflect it several times until it reaches the pipeline located in the focus of the reflection and thus the heat is taken over by a heat transfer fluid. The patent specification AT344375 describes a system which is intended to prevent the reflection and thus radiation of the incoming solar radiation at variable angles of incidence.

Zur Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften der transparenten Abdeckung ist die Verwendung einer selektiven Beschichtung mit unterschiedlichen Absorptionsgraden bekannt, die beispielsweise die langwellige Strahlung durch geringe Transmissionsgrade teilweise zurückzuhalten vermag. Auch ist die Verwendung unterschiedlicher Glasarten üblich, wie beispielsweise eisenarmes Solarsicherheitsglas, das sich durch einen hohen Transmissionskoeffizienten im kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet, während es im Infrarotbereich der Absorberabstrahlung kaum Wärmestrahlung passieren lässt.In order to influence the optical properties of the transparent cover, the use of a selective coating with different degrees of absorption is known, which is able, for example, to partially hold back the long-wave radiation due to low degrees of transmission. The use of different types of glass is also common, such as low-iron solar safety glass, which is characterized by a high transmission coefficient in the short-wave spectral range, while hardly any thermal radiation can pass in the infrared range of the absorber radiation.

Zur bestmöglichen Ausnutzung der einfallenden Strahlung ist es unvorteilhaft die Absorberfläche nicht orthogonal zu bestrahlen. In diesem Fall reduzieren sich unweigerlich die bestrahlte orthogonal zum Strahl ausgerichtete Fläche und damit das Ertragspotential. Bei besonders flachen Einstrahlwinkeln zur Absorberparallelen verschlechtern hohe Reflexionsgrade den Ertrag. Die Patentschrift DE000010338483A1 weist in diesem Zusammenhang auf die Möglichkeit der Absorberausrichtung und Nachführung hin. Vielfältige Systeme nutzen diese Möglichkeit. Auch die Offenbarung DE000003213084A1 weist auf die Vorzüge des Ausrichtens des Absorbers, bzw. Kollektors, vorzugsweise orthogonal zur einfallenden Strahlung hin.For the best possible utilization of the incident radiation, it is disadvantageous not to irradiate the absorber surface orthogonally. In this case, the irradiated area orthogonal to the beam and thus the yield potential are inevitably reduced. In the case of particularly flat irradiation angles to the absorber parallels, high degrees of reflection impair the yield. The patent specification DE000010338483A1 In this context, points out the possibility of absorber alignment and tracking. Various systems use this possibility. Also the revelation DE000003213084A1 indicates the advantages of aligning the absorber or collector, preferably orthogonally to the incident radiation.

Zur Absicherung der Auswirkungen des Glasbruchs einer verglasten Kavität ist die Verwendung einer bevorzugt außen aufgebrachten Folie bekannt, die verhindert, dass Bruchstücke zur Gefahr werden. Die Folie hilft diese Bruchstücke wirksam zurückzuhalten. Ein ähnliches System ist von Autoglasscheiben bekannt, die zwei Scheiben und eine dazwischen befindliche Folie zur Minderung der Folgen beim Bersten der Scheiben verwenden. Alternativ ist Sicherheitsglas bekannt, welches beim Glasbruch in viele kleine Glasstücke zersplittert und damit das Gefahrenpotential deutlich reduziert.In order to protect against the effects of glass breakage in a glazed cavity, the use of a film which is preferably applied on the outside and which prevents broken pieces from becoming a hazard is known. The foil effectively helps retain these fragments. A similar system is known from car glass panes, which use two panes and a film located between them to mitigate the consequences of rupturing the panes. Alternatively, safety glass is known, which shatters into many small pieces of glass when the glass breaks, thus significantly reducing the risk potential.

Transmissionsverluste der Gebäudeaußenfassaden werden in vielen Fällen durch außen aufgebrachte Wärmedämmverbundsysteme, in seltenen Fällen auch durch innen aufgebrachte Dämmverbundsysteme reduziert. Fenster werden mindestens als Doppelverglasung, neuerdings auch als Trippelverglasung ausgeführt. Die Wärmedämmung übernehmen gasgefüllte Zwischenräume zwischen den einzelnen Glasscheiben.In many cases, transmission losses on the building's exterior facades are reduced by externally applied thermal insulation composite systems, and in rare cases also by internally applied thermal insulation composite systems. Windows are designed at least as double glazing, recently also as triple glazing. Gas-filled spaces between the individual panes of glass provide thermal insulation.

Bekannt sind ferner Wärmeverschubsysteme, welche Wärme von einem niedrigeren exergetischen Niveau hin zu einem höheren Niveau transportieren. Die Effizienz dieses Wärmepumpenprozesses verhält sich im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Temperaturdifferenz beider Niveaus.Also known are heat displacement systems which transport heat from a lower exergetic level to a higher level. The efficiency of this heat pump process is essentially inversely proportional to the temperature difference between the two levels.

Wärmepumpen sind in der Regel bedarfsorientriert geregelt. Ihre Leistung wird entsprechend des Bedarfs der Wärme- bzw. Kältesenke einreguliert. Bekannt sind als Bestandteil so genannter „Abluftsysteme mit Wärmerückgewinnung“ quellengesteuerte bzw. quellengeregelte Wärmepumpen. Diese regeln in Abhängigkeit der verfügbaren Abluftenergie ihre Leistung.Heat pumps are usually controlled based on demand. Their output is regulated according to the needs of the heat or cold sink. Source-controlled or source-regulated heat pumps are known as part of so-called "exhaust air systems with heat recovery". These regulate their output depending on the available exhaust air energy.

Stand der Technik ist der Einsatz von Luft- / Wärmepumpen zur Deckung des Heizwärmebedarfs moderner energetisch effizienter Gebäude.The state of the art is the use of air/heat pumps to cover the heating requirements of modern, energy-efficient buildings.

Bekannt sind Elektrofahrzeuge, welche sowohl ihre Batterien beladen als auch entladen können. Externe elektrische Lasten können somit temporär gedeckt werden.Electric vehicles are known which can both charge and discharge their batteries. External electrical loads can thus be temporarily covered.

2.3 Mängel der bisher bekannten Ausführungen2.3 Deficiencies in the previously known versions

Die Effizienz der Erfassung von solarer Energie hängt neben dem Absorptionsgrad im Wesentlichen von der Wärmedämmung der Kollektorvorrichtung ab. Gerade im Winter mit niedrigeren Intensitäten der solaren Einstrahlung und hohen treibenden Temperaturdifferenzen vom Kollektorinneren zur Außentemperatur, Erträge sind minimal und Verluste maximal, kommt der gesamten Kollektoreffizienz und Kollektorgröße zur Verlängerung der monovalenten Deckung des Heizwärmebedarfs Bedeutung zu. Betroffen sind sowohl Vorrichtungen der Solarthermie als auch das Verfahren der passiven solaren Erfassung über die Gebäudehülle.In addition to the degree of absorption, the efficiency of capturing solar energy essentially depends on the thermal insulation of the collector device. Especially in winter, with lower intensities of solar radiation and high driving temperature differences from the inside of the collector to the outside temperature, yields are minimal and losses are maximal, the overall collector efficiency and collector size are important for extending the monovalent coverage of the heating requirement. Both solar thermal devices and the process of passive solar detection via the building envelope are affected.

Solare Erfassungsvorrichtungen werden üblicherweise auf den Ganzjahresertrag durch Anstellung der Erfassungsfläche ausgerichtet. Im Winterbetrieb hingegen ist der Sonnenstand niedrig und nahezu senkrecht angestellte Erfassungsflächen maximieren den saisonalen Ertrag. Die Effizienz der Kollektoren wird darüber hinaus bei winklig angestellten Kollektoren nachteilig von Schmutzablagerungen oder Schneefall beeinflusst.Solar detection devices are usually geared to the year-round yield by adjusting the detection area. In winter, on the other hand, the position of the sun is low and the detection surfaces positioned almost vertically maximize the seasonal yield. The efficiency of the collectors is also adversely affected by dirt deposits or snowfall if the collectors are set at an angle.

Nicht orthogonal ausgeleuchtete lichte Absorberquerschnitte reduzieren die erfasste solare Strahlungsfläche und damit die maximal mögliche zu erfassende solare Energie. Dieser Umstand ist besonders gravierend in den frühen und späten Stunden des Tageslichtganges nach Sonnenaufgang und vor Sonnenuntergang, also speziell für östlich und westlich orientierte Außenfassaden.Non-orthogonally illuminated clear absorber cross-sections reduce the recorded solar radiation area and thus the maximum possible solar energy that can be recorded. This circumstance is particularly serious in the early and late hours of daylight after sunrise and before sunset, i.e. especially for east- and west-facing exterior facades.

Der Großteil der gängigen am Markt verfügbaren Kollektoren integriert sich nicht harmonisch in die Dachspiegel der Häuser, sondern wird in der Regel plump oberhalb der Dachpfannen installiert. Der Kollektor ist im Erscheinungsbild der Dächer in der Regel ein Fremdkörper.The majority of the collectors currently available on the market do not integrate harmoniously into the roof mirrors of the houses, but are usually installed clumsily above the roof tiles. The collector is usually a foreign body in the appearance of the roof.

Die passive solare Erfassung durch die Gebäudeaußenhülle wird begünstigt durch verfügbare Wandfarben mit sehr hohen Absorptionskoeffizienten. Der Großteil der solaren Energie kann von der Oberfläche demzufolge absorbiert werden. Der Mangel der passiven solaren Erfassung liegt in dem gleichsam hohen Emissionsgrad derselben Wandfarbe sowie in dem zusätzlich zur Strahlung wirksamem unmittelbarem konvektivem Wärmeverlust. Damit fällt die Verwertung der solaren Einstrahlung durch instationäre Anhebung der Wandtemperaturen mit geringster Effizienz aus.Passive solar collection through the building's outer shell is favored by available wall paints with very high absorption coefficients. Most of the solar energy can therefore be absorbed by the surface. The lack of passive solar detection lies in the equally high emissivity of the same wall color as well as in the direct convective heat loss that is effective in addition to the radiation. This means that the utilization of the solar radiation through the transient increase in wall temperatures fails with the lowest efficiency.

Bekannt ist die transluzente Wärmedämmung. Durch transparente Materialien der Außenhülle gelangt solare Strahlung in den Außenwandaufbau. Das Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik von Recknagel, Sprenger, Schramek , 03/ 04 beschreibt die transluzente Wärmedämmung auf Seite 447. Hauser, G publiziert in der HLH 34 (1983) über die passive Sonnenenergienutzung von Außenwänden.Well known is the translucent thermal insulation. Solar radiation reaches the outer wall structure through the transparent materials of the outer shell. The paperback for heating + air conditioning by Recknagel, Sprenger, Schramek, 03/ 04 describes the translucent thermal insulation on page 447. Hauser, G published in HLH 34 (1983) on the passive use of solar energy by external walls.

Bekannt ist ebenfalls der Mangel von Luft-/ Wasserwärmepumpen. Bei niedrigen Außentemperaturen verlieren diese Wärmepumpen erheblich an Effizienz. Im ungünstigsten Fall nähert sich die Leistungsziffer eine Wärmepumpe bei niedrigen Lufttemperaturen und den erforderlichen Abtauphasen des Verdampfers der Effizienz von 1 an.The lack of air/water heat pumps is also known. At low outside temperatures, these heat pumps lose a great deal of their efficiency. In the worst case, the coefficient of performance of a heat pump approaches efficiency of 1 at low air temperatures and the required defrosting phases of the evaporator.

Im Sommer sind Erträge der Photovoltaik maximal, die attraktive Eigennutzung hingegen eingeschränkt.In summer, yields from photovoltaics are at their maximum, while attractive personal use is limited.

2.4 Technische Probleme im Fokus der Erfindung2.4 Technical problems in the focus of the invention

Im Fokus der Erfindung ist die vollumfängliche hocheffiziente Erfassung und Verfügbarmachung der solaren Einstrahlung über die Gebäudehülle, speziell im Winterbetrieb. Dies betrifft im Wesentlichen die vertikalen Gebäudeflächen mit einer Ausrichtung zwischen den Himmelsrichtungen Ost über Süd bis West. Der niedrige Sonnenstand im Winter begünstigt abweichend von üblichen Kollektorausrichtungen im Winter nahezu lotrechte Flächen.The focus of the invention is the comprehensive, highly efficient detection and availability of the solar radiation via the building envelope, especially during winter operation. This essentially affects the vertical building surfaces with an alignment between the cardinal points of east through south to west. The low position of the sun in winter favors almost vertical surfaces in contrast to the usual collector orientations in winter.

Im Fokus der Erfindung steht das Problem der niedrigen Verwertungseffizienzen der Photovoltaik als auch der Solarthermie. Die Photovoltaik verwertet im besten Fall weniger als 20 % und die Solarthermie weniger als 40% der eintreffenden solaren Energie. Die Steigerung der Effizienz der Erfindung fokussiert letztendlich auf die Wärmebereitstellung zur Ausdehnung der monovalenten Betriebsdauer für die verbesserte Deckung bzw. Reduktion der winterlichen Heizlast. Dabei wird bewusst auf die Versorgung neuer als auch sanierter Gebäude fokussiert.The focus of the invention is the problem of the low utilization efficiencies of photovoltaics and solar thermal energy. In the best case, photovoltaics uses less than 20% and solar thermal less than 40% of the incoming solar energy. The increase in efficiency of the invention ultimately focuses on the provision of heat to extend the monovalent operating time for improved coverage or reduction of the winter heating load. The focus is consciously on the supply of new and renovated buildings.

Im Fokus der Erfindung befinden sich die Kosten der energetischen Gebäudesanierung wie auch der Maßnahmen zur Realisierung energetisch effizienter Neubauten. Das Kosten/ Nutzen Verhältnis üblicher Sanierungsfahrpläne erlaubt selbst unter Einbindung staatlicher Subventionen in den wenigsten Fällen eine einstellige Jahresamortisation.The invention focuses on the costs of energy-efficient building refurbishment as well as the measures for implementing energy-efficient new buildings. The cost/benefit ratio of conventional renovation schedules rarely allows a single-digit annual amortization, even with the inclusion of state subsidies.

Im Fokus der Erfindung steht die Notwendigkeit der Installation eines Lüftungssystems im Fall der Dämmung mindestens eines Teils der Außenhülle. Ein Lüftungssystem ist mit Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten verbunden.The focus of the invention is the need to install a ventilation system in the case of insulating at least part of the outer shell. A ventilation system involves investment, operation and maintenance costs.

Im Fokus der Erfindung steht bei konsequenter Dämmung der Gebäudeaußenhülle die Notwendigkeit des Austausches der Fenster hin zu Fenstern höheren Wärmedämmstandards. Mit Austausch von mehr als einem Drittel der Fenster stellt sich durch die DIN 1946 - 6 aufgrund der zunehmenden Gebäudeluftdichtigkeit die zwingende Frage nach der Notwendigkeit eines Lüftungssystems Ein Lüftungssystem ist mit Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten verbunden.The invention focuses on the need to replace the windows with windows of higher thermal insulation standards if the outer shell of the building is consistently insulated. With the replacement of more than a third of the windows, DIN 1946 - 6 raises the urgent question of the need for a ventilation system due to the increasing airtightness of the building. A ventilation system is associated with investment, operating and maintenance costs.

Im Fokus der Erfindung steht das bessere Ausnutzen der in der Gebäudemasse gespeicherten Energie, welche im Nachtzyklus durch Transmission der Nutzung verloren geht.The invention focuses on making better use of the energy stored in the building mass, which is lost during the night cycle through the transmission of use.

Im Fokus der Vorrichtung steht die zumeist geringe Einbruchhemmung klassischer Fenster- und Türsysteme.The focus of the device is the mostly low burglary resistance of classic window and door systems.

Im Fokus der Vorrichtung steht der Werterhalt durch eine langlebige, leicht zu reinigende Oberfläche, welche den Zyklus eines Neuanstrichs der Außenwand deutlich zu reduzieren vermag.The focus of the device is value retention through a durable, easy-to-clean surface, which is able to significantly reduce the cycle of repainting the outer wall.

Im zur Vorrichtung zugehörigen Verfahren fokussiert die Erfindung auf die Möglichkeit zur aktiven Kühlung der Gebäudehülle während sonnenreicher Phasen.In the method associated with the device, the invention focuses on the possibility of actively cooling the building shell during sunny periods.

Die aufgrund ihrer niedrigen Investitionsaufwendungen beliebten Luft-/ Wasser Wärmepumpen können im älteren Gebäudebestand zur energetischen Sanierung nicht zum Einsatz kommen. Die hohen Vorlauftemperaturen der Heizung in Differenz zu den Außenlufttemperaturen zeichnen für unzureichende niedrige Wärmepumpeneffizienzen verantwortlich.The air/water heat pumps, which are popular due to their low investment costs, cannot be used in older buildings for energy-related refurbishment. The high flow temperatures of the heating in contrast to the outside air temperatures are responsible for insufficiently low heat pump efficiencies.

Die Erträge der Photovoltaik im Sommer einzuspeisen um sie später mit auferlegten Netzentgelten zum Laden des Elektrofahrzeuges abzurufen ist wirtschaftlich nachteilig. Das netzunabhängige Laden des Fahrzeugs ist wirtschaftlich vorteilhaft und entlastet die Netzstruktur.Feeding in the yields from photovoltaics in the summer in order to be able to access them later with imposed grid fees for charging the electric vehicle is economically disadvantageous. Charging the vehicle independently of the network is economically advantageous and relieves the network structure.

2.5 Mittel zur Lösung der technischen Probleme2.5 Means of solving the technical problems

Ziel eines solaren Absorbers ist das möglichst vollständige Erfassen und die Nutzbarmachung der solaren Strahlung.The aim of a solar absorber is to capture and utilize the solar radiation as completely as possible.

Die vorliegende Erfindung macht sich den Sachverhalt zu nutze, dass Glas mit hohen Transmissionsgraden im energiereichen Wellenlängenspektrum und nahezu opakem Verhalten im Bereich der infraroten Wärmestrahlung verfügbar ist. Die vorliegende Erfindung macht sich darüber hinaus die Fähigkeit von Mehrfachverglasungen zur Wärmedämmung zu Nutze. Zusätzlich macht sich die Erfindung den erreichbaren hohen Absorptionsgrad verfügbarer Außenwandfarben bzw. Materialien zu Nutze.The present invention makes use of the fact that glass is available with high transmittance in the high-energy wavelength spectrum and almost opaque behavior in the infrared thermal radiation range. The present invention also takes advantage of the thermal insulation capability of multiple glazing. In addition, the invention makes itself tion uses the achievable high degree of absorption of available exterior wall paints and materials.

Solare Strahlung passiert das transparente Glas mit weniger als 10% Verlusten durch Reflexion und Absorption je Scheibe. Bei beispielsweise einer Zweifachverglasung (1) treffen demzufolge mehr als 80% der eintreffenden Strahlung auf die Wandoberfläche (3) bzw. auf die Photovoltaik (10) oder die Solarthermie. Bei hohen Absorptionsgraden der Außenwandoberfläche (3), siehe 2, wird nahezu die gesamte Sonnenenergie absorbiert. Die Erwärmung der äußeren Wandschicht ist die Folge. Aufgrund der dämmenden Wirkung der Verglasung erwärmt sich die Luft, konvektive Verluste reduzierten sich und die instationäre Anhebung der Wandtemperatur erreicht darüber hinaus höhere Werte im Vergleich zur unverglasten Außenwand. Mit Anhebung der Wandtemperatur reduzieren sich Wandtransmissionsverluste zzgl. zur passiven, vornehmlich nach Sonnenuntergang wirkenden Dämmung des Fassadensystems.Solar radiation passes through the transparent glass with less than 10% losses through reflection and absorption per pane. With double glazing (1), for example, more than 80% of the incoming radiation hits the wall surface (3) or the photovoltaic (10) or solar thermal system. With high degrees of absorption of the outer wall surface (3), see 2 , almost all solar energy is absorbed. The result is the warming of the outer wall layer. Due to the insulating effect of the glazing, the air heats up, convective losses are reduced and the transient increase in wall temperature also achieves higher values compared to the unglazed outer wall. With an increase in the wall temperature, wall transmission losses are reduced in addition to the passive insulation of the facade system, which primarily takes effect after sunset.

Ein elementarer Bestandteil der Erfindung ist die Oberfläche (3) mit sehr hohen Absorptionsgraden. Diese verhindert die signifikante Reflexion der eintreffenden Strahlung. Die Reflexion kann bei unverändertem Wellenlängenspektrum die Glasfassade nahezu ungehindert passieren und ist daher weitestgehend zu reduzieren. Aufgabe der absorbierenden Fläche ist das Absorbieren der Strahlung. Die Strahlung erwärmt die Oberfläche und verschiebt damit die Emission in den Bereich der infraroten Wämestrahlung. Diese Wärmestrahlung kann die Glasfassade nahezu nicht passieren und erwärmt dadurch Innenscheibe und indirekt die Luft der Kavität. Bekannt ist dieser Effekt als Treibhauseffekt.An elementary part of the invention is the surface (3) with very high degrees of absorption. This prevents the significant reflection of the incoming radiation. With an unchanged wavelength spectrum, the reflection can pass through the glass facade almost unhindered and must therefore be reduced as far as possible. The task of the absorbing surface is to absorb the radiation. The radiation heats the surface and thus shifts the emission to the range of infrared thermal radiation. This heat radiation can hardly pass through the glass facade and thus heats up the inner pane and indirectly the air in the cavity. This effect is known as the greenhouse effect.

Hochgradig absorbierende Oberflächen stehen als Außenwandfarbe oder in unterschiedlichen Materialien zur Verfügung.Highly absorbent surfaces are available as exterior wall paint or in different materials.

1 zeigt eine doppelt verglaste Vorhangfassade (1) an der Außenwand eines Gebäudes. Die Vorhangsfassade (1) und das Gebäude bilden eine Kavität die mit Luft, geregelt oder gesteuert, vorzugsweise mit oder entgegen der Schwerkraft durchströmt werden kann. In der Kavität, vorzugsweise am oberen Ende befindet sich optional ein Wärmeübertrager, vorzugsweise zur Anbindung eines Wärmepumpenprozesses ein Verdampfer (2). 1 shows a double-glazed curtain wall (1) on the outer wall of a building. The curtain wall (1) and the building form a cavity through which air can flow, regulated or controlled, preferably with or against gravity. In the cavity, preferably at the upper end, there is an optional heat exchanger, preferably an evaporator (2) for connecting a heat pump process.

Der angeschlossene Wärmepumpenprozess (8), siehe 4, gestattet Aufnahme und die Abfuhr von Luftenthalpie, welche zuvor durch Sonnenstrahlung und oder Gebäudetransmissionsverluste gegenüber der Umgebung angehoben wurde.The connected heat pump process (8), see 4 , allows absorption and removal of air enthalpy, which was previously increased by solar radiation and/or building transmission losses compared to the environment.

Ein innerhalb und / oder außerhalb der Kavität platziertes Photovoltaiksystem kann parallel zur Wärmeerzeugung den für den Betrieb der Wärmepumpe notwendigen Strom simultan bereitstellen. Ein energieautarkes System wird möglich. Etwaige Überkapazitäten der Wärmepumpe können im Tageszyklus einem Warmwasserspeicher (9), einem PCM Speicher oder einem Festkörperspeicher, beispielsweise als Bauteilaktivierung ausgeführt, zugeführt werden.A photovoltaic system placed inside and/or outside the cavity can simultaneously provide the electricity required to operate the heat pump in parallel with heat generation. An energy self-sufficient system becomes possible. Any excess capacity of the heat pump can be fed to a hot water storage tank (9), a PCM storage tank or a solid-state storage tank, for example designed as component activation, in the daily cycle.

Überkapazitäten der Photovoltaik, speziell im Sommer können einem Elektrofahrzeug autonom zugeführt werden. Kurzfristige Unterkapazitäten zur Versorgung der Wärmepumpe können dem bidirektional lad-/ entladbarem Elektrofahrzeug entnommen werden.Photovoltaic overcapacity, especially in summer, can be fed autonomously to an electric vehicle. Short-term undercapacities to supply the heat pump can be found in the bidirectionally chargeable/dischargeable electric vehicle.

Entgegen dem Stand der Technik, ist es vorteilhaft eine kaskadierte quellengeregelte bzw. quellengesteuerte Wärmepumpe einzusetzen. Zunächst liefert die Wärmepumpe die Leistung, welche das angeschlossene Photovoltaiksystem aufgrund der aktuellen Sonneneinstrahlung erbringen kann. In Spitzezeiten kann das bidirektional lad-/ entladbarem Elektrofahrzeug unterstützenden wirken. Eine weitere übergeordnete Regel- und Steuergröße bildet der verfügbare Luftenthalpiestrom und dessen Temperatur. Bei kleiner Sonneneinstrahlung kann weniger Luft erwärmt werden, die Wärmepumpe wird abgeregelt.Contrary to the state of the art, it is advantageous to use a cascaded source-regulated or source-controlled heat pump. First, the heat pump provides the power that the connected photovoltaic system can provide based on the current solar radiation. At peak times, the bidirectional charge/discharge electric vehicle can have a supporting effect. The available air enthalpy flow and its temperature form another overriding control variable. When there is less solar radiation, less air can be heated and the heat pump is limited.

Um die Lufttemperatur, damit die Transmissionsverluste und gleichfalls die Effizienz des Wärmepumpenprozesses zu optimieren kann der Luftmassenstrom in der Kavität eingestellt werden. Zum einen gestatteten drehzahlvariable Ventilatoren (4), siehe 3, den Luftmassenstrom und damit die Lufttemperatur und den am Verdampfer verfügbaren Enthalpiestrom zu variieren. Alternativ zur mechanisch betriebenen Ventilation der Kavität kann der Auftrieb bzw. Abtrieb bei Erwärmung oder Abkühlung der Luft gegenüber der Umgebung zum Luftwechsel genutzt werden. Die Regulation, abweichend von der Selbstregulation, erfolgt in diesem Fall durch ein Drosselelement (5).The air mass flow in the cavity can be adjusted in order to optimize the air temperature and thus the transmission losses and also the efficiency of the heat pump process. On the one hand, variable-speed fans (4), see 3 to vary the air mass flow and thus the air temperature and the enthalpy flow available at the evaporator. As an alternative to the mechanically operated ventilation of the cavity, the buoyancy or downforce can be used to change the air when the air is heated or cooled compared to the environment. In this case, the regulation, which differs from the self-regulation, is carried out by a throttle element (5).

Während im Winter die Aufgabe der Wärmepumpe das Erzeugen von Nutzwärme zur Deckung der Heizlast ist kehrt sich im Sommer das Lastgeschehen um. Um einer Überhitzung des Gebäudes durch solare Einstrahlung zu entgehen kann, abgesehen von der möglichen Verschattung, kann die Wärmepumpe am Verdampfer dem Luftstrom (0) Wärme entziehen. Im Abtrieb oder aber mechanisch durch die Kavität gefördert kühlt der Luftstrom die Außenfassade. Die zum Betrieb der Wärmepumpe erforderliche elektrische Energie kann vorteilhaft, alternativ zum möglichen Netzbezug, durch die Photovoltaik simultan erzeugt werden. Die gewonnene Wärme am Kondensator kann anteilig zur Brauchwassererwärmung verwandt werden. Überschüssige Wärme muss im Kühlmodus am Kondensator der Umgebung übergeben werden.While the task of the heat pump in winter is to generate useful heat to cover the heating load, the load is reversed in summer. In order to prevent the building from overheating due to solar radiation, apart from possible shading, the heat pump can extract heat from the air flow (0) at the evaporator. The air flow cools the outer facade in the downforce or mechanically conveyed through the cavity. The electrical energy required to operate the heat pump can advantageously be generated simultaneously by the photovoltaic system as an alternative to the possible mains supply. The won Heat from the condenser can be used proportionately to heat domestic water. Excess heat must be transferred to the environment at the condenser in cooling mode.

2.6 Ausführungsbeispiel mit Einzelheiten zu möglichen Ausführungen Ausführungsbeispiele sind im Text beschrieben und in den 1, 2, 3 und 4 dargestellt.2.6 Embodiment with details of possible embodiments Embodiments are described in the text and in the 1 , 2 , 3 and 4 shown.

2.7 Erzielte Vorteile der Erfindung2.7 Advantages achieved by the invention

Der wichtigste erzielte Vorteil ist die verbesserte Ausbeute der einfallenden solaren Strahlung. Ein Teil der Strahlung erwärmt die Gebäudewand. Ein Teil kann durch in oder außerhalb der Kavität angeordneten Photovoltaik Strom, z.B. zum Betrieb der Wärmepumpe genieren. Der restliche solare Energieanteil, der nicht über Transmissionsverluste die Glasvorhangsfassade verlässt, erhöht den Luftenthalpiestrom und kann durch die Wärmepumpe auf ein exergetisch vorteilhafteres Niveau verschoben werden.The most important benefit achieved is the improved yield of the incident solar radiation. Part of the radiation heats the building wall. A part can generate electricity, e.g. to operate the heat pump, by means of photovoltaics arranged inside or outside the cavity. The remaining solar energy that does not leave the glass curtain wall via transmission losses increases the air enthalpy flow and can be shifted to a more exergetically advantageous level by the heat pump.

Der hygienische Luftwechsel wird bei der beschriebenen Konstellation automatisch ohne zusätzlichen Aufwand einer Wärmerückgewinnung zugeführt. Die Investition in eine Lüftungsanlage kann entfallen.In the configuration described, the hygienic exchange of air is automatically fed to heat recovery without any additional effort. There is no need to invest in a ventilation system.

Die Erfindung reduziert Sanierungskosten, da der Fensteraustausch mit Einsatz der Vorhangsfassade überflüssig wird. Auch schützenswerte Fassaden können verkleidet werden.The invention reduces refurbishment costs, since window replacement with the use of the curtain wall becomes superfluous. Facades that are worthy of protection can also be clad.

Ein weiterer Vorteil entsteht durch die verbesserte Einfügungsdämpfung. Außengeräusche dringen deutlich vermindert in das Gebäudeinnere.Another benefit is the improved insertion loss. Outside noise penetrates the interior of the building in a significantly reduced manner.

Die Fassade wird geschützt, Anstriche zur Renovierung des Erscheinungsbildes sind deutlich weniger erforderlich.The facade is protected, and significantly fewer coats of paint are required to renovate the appearance.

Das zusätzlich erschwerende Überwinden der Vorsatzglasfassade krimineller Ambitionen steigert erheblich den Widerstand gegen gewaltsames Eindringen.The additionally aggravated overcoming of criminal ambitions against the front glass facade considerably increases the resistance to forced entry.

Die Anhebung der Lufttemperatur in der Kavität gestattet beim Einsatz von Luft! Wasser - Wärmepumpen attraktive Leistungsziffern und damit den Einsatz dieser vergleichsweise günstigen Technologie.The air temperature in the cavity can be raised when using air! Water - heat pumps attractive performance figures and thus the use of this comparatively inexpensive technology.

Die Überproduktion von Strom kann netzunabhängig wirtschaftlich vorteilhaft einem Elektrofahrzeug zu geführt werden.The overproduction of electricity can be fed to an electric vehicle in an economically advantageous manner independent of the grid.

Bidirektional lad- / entladbare Elektrofahrzeuge gestatten netzunabhängig und damit wirtschaftlich vorteilhaft Lastspitzen der Wärmepumpe zu decken. Electric vehicles that can be charged/discharged in both directions allow grid-independent and therefore economically advantageous peak loads of the heat pump to be covered.

Literaturliterature

1. Paperback for HEIZUNGH + KLIMATECHNIK 03/04, Recknagel, Sprenger, Schramek, ISBN 3-486-26534-2
2. Passive use of solar energy through windows, external walls and temporary heat protection measures - A simple method for quantifying the k eq - values. HLH 34, 1983

Bezugszeichenlistereference list

00: Luftstromairflow
11: Glasfassadeglass facade
22: VerdampferEvaporator
33: Anstrich bzw. Oberfläche mit hohem AbsorptionsgradCoating or surface with a high degree of absorption
44: Ventilatorfan
55: Drossel- und VerschlussvorrichtungThrottling and locking device
66: Haltebeschlägeretaining fittings
77: Mauerwerkmasonry
88th: Wärmepumpeheat pump
99: Wärmespeicherheat accumulator
1010: PhotovoltaikPhotovoltaic
1111: Abstand- und Trägersystem, vorzugsweise strömungsführend ausgebildetSpacer and carrier system, preferably designed to guide the flow

4.2 Figurenverzeichnis

1: Vorsatzfassade am Gebäude mit angedeutetem Verdampfer und angedeuteter Photovoltaik.
2: Skizziertes Fassadensystem bestehend aus einer exemplarischen Doppelverglasung, einem Trägersystem und einer hochgradig absorbierenden Wandoberfläche
3: Durchsatzregelung der Kavität durch drehzahlgeregelte / gesteuerte Ventilatoren
4: Durchsatzregelung der Kavität durch Drosseln

4.2 List of Figures

1 : Front façade on the building with indicated evaporator and indicated photovoltaic.
2 : Sketched facade system consisting of an exemplary double glazing, a carrier system and a highly absorbent wall surface
3 : Throughput control of the cavity by speed-regulated / controlled fans
4 : Flow control of the cavity by throttling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 000010338483 A1 [0006, 0010]
AT 344375 [0008]
DE 000003213084 A1 [0010]

Claims

Device for collecting solar energy, providing heat and reducing heat transmission losses to reduce the heating loads of an object, designed as a curtain wall, with the following features: - The curtain wall is made of single or multi-pane laminated glass - The glass has high transmission in the wavelength range of the incident solar radiation - The glass, at least the glass facing the cavity, has a very low transmission in the wavelength range of the infrared thermal radiation - The front glass facade forms a cavity with the outer wall - The attachment glass facade is statically connected to the outer wall by heat-insulating fittings

Device according to 1, characterized in that the wall surface has a high absorption

Device according to 1, characterized in that the cavity is flowed through mechanically or buoyancy-driven with the heat-carrying medium air in a controlled manner to absorb heat and subsequently release it

Device according to 1, characterized in that the air for summer active cooling is conducted through the cavity inverted in relation to the building heating operation

Device according to 1, characterized in that a heat exchanger, preferably an evaporator for absorbing heat, is established at the outlet of the cavity

Device according to 1, characterized in that the fittings can be made illuminated for optical design.

Device according to 1, characterized in that the pane can be designed to be foldable for assembly, cleaning and as an escape route.

Device according to 1, characterized in that the connection of an electric vehicle for bidirectional charging/discharging is able to take up the electricity production in summer and to cover the peak loads of the heat pump in an economically advantageous manner in winter.

Method according to 1, characterized in that the air enthalpy is controlled or regulated to reduce transmission losses by means of a throttle or fan.

Method according to 1, characterized in that the air temperature at the evaporator is controlled or regulated by means of a throttle or fan to influence the coefficient of performance of the connected heat pump process.