DE4300839A1 - Schaltbare Wärmebrücke zur Energiegewinnung bzw. -einsparung - Google Patents

Description

In der Bauphysik sind Wärmebrücken als einzelne, örtlich begrenzte Stellen in Wänden und Decken mit geringer Wärmedämmung unzulässig.

Zur Energieeinsparung bzw. -gewinnung werden von der thermischen Solartechnik Sonnenkollektoren, die transparente Wärmedämmung, sowie stark verbesserte Isolierverglasungen angeboten (siehe Goetzberger/Wittwer: Sonnenenergie - thermische Nutzung. Teuber, Stuttgart 1989, S. 76-151).

Die übliche, opake (undurchsichtige) Dämmung bleibt dennoch oft die einfachste und wirtschaftlichste Methode zur Energie­ einsparung. (vgl. Dr. H. Werner: Optimierung von baulichen Maßnahmen zur Energieeinsparung und deren Bewertung, VDI- Berichte 356, 1980, S. 18).

Folgende besonderen Probleme bestehen:
Sonnenkollektoren, die im Sommer recht gute Wirkungsgrade erzielen, sind im Winter wesentlich weniger effektiv, da die für einen ökonomischen Betrieb erforderlichen Absorbertemperaturen von ca. 30°C seltener erreicht werden.

Der im Winter erwünschte Energieeintrag durch die TWD (transparente Wärmedämmung) führt im Sommer zu ganz erheblichen Überhitzungsproblemen. Deshalb muß durch Rollos aktiv beschattet werden (siehe z. B. "Das energieautarke Solarhaus", 1. Aufl. Okt. 1992., S. 22, auf Wunsch erhältlich vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme, Otmannstr. 22, 7800 Freiburg), was nicht nur die Energie ungenützt läßt, sondern auch die Systemkosten bis auf ein Vielfaches des Preises für die eigentliche TWD ansteigen läßt.

Die opake Dämmung ist wegen ihres besseren k-Wertes der TWD bei Dunkelheit und Kälte deutlich überlegen, läßt aber die täglichen Sonnenstrahlen fast ungenützt. Der enorme Energiebedarf zur Heizung und Erwärmung von Brauchwasser wird klar, wenn man bedenkt, daß selbst ein Niedrigenergiehaus ca. 100 KWh/m² pro Jahr benötigt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, durch sinnvolle Kombination der erwähnten Komponenten zu einer besseren Ausnutzung solarer Energie zu gelangen. Das würde wegen des geringeren Flächenbedarfs besonders die Chancen für eine erfolgreiche Nachrüstung bestehender Gebäude erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine schaltbare Wärmebrücke erreicht, die so funktioniert, daß in einer Stellung ein direkter (Festkörper-)Kontakt zwischen dem Absorber und dem Energiereservoir oder Wärmespeicher hergestellt wird und in einer anderen Stellung der Energiestrom durch isolierendes Material oder Luft unterbrochen wird. Zu beachten ist dabei, daß die Dimensionierung des wärmeleitenden Zwischenstücks (z. B. Al, Cu) aus Kostengründen zwar möglichst klein sein soll, sich aber andererseits an den Wärmestromdichten orientieren muß, wie sie maximal vom Absorber oder dem Wärmereservoir geliefert oder abgenommen werden können. Zudem ist wichtig, daß die Kontaktflächen möglichst plan aneinanderliegen und vor Korrosion geschützt werden, ähnlich wie dies in der Elektrotechnik angestrebt wird.

In Fig. 1 ist die schaltbare Wärmebrücke in einem Gesamtsystem aus Transparente Wärmedämmung (2), Absorber (3), Kollektor (3+4) und Reservoir (8) dargestellt. Die Strahlung (1) durchdringt die Transparente Wärmedämmung oder Glas (2) und trifft auf einen Absorber (3), der sich zusammen mit den in seinen Hohlräumen oder angeschlossenen Rohren (4) befindenden Gasen oder Flüssigkeiten erhitzt. Wird der aus wärmedämmendem Material bestehende Riegel (5) in den Hohlraum (9) geschoben, so ist normaler Kollektorbetrieb möglich.

Wird der Absorber (3) nach hinten geschoben, so erhitzt er bei direktem Kontakt den stark wärmeleitenden Verteiler (6). Dieser kann je nach Ausführung Festkörper (z. B. Wand (12)), Flüssigkeiten (10) oder Luft (7) erwärmen, die zusammen im physikalischen Sinn ein Energiereservoir (8) darstellen. Es ist zu sehen, daß eine eingeschränkte Funktionsweise auch dann noch gewährleistet ist, wenn die Leitungen (4) im Kollektor fehlen. Der Aufbau stellt dann eine Art von Transparente Wärmedämmung dar, mit besserem Verhalten bei Kälte und Dunkelheit. Bei vorgeschobenem Wärmedämmriegel gibt es keine Wärmebrücken mehr. Das Reservoir ist nun von opaker Dämmung (13), (9) umgeben.

In Fig. 2 ist ein weiteres spezielles Beispiel für eine schaltbare Wärmebrücke gezeigt. Hier wird der Kontakt zwischen dem Absorber/Kollektor-Endstück (14), das durch zwei Klötz­ chen (15) gehalten wird, und dem Verteiler (21) durch Drehen des dargestellten Schalters um seine Mittelachse (16) erreicht.

Der Schalter besteht aus einem guten Wärmeleiter (17) (z. B. Cu), der außer an den vorgesehenen Kontaktstellen (18) von opaker Dämmung (19) umgeben ist. Der Schalter paßt in den von der umgebenden Wärmedämmung (20) gebildeten Hohlraum. Die Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen, daß es im Wesentlichen darauf ankommt, daß die wärmeleitenden Teile der Brücke um eine geeignete Achse gedreht werden können. Der Schalter kann deshalb sowohl der Form des Absorberendstückes (14) als auch der des Verteilers (21) angepaßt werden. Längenveränderungen infolge von Temperaturver­ änderungen können durch Druck auf die Stellen (22) oder (23) ausgeglichen werden. Die Form des Verteilers hängt im Wesentlichen von seiner Aufgabe, den Kosten seiner Herstellung und von baustatischen Vorgaben ab, falls z. B. eine Wand durchstoßen werden soll.

Fig. 6 soll die vorteilhafte Wirkung des Einsatzes der schaltbaren Wärmebrücke in der Solartechnik verdeutlichen. Durch die transparente Dämmung (24) fällt die Strahlung (25) auf einen Parabolspiegel (26), der die Strahlung auf dem Absorber (27) konzentriert, in dessen Innerem sich Gase oder Flüssigkeiten (28) befinden können. Die Arbeitsweise hängt nur noch von der Schaltungsstellung der Wärmebrücke (29) und der Strömung im Inneren des Kollektors/Absorbers ab.

Falls jeglicher Energiefluß ausgeschaltet wird, erhitzt sich die Luft zwischen transparenter und opaker Dämmung (30). Diese kann nach Bedarf zur Raumluftheizung verwendet werden oder aber auch helfen, durch Undichtigkeit eingedrungene und kondensierte Feuchtigkeit (z. B. an der Innenfläche der transparenten Dämmung (24)) zu verdampfen und zu entfernen. Die Gesamteffektivität des gezeigten Aufbaus ist von vielen Randbedingungen abhängig und nur durch Simulation zu berechnen. Dennoch seien hier folgende Eckdaten erwähnt: Der Flächen­ querschnitt der Leitung liegt für Aluminium sinnvollerweise bei etwa 1%, für Cu bei 0,5% der eingefangenen Strahlungsfläche. Der einfachste zu berechnende Vorteil der Anlage ergibt sich aus dem Vergleich der Transmissionswärmeverluste von opaker und transparenter Wärmedämmung bei Nacht und frostigen Temperaturen.

Claims (4)

1. Eine Wärmebrücke, deren Wirkungsweise vergleichbar einer Kochplatte dadurch gekennzeichnet ist, daß sie schaltbar ist, indem bei einer Schalterstellung ein oder mehrere direkte Festkörperkontakte zwischen zwei Energiereservoiren den Wärmeaustausch zwischen beiden ermöglichen und in einer anderen Stellung der Austausch durch dazwischenliegende Luft oder Dämmung unterbunden ist.

2. Eine schaltbare Wärmebrücke gemäß Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eines der Reservoire oder beide ein strahlenabsorbierender Absorber bzw. Kollektor oder ein mit einer Flüssigkeit, einem Gas oder einem Festkörper in Kontakt gebrachter Festkörper ist.

3. Ein Aufbau, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei oder mehrere Brücken in beliebiger Weise parallel oder hintereinander geschaltet sind.

4. Eine Wärmebrückenschaltung gemäß Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Festkörperkontakt durch Schieben (Fig. 1) oder Drehen (Fig. 2) eines stabilen, wärmeleitenden Körpers zustande kommt.