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Die
Erfindung betrifft eine Luftabsorber-Solarkollektor-Kombination,
welche zur Wärmegewinnung
in Heizungsanlagen direkt oder mit einer Wärmepumpe genutzt werden kann.
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Wärmepumpen
sind in der Lage, Wärmeträgern mit
niedrigem Temperaturniveau Energie zu entziehen, um sie durch einen
Kreisprozeß mit
höherem Temperaturniveau
schließlich
an einen Verbraucher ( Heizung oder Brauchwasserbereitung ) abzugeben. Man
kann damit bei relativ geringem Primärenergieeinsatz Umweltenergie
gewinnen. Noch günstiger
ist es, Energie aus Solaranlagen zu gewinnen. Leider jedoch steht
die Sonne häufig
nicht bedarfsgerecht zur Verfügung
oder sie liefert eine zu geringe Temperatur.
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Schon
lange gibt es daher die Kombination von Solaranlagen mit Wärmepumpen.
Dabei unterscheidet man Solaranlagen mit Sonnenkollektoren und solche
mit Luft- oder Umweltabsorbern und Kombinationen davon. Beide Einzelsysteme
haben in der Kombination mit Wärmepumpen
Stärken
und Schwächen.
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Eine
besondere Form der Kombination ist jene, bei der der Kältemittelkreis
der Wärmepumpe
direkt mit dem Solarkollektor verbunden wird. Man spart sich dort
die Übertragungsverluste
am Verdampfer-Wärmetauscher.
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Ein
Beispiel hierfür
ist in
DT 2638 495
A1 gegeben. Diese Bauart bedingt eine entsprechend druckfeste
Auslegung des gesamten Solarkreises und sie ist mit einem hohem
Bedarf an Kältemittel verbunden.
Kältemittel
sind nicht nur relativ teuer sondern häufig auch giftig bzw. brennbar.
Für den breiten
Einsatz empfehlen sich diese Anlagen daher nicht.
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In
WO 2004/090438 A1 wird
ein druckfester Solarkollektor vorgestellt, in welchem ein Kältemittel durch äußere Temperatureinflüsse einem
Kreisprozeß unterworfen
wird. Das Kältemittel
ist damit auf den Solarkollektor begrenzt, so dass der Bedarf geringer
ist. Die übrigen
Nachteile gelten sinngemäß.
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Am
weitesten verbreitet sind Solaranlagen mit Flachkollektoren, bei
denen als Wärmeträgerflüssigkeit
Wasser, Wasser-Frostschutzmittel-Lösung oder Wärmeträgeröl dient. Diese Anlagen sind überwiegend
betriebssicher und relativ preisgünstig.
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Typisch
für diese
Flachkollektoren nach dem Stand der Technik ist, dass sie wenigstens
einen Solarabsorber haben, welcher sich in einem möglichst gut
wärmegedämmten Gehäuse befindet
und dass dieses Gehäuse
zur Sonne hin lichtdurchlässig
abgedeckt ist. Je besser die Wärmedämmung des
Solarkollektors ist, desto höher
ist der Solarertrag. Der Solarkollektor ist sehr gut geeignet, direkte
Sonnenstrahlung aufzunehmen. Die hohe Wärmedämmung behindert aber gleichzeitig
die Aufnahme diffuser Sonnenstrahlung und erst recht die Aufnahme
reiner Umweltwärme.
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Wird
ein solcher Solarkollektor mit einer Wärmepumpe kombiniert, kann es
daher leicht passieren, daß deren
Verdampfer unterkühlt
wird und die Wärmepumpe
abschalten muß.
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Auch
bei zu hohen Temperaturen im Solarkollektor darf der Wärmeträgerkreis
mit der Wärmepumpe
nicht in Betrieb sein.
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Vorteilhaft
lassen sich mit Wärmepumpen Luft-
oder Umweltabsorber kombinieren, da diese einen maximalen Wärmeübergang
aus der Umgebungsluft auch bei Dunkelheit gewährleisten.
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Optimal
ist eine Kombination von Wärmepumpen
mit Solarkollektoren und Luftabsorbern, wenn das hydraulische System
und dessen Regelung die jeweils günstigsten Anbindungen herstellen.
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In
DE 20 2006 011 482
U1 ist ein solches System beschrieben, wobei gerade die
genannte Kombination von Solarkollektoren und Luftabsorbern (Energiematten)
gestalterisch nicht beschrieben ist.
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In
EP 0 092 251 A2 ist
ein solches System beschrieben, bei dem die Kombination von Solarkollektor
und Luftabsorber als Solardach ausgeführt ist, welches im unteren
Bereich Ein- und Ausströmöffnungen
besitzt. In einem relativ großen
Luftraum über
dem Solarabsorber kann sich eine Konvektionsströmung ausbilden. Das Ganze ist
eher als Solarkollektor anzusehen. In einer weiteren Darstellung
ist in einem anderen Dachbereich ein zusätzlicher Luftabsorber zuschaltbar,
wobei der vorherige Solarkollektor ebenfalls zu einer verbesserten
Luftdurchströmung
kommt. Das System ist im Sinne der Aufgabe sicherlich gut geeignet,
jedoch ist ein Solardach stark mit dem Gebäudekonzept verbunden und somit
nicht so variabel anwendbar, wie gruppierbare, werksseitig hergestellte
Einzelkollektoren bzw. Luftabsorber. Zudem bedingen mechanische
Klappen in schlecht zugänglicher
Dachposition ein Risiko bei der Betriebssicherheit im Langzeitverhalten
bzw. erhöhte
Serviceanfälligkeit.
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In
DE 30 145 47 C2 wird
ein Solardach vorgestellt, welches einen großflächigen (Luft)-Absorber aufweist,
verbunden mit einer Wärmepumpe.
Diese Lösung
ist wie die vorhergehend beschriebene stark an das Gebäudekonzept
gebunden und nutzt andererseits die Vorzüge des Solarkollektors nicht.
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In
DE 10 304 27 B4 wird
ein Solarsystem mit Wärmepumpe
beschrieben, wobei sehr ausführlich die
Gestaltungsmöglichkeiten
solcher Anlagen aufgezeigt werden und es wird auch der Nachweis
geführt,
dass ganzjährig,
mit einem hohen Anteil alternativer Energie, Gebäudeheizung einschließlich Klimatisierung
und Brauchwasserbereitung sicher gestellt werden können.
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Der
im Anspruch 2 beschriebene Solarkollektor hat starke Ähnlichkeiten
zu dem in
EP 0 092 251
A2 beschriebenen. Die Verwendung von Solarkollektoren im
Baukastensystem entspricht hierbei der oben genannten, allgemeinen
Tendenz. Die nachteiligen Auswirkungen der Verwendung von Öffnungen,
Klappen und elektrischen Lüftern
an Luftabsorber-Solarkollektor-Kombinationen wurden oben bereits
erläutert.
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Generell
kann man sagen, dass die der Sonne zugewandten Flächen eines
Gebäudes,
insbesondere dessen Dachflächen,
zunehmend mit thermischen und photovoltaischen Solarkollektoren
und Luftabsorbern belegt werden. Es ist dabei nicht ungewönlich, dass
die zur Verfügung
stehenden Dachflächen
nicht ausreichen, um alle möglichen
und sinnvollen Kollektoren und Absorber dort unterzubringen. Es
gibt deshalb Tendenzen, diese, wie auch in
DE 103 00 427 B4 u.a. als
Hybridkollektor genannt, in Kombinationen dichter zu packen, z.B. übereinander.
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In
DE 20 2007 000 529
U1 wird ein Hybridkollektor beschrieben, bei dem sowohl
ein Photovoltaickollektor gekühlt
und Umweltwärme
gewonnen werden können.
Nachteilig dort ist zu bemerken, dass der thermische Kontakt zum
Photovoltaickollektor nur linienförmig ausgebildet und damit
schlecht ist.
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In
DE 198 49 688 A1 wird
ein Solarabsorber vorgestellt, welcher aus übereinander liegenden Leitungen
für das
Wärmeträgermedium
besteht und zusätzlich
mit einem Reflexionsspiegel versehen ist. Die Verbesserung des Wärmeüberganges
bedingt hierbei eine Verdopplung der Leitungslänge im Absorber.
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In
DE 20 2006 013 263
U1 ist ein Solarkollektor mit Luft-Ein- und Ausström-Öffnungen
beschrieben, welche ggf. zusätzlich
durch mechanische Vorrichtungen verschlossen werden können. Sind
die Durchströmöffnungen
ständig
offen, so ist die Solarkollektorfunktion durch Wärmeverlust beinträchtigt und
bei Verwendung der mechanischen Verschlüsse können die vorgenannten Serviceprobleme
eintreten.
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In
DT 26 52 306 A1 ist
ein Energiekollektor beschrieben, der eine Kombination aus Solarkollektor
und Luftabsorber darstellt, wobei auch hier Solarabsorber und Luftabsorber
als eine Baugruppe ausgeführt
sind. Der Energiekollektor hat großflächige Durchströmöffnungen
und weist somit die damit verbundenen Nachteile als Solarkollektor
auf. Ein optional zusätzlich
einsetzbarer Elektrolüfter
bedingt neben Energiekosten auch die schon o.g. Serviceprobleme.
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In
DE 27 23 970 A1 wird
ein Sonnenkollektor mit integriertem Außenluftwärmetauscher vorgestellt. Dabei
wird neben der üblichen
Wärmeträgerflüssigkeit
bedarfsweise ein Luftstrom durch den Kollektor geleitet, optional
Außenluft.
Problematisch erscheint hierbei der im Luftbetrieb auftretende erhöhte Kondensatanfall
bzw. die Eisbildung innerhalb des Gehäuses bei Temperaturen unter
Null.
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In
DE 27 43 726 A1 wird
ein Sonnenkollektor vorgestellt, bei welchem mehrere Absorber mit
Wärmeträgerflüssigkeit
in unterschiedlichen hydraulischen Verschaltungen (Klimakollektor
und Arbeitskollektor) gekoppelt sind, wobei zusätzlich optional weitere transparente
Abdeckungen die Isolation verbessern und zu einer vollständigeren
Ausnutzung der einfallenden gerichteten Sonnenstrahlung führen. Die
Anordnung ist sehr aufwendig und für die Nutzung von reiner Umweltenergie
eher nicht geeignet.
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In
DE 20 2006 015 717
U1 wird ein Solarkollektor vorgestellt, welcher aus Kunststoff-Formteilen zusammengesetzt
ist, optional Metallteile als Absorberflächen enthält und ggf. mehrflutig von
Wärmeträgerfluid
durchströmt
werden kann. Als Umweltabsorber ist diese Konstruktion nur einsetzbar,
wenn Außenluft,
wie in einigen technischen Lösungen
weiter oben, maschinell (Lüfter)
hindurchgeleitet wird. Der Einsatz als Solarkollektor kann langfristig
Probleme bereiten sowohl durch die Temperaturbelastung bei Stillstand
als auch durch die Alterung infolge der UV-Bestrahlung.
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In
DE 30 11 418 A1 wird
ein Mitteltemperatur-Strahlungs-Luftabsorber mit Wärmepumpenbetrieb
vorgestellt, welcher durch zusätzliche
Gehäuseisolierung
und bewegliche, sonnenseitige Lamellen auch Eigenschaften eines
Solarkollektors annehmen kann. Zusätzlich sind weitere Vorrichtungen
zur Schnee- bzw. Eisbeseitigung optional genannt. Die sehr aufwendige
Mechanik macht diese Konstruktion nicht nur teuer sondern auch störanfällig.
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In
DE 30 47 951 C2 wird
ein Hybrid-Sonnenkollektor vorgestellt, bei dem sich die transparente Abdeckung
auf der sonnenzugewandten Seite und die Gehäuseisolierung unterhalb des
Absorbers durch eine Mechanik mit Hebelstangen öffnen lassen. Hier gilt sinngemäß die vorhergehende
Bewertung.
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In
DE 20 2005 001 324
U1 wird ein kombinierter Luft-Solar-Kollektor mit Wärmepumpe
(Umweltwärmetauscher)
vorgestellt. Dabei befinden sich in einem Gehäuse ein Solarabsorber und in
einem Abstand darunter, auf der Bodenplatte des Gehäuses, ein
Luftabsorber. Das Gehäuse
hat ein Lufteintritts- und eine Luftaustrittsöffnung. Optional sind ein Elektrolüfter an
der Lufteintrittsöffnung
und eine vom Luftstrom bewegte Klappe an der Luftaustrittsöffnung vorhanden.
Der Solarabsorber ist nicht isoliert eingebaut, so dass man nicht
von einem Solarkollektor im üblichen
Sinne sprechen kann, was sich auf das erzielbare Temperaturniveau
auswirkt. Die Durchströmöffnungen
im Gehäuse
zur Versorgung des Luftabsorbers verstärken den Effekt noch. Hinsichtlich
Elektrolüfter
und Luftklappe muß mit
Geräuschbildung
auch bei Wind gerechnet werden, außerdem ist auch ein erhöhter Serviceaufwand
für die
beweglichen Elemente zu erwarten.
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Aufgabenstellung
der Erfindung ist eine Luftabsorber-Solarkollektor-Kombination,
geeignet auch für
Wärmepumpeneinsatz,
welche sowohl in einem Baukastensystem werksseitig preisgünstig vorgefertigt
werden kann, welche keine beweglichen mechanischen Elemente aufweist
und robust gestaltet ist, welche höchsten direkten Solarertrag
garantiert und Umweltenergie ohne zusätzlichen Lüfter nutzen kann, welche hydraulisch
in allen denkbaren und sinnvollen Verschaltungen eingebunden werden kann
und welche die zur Verfügung
stehende Dachfläche
sparsam ausnutzt, sich wie ein einfacher Solarkollektor architektonisch
einfügt
und in allen Montagearten (Aufständerung,
Aufdach- und Indachmontage) eingesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabenstellung wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Der
Solarkollektor der erfindungsgemäßen Kombination
weist alle Merkmale heutiger Flachkollektoren auf und ist somit
sehr effektiv. Durch die direkte Verbindung des Solarkollektors
mit dem Luftabsorber wird das Gehäuse des Solarkollektors als
zusätzliche
Absorberfläche
genutzt und außerdem
eine platzsparende, kompakte und robuste Bauform erreicht. Die Durchbrüche im Wärmeleitkörper sorgen für eine gute
Luftumspülung
des Luftabsorbers, außerdem
verhindern sie stauende Nässe
in konstruktiven Spalten und bei Eisbildung besonders im Wärmepumpenbetrieb
verhindern sie das Aufsprengen der Verbindungsstellen zum Solarkollektor.
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Neben
den erfindungsgemäßen Merkmale können Luft-
und Solarabsorber anwendungsbezogene Merkmale nach dem Stand der
Technik aufweisen, z.B. mit harfen- oder mäanderförmiger Gestaltung. Die freie
und anwendungsbezogene hydraulische Verschaltung ist damit möglich.
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Die
erfindungsgemäßen Merkmale
nach Schutzanspruch 5 führen
durch Vereinheitlichung zu Kostenvorteilen in der Herstellungstechnologie,
bei der Montage und bei dem Zubehörbedarf.
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Die
erfindungsgemäßen Merkmale
nach Schutzanspruch 6 führen
bei Auf- und Indachmontage zu effektivem Wärmeübergang am Luftabsorber. Bei
Indachmontage muß zusätzlich darauf
geachtet werden, dass sich durch die Gestaltung der Dachhaut der
Kamineffekt auch im Randbereich der Kombination einstellen kann
und dass Kondensat und Regenwasser sicher abgeleitet werden.
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Bei
Aufständerung
ist eine ausreichende Luftumspülung
des Luftabsorbers ohnehin gegeben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der 1 und 2 erläutert. Es
zeigen:
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1 die
Seitenansicht der Luftabsorber-Solarkollektor-Kombination in Aufdachmontage,
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2 eine
Teilschnittdarstellung im Verlauf A-A in 1.
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Die
in 1 dargestellte Luftabsorber-Solarkollektor-Kombination
besteht aus dem Solarkollektor 2, dem Luftabsorber 1,
und den Halterungen 9, mit denen die ganze Kombination
auf einer geneigten Dachfläche 10 so
befestigt ist, dass der Solarkollektor 2 mindestens zeitweise
eine Sonnenausrichtung hat und dass sich ein lichter Abstand von
einigen Zentimetern zwischen Dachfläche 10 und dem Luftabsorber 1 ergibt.
Die atmosphärische
Luft im Bereich dieses lichten Abstands und die übrigen freien Lufträume zwischen
Luftabsorber 1 bzw. Unterseite 5 des Solarkollektors 2 und
der Dachfläche 10 ergeben insgesamt
den Luftraum 11, in welchem sich durch Sonneneinstrahlung
oder unterschiedliche Körpertemperaturen
am Solarkollektor 2, am Luftabsorber 1 bzw. an
der Dachfläche 10 Luftkonvektionsströmungen ergeben
können,
wie sie durch die dort dargestellten, nach oben gehenden Pfeile
gekennzeichnet sind. Eine solche Luftkonvektionsströmung wird üblicher
Weise als Kamineffekt bezeichnet, wobei die warme Luft aufsteigt.
Durch Windeinwirkung und bei Verwendung der Solarkolektor-Luftabsorber-Kombination
zum Kühlen
sind auch andere Luftbewegungsrichtungen möglich. Je stärker die
Luftbewegungen sind, desto mehr Energie kann vom Luftabsorber 1 an
das in seinem Inneren fließende
Wärmeträgerfluid übertragen
werden. Der Solarabsorber 8 ist wie üblich im Solarkollektor 2 eingebaut
und nur an den nach außen
ragenden Rohranschlußenden
zu erkennen.
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Zum
Luftabsorber 1 gehört
der Wärmeleitkörper 4,
welcher als Blechteil ausgeführt
ist und in seiner ganzen Ausdehnung mit kreisrunden Durchbrüchen versehen
ist. Der dargestellte Luftabsorber 1 ist von harfenförmiger Ausprägung, d.h.
insgesamt 2 horizontal verlaufende Zulauf- bzw. Ablaufsammelrohre,
welche ihrerseits Wärmeträgerfluidrohre 3 mit Rohranschlußenden sind,
sind mit mehreren dazwischen verlaufenden Wärmeträgerfluidrohren 3 flüssigkeitsdicht
verbunden. Zu- bzw. Ablaufsammelrohr sind nicht mit dem Wärmeleitkörper 4 in
direkter Berührung.
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Der
in 2 dargestellte Teilschnitt im Verlauf A-A nach 1 veranschaulicht
die harfenförmige
Ausprägung
des Luftabsorbers 1 und dessen Verbindung mit dem Solarkollektor 2 durch
den Wärmeleitkörper 4.
Der Wärmeleitkörper 4 umschließt die Wärmeträgerfluidrohre 3 halbkreisförmig als
Mantelbereich 6 und geht dann tangential und abgewinkelt in
die ebenen Bereiche der Fläche 7 über, welche
mit dem Solarkollektor 2 mechanisch und thermisch leitend
an dessen sonnenabgewandter, äußerer Unterseite 5 ggf.
durch Löten
verbunden ist. Die Wärmeträgerfluidrohre 3 sind
dabei so mittels Wärmeleitkörper 4 und
Solarkollektor 2 eingespannt, dass sie höchstens
in ihrer Längsrichtung
gleitfähig
sind.
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Die
in 1 und 2 dargestellten Solarabsorber 8 und
Luftabsorber 1 sind, soweit erkennbar, in ihren Hauptdimensionen
gleichartig ausgebildet.
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Es
folgt 1 Blatt Zeichnungen.