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Einrichtung zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung
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Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufnahme
von Wärme aus der Umgebunq mit Hilfe von aus wärmeleitfähigen, ein Speicher- bzw.
Leitmedium führenden Aufnahme- oder Absorptionselementen bestehenden Wärmeaufnahmeeinrichtungen
bzw. -kollektoren.
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Stand der Technik Es ist bekannt, mit Hilfe von Sonnenkollektoren
die Strahlungswärme der Sonne in einem wärmespeichernden Medium wie z.B. Wasser
aufzufangen und zur Beheizung z.B. von Räumen, Häusern etc. bzw. zur Brauchwasserversorgung
zu verwenden.
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Solche Kollektoren sind u.a. als Schlauchkollektoren, bei denen durch
eine durchsichtige Folie die Sonnenwärme direkt auf das Speichermedium einwirkt,
oder als Metallkollektoren, bei denen die Strahlungswärme über Metallplatten in
das Speichermedium eingeleitet wird, bekannt. Das Wärmespeichermedium kann, wie
schon erwähnt, Wasser, aber auch eine Sole oder eine mit geeigneten Zusätzen versehene
sonstige Flüssigkeit sein. Durch die Zusätze soll auf jeden Fall verhindert werden,
daß das Wärmespeichermedium einfriert, was zu erheblichen Schäden in dem Speichersystem
führen könnte.
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Es ist weiterhin bekannt, Schlauch-, Rohr- oder Plattenkollektoren
zur Aufnahme von Wärme aus der Umluft durch Konvektion zu verwenden. Zu diesem Zwecke
werden beispielsweise Schläuche, die das Speichermedium, z.B. Sole führen, oder
Rohre im Freien oder unter Dächern (Metalldächern) angeordnet und durch übertragung
der erwärmten Umluft auf das Medium erwärmt.
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Während man bei den Sonnenkollektoren auf die Sonnenstrahlung angewiesen
ist und in Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint, ein zweites Erwärmungssystem
benötigt, kann man bei den Konvektionskollektoren bzw. "EnergiedSchern' zwar stets
einen Teil der Umgebungsenergie nutzen, jedoch ist deren vollständige Nutzung nicht
möglich, da die Strahlungsenergie nicht aufgenommen wird. Insofern ist man bei den
Konvektionskollektoren, da deren Erwärmungsgrad nur relativ gering ist, immer auf
den Einsatz einer Wärmepumpe angewiesen.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Energieangebot
der Umgebung möglichst vollständig zu nutzen und gleichzeitig den dafür erforderlichen
technischen Aufwand möglist gering zu halten.
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Lösung, Vorteile und Weiterbildungen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Einrichtung einen mindestens einen Wärmekollektor aufnehmendem
Raum umfaßt, der eine wenigstens zum Teil für Wärmestrahlung durchlässige Wandung
aufweist und wahlweise von der Umgebungslust abaennbar oder gegen diese öffnungsfähig
ist derart, daß die Wärmekollektoren im wesentlichen bei von der Umgebung getrenntem
Raum Strahlungswärme und bei gegen die umgebung geöffnetem Raum Konvektions- bzw.
Umluftwärme aufnehmen. Mit der Erfindung erzielt man damit eine Einrichtung, die,
in bekannter Weise mit einer Wärmepumpe verbunden, gegenüber den bekannten Energiesaininlern
praktisch das ganze Jahr hindurch zur Erwärmung von Gebäuden od.dgl. verwendbar
ist, indem in Zeiten der Sonneneinstrahlung der Raum geschlossen wird und die Wärmekollektoren
Strahlungsenergie aufnehmen, während in Zeiten fehlender Sonneneinstrahlung der
Raum geöffnet und die Energie aus der Umgebung durch Konvektion genutzt wird, wobei
dann diese Energie durch
die Wärmepumpe "konzentriert" wird. Bedenkt
man, daß reine Konvektions-Kollektoren nur praktisch und sinnvoll einsetzbar sind,
wenn die Umlufttemperatur ca. 5 K höher als die Temperatur des Speicher- bzw. Leitmediums
in den Kollektoren ist, daß aber selbst bei Frost häufig starke Sonneneinstrahlung
vorhanden ist, so erkennt man den hohen Nutzunqsgrad einer solchen Einrichtung und
deren im Vergleich mit herkömmlichen Systemen erhöhte Unabhängigkeit von Fakultatit-Energien
wie Öl, Elektrizität, Kohle od.dgl.. Zugleich läßt sich die Erfindung konstruktiv
außerordentlich einfach verwirklichen, indem man im wesentlichen im Baukastenprinzip
und unter Verwendung von vorgefertigten Bauteilen den einen oder mehrere Wärmekollektoren
aufnehmenden Raum aufbauen kann. So läßt sich eine solche Einrichtung insbesondere
günstig als eigenständige Uberdachungs- oder Unterstandskonstruktion ausbilden und
damit in raumsparender Weise z.B. über vorhandenen Garagen, als Terrassenabdeckung
od.dgl. einsetzen, obwohl es ebensogut möglich ist, die Räume als einfache flache
Kasten-, insbesondere quaderförmige Elemente auszubilden, die man schachbrettmusterartig
auf vorhandene Dächer, insbesondere Flachdächer aufsetzen kann.
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Um bei Betrieb als Konvektionskollektor einen möglichst hohen Aufnahmegrad
für die Wärme zu erzielen, können die Wärmekollektoren vorzugsweise im Abstand zum
Boden des Raumes in-einer Höhe angeordnet sein, daß sie sich bei geöffnetem Raum
im direkten Weg der Umgebungsluft zwischen zwei Öffnungen des Raumes befinden.
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Vorzugsweise sind die Wärmekollektoren als Monoschläuche aus wärmebeständigem
Klarsicht-Kunststoff ausgebildet und ruhen auf einer mit Abstandshaltern zum Boden
versehenen Stütztkonstruktion. Eine solche Anordnung ist einerseits kostengünstig
in der Herstellung, und zum anderen sind die
Kollektoren in einfacher
Weise von allen Seiten her der Umgebungsluft bei Wärmeübertragung durch Konvektion
zugänglich. Dabei können die Kollektoren zweckmäßigerweise auf einer aus Well-Aluminiumblech
mit vorzugsweise schwarzer Oberfläche bestehenden Stütztkonstruktion angeordnet
sein.
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Durch eine solche Anordnung ergeben sich einmal fertigungstechnische
und kostenmäßige Vorteile, zum anderen aber auch eine besonders günstige Wärmeausnutzung,
indem das Aluminiumblech infolge der schwarzen Oberfläche zusätzlich Wärme absorbiert
und diese durch Leitung an die unmittelbar darauf befindlichen Wärmekollektoren
abgibt. Das Wellblech selbst ermöglicht ein optimales Bestreichen der Kollektoren
mit der Umgebungsluft von ihrer Unterlage her.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendungsform der Erfindung ergibt sich
daraus, daß man den einen oder mehrere Wärmekollektoren aufnehmenden Raum als Bestandteil
eines eigenständigen Bauelements ausbildet, das im wesentlichen eine traqfähige
Baukonstruktion, umfassend im wesentlichen flodenstütze, ein an diesen aufgehängtes
oder sonstwie gelagertes Trägergerüst, je einen an dem Trägergerüst gelagerten tragfähigen
Boden und eine strahlungsdurchlässige Abdeckung sowie Seitenwände, aufweist, wobei
die Seitenwände mit den wahlweise schließbaren oder öffnungsfähigen Öffnungen gegen
die Umgebung in Form mindestens einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung
ausgebildet sind. Ein solches eigenstAndiges Bauelement läßt sich hinsichtlich seiner
Einzelteile in großer Zahl kostengünstig vorfertigen und lagern; auch der Transport
der Einzelteile und deren Montage am Ort der Verwendung lassen sich ohne größere
Schwierigkeiten durchführen. Bei der Verwendung von Bodenstützen lassen sich so
in einfacher Weise Unterstände oder Überdachungen ausbilden, während man bei dem
Verzicht auf Stützen einfache kastenförmige Bauelemente erhält, die auf bereits
vorhandenen Unterkonstruktionen wie z.B. Flachdächern oder nur
schwach
geneigten Dächern angeordnet werden können.
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Die öffnungen für den Konvektionsbetrieb können beispielsweise mittels
Klappen, vorzugsweise Drehklappen verschließbar sein, wobei man je nach Belieben
und Zweckmäßigkeit solche Öffnungen in allen oder nur einem Teil der Seitenwände
anordnen kann. Um ein Optimum an Eintritts- bzw.
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Austrittsquerschnitt und damit Durchströmen des Raumes mit Umgebungsluft
unabhängig von den bestehenden Wind-und Druckverhältnissen zu erreichen, können
die Seitenwände auch als Ganzes öffnungsfähig ausgebildet werden.
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Zur Erzielung einer optimalen Ausbeute der Strahlungsenergie können
vorteilhaft auch die Seitenwände mindestens teilweise strahlungsdurchlässig sein.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung kann
die Abdeckung aus einem strapazierfähigen, UV-beständigem und lichtdurchlässigen
Kunststoff-Folienmaterial bestehen. Diese Maßnahmen dienen insbesondere der Haltbarkeit
der Abdeckung und der Erreichung einer möqlichst hohen Lebensdauer. Zu diesem Zweck
kann die Abdeckung vorzugsweise aus einem engmaschigen, mit PTFE, TFE oder FEP (z.B.
Teflon (e) ) beschichteten Gewebe bestehen.
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In konstruktiver Hinsicht ist es zweckmäßig, wenn man die Abdeckung
als von ihren an dem Trägergerüst befestigten Seitenrändern her zu einem im wesentlichen
in ihrer Flächenmitte angeordneten zentralen Spannelement abfallend geneiqt gespannt
ausbildet. Diese Anordnung hat Vorteile sowohl hinsichtlich der erstellung als auch
der Erzielung einer gleichmäßigen, gegen Windangriff und damit Flattern gesicherten
Fläche. Zum Zweck des Wasserabflusses kann das Spannelement am Boden des Bauelements
verankert und als Abflußrohr ausgebildet sind. Ein solches als Abflußrohr vorgesehenes
Spannelement kann so aufgebaut sein, daß es sowohl Wasser aus der
Umgebung
als auch im Inneren des Raumes Schwitzwasser aufnehmen kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann als zentrales Spannelement
aber auch ein auf die Abdeckung von außen her aufgelegter schwerer Körper, z.B.
in Form einer Betonkugel, vorgesehen sein, wobei dann die Abdeckung in diesem Mittenbereich
verstärkt sowie mit Löchern oder Perforationen ausgebildet wird, so daß einerseits
eine genügende Haltbarkeit der Abdeckung gegen das Gewicht des Spannelements und
andererseits eine Möglichkeit zur Wasserableitung besteht. Dabei ist es sogar möglich,
dieses Wasser in den Raum hinein zu leiten und es auf den Wärmekollektor laufen
zu lassen, so daß bei einer entsprechenden Temperaturdifferenz auch die im Regenwasser
vorhandene Wärme genutzt werden kann.
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Zur Vereinfachung der Montage kann das Bauelement mit Rohrleitungen
für die Ableitung der von den Kollektoren aufgenommenen Wärmeenergie aus diesen
heraus und mit den erforderlichen Anschlüssen zum Transport der Energie zu einer
Verbraucherstation ausgestattet sein. Damit ist es nach der Montage des Bauelements
nurmehr nötig, die ohnehin benötigten Leitungen in ein Haus oder zu sonstigen Wärmeabnehmern
anzuschließen. Zusätzlich kann das Bauelement auch sogleich mit einem Anschluß für
eine Wärmepumpe ausgestattet sein.
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Die mit der Erfindung insgesamt erzielbaren Vorteile bestehen vor
allen Dingen darin, daß man die Nutzung des natürlichen Wärmeangebots wesentlich
steigern und damit den für Wärmepumpen bei herkömmlichen einfachen Konvektionskollektoren
erforderlichen Energieverbrauch erheblich senken kann. In Verbindung mit einem Latent-Wärmespeicher
ist es obendrein möglich, den hohen Strahlungsenergieanfall in den Sommermonaten
zu nutzen, indem man die dann aufgefangene
und nicht benötigte
E;nergie in den Latent-Wärmespeicher einleitet, um sie in den kälteren Monaten des
Jahres abzurufen. Zugleich wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung die Möglichkeit
eröffnet, für den sehr breiten Minfamilienhausbereich ein in großen Stückzahlen
vorzufertigendes, einEach zu transportierendes und zu montierendes Bauelement zu
schaffen, das an Ort und Stelle schnell installiert werden kann, indem es bereits
die erforderlichen Rohranschlüsse etc. aufweist. Wichtig ist dabei auch die Möglichkeit,
daß die erfindungsgemäße Einrichtung ohne zusätzlichen Platzbedarf als Terrassen-,
Gartenlauben-oder Garagenüberdachung oder auch als Laubengang für Schulen und öffentliche
Gebäude angebracht werden kann; mit anderen Worten eröffnet die Erfindung die Möglichkeit
des Einsatzes überall dort, wo wenig zusätzlicher Platz zur Verfügung steht und
vorhandener Platz durch nachträgliche Montage genutzt werden soll. - Die Steuerung
und Regelung der öffnung des saumes sowie der Kollektoren, Leitungen, der Wärmeabgabe
an Verbraucher oder Speicher usw. kann über einen oder mehrere geeignete, die erforderlichen
für sich bekannten Steuer- und/oder Regelglieder umfassende Steuer-oder Regelkreise
erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Bauelement im Querschnitt für den Konvektionsbetrieb, Fig. 2 das Bauelement der
Fig. 1 bei Aufnahme von Strahlungswärme, Fig. 3 eine abcrewandelte Ausbildungsform,
und ig. 4 eine weitere Ausbildungsform im Querschnitt und in teilweiser Draufsicht.
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Ein zur Verwirklichun;r der Erfindung bestimmtes Bauelement 10 umschließt
einen eaum 1, der wahlweise gegen die Atmosph.;re der Umgebung 3 schließbar oder
zu öffnen ist.
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Das ßauelement lo hat in diesem beispiel quadratischen oder rechteckigen
Gru:llriß. obwohl auch andere Formen ohne weiteres denkbar sino. LS baut sich im
wesentlichen auf
aus an den Ecken angeordneten Stützen 11 sowie
an diesen montierten Trägern 12 und einen tragfähigen Boden 13. Durch den Boden
13, der als durchgehende ebene Platte auf den Trägern 12 liegen kann, ist der Raum
1 nach unten durchgehend verschlossen. Nach oben ist der Raum 1 durch eine Abdeckung
14 verschlossen, die aus einem engmaschigen Gewebe mit einer PTFE-Beschichtung besteht.
Diese Abdeckung 14 ist lichtdurchlässig und W-beständig und seitlich an oberen Trägern
12 festgespannt. Um für die Abdeckung 14 eine genügende Spannung und damit Sicherheit
gegen Flattern bei Wind oder Sturm zu erzielen, ist in der Mitte ihrer Fläche ein
Spannelement 140 angebracht, das die Abdeckung 14 gegen den Boden 13 verspannt.
Dieses Spannelement 140 ist hier als Rohr 141 ausgebildet und kann so Wasser, das
im Mittenbereich zusammenläuft, nach unten abführen, wobei durch eine geeignete
Ausbildung auch eine Aufnahme von sich an der Unterfläche der Abdeckung bildendem
Schwitzwasser möglich ist. Seitlich ist der Raum durch hier nicht näher dargestellte
Seitenwände 15 begrenzt, in denen sich Öffnungen 16 befinden, die durch Drehklappen
160 wahlweise verschlossen oder freigegeben.werden.
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Durch eine Stützkonstruktion 17, die hier schematisch als Baustahlgewebeträger
mit angeschweißten Abstandshaltern angedeutet ist, aber ebensogut aus Well-Aluminiumblech
bestehen kann, werden im Abstand zu dem Boden 13 zwei Schlauchkollektoren 2 gehalten,
die über geeignete, hier nicht näher dargestellte Rohrleitungssysteme mit einer
Wärmepumpe und Energie-Bedarfsträgern verbunden sind. Diese Schlauchkollektoren
können herkömmlicher Bauart sein und aus einer durchsichtigen Folie bestehen. Sie.sind
mit einem Wärme aufnehmenden und leitenden fließfähigen Medium, z.B.
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Wasser, Sole od.dgl. gefüllt.
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Soll von den Schlauchkollektoren 2 Konvektionswärme aufgenommen werden,
weil nur eine geringe oder gar keine Strahlungsenergie
zur Verfiaunq
steht so werden die Drehklappen 160 in den Seitenwanden 15 yeiffnet, so daß Umluft
aus der Umgebung! 3 durch eine EintrittsiSffnung 161 in den Raum 1 eintreten: die
Kollektoren 2 umstreichen und durch eine Austrittsöffnung 162 wieder aus dem Raum
1 austreten kann. Statt der Drehklappen 160 können die Seitenwände natürlich auch
im Ganzen herabfahrbar oder -klappbar sein, so daß die Umluft mit ihrem Wärmeinhalt
je nach Druckgefälle von beliebiger Seite in den Raum 1 eintreten und diese Energie
an die Schlauchkollektoren 2 abgeben kann.
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Durch die Auflage der Schlauchkollektoren 2 im Abstand von dem Boden
13 ist es, wie man durch die Pfeile erkennt, möglich, daß die Kollektoren von oben
und unten von der Umluft bestrichen werden. Sobald jedoch die Sonne scheint und
Strahlungsenergie in größerem Maße zur Verfügung steht, werden, wie in Fig. 2 gezeigt,
die Klappen 160 bzw. die Seitenwände 15 geschlossen. Die Strahlung trifft durch
die Abdeckung 14 auf die Kollektoren und reichert diese mit Energie an. Es entsteht
dabei quasi ein Treibhauseffekt, und die Ausnutzun der Strahlungsenerqie ist besonders
hoch.
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bei Ausnutzung der Wärme durch Strahlung kann eine Beheizung eines
Einfamilienhauses selbst in Wintermonaten ohne Zuschalten einer Wärmepumpe erfolgen;
nur bei fehlender Sonneneinstrahlung und Betrieb der Einrichtung im Wärmeübergang
durch Konvektion der Umluft muß die Wärmepumpe zugeschaltet werden, um eine genigende
Energieausbeute zu erzielen.
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Fiq. 3 zeigt eine abgewandelte Möglichkeit einer größeren Ausbildung
eines Bauelementes 10 der Figuren 1 und 2, bei der die Abdeckung unterteilt ist.
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Fig. 4 endlich zeigt eine Anordnung ähnlich Fig. 2, jedoch mit einem
zentralen Splnnelement in Form einer schweren Kugel 142; dabei ist die Abdeckung
14 im Auflagebereich
144 der Kugel 142 verstärkt und hier mit Perforationen
143 ausgebildet, so daß Wasser nach innen ablaufen kann.
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Es wird aus dem Vorstehenden ohne weiteres klar, daß man statt Anordnung
der Stützen 11 die Bauelemente 10 auch als einfache, mit ihren Trägern 12 auf eine
Unterlage ablegbare geschlossene Kästen ausbilden kann, die statt in horizontaler
ebenso gut auch in geneigter oder vertikaler Lage angebracht werden können
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