DE2540463A1

DE2540463A1 - Solar energy collector combined with heat pump - provides heating throughout year from alternative sources according to weather

Info

Publication number: DE2540463A1
Application number: DE19752540463
Authority: DE
Inventors: Herbert Ing Grad Kirn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1977-03-24

Abstract

A collector plate (3) has rectangular passages through which heating water flows. The plate has a black surface and projecting ribs (7) which increase the absorbing surface. It is contained in an insulated case (11) with a transparent glass front (8). An air gap (6) is left between the plate and the case and atmospheric air can be drawn into this gap through inlet holes (4) in the bottom of the case. The air flows over the plate and is discharged by a fan (9) through other holes (5). During bright sunshine the water flowing through the plate is heated by solar radiation. At other times air is drawn through the case and the water flows through a heat pump circuit using this air as a source.

Description

Wärmepumpe mit SonnenkollektorHeat pump with solar collector

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem sowohl Sonnenenergie als auch Umweltwärme fiir die Raumheizung genutzt werden können. 1)er erforderliche Sonnenkollektor ist so ausgebildet, daß er bei Sonnenschein Sonnenenergie bei hohem Wirkungsgrad aufnehmen und bei trüben Wetter sowie nachts der Außenluft Wärme entziehen kann.The invention relates to a method in which both solar energy as well as environmental heat can be used for space heating. 1) he required Solar collector is designed in such a way that when the sun is shining, solar energy is at high Record efficiency and extract heat from the outside air in cloudy weather and at night can.

Bekannt sind Sonnenenergieheizungen, bei denen eine von einem flässigen Medium durchflossene Platte in einem wärmegedämmten Kas@en hinter einer Glasscheibe angeordnet ist. Die Glasscheibe wirkt dabei als Wärmefalle, sie läßt das lurzwellige, sichtbare licht noir wenig geschwächt hindurchtreten und absorbiert die langwelligen rnfrarotstralll en, die von der sich erwärmenden Empfängerplatte zurückgestrahlt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß nur die unmittelbare Sonnenstrahlunrr aufgenommen und verwertet werden kann. Der An fall an Sonnenenergie im Winter ist aber erheblich kleiner als im Sommer. Um daher bei noch vertretbar großen Kollektorflächen die erforderliche Heizwärme bereitstellen zu können, sind recht große Speichervolumen erforderlich, die bei einem Finfamilienhaus etwa 200 m³ betragen und in denen Sommerwärme für die winterliche Heizung bevorratet wird.Solar energy heaters are known in which one of a liquid Medium-flowing plate in a thermally insulated box behind a pane of glass is arranged. The pane of glass acts as a heat trap, it lets the short-wave, Visible light noir pass through, little weakened, and absorbs the long-wave Infrared rays that are reflected back from the warming receiver plate will. The disadvantage of this method is that only the direct sun rays can be absorbed and recycled. The accumulation of solar energy in winter is but considerably smaller than in summer. In order therefore to still reasonably large collector areas To be able to provide the necessary heating energy are quite large storage volumes required, which amount to about 200 m³ in a fin family house and in which summer heat is stored for winter heating.

Bekannt ist ferner ein Verfahren der Wohnraumheizung mit Wärmepumpen. Dabei entzieht auch bei tiefen Außentemperaturen elli Wärmetauscher der Außenluft Wärme, die von einer liSarmepumpe auf ein für Raumheizzwecke verwertbares Temperaturpriveau angehoben und dem beheiztem Gebände z.B. über eine Warmwasser- oder Warmluftheizung zugeführt wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Leistungsziffer einer solchen mit Außenluft als Wärmeträger betriebenen Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen, d.h. großer Temperaturdifferenz Außenluft zu Heizwasser der Warmwasserheizung, klein wird.A method of heating living spaces with heat pumps is also known. Even at low outside temperatures, elli extracts heat exchangers from the outside air Heat from a liSarm pump to a temperature level that can be used for space heating purposes raised and the heated building, e.g. via a hot water or hot air heater is fed. The disadvantage of this method is that the figure of merit is one such heat pumps operated with outside air as the heat transfer medium at low outside temperatures, i.e. large temperature difference Outside air to the heating water of the hot water heating system, becomes small.

l)adurc11 steigt <ler Heizleistungsbedarf einer Viel zahl vo;i Wärme pumpen nn den wenigen Wintertagen sehr tiefer Außentemperatur überproportional an, wodurch die Anlage unwirtschftlich groß ausgelegt werden muß und ferner die energiewirtschaftlich bedeutungsvolle Jahresbenutzungsdauer klein wird.l) adurc11 increases <the heating power requirement of a large number of vo; i Pumping heat disproportionately in the few winter days when the outside temperature is very low on, whereby the system must be designed inefficiently large and also the Energy-economically significant annual usage period becomes small.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung sollen vorgenannte Schwierigkeiten gemeistert werden. An Sonnentagen soll unmittelbar Sonnenenergie für den Betrieb der Heizungsanlage gewonnen und gegebenenfalls gespeichert werden; an trüben Wintertagen wird die in der Außenluft gespeicherte Sonnenenergie durch das Entwärmen der Außenluft gewonnen. I)ie Speichervoluminas können nun erheblich kleiner sein, weil fast immer, u.U. auch nachts, Wärme gewonnen wird, zum andern kann die Leistungsziffer der Wärmepumpe an den sehr kalten Wintertagen auf durchschnittlicher Höhe gehalten werden, weil die Klimastatistik zeigt, daß sehr kalte Wintertage stets von Hochdruckwetterlagen begleitet werden, die tags Sonnenschein bringen. Dies trifft insbesondere auch im Gebirge zu, wo bei recht tiefen Außentemperaturen tags intensive Sonneneinstrahlung auftritt, die als Heizenergi e gewonnen werden kann, während die Wärmegewinnung aus der sehr kalten Außenluft eine unwirtschaftlich niedrige Leistungsziffer im Gefolge hätte. Bei winterlichen Tiefdruckwetterlagen liegen die Verhältnisse umgekehrt; eine dichte Wolkenschicht läßt nur wenig Sonnenlicht an den kurzen Wintertagen zur Erdoberfläche dringen. Die Außenluft ist aber nur mäßig kalt und eignet sich als Wärmeträger bei noch vertrtbarer Leistungsziffer der Wärmepumpe. Die verbleibenden, wenigen Wintertage starker Kälte und dicht bedeckten @immels, Tage, an denen also bei noch wirtschaftlicher Leistungsziffer keine Wärme gewonnen werden kann, müsson dtirch einen Wärmespeicher überbrückt werden, der aber, verglichen mit der reinen, direkten Sonnenenergieheizung, wesentlich kleiner sein kann.With the method according to the invention, the aforementioned difficulties are addressed to be mastered. On sunny days, solar energy should be used directly for operation obtained from the heating system and, if necessary, saved; on cloudy winter days the solar energy stored in the outside air is generated by cooling the outside air won. I) The storage volumes can now be considerably smaller, because almost always, possibly even at night, heat is obtained, on the other hand, the performance figure of the heat pump be kept at average altitude on the very cold winter days because the climate statistics show that very cold winter days are always influenced by high pressure weather conditions that bring sunshine during the day. This also applies in particular to the Mountains too, where intense sunlight during the day when the outside temperature is quite low occurs, which can be obtained as heating energy while the heat is being obtained from the very cold outside air an uneconomically low coefficient of performance in the Entourage would have. In wintry low pressure weather conditions, the situation is reversed; a dense layer of clouds allows only a little sunlight on the short winter days Penetrate the surface of the earth. The outside air is only moderately cold and is suitable as a Heat transfer medium if the heat pump output is still acceptable. The remaining, a few winter days of severe cold and densely covered @sky, days on which no heat can be obtained if the output is still economical, müsson can be bridged by a heat accumulator, which, however, compared to the pure, direct solar energy heating, can be much smaller.

Die Zeichnung zeigt die gegenständliche Ausführung des Sonnenkollektors nach der Erfindung. In einem Gestell 11 der Figur 1 ist eine von Flüssigkeit durchflossene geschwärzte Platte (3) untergebracht, die mit Rippen (7) versehen ist.The drawing shows the actual design of the solar collector according to the invention. In a frame 11 of FIG. 1 there is a through which liquid flows blackened plate (3) housed, which is provided with ribs (7).

Diese Rippen befinden sich vorzugsweise auf der der Sonnenstrahlung S zugewandten Seite der Platte, können aber auch all f' deren Rückseitie angeordnet sein. 1)ie der Sonne zugewandte Seite des Gestells ist durch Glasscheiben (8) abgedeckt, die übrigen Seiten sind durch Wärmedämmung (10) gegen Wärmeverluste geschützt. Die Kollektorplatte (3) sitzt auf der Grundfläche des Gestells, wie die Fig. 1 zeigt, auf, während sie zur Deckfläche einen Zwischenraum frei läßt; ebenso sind zwischen der Platte und der Rückwand sowie der Platte und den Gasscheiben, hier bedingt durch die senkrechten Rippen der Platte, Zwischenräume frei, so daß ein Luftkanal (6) um die Platte führt. Die Unterseite des Gestells ist von Luftein- und Luftaustrittsöffnungen (4) durchbrochen. Ein Gebläse (9) saugt oder drückt durch den Luftkanal (6) Außenluft. In Figur 1 ist das Gebläse als li'alzenliifter mit Antriebsmotor (12) dargestellt. Ebenso könnte es ein Radial- oder Achsialgebläse auf der Saug-oder auf der Druckseite sein. Ein Leitblech (5) sorgt dafür, daß die aus dem Sonnenkollektorgestell (11) austretende abgekühlte Luft von der wärmeren angesaugten Außenluft getrennt bleibt. Durch Rohr (1) fließt dem Kollektor eine frost feste Flüssigkeit zu, die ihn erwärmt durch das Rohr (2) wieder verläßt.These ribs are preferably located on that of the solar radiation S facing side of the plate, but can also be arranged all f 'their back be. 1) he side of the frame facing the sun is covered by glass panes (8), the other sides are protected against heat loss by thermal insulation (10). the Collector plate (3) sits on the base of the frame, as Fig. 1 shows, on, while it leaves a gap to the top surface; likewise are between the plate and the rear wall as well as the plate and the gas discs, here due to the vertical ribs of the plate, spaces free so that an air duct (6) leads around the plate. The underside of the frame is made up of air inlets and outlets (4) broken. A fan (9) sucks or presses outside air through the air duct (6). In Figure 1, the fan is shown as a li'alzenliifter with drive motor (12). There could also be a radial or axial fan on the suction or pressure side be. A guide plate (5) ensures that the solar collector frame (11) exiting cooled air remains separated from the warmer, sucked in outside air. A frost-resistant liquid flows through the pipe (1) to heat the collector leaves again through the pipe (2).

Bei Sonnenschein ist das Gebläse (9) abgeschaltet, die Sonnenstrablen werden durch die Platte (3) absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dabei verbessern die Kühlrippen (7) die mittlere Strahlungszahl der Platte. Gleichzeitig drückt eine Umwälzpumpe durch die Rohre (1) und (2) Kühlflüssigkeit. Sinkt die Strahlstärke der Sonne, was z.B. durch ein Bolometer festgestellt wird, unter einen bestimmten Wert ab, so daß kein namhafter direkter Wärmegewinn mehr erzielbar ist, und weisi die Außentemperatur mittlere winterliche Temperaturwerte, z.B. 0a > 0°C, auf, dann schaltet sich durch einen Ketterfühler gesteuert, Gebläse (9) sowie in der Heizungsanlage eine Wärmepumpe ein. Die Außenluft umströmt in der in Fig. 1 dargestellten Weise die Kollektorplatte und kühlt sich an dieser, insbesondere an deren Kühlrippen (7), ab. Die in Flüssigkeitsstrom (2) enthaltene Wärme nimmt eine Wärmepumpe auf, hebt sie auf das Niveau der Vorlauftemperatur der Warmwasserheizung bez. auf die Temperatur des Wärmespeichers an und speist sie dort ein.When the sun is shining, the fan (9) is switched off, the solar rays are absorbed by the plate (3) and converted into heat. Improve in the process the cooling fins (7) the mean radiation number of the plate. At the same time one presses Circulation pump through pipes (1) and (2) coolant. The radiation intensity decreases the sun, which e.g. by a Bolometer is noted under a certain value, so that no significant direct heat gain can be achieved and knows the outside temperature mean winter temperature values, e.g. 0a > 0 ° C, open, then switched on controlled by a chain sensor, blower (9) as well as a heat pump in the heating system. The outside air flows around the in Fig. 1 way shown the collector plate and cools on this, in particular on their cooling fins (7). The heat contained in the liquid flow (2) decreases a heat pump, it raises it to the level of the flow temperature of the hot water heating related to the temperature of the heat storage tank and feeds it in there.

Die Zeichnung, Fig. 2, zeigt, daß anfallendes Kondensat durch Leitung (13) abgeführt wird. Um Kondensat, das auf der Vorderseite der Kollektorplatte (3) anfällt, ebenfalls entweichen zu lassen, sitzt Platte (3) nicht völlig dicht auf der Unterseite des Gestells auf, sondern gestattet dem Kondensat durch kleine Öffnungen, die für die strömende Luft unbedeutend sind, zum Ausfluß (13) zu gelangen.The drawing, Fig. 2, shows that condensate produced by conduction (13) is discharged. To avoid condensate on the front of the collector plate (3) If there is also to be allowed to escape, plate (3) does not sit completely tightly the underside of the frame, but allows the condensate through small openings, which are insignificant for the flowing air to reach the outlet (13).

An Stelle einer Kollektorplatte kann auch ein Lamellenkörper (7) treten, der von Rohren (14), durch die frostfeste Flüssigkeit fließt, durchzogen ist, wie die Zeichnung, Fig. 3 und Fig. 4,zeigt. Eine Trennplatte (3), die auf der Rückseite oder der Vorderseite oder innerhalb des Lamellenkorpers @@co@@@@@ ist, sorgt dafür, daß der steigende und der fallende Luftstrom bis zu ihrer Umlenkung getrennt bleiben.A lamellar body (7) can be used instead of a collector plate, which is traversed by pipes (14) through which the frost-resistant liquid flows, such as the drawing, Figures 3 and 4, shows. A divider plate (3) on the back or the front or inside the lamellar body @@ co @@@@@ ensures that that the rising and falling air flow remain separate until they are deflected.

Bei starker @onneneinstrahlung in sonnenreichen Sommern kann es vorkommen, daß der Speicher der Gesamtanlage vollaufgeheizt ist und keine Wärme mehr aufnehmen kann. Um Dampfbildung im Sonnenkollektor zu vermeiden, kann das Gebläse Kühlluft fördern. Wirtschaftlicher ist es aber, den Sonnenkollektor, wie die Zeichnung, FIg. 4, zeigt, mit einem Sonnensenntz für diesen Notfall zu versehen. Ein Band der Breite der Glasscheibe wird bei vollaufgeheiztem Speicher vor die Kollektorfläche durch Motor (17) gezogen, so daß diese gegen Sonnenstrahlen abgeschattet ist. Die Ausbildung des die Kollektorplatte umgebenden Luftkanals in Form eines auf den Kopf gestellten U verhindert, daß bei abgeschaltetem Gebläse und Betrieb als reiner Sonnenkollektor kalte Außenluft eindringen und die gewonnene Wärme abführen kann.With strong @ sunshine in sunny summers, it can happen that the memory of the entire system is fully heated and no longer absorb any heat can. In order to avoid the formation of steam in the solar collector, the fan can supply cooling air support financially. But it is more economical to use the solar collector, as shown in the drawing, Fig. 4, shows to be provided with a sun set for this emergency. A band of breadth the glass pane is when the storage tank is fully heated in front of the collector surface pulled by motor (17) so that it is shaded from the sun's rays. the Formation of the air duct surrounding the collector plate in the form of an upside-down U prevents the fan from being switched off and operating as a pure solar collector cold outside air can penetrate and dissipate the heat gained.

Claims

Claims: 1. Solar collector for heat recovery for Helz purposes, characterized in that the solar radiation absorbing surface by a Fan can be blown by air, from which it extracts heat.

2. Solar collector according to claim 1, characterized in that one Collector plate arranged in a thermally insulated frame behind glass plates is that in the lower area of the frame outside air is sucked in to the plate and in turn can be blown out in the lower area of the frame.

3. Solar collector according to claim 1 and 2, characterized.

that the cooled air leaving the frame is guided in such a way that that it cannot mix with the one entering the frame.

4. Solar collector according to claim 1 and the following claims, characterized in that condensate is drained from the collector.

5. Solar collector according to claim 1 and the following claims thereby characterized in that the collector plate is provided with cooling fins.

6. Solar collector according to claim 1 and the following claims, characterized characterized in that the collector plate automatically protects against solar radiation can be shaded.