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Flachkollektor zur Nutzung der Sonnenstrahlung
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Die Erfindung betrifft einen Flachkollektor zur Nutzung der Sonnenstrahlung
für die çErwErmung von Brauchwasser, Schwimmbadwasser oder dgl. mit einer gegenüber
der Horizontalebene geneigt anzuordnenden, eine etwa rechteckförmige Absorberfläche
mit einer unteren Längskante und einer demgegenüber höher liegenden, oberen Längskante
aufweisenden Absorberplatte, wie er durch den Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben
ist.
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Der Flachkollektor ist in einen vom flüssigen Wärmeträger durchströmten
Flüssigkeitskreislauf einzuschalten. Wird er z.B. für die Erwärmung von Schwimmbadwasser
eingesetzt, kann er vom Schwimmbadwasser direkt durchströmt sein. Der Flüssigkeitskreislauf
kann auch eine Umwälzpumpe umfassen, auf die im Falle eines Thermosyphon-Umlaufs
verzichtet wird.
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Die Neigung der Absorberplatte gegenüber der Horizontalebene beträgt
im installierten Zustand z.B. 250 oder 600.
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Da die Absorberplatte des Flachkollektors gemäß der angegebenen Gattung
aus Kunststoff besteht, ist dieser Flachkollektor durch ein deutlich geringeres
Gewicht im Vergleich zu den bekannten Flachkollektoren mit einer metallischen Absorberplatte
ausgezeichnet. Dieser Flachkollektor kann-daher ohne Verstärkung der Dachkonstruktion
auch unter Bedeckung größerer Flächen des Daches z.B. eines Wohnhauses eingesetzt
werden.
Der die Globalstrahlung der Sonne absorbierende Flachkollektor ist im Bereich seiner
von der Sonnenstrahlung beaufschlagten Absorberfläche der Ab-sorberplatte zur Vergrößerung
der Wärmeaufnahme von Seiten des in den Absorberkanälen strömenden Wärmeträgers
regelmäßig schwarz eingefärbt.
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Es kann sich beim Flachkollektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 um einen Komplett-Kollektor handeln mit sowohl einer oberseitig der Absorberplatte
zur Verringerung von Konvektions- und Strahlungsverlusten erstreckten, vorzugsweise
selektiv beschichteten Abdeckung aus z.B. zwei transparenten Glasscheiben als auch
einer unterhalb der Absorberplatte vorgesehenen Wärmedämmschicht. Der Flachkollektor
kann aber auch ohne eine solche oberseitige Abdeckung und untere Wärmedämmschicht
allein durch die Absorberplatte gebildet sein.
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Ein bekannter Flachkollektor der fraglichen Gattung besitzt lediglich
einen in der Ebene der Absorberplatte mäanderförmig erstreckten, über einen Zufluß-
und Abflußkanal mit einem flüssigen Wärmeträger beaufschlagbaren Absorberkanal.
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Hierbei verlaufen die in Richtung der unteren und oberen Längskante
der Absorberplatte längserstreckten Kanalabschnitte des einen Absorberkanals außerdem
sämtlich genau parallel zur unteren sowie oberen Längskante der Absorberplatte.
Mithin Bild die längs erstreckten Kanalabschnitte des Absorberkanals im Falle dieses
bekannten Flachkollektors nach Installierung ausnahmslos paralii zur Horizontalebene
erstreckt. Dieser Parallelverlauf der längserstreckten Kanalabschnitte bedeutet
jedoch eine erhebliche Gefahr, daß der flüssige Wärmeträger bei Frosteinbruch allein
unter Schwerkrafteinwirkung nicht aus allen Kanalabschnitten des Absorberkanals,
insbesondere nicht aus sämtlichen längserstreckten Kanalabschnitten entfernt werden
kann.
Bleiben bei Frost aber Flüssigkeitsteilchen in den Absorberkanälen zurück, ist die
Absorberplatte im Winter von einer Zerstörung bei Einfrieren des flüssigen Wärmeträgers
nicht sicher. Dies gilt insbesondere wegen der Kunststoffausführung der Absorberplatte.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Flachkollektor
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 so weiterzubilden, daß nach seiner Installation
mit Sicherheit eine vollständige Entleerung sämtlicher Kanalabschnitte seiner Absorberplatte
allein unter Schwerkrafteinwirkung erreicht werden kann, wobei gleichzeitig eine
große Wärmeaufnahme von Seiten des durch die Kanalabschnitte der Absorberplatte
strömenden flüssigen Wärmeträgers sichergestellt ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorteilhaft unter Anwendung
des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.
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Bei Benutzung dieses Kennzeichens verlaufen die in Richtung der unteren
und oberen Längskante der Absorberplatte längserstreckten Kanalabschnitte nach dem
Einbau der Absorberplatte in deren geneigten Anordnung, z.B. nach ihrer Eingliederung
in den Dachabschnitt eines Gebäudes, nicht, wie im Falle des bekannten Flachkollektrs
der in Rede stehenden Gattung, parallel zur Horizontalebene. Vielmehr verlaufen
die einzelnen längserstreckten Kanalabschnitte gegenüber der Horizontalebene ansteigend.
Indem der einzelne längserstreckte Kanalabschnitt so auf seiner gesamten Länge eine
Steigung aufweist, befindet sich jedes im Absorberkanal befindliche Flüssigkeitsteilchen
im Absorberkanal unter Gefälle. Letzteres bedeutet, daß der einzelne Absorberkanal
und
mithin die gesamte Absorberplatte des Flachkollektors gegen ein Zurückbleiben von
Flüssigkeitsteilchen bei Entleeren der Absorberplatte unter Schwerkrafteinwirkung
geschützt ist.
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Für das Teilmerkmal des Kennzeichens von Anspruch 1, wonach im Bereich
vorzugsweise jedes Absorberkanals die beiden einander nächstliegenden, längserstreckten
Kanalabschnitte des Absorberkanals in der Plattenebene einen Neigungswinkel miteinander
einschießen, der mindestens 1,60, jedoch höchstens 200 beträgt, wobei die Winkelhalbierende
dieses Neigungswinkels zumindest angenähert parallel zur unteren Längskante der
Absorberplatte verläuft, wird in Verbindung mit dem Gattungsbegriff des Anspruchs
1 im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch selbständig Schutz beansprucht, also
auch insoweit, wie die Absorberplatte lediglich einen in der Plattenebene mäanderfOrmig
erstreckten, über einen Zuflußkanal und einen Abflußkanal mit einem flüssigen Wärmeträger
beaufschlagbaren Absorberkanal besitzt.
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Erstreckt sich der einzelne Absorberkanal in der Plattenebene mäanderförmig,
wobei dessen einander nächstliegenden, längserstreckten Kanalabschnitte in der Plattenebene,
wie angegeben, einen Neigungswinkel mit einer parallel zur unteren Längskante der
Absorberplatte verlaufenden Winkelhalbierenden miteinander einschließen, wird es
jedoch vorgezogen, daß die in der Absorberplatte vorgesehenen längserstreckten sowie
U-förmigen Kanalabschnitte in Übereinstimmung mit dem ersten, Teil des Kennzeichens
von Anspruch 1 mindestens zwei nur an ihren Enden unter Anschluß an den gemeinsamen
Zufluß- bzw. Abflußkanal miteinander flüssigkeitsführend verbundene Absorberkanäle
bilden, die Absorberplatte also wenigstens zwei mäanderförmige Absorberkanäle besitzt.
Eine solche Absorberplatte läßt nämlich
im Vergleich zu einer Absorberplatte
mit lediglich einem mäanderförmigen Absorberkanal bei gleich großer Absorberfläche
eine größere Wärmeaufnahme von Seiten des flüssigen Wärmeträgers durch Absorption
bei gleicher Durchflußmenge des flüssigen Wärmeträgers erreichen.
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Gleichzeitig ist bei Vorhandensein von zwei oder mehr Absorberkanäen
auf einer gleich großen Absorberfläche der auf der Gesamtlänge des einzelnen Absorberkanals
infolge Reibung verursachte Druckverlust geringer. Ein geringer Druckverlust hat
bei Betrieb des Flachkollektors mit Umwälzpumpe für den flüssigen Wärmeträger den
Vorteil, daß die Umwälzpumpe eine geringere Leistungszufuhr erfordert.
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Kann eine Umwälzpumpe geringerer Leistungszufuhr zur Anwendung kommen,
können aber auchdie Wandungen der Absorberkanäle leichter und mithin kostengünstiger
ausgeführt sein.
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Verlaufen in der Absorberplatte nicht ein, sondern zwei oder mehr
Absorberkanäle, so bedeutet dies außerdem eine größere effektive Wärmeaufnahmefläche
und folglich eine gleichmäßigere Verteilung des flüssigen Wärmeträgers auf der Absorberfläche.
Die gleichmäßigere Verteilung des flüssigen Wärmeträgers hat den Vorteil, daß örtliche
Überhitzungen des Kunststoffmaterials der Absor-berfläche ausgeschlossen sind.
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Zur weiteren Vergleichmäßigung der Wärmebelastung der Absorberplatte
empfiehlt es sich, daß die beiden einander nächstliegenden, längserstreckten Kanalabschnitte
jedes Absorberkanals in der Plattenebene einen Neigungswinkel miteinander derart
einschließen, daß die Winkelhalbierende des Neigungswinkels genau parallel zur unteren
Längskante der Absorberplatte verläuft. Es ist die Wärmebelastung der
Absorberplatte
weiter vergleichmäßigt, wenn jeder Absorberkanal im Längenbereich seiner längserstreckten
sowie U-förmigen Kanalabschnitte in der Plattenebene in bezug auf eine quer zur
unteren Längskante der Absorberplatte gestellte, die Absorberfläche quer durchsetzende
Ebene zumindest angenähert spiegelsymmetrisch verläuft.
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Die Wärmebelastung der Absorberfläche wird auch dadurch vergleichmäßigt,
daß die mehreren Absorberkanäle untereinander dieselbe Gesamtlänge besitzen, bei
über diese Gesamtlänge jeweils gleicher lichter Weite der Kanalabschnitte, Haben
die mehreren Absorberkanäle in dieser Art untereinander dieselbe Gesamtlänge, hat
dies vor allem auch den Vorteil, daß der Druckverlust einzelner Absorberkanäle nicht
voneinander abweicht. Hieraus ergibt sich eine gleichmäßige Beaufschlagung aller
von Seiten des gemeinsamen Zuflußkanals her durchströmten Absorberkanäle: mit flüssigem
Wärmeträger.
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Verlaufen die einander benachbarten längserstreckten Kanalabschnitte
eines einzelnen Absorberkanals in Ubereinstimmung mit der Erfindung nicht parallel
nebeneinander, können sich besondere Probleme aus der geringen Wärmeleitfähigkeit
des Werkstoffs Kunststoff ergeben. Diese geringe Wärmeleitfähigkeit kann nämlich
zur Folge haben, daß durch die bestrahlten Flächenbereiche der Absorberfläche aufgenommene
Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird, noch bevor sie zum in den Absorberkanälen
strömenden flüssigen Wärmeträger hingelangt.
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Soll auch beim erfindungsgemäßen Flachkollektor die durch die einzelnen
Flächenbereiche der Absorberfläche unter Sonnenbestrahlung aufgenommene Wärme ungeachtet
der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs optimal zur Aufheizung des flüssigen
Wärmeträgers genutzt werden, empfiehlt sich eine
solche Ausbildung
des Flachkollektors, daß sich die in der Plattenebene liegenden Verbindungsstege,
welche zwei nebeneinander verlaufenden Absorberkanälen zugehören, sich flächenmäßig
gegenseitig teilweise überdecken. So wird erreicht, daß die von der Absorberfläche
aufgenommene Wärme nur kurze Wege bis zu den flüssigkeitsdurchströmten Kanalabschnitten
der Absorberkanäle zurückzulogen braucht, womit die Gefahr von Wärmeverlusten gering
ist. Auf diese Weise erfolgt also eine optimale Ausnutzung der gesamten auftreffenden
Sonnenstrahlen.
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Es wird vorgezogen, daß die Absorberplatte im Flächenbereich der
Verbindungsstege eine gleichmäßige Plattendicke besitzt, wobei der außenseitig einer
flächenmäßigen gegenseitigen Überdeckung zweier benachbarter Absorberkanäle in der
Plattenebene gemessene äußere Abstand eines die Uberdeckung einschließenden längserstreckten
Kanalabschnitts des einen Absorberkanals sowie des diesem längserstreckten Kanalabschnitt
nächstliegenden längserstreckten Kanalabschnitt des anderen Absorberkanals kleiner
ist als die doppelte lichte Kanalweite. Bei diesem Bemessungsverhältnis von äußerem
Kanalabstand zur doppelten lichten Kanalweite ist die Ausnutzung der auf die Absorberfläche
auftreffenden Sonnenstrahlen weiter vergrößert, bei gleichmäßiger Wärmebelastung
der Absorberfläche.
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Weist die Absorberfläche ues erfindungsgemäßen Flachkollektors zwei
an den Außenseiten der Absorberfläche verlaufende, äußere Absorberkanäle und wenigstens
einen zwischen den beiden äußeren Absorberkanälen verlaufenden, inneren Absorberkanal.
auf, wird es zur besseren Ausnutzung der an den Außenseiten der Absorberplatte erstreckten
Flächenbereiche der Absorberfläche vorgezogen, daß die längserstreckten Kanalabschnitte
der beiden äußeren Absorberkanäle
kürzer als die des einen bzw.
der mehreren inneren Absorberkanäle bemessen sind. Sind neben zwei äußeren Absorberkanälen
mehrere innere Absorberkanäle vorhanden, sind die lZngserstreckten Kanalabschnitte
der mehreren inneren Absorberkanäle zwecks gleicher Wärmebelastung der einzelnen
Flächenbereiche der Absorberfläche untereinander bevorzugt gleich lang bemessen.
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Im Einzelfall ist ein Flachkollektor gemäß der Erfindung in seiner
Auslegung der geografischen Lage seines Einsatzortes sowie den örtlichen Umgebungsverhältnissen,
wie Beschattung sowie Windbeaufschlagung, anzupassen. Erweit sich im Einzelfall
z.B. eine Gesamt-Absorberfläche von 8 m2 als erforderlich, um den Wärmebedarf zu
decken, werden auf die Gesamt-Absorberfläche von 8 m2 herkömmlich zumeist mehrere
einzelne Flachkollektoren mit z.B. je einer Absorberfläche von 0,5 m2 verteilt,
wobei die mehreren Flachkollektoren über ihre Zufluß- und Abflußkanäle untereinander
flüssigkeitsführend verbunden sind. Ein solcher Einsatz von mehreren einzelnen Flachkollektoren
zur Bedeckung einer größeren Gesamt-Oberfläche stellt im Hinblick auf die Zusammenschaltung
der einzelnen Flachkollektoren einen erheblichen Erstellungs-, Montage- und Wartungsaufwand
dar, nicht zuletzt hinsichtlich der flüssigkeitsführenden Verbindungen zwischen
den einzigen Kollektoren. Es hat sich gezeigt, daß unter Anwendung von erfindungsgemäßen
Flachkollektoren anstelle von mehreren Kolliktoren kleinerer Abßorberflche xrteilhaft
ein einziger Flachkollektor mit einer entsprechend großen einheitlichen Absorberfläche
eingesetzt werden kann, für welchen insbesondere der Montage- sowie Wartungsaufwand
vergleichsweise erheblich verringert ist.
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Die Absorberplatte kann z.B. unter Spritzgießen oder Strangpressen
hergestellt sein. So kann bei der Herstellung der Absorberplatte von zwei durch
Spritzgießen gefertigten Kunststoffplatten ausgegangen sein, die im Bereich der
Verbindungsstege zwischen den Rohrkanälen thermisch miteinander verschweißt werden.
Bei der Verwendung von Polypropylen empfiehlt es sich, die Absorberplatte unter
Extrusionsblasen zu fertigen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung schematisch
dargestellten Absorberplatte eines Flachkollektors erläutert. Es zeigen: Fig. 1
die Absorberplatte in der Draufsicht, auf die Absorberfläche gesehen; Fig. 2 die
Absorberplatte der Fig. 1 in der Seitenansicht und Fig. 3, 4 den in Fig. 1 mit I-I
bezeichneten Querschnitt der Absorberplatte der Fig. 1 und 2 bei unterschiedlicher
Form der Absorberkanäle.
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Die z.B. in das Dach eines Gebäudes unter Neigung gegenüber der Horizontalebene
enzugliedernde Absorberplatte mit rechteckförmiger Absorberfläche 1 besitzt im eingebauten
Zustand eine untere Längskante 2 und eine demgegenüber höher angeordnete, obere
Längskante 3.
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Die Absorberplatte umfaßt insgesamt sechs Absorberkanäle 4, wovon
jeder in der Ebene der Absorberplatte mäanderförmig erstreckt ist. An der unteren
Längskante 2 ist ein
Zuflußkanal 5 längserstreckt, an der oberen
Längskante 3 ein Abflußkanal 6. Die Absorberkanäle 4 werden über den Zuflußkanal
5 mit einem flüssigen Wärmeträger beaufschlagt, dessen Strömungsrichtun$ mit Pfeil
Y gekennzeichnet ist. Der flüssige Wärmeträger durchströmt die Absorberplatte von
unten nach oben, um über den gmeinsamen Abflußkanal 6 im oben liegenden Endbereich
der Absorberplatte aus dieser auszutreten.
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Den insgesamt sechs Absorberkanälen 4 ist mithin ein gemeinsamer Zuflußkanal
5 sowie ein gemeinsamer Abflußkanal 6 zugeordnet. Dabei sind die Absorberkanäle
4 nur an ihren jeweiligen beiden Enden, im Bereich des Zufluß- sowie Abflußkanals
5 bzw. 6 ,flüssigkeitsführend untereinander verbunden.
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Die Absorberplatte besteht aus alterungs- sowie wärmebeständigem,UV-stabilisiertem
Polypropylen, wobei die Absorberkanäle 4 als Kunststoff-Hohlprofile auagebildet
sind, mit kreisförmigen oder auch mit quadratischem Innenquerschnitt 7 der Kanäle
4. Die unterschiedliche Ausbildung des Innenquerschnitts 7 der Absorberkanäle 4
ist in den Fig. 3 und 4 berücksichtigt. Zur Vergrößerung der Absorption der Sonnenstrahlung
ist die Absorberfläche 1 schwarz eingefärbt.
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Jeder der insgesamt sechs Absorberkanäle 4 besitzt in Richtung der
unteren und oberen Längskante 2 bzw. 3 der Absorberplatte längserstreckte Kanalabschnitte
4a sowie diese längserstreckten Kanalabschnitte 4a endseitig flüssigkeitsführend
untereinander verbindende, U-förmige Kanalabschnitte 4b. Dabei schließen die beiden
einander nächstliegenden, längserstreckten Kanalabschnitte 4a jedes Absorberkanals
4 in der Plattenebene einen Neigungswinkel i zwischen 20 und 120 derart miteinander
ein, daß die Winkelhalbierende 10 des Neigungswinkels d zumindest im mittleren Bereich
der Absorberfläche 1 jeweils parallel zur unteren Längskante 2 der Absorberplatte
verläuft.
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Abgesehen von den Außenseiten 8 der Absorberfläche 1 verläuft jeder
Absorberkanal 4 im Längenbereich seiner längserstreckten sowie U-förmigen Kanalabschnitte
4a bzw. 4b in der Plattenebene in bezug auf eine quer zur unteren Längskante 2 der
Absorberplatte gestellte, die Absorberfläche 1 quer durchsetzende Ebene spiegelsymmetrisch.
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Die insgesamt sechs Absorberkanäle 4 besitzen untereinander dieselbe
Gesamtlänge bei Uber diese Gesamtlänge jeweils gleicher lichter Kanalweite a.
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Von den insgesamt sechs Absorberkanälen 4.verläuft jeweils einer
an einer Außenseite 8 der Absorberfläche 1, wobei von den beiden äußeren Absorberkanälen
gesprochen wird.
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Zwischen diesen beiden äußeren Absorberkanälen verlaufen insgesamt
vier, als innere Absorberkanäle bezeichnete Absorberkanäle 4. Abgesehen von den
Außenseiten 8 der Absorberfläche 1 sind die längserstreckten Kanalabschnitte 4a
jedes äußeren Absorberkanals kürzer als die der inneren Absorberkanäle bemessen,
Dabei sind die längserstreckten Kanalabschnitte 4a der inneren Absorberkanäle, abgesehen
wiederum von den Außenseiten 8 der Absorberfläche 1, untereinander gleich lang.
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Die von zwei benachbarten, längserstreckten Kanalabschnitten 4a eines
Absorberkanals 4 eingeschlossenen Flächenbereiche der Absorberfläche 1 sind durch
in der Ebene der Absorberplatte liegende Verbindungsstege 9 gebildet. Die Absorberplatte
hat in den Flächenbereichen der Verbindungsstege 9 überall die gleiche Plattendicke
d, wobei auch die Wandungen der Absorberkanäle 4 jeweils die gleiche Dicke d besitzen.
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Die in der Plattenebene liegenden Verbindungsstege 9, welche jeweils
zwei nebeneinander verlaufenden Absorberkanälen 4 angehören, überdecken sich gegenseitig
teilweise flächenmäßig.
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Diese Überdeckung 9a ist aus Fig. 1 ersichtlich und dort für zwei
der inneren Absorberkanäle 4 näher verdeutlicht. Insoweit sind zwei in der Plattenebene
liegende Verbindungsstege 9, welche zwei nebeneinander verlaufenden inneren Absorberkanälen
4 zugehören, durch dünne Strichlinie unterschiedlicher Schrägstellung verdeutlicht.
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Der außenseitig einer flächenmäßigen gegenseitigen Überdeckung 9a
zweier benachbarter Absorberkanäle 4 in der Plattenebene gemessene äußere Abstand
b eines die Oberdeckung 9a einschließenden längserstreckten Kanalabschnitts 4a des
einen Absorberkanals 4 sowie des diesem längs er streckten Kanalabschnitt nächstliegenden
längserstreckten Kanalabschnitt 4a des anderen Absorberkanals 4 ist kleiner als
die doppelte lichte Kanalweite a bemessen.