DE19904249B4 - Kollektorfassadenelement - Google Patents

Abstract

Kollektorfassadenelement (2) zur Anordnung an oder in näherungsweise senkrechten Gebäudefassaden (1), wobei das Kollektorfassadenelement einen integralen plattenförmigen Aufbau mit nachfolgenden Merkmalen aufweist:
– einer zur Gewinnung von Sonnenenergie vorgesehenen Außenseite (3a),
– einer dazu beabstandeten und näherungsweise parallel dazu angeordneten Rückseite (3b), wobei wenigstens die Außenseite (3a) und die Rückseite (3b) aus einem hochfestem Aluminium oder Kunststoff oder Stahl bestehen,
– die Außenseite (3a) und die Rückseite (3b) an ihren Rändern flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind und
– die Außenseite (3a) nachfolgende Merkmale aufweist:
– eine Vielzahl, im Einbauzustand horizontal verlaufende Vorsprünge (4), die im Querschnitt näherungsweise dreieckförmig oder sinusförmig ausgebildet sind, wobei
– die nach oben gerichtete, der Sonne zugewendete Oberseite (5) der Vorsprünge (4) eine Absorptionsschicht (9) aufweist und
– die nach unten gerichtete Unterseite (6) der Vorsprünge (4) eine frei wählbare Farbe oder Oberflächenstruktur aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kollektorfassadenelement mit senkrechter Einbaulage für ein solarthermisches System zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Sonnenstrahlung und/oder zur Stabilisierung von Innenraumtemperaturschwankungen in Gebäuden. Diese Kollektorfassadenelemente bestehen z. B. aus Metall und/oder Kunststoffen bzw. Verbundwerkstoffen und enthalten z. B. ein flüssiges Medium, das zum Wärmeaustausch, -speicherung und/oder -transport dient.
• Die der Sonne zugewendete Wandung des Kollektorfassadenelements muß eine gute Strahlenabsorption und eine gute Wärmeleitung aufweisen. Um die Strahlenabsorption gegenüber herkömmlichen Oberflächen zu verbessern, sind aus dem Stand der Technik u. a. Absorptionsfarben oder -beschichtungen bekannt, die auf die Oberfläche einer Strahlen absorbierenden Wandungsoberfläche aufgetragen werden.
• Kollektorfassadenelemente oder Solarwärmetauscher für verschiedene Anwendungen sind aus dem Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. So zeigt z. B. die Patentschrift DD 269 201 A1 einen transparenten Wärmedämmbaustein, der u. a. für eine Fassadenverkleidung vorgesehen ist, wobei je nach Einfallswinkel der Sonnenstrahlung entweder eine Abschattung erzielt wird oder die Sonnenstrahlung absorbiert wird. In der Patentschrift US 4,296,736 wird eine Konstruktion für eine Kollektorwand beschrieben, die einen mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweist, so daß streifenweise Flächenabschnitte entstehen, die bei einer vorbestimmten Einbaulage abwechselnd der Sonne zugewandt sind. In den der Sonne zugewandten Flächenabschnitten sind kleine Flüssigkeitskanäle für Wärmetauscherflüssigkeit vorgesehen.
• Bei der Wahl des Materials für die der Sonne zugewendete Wandung eines Kollektors müssen unterschiedlichste Randbedingungen berücksichtigt werden. Wenn diese Wandung näherungsweise waagerecht angeordnet ist, wird sie lediglich durch ihr Eigengewicht auf Durchbiegung belastet. Im Gegensatz dazu drückt bei einer senkrechten Anordnung des Kollektors das flüssige Medium auf die Wandung, die somit auch gegen Auswölbung dimensioniert sein muß. Die erforderliche Wandstärke dieser Wandung hängt weiterhin noch von den Festigkeitseigenschaften des Materials und der konstruktiven Ausgestaltung ab. Wenn z. B. hochfestes Blech verwendet wird, kann die Wandstärke entsprechend dünn ausgeführt sein, wodurch ein kurzer Wärmeleitweg und somit ein guter Wärmeübergang in das flüssige Medium gegeben sind.
• Geeignet sind daher Bleche aus hochfesten Legierungen, wie z. B. Edelstahl oder Aluminium. Es können jedoch auch Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, wenn sie vergleichbare Festigkeitseigenschaften aufweisen.
• Diese Materialien haben vorwiegend einen hohen Reflexionsgrad und somit ein geringes Absorptionsvermögen. Daher muß auf diese Oberflächen eine eingangs erwähnte Absorptionsschicht aufgetragen werden, die die Oberflächen schwarz oder dunkel erscheinen läßt.
• Wenn jedoch die Wandungen der Kollektoren Bestandteil der Außenfassade von Gebäuden sind, stören bzw. beeinflussen diese dunklen Flächen den ästhetischen Gesamteindruck der Fassade.
• Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, ein Kollektorfassadenelement zur Gewinnung von Sonnenenergie zu schaffen, das sich vorteilhaft zur Integration in senkrechte Gebäudefassaden eignet und zumindest aus einem hauptsächlichen Blickwinkel nicht dunkel erscheint.
• Die Aufgabe wird mit einem Kollektorfassadenelement nach Anspruch 1 gelöst. Nach Anspruch 1 weist ein Kollektorfassadenelement, das zur Anordnung an vorzugsweise senkrechten oder schwach geneigten Bauwerksfassaden vorgesehen ist, folgende Merkmale auf: Die Außenseite des Kollektorfassadenelements hat Vorsprünge, die im Einbauzustand näherungsweise waagerecht verlaufen. Der Querschnitt der Vorsprünge ist vorzugsweise dreieckförmig bis sinusförmig ausgebildet, wobei auch Zwischenformen möglich sind. Die Form wird bezüglich der technologischen Fertigungsmöglichkeiten und der damit verbundenen Herstellungskosten und dem gewünschten Wirkungsgrad des Kollektorfassadenelements optimiert. Die nach oben gerichtete, der Sonne zugewendete Oberseite der Vorsprünge weist eine Absorptionsschicht auf. Die nach unten gerichtete Unterseite hat keine Absorptionsschicht und kann den architektonischen Bedürfnissen entsprechend frei gestaltet sein.
• Der Gegenstand nach Anspruch 1 weist folgende Funktion und Vorteile auf: Wenn das Kollektorfassadenelement, wie vorgesehen, in oder an einer von der Sonne bestrahlten Fassade angeordnet ist, treffen die schräg einfallenden Sonnenstrahlen auf die Oberseite der Vorsprünge auf und werden in Wärme umgesetzt wird, die dann an das Wärmetauschermedium, mit dem das Kollektorfassadenelement gefüllt ist, weitergeleitet wird.
• Wenn ein Betrachter von einem erhöhten Standpunkt aus auf die Oberseite der Vorsprünge blickt, sieht er eine geschlossene dunkle Fläche. Von einem gleich hohen Standpunkt aus sieht der Betrachter ein Muster mit waagerechten dunklen Streifen. Wenn der Betrachter von einem unteren Standpunkt, z. B. von der Straße aus, nach oben auf das Kollektorfassadenelement sieht, sind die hellen Unterseiten der Vorsprünge zu sehen, so daß der architektonische Eindruck der Fassade nicht durch dunkle Streifen gestört wird.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Vorsprünge gleichzeitig auch eine versteifende Wirkung haben, wie sie z. B. von Sicken bekannt ist. Insofern kann die Materialstärke der Außenwandung relativ gering gewählt werden. Die Kombination dieser zwei Effekte bildet den besonderen Nutzen des Erfindungsgegenstandes.
• Das Kollektorfassadenelement nach Anspruch 2 ist vorteilhaft weitergebildet, in dem die Oberseite der Vorsprünge so ausgerichtet ist, daß die Sonnenstrahlung in einem möglichst steilen Winkel einfällt. Es hängt von den gewünschten Betriebsbedingungen des Wärmegewinnungssystems ab, zu welcher bevorzugten Jahres- oder Tageszeit die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt werden soll. Bei der Wahl der optimalen Ausrichtung sind folgende Faktoren zu beachten: Die Ausrichtung der Fassade zum Sonnenstand bzw. zur relativen Sonnenwanderung und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, die von der Jahres- und Tageszeit abhängen. Ferner sind u. U. die Einbauhöhe und der Einbauort zu beachten. Das ist dann der Fall, wenn z. B. zu bestimmten Zeitpunkten eine Abschattung durch andere Gebäude vorliegt. In diesem Fall kann die Ausrichtung der Oberseite z. B. so gewählt werden, daß lediglich für die Zeit, in der keine Abschattung besteht, möglichst lange optimale Einstrahlungsverhältnisse bestehen.
• Das Kollektorfassadenelement nach Anspruch 3 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Unterseite der Vorsprünge so breit gewählt wird, daß für einen Betrachter von einem gewöhnlichen Standpunkt aus die Oberseite nicht einsehbar ist. Diese Maßnahme wird dann vorgesehen, wenn aus ästhetischen bzw. architektonischen Gründen die dunkle Absorptionsschicht für einen Betrachter auch nicht teilweise sichtbar sein soll.
• Das Kollektorfassadenelement nach Anspruch 4 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Materialstärke an der Unterseite der Vorsprünge größer ist als an deren Oberseite. Wenn die Materialstärken unterschiedlich sind, wird durch eine Materialverstärkung der Unterseite die Steifigkeit des plattenförmigen Kollektorfas sadenelements erhöht, was bautechnisch von Vorteil ist. Eine Verringerung der Wandstärke der Oberseite bewirkt dagegen einen verbesserten Wärmeübergang, was den Wirkungsgrad des Kollektorfassadenelements verbessert.
• Bei einem Kollektorfassadenelement nach Anspruch 5 sind an der Rückseite der Außenseite, d. h. innerhalb des Kollektorfassadenelements versteifend wirkende Stege oder Verstrebungen angeordnet. Bei dieser Weiterbildung kann die Materialstärke der Wandung und besonders die der Oberseite noch dünner ausgeführt werden. Weiterhin begünstigen die in das flüssige Medium hineinragenden Stege oder Verstrebungen die Wärmeübertragung von der Außenseite in das Medium. Wenn die Stege gezielt zum Wärmeaustausch ausgebildet sind, kann der Wirkungsgrad des Kollektorfassadenelements noch weiter erhöht werden.
• 1 zeigt eine Gebäudefassade, an der die Erfindung angeordnet ist.
• 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung.
• 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieser Seitenansicht im Querschnitt.
• 4 und 5 zeigen die Vorderansichten der Erfindung aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln.
• Die 1 zeigt einen Abschnitt einer Gebäudefassade 1, in die drei erfindungsgemäße Kollektorfassadenelemente 2 integriert sind. Die Kollektorfassadenelemente 2 sind in diesem Beispiel jeweils in einer Höhe von 3 m über dem Straßenniveau angeordnet.
• Die 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung aus der Blickrichtung des Pfeils A aus 1. Eine Außenseite 3a des Kollektorfassadenelements 2 weist im wesentlichen horizontal und parallel verlaufende Vorsprünge 4 mit einem Dreieck-Querschnitt auf, wobei die Oberseiten 5 nach der Sonne ausgerichtet sind und Bezugszeichen 6 die Unterseiten bezeichnet.
• Aus 3 ist die Geometrie der Vorsprünge 4 deutlich erkennbar. Ein Pfeil 7 zeigt eine Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt. Es ist zu erkennen, daß die Einfallsrichtung nahezu senkrecht zur Oberseite 5 verläuft, da der durch den Doppelpfeil bezeichnete Winkel zu einer Lotrechten 8 relativ klein ist. Auf den Oberseiten 5 ist eine Absorptionsschicht 9 aufgebracht, deren Wirkung bereits beschrieben wurde. Mit dem Bezugszeichen 10 ist das flüssige Medium bezeichnet, das zur Speicherung und/oder zum Transport der Wärme vorgesehen ist. Da die Funktion dieser Kollektoren an sich dem Fachmann bekannt ist, kann auf eine nähere Erklärung in diesem Punkt verzichtet werden.
• Wenn ein Betrachter, z. B. ein Fußgänger, an der Gebäudefassade 1 entlang geht, blickt er aus einer in 2 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Richtung auf die perspektivisch verkürzte Außenseite 3 und sieht dabei nur die Unterseiten 6, die nicht mit der Absorptionsschicht 9 versehen sind. Der Betrachter blickt auf eine im wesentlichen helle Platte mit schmalen waagerechten Linien, wie in 4 gezeigt. Diese von unten sichtbaren Abschnitte können auch eingefärbt sein, so daß sie gezielt als architektonisches Merkmal eingesetzt werden können.
• Im Vergleich dazu würde ein Betrachter, dessen Blickrichtung der Richtung der Sonnenstrahlung entspricht, eine dunkle Fläche nach 5 sehen.
• Wenn die Materialstärke im Bereich der Oberseiten 5 besonders gering ist, ergibt sich durch die kurzen Wärmeleitwege ein guter Wirkungsgrad, jedoch verringert sich dadurch die mechanische Stabilität des Kollektorfassadenelements. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde in diesem Beispiel die Materialstärke im Bereich der Unterseiten 6 größer gewählt (auf Zeichnung nicht gezeigt), wodurch sich die mechanische Stabilität wieder erhöht.
• Es ist dem Fachmann klar, daß es eine Reihe von Weiterbildungen der Erfindung gibt. Insbesondere gibt es verschiedene Profilierungen der Wandung, z. B. sinuswellenförmig, die auf Grund der Vielzahl von Möglichkeiten nicht alle beschrieben werden können, jedoch der im Anspruch 1 offenbarten technischen Lehre folgen und somit auch in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims (5)

1. Kollektorfassadenelement (2) zur Anordnung an oder in näherungsweise senkrechten Gebäudefassaden (1), wobei das Kollektorfassadenelement einen integralen plattenförmigen Aufbau mit nachfolgenden Merkmalen aufweist: – einer zur Gewinnung von Sonnenenergie vorgesehenen Außenseite (3a), – einer dazu beabstandeten und näherungsweise parallel dazu angeordneten Rückseite (3b), wobei wenigstens die Außenseite (3a) und die Rückseite (3b) aus einem hochfestem Aluminium oder Kunststoff oder Stahl bestehen, – die Außenseite (3a) und die Rückseite (3b) an ihren Rändern flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind und – die Außenseite (3a) nachfolgende Merkmale aufweist: – eine Vielzahl, im Einbauzustand horizontal verlaufende Vorsprünge (4), die im Querschnitt näherungsweise dreieckförmig oder sinusförmig ausgebildet sind, wobei – die nach oben gerichtete, der Sonne zugewendete Oberseite (5) der Vorsprünge (4) eine Absorptionsschicht (9) aufweist und – die nach unten gerichtete Unterseite (6) der Vorsprünge (4) eine frei wählbare Farbe oder Oberflächenstruktur aufweist.
2. Kollektorfassadenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächengeometrie der Oberseite (5) bei gegebenen Einbauverhältnissen so gewählt wird, daß die Sonnenstrahlung in vorbestimmten Jahreszeitabschnitten und zu vorbestimmten Tageszeiten möglichst lange näherungsweise senkrecht auf die Oberseite (5) einfällt.
3. Kollektorfassadenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Betrachtungsstandpunkt (11) die Breite der Unterseite (6) so gewählt wird, daß für den Betrachter die Oberseite (5) nicht sichtbar ist.
4. Kollektorfassadenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke der Unterseite (6) größer ist als die der Oberseite (5).
5. Kollektorfassadenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Außenseite (3) versteifend wirkende Stege oder Verstrebungen oder Sicken aufweist.