Die ganzjährige Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses mit Hilfe von Solarenergie

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Diplomarbeit
 
 
 
 
 
 

An der Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt, Abt. Schweinfurt
 
 

Fachbereich Maschinenbau
 
 
 
 
 
 

Betreuer: Professor Nill
 
 
 
 
 
 

Vorgelegt von: Michael Nord
Hintere Gasse 19
Tel/Fax 09349/768
http://www.michaelnord.de
 
 

Großrinderfeld, im März 1993










Erklärung:
 
 
 
 

Hiermit erkläre ich, daß ich die vorliegende Abschlußarbeit selbständig verfaßt und
noch nicht an anderer Stelle für Prüfungszwecke vorgelegt habe.

Ich habe keine anderen als die angegebenen Quellen benutzt und wörtliche oder
sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet.
 
 
 
 
 
 

Großrinderfeld, 30.März 1993
 
 
 
 
 
 
 
 

Michael Nord
 
 
 

Vorwort
 

Die Idee der vorliegenden Diplomarbeit entstand in der Erkenntnis der ungeheuren Energieverschwendung unserer Gesellschaft auf allen Gebieten. Nur durch ein tiefgreifendes Umdenken und eine grundlegende Änderung unserer Energiewirtschaft kann dieses Problem gelöst werden.

Die Durchführung der Arbeit, insbesondere die Beschaffung geeigneter Materialien und der Bau eines Prüfstandes, war von eigenen privaten Mitteln abhängig und konnte deshalb nicht erschöpfend betrieben werden. Ferner stand kein zusätzlicher Betreuer, wie in vielen Betrieben der Industrie, direkt zur Verfügung, der bei der Realisierung fachlichen Beistand zum Inhalt zur Gliederung und zur Gestaltung leisten konnte.
 
 

Dem "Deutschen Wetterdienst Meteorologisches Observatorium Hamburg" danke ich für die Überlassung spezieller solarer Strahlungsdaten, welche erst den Bau eines Prüfstandes für sinnvoll erscheinen ließen und so den Berechnungen einen authentischen Rahmen zu Grunde legten.
 
 

Herrn Prof. Erhard und seinen Mitarbeitern danke ich für die unverzichtbare Benutzung des Meßtechniklabors mit seinen Einrichtungen.
 
 

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Nill für die Betreuung an der Hochschule sowie die Übertragung mehrerer schuleigener Meßinstrumente für den Gebrauch in dem Prüfstand.
 
 

Auch möchte ich mich an dieser Stelle bei allen anderen, die nicht im einzelnen genannt wurden, für ihre Hilfe und Geduld bedanken. Spezieller Dank gilt meiner Mutter, ohne deren Hilfe diese Diplomarbeit nicht möglich gewesen wäre.
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Inhaltsverzeichnis:
 
 

Verzeichnis der Formelgrößen.........................................................................................5
 
 

1.) Einleitung 7
 
 

2.) Wärmebedarf 9
 
 

2.1.) Vorbetrachtung 9

2.2.) Wärmebedarf eines reellen Hauses 11

2.3.) Wärmebedarf eines ideal gedämmten Hauses 12

2.3.1.) Transmissionswärmebedarf 12

2.3.3.) Lüftungswärmebedarf und Brauchwassererwärmung 13
 
 

 3.) Anforderungen an die Heizanlage 14
 
  3.1.) Allgemeine Anforderungen 14

3.2.) Spezielle Anforderungen 15
 
 

 4.) Der Sonnenkollektor 16
 
  4.1.) Stand der Technik 16 4.1.1.) Einsatzbedingung und Leistungsfähigkeit 16

4.1.2.) Nachteile und Schwächen 18

 4.2.) Der Luftkollektor 23 4.2.1.) Anforderungen 23

4.2.2.) Anbindung in die Heizung 24

4.2.3.) Montage und Produktion 27

 4.3.) Konzentrierender Rinnenkollektor 28 4.3.1.)Prinzip und Funktion 28

4.3.2.) Beschreibung der Komponenten 29

 4.4.) Vor- und Nachteile im Vergleich. 33

4.5.) Tabellen und Werte zum Rinnenluftkollektor 34
 
 

 5.) Energieangebot von der Sonne 38
 
  5.1.) Allgemeine Daten zum Strahlungsangebot 38

5.2.) Spezielle Solardaten für Würzburg 44

5.2.1.) Beschreibung der Diagramme 44 6.) Der Wärmespeicher 57
 
  6.1.)Speichermedien 57 6.1.1.) Verschiedene Speichermedien 57

6.1.2.) Speichermedium Luft 59

6.1.3.) Latentspeichermedien 60

6.1.4.) Speichermedium Wasser 61

 6.2.) Speicherbehälter (allgemein) 61 6.2.1.) Form und Materialien 61

6.2.2.) Wärmedämmung der Speicher 62

6.2.3.) Thermische Schichtungen im Wärmespeicher 63

 6.3.) Handhabung und Regelung des Wärmespeicher 63 6.3.1.) Flexible Einspeisung und Entnahme 64

6.3.2.) Reserve-(Dynamische Speicherschicht) 64

 6.4.) Behälterstruktur 65 6.4.1.) Integrierter Latentspeicherblock 65

6.4.2.) Erwärmung des Speicher 65

6.4.3.) Wärmedämmung des Wasserspeichers 66

6.4.4.) Wärmeverlust des Speicher 67
 
 

 7.) Prinzip der Anlagestruktur 68
 
  7.1.) Anforderung und Beschreibung 68

7.2.) Sommerbetrieb-Klimatisierung 70

7.3.)Wärmepumpenbetrieb 71

7.3.1.) Wirkungsweise im Kollektorkreislauf 71

7.3.2.) Nachtbetrieb mit der Wärmepumpe 72

 7.4.) Zielsetzung beim Anlagebetrieb 72

7.5.) Eckpunkte beim Anlagebetrieb 73
 
 

 8.) Wärmebilanz / Kosten-Nutzen 86
 
  8.1.) Wärmebedarf-Wärmegewinn 86 8.1.1.) Der Versuchskollektor / Wirkungsgrad 86

8.1.2.) Wärmegewinn 86

 8.2.) Größe des Speicherbehälter 89 8.2.1.) Summe des Wärmedefizites 89

8.2.2.) Die Speichergröße 89

8.2.3.) Speichertemperatur am Ende der Heizperiode 90

 8.3.) Kosten/Nutzen 92 8.3.1.) Kosten-Nutzen-Rechnung 92 9.) Stromerzeugung mit Stirlingmotor 96
 
  9.1.) Anlagecharakter 96 9.1.1.) Überkapazität-Möglichkeit der Stromerzeugung 96 9.2.) Der Hochtemperaturkollektor 97 9.2.1.) Höhe des Konzentrationsfaktors eines Parabelkollektor 97 9.3.) Der Stirlingmotor 104 9.3.1.) Thermodynamische Arbeitsweise und technische Daten 104

9.3.2.) Spezieller Betrieb als Solarstirling 107

9.3.3.) Speicherung der elektrischen Energie 108
 
 

 10.) Zusammenfassung 109
 
 

11.) Literaturverzeichnis 110
 
 

12.) Fotos und Zeichnungen des Prüfstandes und des Versuchskollektor 112
 
 
 
 

- 5 -
 
 

Verzeichnis der Formelgrößen
 
 
 
Symbole Beschreibung Einheit
Abdeckfläche des Speichers
Mantelfläche des Speicher
c Konstante -
spezifische Wärmekapazität ( Gewicht u. Volumen )
spezifische Wärmekapazität von Wasser
spektrale Einstrahlung
E Einsparung DM
solare Strahlleistung
k Wärmedurchgangskoeffizient
Ko Investitionssumme DM
LE Längeneinheit -
Luftdurchsatz
n Amortisationsdauer Jahre
q Zinssatz %
t Zeit sec.
Wärmespeicheranfangstemperatur °C
Wärmespeicherendtemperatur °C
Umgebungstemperatur im Wärmespeicherraum °C
Volumen des Wärmespeichers (Reserve) m³  
spezifischer Wärmeverbrauch des gesamten Hauses
täglicher Wärmegewinn pro m² Kollektorfläche

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- 6 -
 
 
 
 
 
Absorptionsgrad %
Absorptions/Emissionsverhältnis -
theoretische Leistungszahl -
effektive Leistungszahl -
Emissionsgrad der Wärmestrahlung %

 
 
h Wirkungsgrad %
Kollektorwirkungsgrad des Versuchskollektor 0,92m² %
j rel. Luftfeuchtigkeit %
j Azimutwinkel °
l Wärmeleitwert
l Wellenlänge mm, nm
r Dichte
r Reflektionsgrad %
t Transmissionsgrad %

 
 
 
 

- 7 -

1.) Einleitung
 

Zahlreiche ökologische Untersuchungen und daraus folgend auch politische Entwicklungen der vergangenen Jahre haben uns immer wieder vor Augen, geführt wie begrenzt die natürlichen Rohstoffe sind und wie empfindlich die Natur auf Schadstoffe reagiert.

In der Bundesrepublik Deutschland wurden im Jahr 1989 11219 PJ (1 PJ =  Joule) Energie umgesetzt. Die gesamte genutzte Energie betrug 3339 PJ, als nur rund 29%. Dieser geringe Wirkungsgrad zeigt deutlich, wie groß die Verluste durch Umwandlung und Transport der verschiedenen Energieformen, trotz optimierter Kraftwerke und Arbeitsmaschinen, auch heute noch sind.

Einen wesentlichen Anteil an der genutzten (also benötigten) Energie stellen die Raumwärme mit 1452 PJ und die Prozeßwärme mit 1150 PJ dar. Raumwärme regenerativ zu gewinnen wird bereits mit verschiedenen Verfahren betrieben. Der hohe Anteil dieser Raumwärmeenergie an der gesamten Nutzenergie (43,5%) und ihre geringe Wertigkeit (begründet durch Niedertemperaturwärme), läßt diese Energieform auch als prädestiniert für eine alternative Erzeugung erscheinen. Prozeßwärme, die mit 34,5% ebenfalls einen hohen Anteil an der genutzten Energie besitzt, ist aufgrund ihrer Temperatur (häufig oberhalb 300°C) schwieriger zu erzeugen und wird deshalb in Deutschland noch nicht regenerativ gewonnen.

Diese Diplomarbeit soll die Richtung weisen und eine Möglichkeit aufzeigen, die von der Bundesregierung angekündigten Einsparungen der CO Emissionen bis zum Jahr 2005 um 25% zu ermöglichen. Zu verwirklichen ist dieses ehrgeizige Ziel natürlich nur, wenn die Politik der Energiewirtschaft die Kopplung der Kraft- und Wärmeerzeugung gebietet und eine dezentrale Erzeugung elektr. Energie für jedermann ermöglicht.

Selbst unter diesen Aspekten erscheint eine Gewinnung der Raumwärmeenergie durch Verbrennung fossiler Energieträger, wie z. B. Öl oder Gas, nicht mehr zeitgemäß. Die sehr energiereichen Brennstoffe gestatten statt dessen viel mehr Prozeßwärme auf hohen Temperaturniveau zu erzeugen. Die benötigten Temperaturen, bei der Raumheizung ca. 21°C und beim Brauchwasser 45°C, sind so niedrig, daß die Erzeugung durch Verbrennung von Öl oder Gas regelrecht einer "Energievernichtung" gleichkommt.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Lit.1)

- 8 -
 
 

Technisch versierte Leser werden jetzt protestieren, nicht ganz zu Unrecht. Energie kann weder aus Nichts erschaffen noch kann sie vernichtet werden. Sie kann lediglich in andere Energieformen umgewandelt werden. Aber der Anteil der Energie, der nutzbringend bei der Umwandlung freigesetzt werden kann, z.B. in mech. Kraft oder elektr. Strom, verringert sich bei sinkender Temperatur. Dieser Anteil der Energie heißt "Exergie". Bei den fossilen Energieträgern Öl oder Gas beträgt der Exergieanteil noch 100% der chem. Verbrennungsenergie.

Modernste Gas-Dampf-Kraftwerke können aus diesen 100% Energieeinsatz über 50% elektr. Energie erzeugen (Beispiel: Gas-Dampf-Kraftwerk Ambarli in der Türkei). Der Exergieanteil von 40°C warmen Brausewasser sinkt auf nahezu 0%. Diese im Abwasser enthaltene Energie läßt sich nicht mehr nutzbringend umwandeln.

Ziel bei der Erzeugung muß demnach sein, Niedertemperaturwärme, wie sie bei der Raumheizung benötigt wird, über andere Verfahren zu gewinnen. Es bieten sich Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung an.
 

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