Solarluftenergieabsorber

Die Erfindung betrifft eine Wärmeversorgungsvorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mit einem Solarkollektor zur Aufnahme von Son- nenenergie.

Die über die Wärmeversorgungsvorrichtung gewonnene Energie kann entweder direkt für die Beheizung von Wohn- oder Büroräumen oder

die Erwärmung von Brauchwasser genutzt werden oder indirekt über eine Wärmepumpe, durch Transformieren auf ein höheres Tempera- tumiveau.

Thermische Solarkollektoren sind in verschiedensten Ausführungsarten bekannt. Es handelt sich um flächige Systeme, welche außerhalb von Gebäuden zweckmäßig montiert oder aufgestellt die direkte Sonnenstrahlung absorbieren und die Strahlungs- und Lichtenergie in Wärme umwandeln. Die Wärme wird an rohleitungsgebundene Wärmeträger- medien übertragen und in der Regel Pufferspeichern, in der Form von größeren Wasserbehältern, zwecks Einspeicherung und Verteilung der gewonnenen Energie zugeführt.

Weiterhin sind zur Wärmegewinnung außerhalb des Gebäudes aufge- stellte Luftwärmepumpen zur Gewinnung von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft bekannt, die als Baueinheiten aus Lamellenwärmetauschern mit Ventilatoren, Kompressoren, Wasserwärmetauschern auf der Wärmeabgabeseite und Armaturen in einem Gehäuse bestehen.

Aus dem Stand der Technik ist ferner das so genannte Splitsystem bekannt, bei dem der Lamellenwärmetauscher mit Ventilator und kältetechnischen Armaturen in einem separaten Gehäuse für die Außenaufstellung untergebracht sind und der Kompressor mit den restlichen Bauteilen gesondert in einem anderen Gehäuse platziert sind. Beide Baueinheiten werden durch Rohrleitungen verbunden.

Der Lamellenwärmetauscher kann direkt von verdampfendem, latent Wärme aufnehmendem Kältemittel oder von einem sensibel Wärme aufnehmendem Trägermedium wie Wasser oder Sole durchströmt sein.

Die durch die Wärmepumpe bei niedrigen Außenlufttemperaturen aufgenommene und durch den Kompressor verdichtete Wärme wird zwecks Zwischenspeicherung und Verteilung an Pufferspeicher abgegeben oder direkt in den Baukörper, vornehmlich bei Fußbodenheiz- Systemen, übertragen.

Weiterhin sind Solarhybridkollektoren bekannt, bei denen es sich um herkömmliche thermische Flachkollektoren handelt, welche neben der Hauptfunktion Sonnenstrahlungsenergie durch flächige strah- lungsabsorbierende Elemente aufzunehmen, in der Lage sind, als Zusatzfunktion, Wärmeenergie aus der Außenluft mittels kleiner Belüftungssysteme während der einstrahlungsarmen Betriebszeiten über die Absorberflächen und das herkömmlich vorhandene hydraulische Wärmetransportsystem aufzunehmen.

Bei den bekannten solarthermischen Wärmeversorgungsvorrichtungen sind naturbedingt die Nutzzeiten in denen Wärme aus direkter Sonnenstrahlung gewonnen werden kann, aufgrund der systembedingt hohen benötigten Vorlauftemperaturen für Brauchwasserbereitungsan- lagen (>55 ⁰ C) oder Raumheizungsanlagen (>40° C), nicht ausreichend für einen autarken Wärmeversorgungsbetrieb. Um bei diesen herkömmlichen, direkten Verfahren Nutzwärme gewinnen zu können, müssen die Temperaturen der so genannten Wärmequelle (Solarkollektor) über denen der Nutztemperaturen liegen.

über bekannte Pufferspeicher wird die hoch temperiert gewonnene, solare Energie zwischengespeichert, um die Versorgungszeit auf die einstrahlungsarmen Tageszeiten zu erweitern. Da große Langzeitspeicheranlagen sehr aufwendig wären und die baulichen und räumlichen Vorraussetzungen nicht gegeben sind, wird bei der War-

meenergieversorgung in Mitteleuropa nur ein Deckungsgrad bis ca. 30% erzielt.

Bei den bekannten Luftwärmepumpensystemen wird Wärmeenergie aus der Umgebungsluft bei Temperaturen unter denen der Nutztemperatur über die Lamellenwärmetauscher aufgenommen und mit Hilfe des Kompressors auf höhere Temperaturniveaus gebracht, die den Wärmefluss auf das Nutztemperaturniveau ermöglichen. Der Hauptnachteil von Wärmepumpensystemen ist der relativ hohe Verbrauch von teurer Hochenergie, in der Regel Elektroenergie, für den Antrieb des Kompressors. Die Menge der benötigten Antriebsenergie beträgt in der Regel zwischen 20% und 40% der Gesamtmenge der abgegebenen Wärmemenge. Herkömmliche Luftwärmepumpen für Heizungsanwendungen sind rein konstruktiv gemäß dem Stand der Technik nicht in der Lage, Quellentemperaturen über 1O ⁰ C sinnvoll zu nutzen. Bereits in dem Fall, dass die Quellentemperaturen über 10° C steigen, wird der Wärmeaufnahmeprozess analog dahingehend ausgeregelt, dass die Fläche des als Verdampfer fungierenden Lamellentauschers nur noch teilweise genutzt wird, da die einfließenden Wärmemengen nicht mehr komprimiert und ausreichend auf andere Systeme abgegeben werden können. Ein Wärmeüberangebot im Wärmepumpenkreislauf führt zu einer Sicherheitsabschaltung, um eine Selbstzerstörung zu vermeiden. Somit wird selbstregelnd das Temperaturniveau der Wärmeaufnahme gesenkt und nur eine verminderte Luftmenge überpro- portional abgekühlt um eine Nutzung zu erreichen. Sehr deutlich wird dies bei höheren Lufttemperaturen, Beispiel: Lufttemperatur 25° C → technisch notwendige Abkühlung auf 10°C → Verdichten auf 55 ⁰ C für Brauchwassererwärmung. Das bedeutet, obwohl nur eine ursprüngliche Temperaturdifferenz von 30K zu überwinden war, sind es über den herkömmlichen Wärmepumpenprozess gemäß Beispiel 45K. Der Anteil der aufzubringenden Antriebsenergie ist proportional zu der zu

überwindenden Temperaturdifferenz. Im gegebenen Beispiel wird aus konstruktiven Gründen ein 30% höherer Antriebsstrom benötigt, um eine konstante Wärmemenge von 25° C auf 55° C zu transformieren, als es bei einem auf diese Bedingungen ausgelegten System.

Die oben beschriebenen thermischen Hybridkollektoren sind in der Hauptfunktion herkömmliche thermische Solarkollektoren mit den beschriebenen Nachteilen. Die Wirksamkeit der Zusatzfunktion, der Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft, ist relativ gering, so dass auch Hybridkollektoren in tages- und jahreszeitlich einstrahlungsarmen Zeiten nicht wärmebedarfsdeckend arbeiten können, es sei denn, es werden unverhältnismäßig große Flächen installiert, was an wirtschaftliche und oftmals an architektonische oder bauliche Grenzen stößt.

Es ist daher die A u f g a b e der Erfindung, eine kompakt bauende Wärmeversorgungsvorrichtung anzugeben, die die tages- und jahreszeitlich unterschiedlichen Verwertungspotentiale sowohl von direkter Sonnenenergie als auch Außenluftenergie nutzt und eine weitgehend gleich bleibende Wärmeversorgung gewährleistet.

Zur L ö s u n g dieser Aufgabe wird bei einer Wärmeversorgungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine in baulicher Einheit mit dem Solarkollektor verbundene Luftwärmepumpe zur Aufnahme von Wär- meenergie aus der Umgebungsluft vorgeschlagen.

Durch die Kombination thermischer Solarkollektoren mit Luftwärmepumpen ergeben sich kompakt bauende, effiziente Wärmeversorgungsvorrichtungen. Durch die Kombination beider Systeme lässt sich die Stärke von thermischen Solaranlagen, nämlich die Möglichkeit der direkten Nutzung von Sonnenenergie unter Einsatz von relativ gerin-

gen Mengen Antriebsenergie (Antrieb von Pumpen), und die Stärke von Luftwärmepumpensystemen, nämlich die Möglichkeit der Gewinnung von Wärmeenergie in strahlungsarmen Zeiten und bei niedrigen Aus- sentemperaturen, synergetisch vereinen. Tages- und jahreszeitlich unterschiedliche Verwertungspotentiale von direkter Sonnenenergie und Außenluftenergie werden effizient genutzt.

In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass der Solarkollektor einen oberen Deckabschluss des Gehäuses der Luft- Wärmepumpe bildet, wodurch sich ein nach oben hin regendichter Abschluss der Wärmeversorgungsvorrichtung ergibt und insbesondere ein elektrisch betriebener Ventilator des Lamellenluftwärmetauschers der Luftwärmepumpe überdacht und vor äußeren Verunreinigungen geschützt ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Solarkollektor einen nach oben abgeschlossenen Luftraum umhüllt. In diesem Luftraum kann sich durch die Sonneneinstrahlung erwärmte Luft sammeln, deren Energie nutzbar gemacht werden kann.

Weiter wird vorgeschlagen, dass der Solarkollektor ein integraler Bestandteil des Gehäuses der Luftwärmepumpe ist oder lösbar mit dem Gehäuse der Luftwärmepumpe verbunden ist.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Wärmeversorgungsvorrichtung wärmeträgerfluidführende Rohrleitungen zur Weiterleitung der von dem Solarkollektor aufgenommenen Wärme aufweist, insbesondere für wässrige Lösungen, Glykol usw. über die Rohrleitungen kann die Wärme von der im Freien installierten Wärmeversorgungsvorrichtung durch Anschluss an weitere Rohrleitungen in das Gebäude bzw. in einen Pufferspeicher innerhalb des Gebäudes weitergeleitet werden.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn der Solarkollektor eine Absorberfläche aufweist und die Rohrleitungen unterhalb der Absorberfläche verlaufen oder als integraler Bestandteil der Absorberflä- che ausgebildet sind, wodurch sich ein günstiger Wärmeübergang von der Absorberfläche auf das Wärmeträgerfluid ergibt.

Mit einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass oberhalb der Absorberfläche eine die Außenhaut des Solarkollektors bildende Fläche aus optisch transparentem Material vorgesehen ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher der Luftwärmepumpe Lamellen aufweist und der Solarkollektor derart in die Lamellen des Wärmetauschers eingebettet ist, dass die Oberflächen der Lamellen die Absorberflächen des Solarkollektors bilden. In die Lamellen der Luftwärmepumpe sind auch die Verdampferrohre der Luftwärmepumpe eingebettet. Bei einer solchen Ausgestaltung ergibt sich eine Verschmelzung des Solarkollektors mit dem Luftwärmetauscher. Die Lamellen des Luftwärmetauschers, die insbesondere in schwarzer Farbe gehalten sind, dienen nicht nur zur Aufnahme der Energie der diese überströmenden Luft, sondern gleichzeitig auch zur Absorption der auf sie treffenden Sonnenstrahlen und damit zur Aufnahme solarer Energie. Die Lamellen können daher wahlweise entweder nur als solare Absorptionsflächen, nur als überströmungslamellen, oder im kom- binierten Betrieb als eine Kombination von beiden betrieben werden. Es müssen nicht alle Lamellen als solare Absorptionsflächen dienen. In Abhängigkeit des Einstrahlwinkels der Sonne ist es möglich, dass bestimmte Lamellen oder Lamellenbereiche nicht der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die wärmeträgerflu- idführenden Rohrleitungen des Solarkollektors durch die Lamellen des Luftwärmetauschers, insbesondere quer zu deren Fläche, verlaufen.

Ferner ist vorgesehen, dass die Luftwärmepumpe Rohrleitungen eines Kältemittelkreises einer Wärmepumpe aufweist, die durch die Lamellen der Luftwärmepumpe, insbesondere quer zu deren Fläche, verlaufen. Diese Rohrleitungen bilden die Verdampferrohre des Wärmepumpenprozesses.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Rohrleitungen parallel zueinander verlaufen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Lamellen der Luftwär- mepumpe von einer transparenten Haube umgeben sind. Auf diese Weise werden grobe, die Wärmeaufnahme behindernde Verunreinigungen etwa Laub, Papier und ähnliche Verunreinigungen von den Lamellen ferngehalten. Die transparente Haube hat zudem eine wichtige mechanische Schutzfunktion, z.B. gegen Vandalismus, und erfüllt die durch Normen und Gesetze (Maschinenrichtlinie, CE) geregelten Fordrungen. Gleichzeitig tritt die Sonnenstrahlung durch die Haube auf die als Absorberflächen dienenden Lamellenoberflächen.

Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang eine luftströmungstechnisch vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher die Haube einen Abstand gegenüber den Lamellen aufweist, wodurch ein sich unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung nach Art eines Treibhauses aufheizender Zwischenraum entsteht. Die sich in diesem Zwischenraum ansammelnde Wärme wird über die Oberflächen des Lamellenwärmetauschers und über die in den Lamellenpaketen verlaufenden Rohrleitungen ebenfalls nutzbar gemacht. Bei Stillstandzeiten und außerhalb der generei-

len Betriebszeiten der Luftwärmepumpe entwickeln sich ähnlich hoch temperierte, direkt nutzbare Wärmemengen wie bei bekannten Solarkollektoren.

In konstruktiver Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Luftwärmepumpe einen Lufteintritt zum Eintritt von Umgebungsluft aufweist, der schlitz- oder gitterförmig ist, so dass grobe Verunreinigungen wie Laub oder Papier nicht in das Innere der Wärmeversorgungsvorrichtung eintreten können. Optional wird vorgeschlagen, den Lufteintritt schließbar zu gestalten. Bei Stillstand der Wärmepumpe kann der Lufteintritt geschlossen werden, wodurch ein wirksamer Wärmestau im Inneren der Wärmeversorgungsvorrichtung erreicht wird. Von der Schließung des Lufteintritts könnte weiterhin beim Abtauprozess des Lamellenverdampfers Gebrauch gemacht werden, was in diesem Fall ebenfalls einen Wärmestau verursacht und dadurch den Abtauprozess beschleunigt sowie bei größeren Windstärken überhaupt erst möglich macht. Die beim Abtauen eingesetzte an die Umgebungsluft abgegebene Wärme (Abtauverlustwärme) würde bei Wiedereinsetzen der normalen Wärmepumpenfunktion weitestgehend wieder zurück ge- wonnen werden, da sie von der Außenluft nicht abgeführt werden kann.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die nicht zum Wärmepumpenprozess gehörenden Rohrleitungen einen geschlossenen Kreislauf bilden, dem über einen Wärmetauscher Wärme entziehbar ist. Der Kreislauf führt Wärmeträgerfluid, beispielsweise Glykol, welches am Solarkollektor durch Wärmeübergang von dessen Absorberfläche erwärmt, anschließend dem Wärmetauscher zugeführt, dort abgekühlt und anschließend zur erneuten Erwärmung in den Solarkollektor geführt wird. Die im Wärmetauscher abgegebene Wärme kann zur Beheizung des Gebäudes

nutzbar gemacht werden, beispielsweise durch Einlagerung in einem Pufferspeicher.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher Umstellmittel vorgese- hen sind, über welche der Wärmetauscher bei bestimmten Umweltbedingungen aus dem Kreislauf herausschaltbar ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die an den Absorberflächen anliegende Solartemperatur unter ein Niveau von etwa 40° C fällt, da in diesem Fall die Temperatur des Wärmeträgerfluids für eine direkte Einlagerung in dem höher temperierten Pufferspeicher zu gering wäre.

Weiterhin ist vorgesehen, dass Umstellmittel vorgesehen sind, mittels welcher der Kreislauf mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe über einen Wärmetauscher koppelbar ist. Auf diese Weise ist es bei bestimmten Umweltbedingungen, etwa niedrigen solaren Temperaturen wie auch niedrigeren Temperaturen der Umgebungsluft möglich, die am Solarkollektor aufgenommene Energie trotz ihres niedrigen Temperaturniveaus gleichwohl zur Beheizung des Gebäudes zu nutzen. Die Wärme wird über einen entsprechenden Wärmetauscher in den Kältemittelkreislauf der Luftwärmepumpe eingespeist, wo sie über einen Verdichter auf das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs der Luftwärmepumpe übertragen wird und dort mittels eines Kompressors auf ein höheres Temperaturniveau überführt wird.

Schließlich wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Lufttemperatursensor, ein Solartemperatursensor und ein Speicherniveausensor vorgesehen sind, die mit einer Steuereinheit verbunden sind, welche in Abhängigkeit der erfassten Temperaturen eine Umstellung der Umstellmittel bewirkt, wodurch sich eine automatische Anpassung der Wärmeversorgungsvorrichtung an die gegebenen Umweltbedingungen und den Wärmebedarf im Pufferspeicher einstellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile einer erfindungsgemäßen Wärmeversorgungsvorrichtung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten, schematischen Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeversorgungsvorrichtung,

Fig. 2 drei geometrisch verschiedene Ausführungsformen von Solarkollektoren,

Fig. 3 drei geometrisch verschiedene Ausführungen von Luftwärmepumpen,

Fig. 4a eine weitere Ausführung einer Wärmeversorgungsvorrichtung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4b eine der Fig. 4a entsprechende Darstellung mit Ausbrüchen zu Veranschaulichung des inneren Aufbaus der Wärmeversorgungsvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführung einer Wärmeversorgungsvorrichtung in seitlicher Darstellung,

Fig. 6 eine Schnittansicht durch die Wärmeversorgungsvorrichtung gemäß Fig. 4a, b oder Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Schnittdarstellung durch eine Wärmeversor- gungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung,

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht einer Wärmeversorgungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung,

Fig. 9 eine Schnittansicht der Wärmeversorgungsvorrichtung gemäß Fig. 8 und

Fig. 10 eine schaltplanmäßige übersichtsdarstellung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeversorgungsvorrichtung 100, bei welcher eine Außenluftwärmepumpe 1 in Kompaktausführung bzw. der Außenteil einer Luftwärmepumpe in Splitausführung mit einem Solarkollektor 2 in einer Baueinheit kombiniert sind. Der Begriff Luftwärmepumpe ist daher im Folgenden so zu verstehen, dass sowohl eine vollständige Luftwärmepumpe wie auch der Außenteil einer Luftwärmepumpe in Splitausführung umfasst sind.

Die Luftwärmepumpe 1 weist einen Lamellenluftwärmetauscher 1a, einen Ventilator 1b, sowie weitere in Fig. 1 nicht dargestellte Komponenten, wie Armaturen, ein Gehäuse usw. auf. Oberhalb der Luftwär- mepumpe 1 ist ein in etwa halbkugelförmig gestalteter Solarkollektor 2 zu erkennen, der als oberer Deckabschluss des Wärmepumpengehäuses der Luftwärmepumpe 1 gestaltet ist und auch als Schutzdach für den sich darunter befindlichen Ventilator 1b des Luftwärmepumpe 1 dient. Der auf der Wärmepumpe 1 installierte Solarkollektor 2 kann als integraler, d.h. einstückiger, Bestandteil des Wärmepumpengehäuses ausgebildet oder kann lösbar an dem Wärmepumpengehäuse montiert sein.

Der Solarkollektor 2 weist eine Absorberfläche 2a sowie mehrere spi- ral- bzw. wendeiförmig verlaufende Rohrleitungen 2b auf, die entweder innerhalb der Absorberfläche 2a oder in Strahlungsrichtung be-

trachtet unterhalb der Absorberfläche 2a angeordnet sind und zur Weiterleitung der aus der direkten Strahlung oder aus der Außenluft aufgenommenen Wärmeenergie dienen. Die Rohrleitungen 2b sind Teil eines ein Wärmeträgerfluid, etwa Glykol, führenden Kreislaufs K _F , was im Folgenden anhand der Darstellung in Fig. 10 noch näher erläutert werden wird.

Die Solarenergieaufnahmefläche 2a kann auch direkt als wärmeträger- führendes Element ausgeführt sein. über der energieabsorbierenden Fläche 2a ist eine licht- und strahlungsdurchlässige Haube oder Platte möglichst luftundurchlässig montiert, so dass sich unterhalb der Haube ansammelnde, warme Luft nicht nach oben entweichen kann.

Die Ausführung der Wärmeträgerleitungen bzw. der Rohrleitungen 2b ist entweder gemäß den Anforderungen für wässrige Solarflüssigkeiten und/oder für Kältemittel als Verdampferrohre.

Bei der Ausführung in Fig. 1 weist die Wärmeversorgungsvorrichtung 100 einen Luftwärmetauscher 1 in Zylinderbauform unterhalb des als halbkugelförmige Abdeckung gestalteten Solarkollektors 2 auf. Der als zylinderförmiger Unterbau gestaltete Luftwärmetauscher 1 setzt sich neben Chassis und Gehäusebauteilen aus dem außen, walzenförmig angeordneten Lamellenluftwärmetauscher 1a, dem Ventilator 1b, sowie eventuell anderen technischen Bauteilen im Inneren zusammen. Die Luftwärmepumpe 1 zeichnet sich durch eine, durch die Lamellen gebildete, sehr große Wärmeaustauschfläche aus, die sich radial vom Zentrum des zylindrischen Luftwärmetauschers 1a aus oder in zueinander paralleler Ausrichtung erstrecken können. Da der Wärmeenergiegehalt der Luft relativ gering ist, sind große Flächen erforderlich, die von der Außenluft überströmt werden, um technisch sinnvolle Wärmegewinne für die Wohnraumheizung und Brauchwasserbereitung

zu ermöglichen. Die Luft wird zum Zwecke des genannten Wärmegewinnes in der Regel mit einem oder mehreren Ventilatoren 1b mechanisch über den Lamelleluftwärmetauscher 1a befördert und von diesem abgekühlt. Die Abkühlung der Luft über die Lamellentauscher 1a geschieht durch die Verdampfung eines siedenden Kältemittels in den Rohleitungen desselben, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Ebenso kann der gleiche Effekt durch die Führung eines unter die Temperatur der Außenluft abgekühlten wässrigen Wärmetransportmediums in den Rohrleitungen des Lamellentauschers 1b erreicht werden. Die gewon- nene Wärme wird, wie bereits beschrieben, mit Hilfe eines Verdichters auf ein nutzbringendes, höheres Temperaturniveau gebracht.

Der halbkugelförmige Aufsatz ist technisch ähnlich aufgebaut wie ein herkömmlicher Solarflachkollektor. Die formgebende Außenhaut be- steht aus lichtdurchlässigem Material wie z.B. Glas, Plexiglas oder Ac- rylglas. Unterhalb der Außenhaut ist im luftabgeschlossenen Raum die eigentliche Absorberfläche 2a für die Aufnahme der Strahlungsenergie der Sonne in einem bestimmten Abstand angeordnet. Die Absorberfläche 2a ist zumeist farblich in Schwarztönen gehalten und be- steht aus Material welches die Aufnahme der Energie fördert. Unterhalb oder als integraler Bestandteil der Absorberfläche 2a ist ein Rohrleitungssystem 2b fest mit der Absorberfläche 2a verbunden. In den Rohrleitungen 2b bewegt sich ein Wärmetransortmedium welches der Absorberfläche 2a die Wärme entzieht. Das Wärmetransportmedium ist bei herkömmlichen Solarkollektoren in der Regel eine wässrige Salzlösung oder ein Wassergemisch welches mit Gefrierschutzmittel angereichert ist. Die aufgenommene Wärme wird durch den Wärmeträger an andere Bauteile, z.B. Pufferspeicher, mittels eines hydraulischen Systems weitergeleitet. Daraus folgt, dass das Temperaturni- veau des Wärmeträgers höher sein muss, als die Temperatur des Speicherwassers des eventuellen Pufferspeichers, als Empfänger der War-

meenergie, um nach den physikalischen Gesetzen Wärme zu nutzen. Das bedeutet, dass bei herkömmlichen Solarkollektoren nur Wärmemengen mit Temperaturen in der Regel mehrheitlich deutlich über 45 ⁰ C genutzt werden können.

Die hier beschriebene Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass neben der herkömmlichen direkten Nutzung der Solarenergie auch die durch den Solarkollektor gewonnene Wärme unter einer Temperatur von 45 ⁰ C genutzt werden kann. Dies geschieht durch die Transformierung der durch den Solarkollektor aufgenommenen Wärmeenergie mit Hilfe des Wärmepumpenprozesses nach den bekannten thermodynamischen Prinzipien auf ein höheres Temperaturniveau. Die genannten Rohrleitungen 2b können wie herkömmlich wässrige Gemische oder Lösungen oder verdampfendes Kältemittel des Wärmepumpenprozesses direkt führen. Letzteres erhöht den Wirkungsgrad des Wärmepumpenprozesses deutlich. Es ist gemäß der Erfindung möglich, dass die Absorberfläche 2a mit einem hybriden Rohrsystem ausgestattet ist, wobei ein hydraulisches Rohrsystem und ein Kältemittelsystem entsprechend des Carnot- Prozesses oder als Wärmerohrsystem (Heatpipe) gepaart sein können.

Die anhand der Ausführung in Fig. 1 beschriebenen Geometrien sind nicht obligatorisch. Fig. 2 zeigt mögliche geometrische Abwandlungen des Solarkollektors 2, der gemäß Variante v2a zylindrisch, gemäß Va- riante v2b kegelförmig und gemäß Variante v2ac kubisch ausgeführt sein kann. Fig. 3 zeigt mögliche geometrische Abwandlungen der Luftwärmepumpe 1, die gemäß Variante via kubisch mit einer V- förmigen Anordnung der Lamellen, gemäß den Varianten v1b und v1c kubisch mit vertikal angeordneten Lamellen ausgeführt sein kann, wo- bei jeweils ein oder mehrere Ventilatoren 1b vorgesehen sein können.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fign. 4a, b dargestellt. Im Gegensatz zu der ersten Ausführung gemäß den Figuren 1 bis 3, bei welcher der Solarkollektor 2 und die Luftwärmepumpe 1 funktionell voneinander getrennt sind, sind bei der Ausführung ge- maß Fign. 4a,b beide Bauteile zu einer funktionellen Einheit miteinander verschmolzen. Zu erkennen ist, dass die Lamellen des Lamellen- luftwärmetauschers 1a gleichzeitig eine Absorberfläche 2a des Solarkollektors 2 bilden. Wie insbesondere auch die Schnittdarstellung in Fig. 6 erkennen lässt, bilden die Oberflächen der Lamellen 9 die Ab- sorberflächen 2a zur Aufnahme der Sonnenenergie. Aus diesem Grund sind die Lamellen 9 in Schwarztönen gehalten, um eine möglichst effiziente Absorption der Sonnenstrahlung zu erreichen. Die durch die Absorption der Sonnenstrahlung aufgenommene Wärme wird auf die das Wärmeträgerfluid führende Rohrleitung 2b des Solarkollektors 2, welche sich durch die Lamellen 9 hindurch erstreckt, übertragen und abgeführt. Gleichzeitig wird die durch das Umströmen der Lamellen 9 mit Umgebungsluft auf diese übertragene Wärmeenergie auf das Wärmeträgerfluid der Rohrleitung 2b übertragen. Bei diesem Wärmeträgerfluid handelt es sich um eine wässrige Salzlösung bzw. ein Wasser- gemisch.

Zusätzlich zu den Rohrleitungen 2b sind in die Lamellen 9 auch die Rohrleitungen 2c des für den Betrieb der Luftwärmepumpe 1 erforderlichen Kältemittelkreislaufs enthalten, in welchen ein bei niedrigen Temperaturen siedendes Kältemittel geführt wird. Die Rohrleitungen 2b und 2c verlaufen zueinander parallel und treten senkrecht durch die Oberflächen der Lamellen 9 hindurch. Die Lamellen 9 sind von länglicher Form in strahlenförmiger Ausrichtung etwa ringförmig angeordnet, so dass sich ein insgesamt hohlzylindrisches Gebilde ergibt, in dessen Zentrum der Ventilator 1 b angeordnet ist.

Im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 1, bei welcher der Ventilator 1 b oberhalb der Lamellen angeordnet ist und die Luft von oben nach unten durch Erzeugung eines überdrucks über die Lamellen gefördert wird, erzeugt der Ventilator 1b bei der Ausführung gemäß Fig. 4 einen Unterdruck, über welchen die Umgebungsluft über die Lamellen 9 gefördert wird.

Insgesamt ergibt sich ein sowohl solare Energie wie auch Energie aus der Umgebungsluft absorbierendes Element, im Prinzip ein Solar-Luft- Energieabsorber.

In Fig. 4b ist ferner der Kompressor 7 zu erkennen, über welchen das in den Rohrleitungen 2c geführte Kältemittel verdichtet und damit in einem Wärmepumpenprozess auf ein höheres Temperaturniveau trans- formiert werden kann.

In den Fign. 4a,b ferner dargestellt ist eine Haube 3 aus transparentem Material, beispielsweise Glas, Plexiglas oder ähnlichen Materialien, die über den Solarkollektor 2 bzw. die Lamellen 9 der Luftwär- mepumpe 1 gestülpt ist. Die Haube 3 weist einen Abstand a gegenüber den Lamellen 9 auf, so dass ein ringförmiger Zwischenraum 4 entsteht, der sich unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung nach Art eines Treibhauses aufheizt. Die in dem Zwischenraum zur Verfügung stehende Luftwärme geht über die Lamellen 9 und im Bereich zwischen den Lamellen 9 direkt auf die Rohrleitungen 2b und 2c und damit auf die in diesen geführten Medien über.

Seitlich am Gehäuse ist ein Lufteintritt 5 vorgesehen, über welchen Luft aus der Umgebung in das Innere der Haube 3 eintritt und auf- grund des durch den Ventilator 1b erzeugten Unterdrucks über die Oberfläche der Lamellen 9 geführt wird. Um eine effiziente überströ-

mung der Lamellen zu erreichen, ist in Einströmrichtung betrachtet hinter dem Lufteintritt 5 eine Umlenkplatte 18 vorgesehen, welche die eintretende Luft zunächst tangential in den Ringraum 4 umlenkt, von wo aus sie dann entsprechend dem im Zentrum der Anordnung über den Ventilator 1b generierten Unterdruck radial ein- und abwärts entlang der Oberfläche der Lamellen 9 gefördert wird, vgl. Fig. 6.

Alternativ ist es auch möglich, mehrere über den Umfang der Wärmeversorgungsvorrichtung verteilte Lufteinlässe 5 vorzusehen, wie bei- spielsweise Fig. 7 eine symmetrische Anordnung zweier, sich gegenüberliegender Lufteintritte 5 zeigt.

Wie die Figuren in Fig. 5 und 6 zeigen, ist der Lufteintritt 5 mit rollo- bzw. jalousieartigen Schließelementen 10 versehen, über welche der Lufteintritt 5 geschlossen werden kann. Grundsätzlich ist die Anordnung von Schließelementen funktionstechnisch nicht erforderlich, verbessert aber das Betriebsverhalten. Der Lufteintritt 5 sollte jedoch zumindest mit einem Wetterschutzgitter versehen sein. Der im unteren Bereich der Wärmeversorgungsvorrichtung vorgesehene Luftaus- tritt 11 mit Lamellenelementen als Wetterschutz ausgeführt. Gemäß der Ausführung in den Fign. 4a, b kann alternativ ein , Gitter vorgesehen sein. Um den Wartungsaufwand zu minimieren, kann der Luftaustritt mit Schließelementen 10 versehen sein. Während der Stillstandphasen der Wärmepumpe wird so der Eintritt von Verunreinigungen, Ungeziefer und Staub verhindert. Ferner kann der Lufteintritt 5 mit einem Maschengitter als Filterelement gegen grobe im Ansaugluftstrom mitgeführte Verunreinigungen versehen sein.

Bei den Ausführungen gemäß den Fign. 4a, 4b und 5 ist der Solarkol- lektor 2 nicht nur im Bereich der Lamellen 9 des Luftwärmetauschers 1 angeordnet, sondern die solare Absorptionsfläche ist durch einen

halbkugelförmigen Solarkollektorbereich 19, der wiederum ähnlich zu der Darstellung in Fig. 1 einen oberen Deckabschluss des Gehäuses 24 der Luftwärmepumpe 1 bildet, erweitert. Die durch die Lamellen 9 verlaufenden Rohrleitungen 2b sind mit den Rohrleitungen 2b des So- larkollektorbereichs 19 durchflussverbunden. Durch das Vorsehen des Bereichs 19 ergibt sich unterhalb der in diesem Bereich vorgesehenen Rohrleitungen 2b ein Luftraum 8, in welchem sich von der Sonne erwärmte Umgebungsluft sammeln kann.

In den Figuren 8 und 9 ist eine Ausführung dargestellt, bei welcher nicht nur ein Ventilator 1b, sondern mehrere übereinander liegende Ventilatoren 1b die Umgebungsluft über die Lamellen 9 befördern.

Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Wärmeversorgungsvorrich- tung 100 wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der schaubildichen ü- bersichtsdarstellung in Fig. 10 erläutert.

Wie Fig. 10 im linken Teil zu entnehmen ist, bilden die das wässrige Wärmeträgerfluid führenden Rohrleitungen 2b einen geschlossenen Kreislauf K _F . Der Kreislauf KF führt in der in den Figuren 4 bis 9 dargestellten Weise, die in Fig. 10 aus Gründen der übersichtlichkeit vereinfacht dargestellt ist, durch die Lamellen 9 und den Absorberabschnitt 19 angetrieben über eine Pumpe 20 zu einem Wärmetauscher 12. Bei dem Wärmetauscher 12 handelt es sich um einen Mehrfach- Wärmetauscher, beispielsweise einen Mehrfachplattenwärmetauscher. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 12 gibt das Wärmeträgerfluid seine Wärme an einen Nutzwasserkreislauf KN ab, über welchen die Wärme dann getrieben über eine Pumpe 22 einem Pufferspeicher 21 zugeführt wird, von welchem aus die Wärme zum Beheizen des Ge- bäudes oder zur Erwärmung von Brauchwasser zur Verfügung steht.

Nach Durchlaufen des Wärmetauschers 12 gelangt das danach abgekühlte Wärmeträgerfluid zurück in die Wärmeversorgungsvorrichtung 100 und durchläuft die Lamellen 9 sowie den Absorberabschnitt 19 erneut.

Die vorstehend beschriebene Betriebsweise kommt immer dann zum Einsatz, wenn die über die Sonneneinstrahlung aufgenommene Wärme auf einem Temperaturniveau liegt, welches zur Einspeisung in den Pufferspeicher 21 ausreicht. Diese Temperatur kann beispielsweise bei 40°C angenommen werden. Fällt die an den solaren Absorptionsflächen anliegende Temperatur unter den Wert von beispielsweise 40° C, liegt die Temperatur unter jener des Pufferspeichers 21, so dass es nicht möglich ist, die über den Solarkreislauf KF aufgenommene Wärme direkt in diesen einzuspeisen.

Für den Fall, dass die Temperatur an der Absorberfläche unter einen von der Regelungstechnik ermittelten kritischen Wert fällt, sind daher Umstellmittel 13 vorgesehen, die den Verlauf des in den Rohrleitungen 2b geführten Wärmeträgerfluids derart umlenken, dass dieses nicht mehr durch den Wärmetauscher 12 geführt wird. Die Umlenkung des Wärmeträgerfluidstroms in den Rohrleitungen 2b unterhalb einer solaren Temperatur von beispielsweise 40 ⁰ C kann in Abhängigkeit der Temperatur der Umgebungsluft auf verschiedene Weisen erfolgen, was nachfolgend erläutert werden wird.

In einem relativ hohen Temperaturbereich der Umgebungsluft von z.B. 7 bis 20° C und nicht ausreichender Temperatur an der Absorberfläche wird durch das beim Ausführungsbeispiel als Dreiwegeventil gestaltete Umstellmittel 13 der Durchfluss zum Wärmetauscher 12 gesperrt, und das Wärmeträgerfluid in Richtung der gestrichelten Pfeile direkt durch die Wärmeversorgungsvorrichtung 100 bzw. die Lamellen 9 sowie den

Solarkollektorbereich 19 geleitet. Bei dieser Betriebsweise bilden die Leitungen 2b des Solarkreislaufs KF und die Leitungen 2c des ein Kältemittel führenden Luftwärmepumpenkreislaufs K _κ untereinander eine Art Wärmetauscher. Das in den Rohrleitungen 2b strömende Wär- meträgerfluid nimmt insbesondere im Bereich des Kollektorabschnitts 19, in welchem sich bei Sonneneinstrahlung erwärmte Umgebungsluft staut, über die in diesem Bereich verlaufenden Abschnitte der Rohre 2b Wärme auf. Die dort aufgenommene Wärme wird dann beim Durchlaufen der Lamellen 9 über die Lamellen 9 dem Kältemittelkreislauf K _κ der Luftwärmepumpe 1 zugeführt.

Bei noch niedrigeren Temperaturen der Umgebungsluft im Bereich von z.B. - 2 bis 7°C wird über das Umstellelement 13 der Fluss des Wär- meträgerfluids in den Rohrleitungen 2b entsprechend des in Fig. 10 punktiert dargestellten Verlaufs umgelenkt. Dabei wird die in der Wärmeversorgungsvorrichtung 100 aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher 17 dem Kältemittelkreislauf KK zugeführt. Diese Betriebsweise kommt auch bei Wärmeversorgungsvorrichtungen 100 mit offen liegenden und damit dem Wind ausgesetzten Lamellen in Be- tracht.

Bei Umgebungslufttemperaturen im Bereich von z.B. - 2 bis 20 ⁰ C wird Luft über die Lamellen 9 des Luftwärmetauschers gefördert. Hierdurch wird Wärmeenergie in den Kältemittelkreislauf K _κ eingebracht, die in Abhängigkeit der solaren Temperaturen, wie vorstehend beschrieben, über den solaren Kreislauf K _F ergänzt werden kann. Bei dem Kreislauf K _κ handelt es sich um einen Wärmepumpenkreislauf, bei dem ein Kältemittel in den Rohrleitungsabschnitten der Lamellen 9 beim überströmen der Umgebungsluft verdampft bzw. siedet, anschließend über einen Kompressor 23 verdichtet und damit auf höhere Temperaturen

gebracht wird, die dann zur Aufladung des Pufferspeichers 21 über den Wärmetauscher 12 ausreichen.

Die Umschaltung des Umstellmittels 13 erfolgt vollautomatisch, wozu Solartemperatursensoren 14 die Temperatur an den die solare Strahlung absorbierenden Flächen des Solarkollektors 2 ermitteln und Lufttemperatursensoren 15 zur Erfassung der Umgebungslufttemperatur über ein Steuerelement 16 mit dem Umstellmittel 13 wirkverbunden sind. Weiterhin wird von der Regelungstechnik als Kriterium für die Auslösung einer Umschaltung das Energieniveau im Pufferspeicher ü- berwacht. Sekundär werden eine Reihe weiterer Messdaten permanent ausgewertet um stets einen wirtschaftlich günstigen Betriebsmodus einzustellen.

Die erfindungsgemäße Anordnung der verschiedenen Systembauteile ermöglicht eine gute Ausnutzung des naturgemäßen Potentials direkter Sonnenstrahlungsenergie und Außenluftenergie in einer kompakt bauenden Vorrichtung. In tages- oder jahreszeitlich bedingten Versorgungszeiten mit zu geringer oder ohne jegliche Sonnenstrahlungsener- gie stellt ausschließlich die Außenluftwärmepumpe 1 die benötigte Wärmeenergie bereit. In Versorgungszeiten mit geringer Sonnenstrahlung wird die Luftwärmepumpe 1 durch den zusätzlichen Gewinn von solarer Wärme wirksam entlastet. Mittels zusätzlicher Kältemittelverdampfung im Solarkollektor 2 wird dieser gegenüber der Umgebungsluft unterkühlt. Durch die sich einstellende Tem- peraturdifferenz wird einerseits Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen und anderseits hauptsächlich das vorhandene Strahlungsangebot technisch sinnvoll ausgenutzt. Es entsteht durch die Unterkühlung der Kollektorflächen ein höheres negatives Strahlungspo- tential. Ein beispielsweises Temperaturangebot gemäß einer entsprechenden schwachen Einstrahlung von 30° C am Kollektor kann über die

Wärmepumpe höher transformiert weitestgehend genutzt werden, was sonst nicht möglich wäre. In Weiterführung des gegebenen Beispiels hätte die Außenluft möglicherweise eine Temperatur von 7° C wodurch sich eine mögliche Verdampfungstemperatur des Carnot- Prozesses von -3 ⁰ C einstellt. Die Zuführung der im Solarkollektor 2 gewonnenen Wärme hebt die Verdampfungstemperatur und damit den Wirkungsgrad des Wärmepumpenprozesses deutlich an, z.B. auf 1 ⁰ C. Das bewirkt gemäß üblicher Berechnungsverfahren bei konstanter Stromaufnahme des Verdichters eine um 10% bis 15% höhere Wärme- leistung. Der vorstehend beschriebene Zustand der hybriden Nutzung beider Teilsysteme ist über weite Teile der Jahresbetriebszeiten anzutreffen. Somit erweitert sich auf der einen Seite die Versorgungszeit und die Energieausbeute des thermischen Solarsystems mit Unterstützung der Wärmepumpe und andererseits wird die Effizienz der Luft- Wärmepumpe mit Hilfe der Solaranlage wirksam erhöht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der direkten solaren Nutzung der Sonnenstrahlung. Durch reglungstechni- sche Erfassung eines am Solarkollektor anliegenden nutzbaren Tempe- raturniveaus, wird durch armaturentechnische Umsteuerung mittels Wärmeträgermedium die gewonnene Wärmeenergie direkt zum Pufferspeicher oder an andere Energieabnehmer weiter geleitet. Dazu wird nur die Energie der Umwälzpumpen benötigt. Die teure Energie für den Antrieb des Kompressors entfällt somit bei ausreichend hohen solaren Leistungen.

Insgesamt ergibt sich aus der beschriebenen Betriebsweise eine sehr hohe Effizienz bei der Nutzung von regenerativer Sonnenenergie und Außenluftenergie zum Zwecke der Wohnraumbeheizung und für die Brauchwassererwärmung während aller Tages- und Jahreszeiten.

Bezugszeichen:

1 Luftwärmepumpe

1a Lamellenluftwärmetauscher

1 b Ventilator

2 Solarkollektor

2a Absorberfläche

2b Rohrleitung

2c Rohrleitung

3 Haube

4 Zwischenraum

5 Lufteintritt

6 Luftaustritt

7 Kompressor

8 Luftraum

9 Lamelle

10 Schließelement

11 Luftaustritt

12 Wärmetauscher

13 Umstellmittel

14 Solarsensor

15 Luftsensor

16 Steuerelement

17 Wärmetauscher

18 Umlenkplatte

19 Absorberabschnitt

20 Pumpe

21 Pufferspeicher

22 Pumpe

23 Kompressor

24 Gehäuse

100 Wärmeversorgungsvorrichtung

a Abstand

v2a Variante v2b Variante v2c Variante

via Variante v1b Variante v1c Variante

KF Kreislauf

KK Kreislauf

K _N Nutzwasserkreislauf