DE2443029A1 - Variable solar heating for house - uses steeper slope of asymmetrical roof storey as collector and other slope as reflector - Google Patents
Variable solar heating for house - uses steeper slope of asymmetrical roof storey as collector and other slope as reflectorInfo
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Abstract
Description
Durch Sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares Gebäude Die Erfindung betrifft ein durch Sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares Gebäude, insbesondere Wohnhaus. Daß sich Sonnenenergie zur Beheizung von Gebäuden verwenden läßt, ist seit langem bekannt (vgl. US PS 246 626). Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Systeme zur Klimatisierung von Gebäuden vorgeschlagen (vgl. Building more or less heatable by solar energy The invention relates in particular to a building that can be heated to a greater or lesser extent by solar energy Residential building. That solar energy can be used to heat buildings is known for a long time (see. US PS 246 626). Over time they became different Systems for air conditioning in buildings proposed (cf.
Polar Energy Utilization for Heating and Air Conditioning R.R. Avezov, S.M. Lukomkii and K.A. Shafeeva, Geliotekhnika, Vol. 8,No. 4, pp. 64 - 74, 1972, UDC 662.997:662.9).Polar Energy Utilization for Heating and Air Conditioning R.R. Avezov, S.M. Lukomkii and K.A. Shafeeva, Geliotekhnika, Vol. 8, No. 4, pp. 64 - 74, 1972, UDC 662.997: 662.9).
Bei dem einen System wird die Sonnenenergie zur winterlichen Heizung und sommerlichen Warmwasserbereitung verwendet. Bei einem weiteren System, das mit Wärmepumpen arbeitet, wird die Sonnenenergie zur Heizung,Warmwasserbereitung und Kühlung verwendet.In one system, solar energy is used for winter heating and summer hot water production. Another system that uses Heat pumps working, the solar energy is used for heating, hot water and heating Cooling used.
Ein anderes System entfeuchtet und kühlt die Luft im Gebäude.Another system dehumidifies and cools the air in the building.
Ein weiteres System führt durch eine geeignete Verglasung des Gebäudes zu einer Beheizung.Another system leads through suitable glazing of the building to a heating.
Klimatisierungssysteme der obengenannten Art sind für eine befriedigende Wirkungsweise auf eine hohe durchschnittliche Sonneneinstrahlung angewiesen. In Gebieten mit relativ geringer Sonneneinstrahlung, beispielsweise in gemäßigten Breiten, sind derartige Systeme unwirtschaftlich, da ihr Wirkungsgrad gering ist.Air conditioning systems of the above type are for a satisfactory Effectiveness dependent on a high average solar radiation. In Areas with relatively little solar radiation, for example in temperate latitudes, such systems are uneconomical because their efficiency is low.
Grundsätzlich ist aber auch in den gemäßigten Breiten, beispielsweise Mitteleuropa, die Energie der Sonneneinstrahlung groß genug, um ihre Ausnutzung zur Gebäudeklimatisierung unter Verwendung bekanntgewordener Verbesserungen wirtschaftlich erscheinen zu lassen.Basically it is also in the moderate latitudes, for example Central Europe, the energy of solar radiation large enough to take advantage of it for building air conditioning economically using improvements that have become known to appear.
In der Zeitschrift "Umwelt" des VDI-Verlages, Düsseldorf, Ausgabe 6/72, Seite 53 bis 58, H. Moesta, "Heizen, Kühlen durch Sonne und Weltraum" und in der Zeitschrift "Heizung Lüftung Klimatechnik Haustechnik" des gleichen Verlages, Ausgabe 11/72, Seite 363 bis 369, H. Moesta, Raumheizung und Klimatisierung mit umweltfreundlichen Energiearten" sind Bauelemente beschrieben, mit denen sich die auf eine Oberfläche eingestrahlte Sonnenenergie mit wesentlich verbessertem Wirkungsgrad einsetzen läßt.In the magazine "Umwelt" of the VDI-Verlag, Düsseldorf, edition 6/72, pages 53 to 58, H. Moesta, "Heating, cooling through the sun and space" and in the magazine "heating, ventilation, air conditioning, building technology" from the same publisher, Edition 11/72, pages 363 to 369, H. Moesta, room heating and air conditioning with environmentally friendly types of energy "are components described with which the Solar energy radiated onto a surface with significantly improved efficiency can be used.
Grundsätzlich wird hierfür davon ausgegangen, daß die normalerweise auftretende, im Ultrarot-Bereich liegende Abstrahlung der im sichtbaren Bereich eingestrahlten Sonnenenergie weitestgehend verhindert werden muß. Dies ist mit sogenannten thermischen Gleichrichtern möglich. Es ergibt sich also durch Vermeidung der insbesondere nächtlichen Abstrahlung eine Temperaturzunahme durch Summierung der Einstrahlungsenergie. Ein Umkehren des thermischen Gleichrichters bietet die Möglichkeit der Gebäudekühlung. Es wird in diesem Fall durch Reflexion die Energieeinstrahlung weitestgehend verhindert und die Temperaturabnahme durch die aufeinanderfolgenden nächtlichen Abstrahlungszeiten erreicht. Darüber hinaus ist in den Literaturstellen auch ein umschaltbares, thermisches Gleichrichterbauelement beschrieben.Basically it is assumed that the normally Radiation occurring in the ultra-red range in the visible range Radiated solar energy must be prevented as far as possible. This is with so-called thermal rectifiers possible. So it arises by avoiding the particular Nocturnal radiation shows an increase in temperature due to the summation of the radiation energy. Reversing the thermal rectifier offers the possibility of building cooling. In this case, the energy radiation is largely prevented by reflection and the decrease in temperature due to the successive nocturnal radiation times achieved. In addition, there is also a switchable, thermal Rectifier component described.
In den genannten Literaturstellen sind super schwarze" Oberflächen beschrieben, die zwar 100 % der Sonneneinstrahlung aufnehmen, jedoch im wesentlichen keine Wärme durch Ultrarot-Strahlung abgeben und damit mehrere hundert Grad Celsius (z.Zt. 500 bis 600 OC) heiß werden können, ehe - ohne künstlichen Wärmeentzug - der Gleichgewichtszustand zwischen Absorption und Emission (a/e = 1) erreicht wird. Bei dem normalen schwarzen Körper liegt die max. erreichbare Temperatur (Gleichgewichtszustand a/e = 1) bekanntlich bei 150 OC.In the cited references there are super black "surfaces described, which absorb 100% of the solar radiation, but essentially do not give off any heat through ultrared radiation and thus several hundred degrees Celsius (currently 500 to 600 OC) can get hot before - without artificial heat extraction - the state of equilibrium between absorption and emission (a / e = 1) is reached. The maximum attainable temperature (state of equilibrium a / e = 1) known to be at 150 OC.
Weiterhin sind in diesen Literaturstellen 'superweiße" Oberflächen erwähnt, die einerseits die Eigenschaft haben, das Sonnenlicht fast vollständig zu reflektieren (a/e -, s 0) und andererseits z.B.Also in these references are 'super white' surfaces mentioned, which on the one hand have the property of being almost completely exposed to sunlight to reflect (a / e -, s 0) and on the other hand e.g.
auf konvektivem bzw. wärmeleitendem Wege zugeführte Wärmeenergie in Form von Ultrarot-Strahlung abgeben können und damit praktisch keine Temperaturzunahme erfahren, d.h. sie bleiben selbst bei Wärmezufuhr durch Konvektion oder auf wärmeleitendem Wege in etwa so kalt wie ohne merkliche Sonneneinstrahlung. Die superschwarze Oberfläche eignet sich aufgrund der genannten Eigenschaften insbesondere zur Gebäudeheizung, die superweiße insb. zur Gebäudekühlung.thermal energy supplied by convective or thermally conductive path in Can give off form of ultrared radiation and thus practically no temperature increase experienced, i.e. they remain even when heat is supplied by convection or on thermally conductive Paths about as cold as without noticeable sunlight. The super black surface Due to the properties mentioned, it is particularly suitable for heating buildings, the super white, especially for cooling buildings.
In den Literaturstellen werden diese beidenSchichten nach dem Entdecker auch als Meinelschichten bezeichnet und weiterhin Kombinationen von weißen und schwarzen Dachschichten, die eine Kühlung des Gebäudeinneren bewirken, beschrieben.In the references, these two layers are named after the discoverer also known as Meinelschichten and still combinations of white and black Roof layers that cool the interior of the building are described.
Fernerhin sind aus der Weltraumfahrt Solarzellen, das sind Halbleiterelemente, an künstlichen Satelliten bekannt, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, die u.a. zu Heiz- und/oder Kühlzwecken benutzt werden.Furthermore, solar cells are from space travel, that is, semiconductor elements, known on artificial satellites that convert solar energy directly into electrical energy that are used for heating and / or cooling purposes, among other things.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gebäude vorzuschlagen, das schon von seiner geometrischen Gestaltung her den jahreszeitlichen Sonnenstrahlungsbedingungen so angepaßt ist, daß sich die Sonneneinstrahlung nach den jeweiligen Bedürfnissen unterschiedlich verwerten läßt.The object of the invention is to propose a building that already due to its geometric design, the seasonal solar radiation conditions is adapted in such a way that the solar radiation according to the respective needs can be used differently.
Ein erfindungsgemäßes Gebäude ist dadurch gekennzeichnet, daß dieses mit einem Dachgeschoß versehen ist, dessen eine Dachfläche einen steileren Neigungswinkel aufweist als eine andere, wobei in nördlichen Breiten der steilere Neigungswinkel etwa dem winterlichen Mittags-Sonneneinfallwinkel entspricht, in Südrichtung weist und für die Sonneneinstrahlung als Kollektor ausgelegt ist, während die andere Dachfläche als Reflektor für die Sonneneinstrahlung ausgebildet ist.A building according to the invention is characterized in that this is provided with an attic, one roof surface of which has a steeper angle of inclination than another, with the steeper angle of inclination in northern latitudes corresponds approximately to the wintry midday sun angle, pointing in south direction and designed for solar radiation as a collector, while the other roof surface is designed as a reflector for solar radiation.
Im Winter, das heißt bei niedrigem Sonnenstand, wird die als Kollektor ausgebildete steilere Dachfläche im wesentlichen senkrecht von der Sonneneinstrahlung beaufschlagt. Die Sonnenenergie kann dadurch optimal zur Beheizung des Gebäudes ausgenutzt werden. Im Sommer, d.h. bei mittags hohem Sonnenstand, fällt die Sonneneinstrahlung hauptsächlich auf die andere Dachfläche mit dem flacheren Neigungswinkel, von der sie reflektiert wird.In winter, i.e. when the sun is low, it is used as a collector formed steeper roof surface essentially perpendicular to the solar radiation applied. The solar energy can therefore be used optimally for heating the building be exploited. In summer, i.e. when the sun is high at noon, the sun's rays fall mainly to the other roof surface with the flatter angle of inclination from which it is reflected.
Besonders vorteilhaft ist es, die steilere Dachfläche mit einem superschwarzen und die flachere Dachfläche mit einem sußerweißen Belag zu versehen. Die super schwarze Fläche führt bei der Beheizung zu einem günstigen Wirkungsgrad,da sie eine Abstrahlung von Energie im Ultrarotbereich selbst bei hohen Temperaturen weitgehend vermeidet. Die ultraweiße Fläche ergibt, insbesondere im Sommer, einen Kühleffekt, da sie einerseits Sonnenstrahlung fast vollständig reflektiert und andererseits Wärme, die ihr vom Gebäudeinneren zugeführt wird, ultrarot abzustrahlen vermag.It is particularly advantageous to have the steeper roof surface with a super black one and to provide the flatter roof surface with an outer white covering. The super black one When heated, surface leads to a favorable degree of efficiency, since it emits radiation largely avoids energy in the ultra-red range even at high temperatures. The ultra-white surface has a cooling effect, especially in summer, because on the one hand it Solar radiation is almost completely reflected and, on the other hand, heat emitted by you Building interiors is supplied, able to emit ultrared.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Dachflächen durch eine oder mehrere verstellbare Hilfsflächen abdeckbar zu machen. Mit solchen Hilfsflächen läßt sich beispielsweise die flachere Dachfläche mit dem superweißen Belag im Winter, wenn eine Kühlwirkung nicht erwünscht ist, abdecken. Im Sommer läßt sich die steilere Dachfläche mit dem super schwarzen Belag ganz oder teilweise verdecken.In an embodiment of the invention, it is advantageous to use the roof surfaces to be covered by one or more adjustable auxiliary surfaces. With such Auxiliary surfaces, for example, the flatter roof surface can be combined with the super white Cover the surface in winter when a cooling effect is not desired. In summer the steeper roof surface can be completely or partially covered with the super black surface cover up.
Gleichzeitig eignen sich die Hilfsflächen in bestimmten Stellungen als Windschutz und zur Beschattung von an das Gebäude angrenzenden Bereichen. Die Hilfsflächen selbst können ebenfalls mit einem superschwarzen bzw. superweißen Belag versehen sein. Auch können die unterschiedlichen Beläge auf unterschiedlichen Seiten der Hilfsfläche angeordnet sein.At the same time, the auxiliary surfaces are suitable in certain positions as wind protection and for shading areas adjacent to the building. the Auxiliary areas themselves can also be covered with a super black or super white coating be provided. The different coverings can also be on different sides be arranged on the auxiliary surface.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Dachgeschoß auf dem unteren Gebäudegeschoß drehbar gelagert. Hierdurch können die Dachflächen in eine gewünschte Lage gegenüber dem tages- bzw.In a preferred development, the attic is on the lower floor Building floor rotatably mounted. This allows the roof areas in a desired Position opposite the day or
jahreszeitlichen Sonnenstand gebracht werden.seasonal position of the sun.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, die Drehung bzw. Verschwenkung des Dachgeschosses in Abhängigkeit vom wandernden Sonnenschatten durch an sich bekannte Mittel zu steuern.In this context, it is advantageous to use the rotation or pivoting of the top floor depending on the moving sun shade to be controlled by means known per se.
Weitere Ausgetaltungen und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung und den Unteransprüchen.Further developments and advantages result from the following Description of the drawing and the subclaims.
In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Wohnhaus, Figur 2 verschiedene Sonnenstände für gemäßigte nördliche Breiten, Figur 3 schematisch die Erdbahn und die Richtung der Sonneneinstrahlung im Winter und im Sommer.The drawing shows: FIG. 1 a residential building according to the invention, FIG 2 different positions of the sun for moderate northern latitudes, Figure 3 schematically the earth's orbit and the direction of solar radiation in winter and summer.
Auf einem Erdgeschoß 1 eines Wohnhauses ist ein Dachgeschoß 2 drehbar gelagert. Die Drehachse ist mit 3 bezeichnet. Das nach geschoß 2 weist zwei DachflAchen 4 und 5 auf. Die Dachfläche 5 ist steiler als die Dachfläche 4. Ihr Neigungswinkel 6 entspricht dem winterlichen Mittags-Sonneneinfallwinkel 7 (vgl. Fig. 2 und 3) in der Weise, daß sich beide Winkel möglichst zu 90 Grad ergänzen. Hierdurch ist gewährleistet, daß zur kalten Jahreszeit (exakt bei der Wintersonnenwende) die Sonne die Dachfläche 5 praktisch senkrecht bestrahlt.An attic 2 is rotatable on a ground floor 1 of a residential building stored. The axis of rotation is denoted by 3. The one after floor 2 has two roof areas 4 and 5 on. The roof surface 5 is steeper than the roof surface 4. Its angle of inclination 6 corresponds to the winter noon angle of incidence of the sun 7 (cf. Figs. 2 and 3) in such a way that both angles complement each other as much as possible to 90 degrees. This is ensures that in the cold season (exactly at the winter solstice) the sun the roof surface 5 irradiated practically vertically.
Damit auch bei höheren Sonnenständen zur kalten Jahreszeit ein möglichst senkrechter Sonneneinfall erzielbar ist, ist die Dachfläche 5 so verschwenkbar ausgebildet, daß sich ihr Neigungswinkel verkleinern läßt. In Figur 1 ist eine derartige Verschwenkstellung durch unterbrochene Linienführung angedeutet.So even with higher sun positions during the cold season a possible vertical incidence of sunlight can be achieved, the roof surface 5 is designed to be pivotable, that their angle of inclination can be reduced. Such a pivoting position is shown in FIG indicated by broken lines.
Um auch in Verschwenkstellungen die Abdichtung des Dachgeschosses aufrechtzuerhalten, sind zwischen dessen Kanten und deren Dachfläche 5 faltenbalgartige Bauelemente vorgesehen.In order to seal the attic even in pivoted positions to maintain, are between the edges and the roof surface 5 bellows Components provided.
Die Dachfläche 5 ist mit einem super schwarzen Belag versehen und weist eine Teil-Verglasung 8 auf. Die Dachfläche 4 trägt einen superweißen Belag.The roof area 5 is provided with a super black covering and has a partial glazing 8. The roof surface 4 has a super white covering.
An den horizontalen Kanten der Dachflächen 4 und 5 sind verstellbare Hilfsflächen 9, 10 und 11 angeordnet. Diese lassen sich im Sinne der eingezeichneten Drehpfeile verschwenken.On the horizontal edges of the roof surfaces 4 and 5 are adjustable Auxiliary surfaces 9, 10 and 11 are arranged. These can be used in the sense of the Pivot rotation arrows.
Die Hilf sflächen 9, 10 und 11 erfüllen verschiedene Funktionen.The auxiliary surfaces 9, 10 and 11 fulfill various functions.
Einerseits kann mit den Hilfsflächen 9 und 10 die Dachfläche 5 bzw. mit den Hilfsflächen 10 und 11 die Dachfläche 4 vollständig abgedeckt werden. Andererseits lassen sich die Dachflächen 4 und 5 mittels der Hilfsfläche 10 je nach dem Sonnenstand und der gewünschten Sonneneinstrahlung beschatten. Die Hilfsflächen, insbesondere 9 und 11, sind darüber hinaus zur Beschattung und als Windschutz der unter ihnen liegenden Bereiche geeignet. Außerdem können die Hilfsflächen 9 und 10 mit einem geeigneten Belag Sonnenstrahlung auf die Dachfläche 5 spiegeln. . -, Um die für die Verstellung der Hilfsflächen notwendige bzw. bei Wind auftretenden Kräfte zu verkleinern, können die Hilfsflächen als in Rahmen geführte Rolläden oder als Jalousetten ausgebildet sein.On the one hand, with the auxiliary surfaces 9 and 10, the roof surface 5 or with the auxiliary surfaces 10 and 11, the roof surface 4 can be completely covered. on the other hand the roof surfaces 4 and 5 can be adjusted by means of the auxiliary surface 10 depending on the position of the sun and shade the desired solar radiation. The auxiliary surfaces, in particular 9 and 11, are also used for shading and protection from the wind among them suitable for lying areas. In addition, the auxiliary surfaces 9 and 10 with a Suitable covering reflect solar radiation onto the roof surface 5. . - To the for the adjustment of the auxiliary surfaces necessary or forces occurring in the wind reduce the size, the auxiliary surfaces can be used as roller shutters in frames or as venetian blinds be trained.
Die drehbare Verbindung zwischen dem Erdgeschoß und dem Dachgeschoß kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Dachgeschoß auf einem Drehkranz gelagert ist. Durch das Innere des Drehkranzes sind die Verbindungen zwischen dem Dachgeschoß und dem Erdgeschoß hergestellt. Beispielsweise sind im Inneren des Drehkranzes eine Wendeltreppe und die Installationseinrichtungen geführt.The rotatable connection between the ground floor and the top floor can be done, for example, in that the attic is mounted on a turntable is. The connections between the top floor are through the interior of the slewing ring and the ground floor. For example, are inside the slewing ring Spiral staircase and the installation facilities.
Die Drehbarkeit des Dachgeschosses bringt neben dem bereits genannten Vorteil der Anpassung an den täglichen bzw. jahreszeitlichen scheinbaren Sonnenlauf weitere Vorteile. So ist es beispielsweise möglich, bei Wetterphasen mit Mittagsbewölkung das Dachgeschoß 2 und damit die Dachfläche 5 auf die Vormittags-oder Nachmittagssonne einzustellen. Außerdem läßt sich im Falle der Verbauung das Dachgeschoß und damit die Dachfläche 5 entsprechend umjustieren. Auch für die Reinigung ist die Verdrehbarkeit günstig.The rotatability of the top floor brings in addition to the already mentioned Advantage of adapting to the daily or seasonal apparent course of the sun Other advantages. So it is possible, for example, during weather phases with noon cloudiness the top floor 2 and thus the roof area 5 to the morning or afternoon sun to adjust. In addition, in the case of building, the attic and thus readjust the roof surface 5 accordingly. The twistability is also important for cleaning cheap.
Wird beim gezeichneten Ausführungsbeispiel das Dachgeschoß um 90 Grad verschwenkt, dann ist von der Oberseite des Erdgeschosses 1 her die Dachfläche gut zu erreichen.In the illustrated embodiment, the attic floor is turned by 90 degrees pivoted, then the roof area is good from the top of the first floor to reach.
Unterhalb der Beläge der Dachflächen 4 und 5 können vorzugsweise Latent-Wärmespeicher mit Wärmetauschern vorgesehen sein, wie sie beispielsweise in den eingangs genannten Literaturstellen beschrieben sind. Der Speicher der Dachfläche 5 hält die eingestrahlte Wärme zur Beheizung des Gebäudes in sonnenscheinfreier Zeit bereit.Latent heat accumulators can preferably be placed below the coverings of the roof surfaces 4 and 5 be provided with heat exchangers, such as those mentioned above References are described. The memory of the roof area 5 holds the irradiated Heat is available to heat the building when there is no sunshine.
Der der Dachfläche 4 zugeordnete Speicher kann Wärme aus dem Gebäude aufnehmen und diese über den superweißen Belag nach außen abführen.The memory assigned to the roof area 4 can heat from the building pick it up and discharge it to the outside via the super white covering.
Die Funktionsweise ist im wesentlichen folgende: Während der Heizperiode fällt die Sonneneinstrahlung aufgrund der gewählten Gestaltung im wesentlichen auf die superschwarze Dachfläche 5. Diese gibt die Wärme nach innen ab und vermeidet, insbesondere während der Nachtzeit, eine Abstrahlung von Wärme nach außen. Da eine Kühlung in dieser Zeit nicht erwünscht ist, ist die superweiße Dachfläche 4 mittels der Hilfsflächen 10 und 11 abgedeckt, oder es ist der dieser Dachfläche zugeordnete Speicher bzw. der Wärmetauscher abgeschaltet.The main mode of operation is as follows: During the heating season the sunlight is mainly noticeable due to the design chosen the super black roof surface 5. This releases the heat inwards and avoids especially during the night, a radiation of heat after Outside. Since cooling is not desired during this time, the roof surface is super white 4 covered by the auxiliary surfaces 10 and 11, or it is this roof surface allocated storage or heat exchanger switched off.
Nach Beendigung der Heizperiode wird entweder die superschwarze Dachfläche 5 ganz oder teilweise mittels der Hilfsflächen 9 und 10 abgedeckt oder es wird der dieser zugeordnete Speicher bzw.After the end of the heating season, either the super black roof surface will be 5 completely or partially covered by means of the auxiliary surfaces 9 and 10 or it is the this allocated memory or
der Wärmetauscher abgeschaltet. Die superweiße Dachfläche 4 kann aus dem Inneren des Gebäudes Wärme nach außen abführen.the heat exchanger is switched off. The super white roof area 4 can be made from the inside of the building dissipate heat to the outside.
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |