4.) Der Sonnenkollektor

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4.) Der Sonnenkollektor 16
 
 

Mittel- und langfristig kommt der Verwendung von Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung eine immer größere Bedeutung zu. Die Industrie bietet hierfür verschiedene Kollektortypen an.
 
 

Eine Solaranlage herkömmlicher Bauart, mit Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren, dient in erster Linie der Brauchwasserbereitung in den Sommermonaten, erst in zweiter Linie der Raumheizungsunterstützung in der Übergangszeit. Der typische und wirtschaftliche Einsatz dieser Kollektoren ist die Brauchwassererwärmung.

Diese Einschränkung setzt einen konventionellen Heizkessel mit allen nötigen Komponenten wie Öltank, Schornstein und Steuerung voraus, so daß die Solaranlage nur eine Ergänzung darstellt. Diese Ergänzung der Heizanlage kostet 12.000 DM - 15.000 DM, dafür erhält der Betreiber 5m² - 6m² Kollektorfläche mit einem ca. 400 l großen Speichertank. Diese Anlage erwärmt das Brauchwasser für drei bis vier Personen, allerdings nur in den Sommermonaten, bei entsprechender Strahlleistung der Sonne; und selbst im Sommer gibt es Perioden, in denen der Heizkessel zugeschaltet werden muß.

In der Übergangszeit ist die Kollektorfläche von 5m² - 6m² zu gering bemessen, so daß die Brauchwassererwärmung nur an wirklich schönen Tagen gewährleistet ist. Ein Nachteil der heutigen Solaranlagen tritt so mit der zu gering bemessenen Kollektorfläche in Erscheinung. Dieser Nachteil kommt durch den Anspruch, nur das Brauchwasser zu erwärmen, nicht zum Tragen. Bei der Gesamtwärmebedarfsrechnung nimmt die Brauchwassererwärmung hingegen einen geringen Stellenwert ein.

Eine erheblich vergrößerte Kollektorfläche würde mit der wirtschaftlich sinnvollen Vergrößerung des Wärmespeichers in der Übergangszeit einen höheren Deckungsgrad erreichen, und so etliche sonnenlose Tage überbrücken. Für die Sommermonate wäre die Solaranlage zu groß bemessen und hätte Überkapazität; für die Wintermonate müßte auch weiterhin eine Feuerungsanlage betrieben werden.

Bedingt durch die erheblich höheren Kosten zum Nutzen der Brauchwassererwärmung scheidet eine größere Solaranlage unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten aus.
 
 
 
 
 
 

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Die einzig sinnvolle Alternative besteht darin, die konventionelle Heizanlage komplett durch eine Solaranlage zu ersetzten, und so die Komponenten Heizkessel, Öltank, Kamin sowie die Steuerung einzusparen.

Werden die Folgekosten für Brennstoff und Wartung auch in die Solaranlage investiert, kann die Solaranlage eine Leistungsfähigkeit erreichen, die eine hundertprozentige Deckung des Wärmebedarf gewährleistet.

Bei einem spezifischen Wärmebedarf von ca. 100 W/K, wie er dem sehr gut gedämmten Haus entspricht, und der minimalsten durchschnittlichen solaren Energieeinstrahlung von 1KWh/d im Dezember (Voraussetzung für diese Annahmen ist eine Dachschräge von 30° mit einer optimalen Ausrichtung nach Süden im Raum Würzburg, siehe Tabelle 2 ) müßte bei einem 50%igen Kollektorwirkungsgrad ungefähr 100m² Kollektorfläche installiert sein. Allerdings sind die solaren Strahlungswerte im Winterzeitraum und speziell im Dezember so gering, daß zumindest Flachkollektoren keinen 50%igen Wirkungsgrad erreichen.
 
 

Mittlere monatliche Tagessummen der Globalstrahlung auf eine nach Süden geneigte Fläche.
Flächenneigung: 30°, Raum Würzburg, Einheit: kWh/m²
 
 

Tabelle2:
 
 
 

Monat	Oktober	November	Dezember	Januar	Februar	März
kWh/m²	2,60	1,29	0,98	1,17	2,18	3,25

 
 
 

Die im Wirkungsgrad qualitativ besseren Vakuumröhrenkollektoren scheiden bei 100m² Kollektorfläche und einem Preis um 2000 DM/m² aus.

Auch die Flachkollektoren mit einem günstigeren Preis von 600 - 800 DM/m² sprengen den finanziellen Rahmen des Bauherrn. Benötigt wird demnach ein wirklich preiswerter Kollektor mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50% und mehr in der winterlichen Heizperiode.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Flachkollektoren besitzen unter diesen Anforderungen keine solide Basis. Ganz im Gegenteil lassen weitere Nachteile auch die Flachkollektoren als ungeeignet erscheinen.
 
 

4.1.2.1.) Prinzipielle Systemnachteile
 
 

Einige Nachteile und ungünstige Bedingungen seien hier erwähnt.
 
 

· Wärmeabstrahlung

Wärmeabstrahlung

Schicht material	Grund material	a	e	a /e	Bewertung
Schwarz chrom	Kupfer Aluminium	0,96	0,12	8	gute Bestän digkeit gegen Feuchte
Schwarz nickel		0,96	0,07	13,7	Beständigkeit geringer als Schwarz chrom
Schwarz kufper	Kupfer	0,9	0,16	5,7	Feuchte empfindlich
Eisenoxid	Stahl	0,85	0,1	8,5	Schichtdicke empfindlich
ALCOA-Black	Aluminium	0,9	0,3	3	extrem fest
AlO-Mo- Schicht  Interferenz	Mölybdän	0,91	0,085	10,3
SiO-Schicht Inerferenz	Chrom	0,88	0,11	8
Kobaltsulfid		0,93	0,04	23,25
Schwarze anstriche- Selektivfarbe Pigment CuO	Stahl Aluminium	0,92-0,98         0,95	0,86-0,9         0,3-0,47	1         2-3

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Diagramm 1: Vergleich des UV-Transmissionsgrades von weißem Glas und speziellem

Sonnenkollektorglas.

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Lit.8)

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Diagramm 2: Vergleich des Spektralen Transmissionsgrades von weißem Glas und

speziellem Sonnenkollektorglas.

4.2.) Der Luftkollektor
 
 
 
 

Bei diffusem Licht, konzentrierender Sonnenkollektor für Luftbetrieb mit speziell gestaltetem Glasisolierkörper und Absorberblech.
 
 

Auch bei mäßiger Strahlleistung, z.B. völliger Bewölkung, sollte der Temperaturanstieg rasch erreicht werden, um zeitliche Wärmeverluste zu vermeiden; dadurch kann die in der Luft enthaltene Wärmeenergie früher abgeleitet werden.

Diese Vorgabe ist nur dann zu erreichen, wenn auf Wasser oder Öl mit seiner hohen spezifischen Wärmekapazität verzichtet wird. Benötigt wird ein Wärmeträgermedium mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität, wie sie z.B. Luft besitzt.

Die Größe der Wärmekapazitäten zwischen Wasser und Luft beträgt im Vergleich, sofern noch das Volumen berücksichtigt wird, 5000:1. Das bedeutet, daß sich 1dm³ Luft bei gleicher Energieeinstrahlung 5000 mal schneller erwärmt als 1dm³ Wasser.

Luft stellt demnach das ideale Wärmeträgermedium dar.

Das Temperaturniveau der Wärmeversorgung der Kollektoren sollte sich an den Wärmebedarf des Hauses anlehnen. So sollte das Temperaturniveau gerade so niedrig sein, daß die Wärmeversorgung gewährleistet ist. Die eigentliche Temperaturhöhe des Wärmebedarfs sind die 20°C - 22°C der Raumwärme.

Warum sollte der Wärmefluß des Kollektors den Umweg über die Zentrale Warmwasserheizung nehmen und dabei einen unnötig hohen "Temperaturgipfel" von 50°C erklimmen. Viel sinnvoller erscheint, die Raumluft direkt zu erwärmen.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Leider kann die Raumluft nicht direkt von den Kollektoren erwärmt werden. Die schadstoffbeladene Luft mit Staub, Rauch und Fettdünsten aus der Küche würde die Absorberbleche und Glasscheiben der Kollektoren verschmutzen. Hier muß mit einem Plattenwärmetauscher gearbeitet werden.

Diese Art der Wärmeversorgung bietet die Möglichkeit, mit Hilfe einer Luft-Luft-Wärmepumpe zusätzlich Wärmeenergie aus dem Kollektorkreislauf zu entnehmen und der Raumluft zuzuführen. So kann auch noch bei geringster Strahlleistung genügend Heizwärme produziert werden. Durch die Temperaturabsenkung im Kollektorkreislauf steigt außerdem der Wirkungsgrad der Kollektoren, so daß sie mehr Solarenergie einfangen können als ohne eine Temperaturabsenkung.

Da die Luft-Luft-Wärmepumpe nicht die hohen Temperaturen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erreichen muß, sondern nur die zur momentanen Raumheizung nötigen Temperaturen, ergibt sich eine phantastisch hohe Leistungszahl von bis zu 8. (Die Leistungszahl gibt das Verhältnis von Nutzwärme zu der benötigten elektr. Energie der Wärmepumpe an).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Diagramm 3: Theoretische Leistungszahl e bei verschiedenen Kondensationstemperaturen.

Die praktische Leistungszahl e liegt bei ca.60...70%.
 

Die Kosten einer Luft-Luft-Wärmepumpe sind die günstigsten in der ganzen Wärmepumpenfamilie.
 
 

Tabelle 5: Vergleich der Kosten verschiedener Wärmepumpentypen.
 
 
 

Wärmequelle	Luft	Grundwasser	Erdreich
Investitionskosten je KW	200...300.-DM	600...1000.-DM	800...1000.-DM

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Lit.6) S.459

Lit.6) S.463

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Bei genügend hoher Strahlleistung von der Sonne kann auf den Wärmepumpeneinsatz verzichtet werden. Der Wärmebedarf wird dann einzig und alleine durch den Luft-Platten-Wärmetauscher gewährleistet.

Steigt die Strahlleistung der Sonne weiter an, so daß ein erheblicher Überschuß zum momentanen Wärmebedarf entsteht, wird dieser Überschuß von einem weiteren Luft-Wasser-Wärmetauscher in den Pufferspeichertank der Solaranlage geleitet.

Die höhere Strahlleistung der Sonne erhöht auch das Temperaturniveau der Überschußwärme. Je nachdem, wie schnell die erhitzte Luft aus den Kollektoren entfernt wird, ergibt sich eine bestimmte Temperatur, wenn nötig bis weit über 100°C.

Jedoch braucht die Temperatur nicht höher zu sein, als sie die Warmwasserheizung zum Radiatorbetrieb mit Fußbodenheizung und zur Brauchwassererwärmung benötigt (von 40°C -

60°C). Jede Temperaturerhöhung hätte einen Rückgang des Kollektorwirkungsgrades zur Folge.

Bei genügend hoher Strahlleistung sind die Luftkollektoren durch den Luft-Wasser-Wärmetauscher an die herkömmliche Warmwasserheizung angebunden und versorgen diese mit Überschußwärme zur Versorgung des Wärmebedarfs bei Nacht und sonstigen ungünstigen Tagen.

Bei normaler oder geringer Solarleistung versorgt tagsüber der Luft-Luft-Wärmetauscher oder die Luft-Luft-Wärmepumpe die Räume mit Wärme.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Durch die große Fläche entfällt auch die Kastenbauweise in Modulen. Ganz im Gegenteil werden die Luftkollektoren in langen Bahnen längs zum Dach des Hauses montiert. Die Montage gestaltet sich einfacher als bei den Flachkollektoren; schließlich muß nichts verlötet und drucksicher angeschlossen werden.

Auf ein Ausdehnungsgefäß kann dank Luftbetrieb verzichtet werden. Weiter ist der Luftkollektor ohne Aufwand frostsicher und besitzt eine ungefährlich hohe Leerlauftemperatur. Ist das Dach von unten wärmegedämmt, so kann der Luftkollektor auf eine Wärmedämmung verzichten.

Da im Winter der Himmel meistens bedeckt ist, lassen sich kaum noch UV-Bestandteile im Lichtspektrum finden. Auf das teure Sonnenkollektorglas, das speziell diese UV-Anteile besser als normales Weißglas durchscheinen läßt, kann ebenfalls verzichtet werden.

Weiter sind am Anfang der Luftkollektorlaufbahnen die Temperaturen durch die geringen Strahlleistungen so niedrig, daß die selektive Beschichtung der Absorberfläche eingespart werden kann. Gegen Ende der Kollektorbahnen kann durch die Erwärmung der Luft eine hochselektive Beschichtung eingesetzt werden, um die dann verstärkt entstehende Wärmeabstrahlung zu unterdrücken.

Der geringen Wirkungsgradverschlechterung durch den Gebrauch von normalem Weißglas und der Verwendung von unbeschichteten Absorberblechen stehen erhebliche finanzielle Einsparungen gegenüber.

Weitere Einsparungen werden durch den Wegfall von Rohrabsorber, Lötverbindungen, Wärmeträgerflüssigkeit, Ausdehnungsgefäß sowie der Kastenbauweise in Modulen ermöglicht. Ein Preis von 200 DM/m² für den Luftkollektor ist realistisch.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.3.) Konzentrierender Rinnenkollektor
 
 
 
 

Diese Brennlinie stellt den Versuch dar, diffuses Licht, wie es bei völliger Bewölkung vorherrscht, auf eine geringere Fläche Absorberblech leicht konzentriert zu reflektieren. Zusätzlich wird in der Kollektormitte das Absorberblech von beiden Seiten der Rinne beschienen, so daß nun doppelt soviel Strahlleistungsenergie auf das selbe Segment Absorberblech trifft und dieses auch doppelt so stark erwärmt; -bei einem Flachkollektor wird das Absorberblech nur von der Vorderseite bestrahlt-.

Weiter ist das Absorberblech in der Rinnenmitte noch von einem speziellen Glaskörper umgeben, um nicht sämtliche Luft erwärmen zu müssen, die sich in der Kollektorrinne befindet. Dieser Glaskörper dient der Wärmedämmung des wärmeren Absorberbereiches zum kälteren Spiegelbereich.

Da bei Licht ab einem gewissen Auftreffwinkel auf Glas eine Totalreflektion eintritt, muß der innere Glasröhrenkörper eine bestimmte, durch den Reflektorspiegel definierte Form besitzen, um immer einen relativ senkrechten Strahlendurchgang des diffusen Lichtes zu gewährleisten. Die Spiegelrinne ist nach außen zusätzlich von einer Glasscheibe bedeckt, um die Kollektorkomponenten vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Der Rinnenluftkollektor kann in Kastenbauweise gefertigt werden; nötig ist aber nur ein Skelett, das die Rinnenform gewährleistet und die Montage auf dem Dach ermöglicht.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Die Abbildung 1:

Die nächste Abbildung 2 zeigt des Absorberblech z.B. aus Kupfer. Der untere glatte Bereich wird von beiden Seiten der Sonne beschienen. Der sich aufteilende obere Bereich ist mit Löchern versehen, so daß die Luft von unten kommend durch die Löcher in den Dreieckskanal einmünden kann. Das Absorberblech kann zusätzlich mit einer hochselektiven Beschichtung versehen werden.
 
 
 
 
 
 

Abbildung 2: Das Absorberblech.
 

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Die Abbildung 3 zeigt den fortlaufenden dünnwandigen Glaskörper aus Borsilikatglas. Der Glaskörper ist an den Flanken, bis auf einen schmalen Luftüberströmsteg in der Mitte, bogenartig eingedrückt, um dem Licht einen relativ senkrechten Strahlendurchgang zu ermöglichen. Die eigentliche Funktion ist die Trennung, d.h. Isolierung des wärmeren Absorberraumes zum kälteren Spiegelraum, der nicht mit erwärmt werden soll. Zu diesem Zweck kann der Glaskörper nach außen noch mit einem IR-Reflektor, also einer Silberdampfbeschichtung versehen werden. Dieser IR-Reflektor würde die selektive Beschichtung des Absorbers ersetzen.
 
 
 
 

Abbildung 3: Der Glaskörper

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Die Abbildung 4 zeigt die Seitenansicht des Kollektors mit den Benennungen der Einzelteile. Weiter die Kollektorsenkrechte und die Strahlengänge des Lichtes aus verschiedenen Winkeln durch die Abdeckscheibe; die Reflektion am Spiegel sowie dem relativ senkrechten Strahlendurchgang durch den Glaskörper und der Absorption am Absorber. Außerdem die Darstellung der Proportionen durch LE (Längeneinheiten).
 
 
 
 
 
 

Abbildung 4: Seitenansicht des Kollektors.
 

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4.4.) Vor- und Nachteile im Vergleich.
 
 

Eine Aufstellung von Vor- und Nachteilen von Flach- und Luftkollektor soll den Stand vergegenwärtigen.
 
 

Tabelle 5:
 
 
 

Anforderung	Flachkollektor	Luftkollektor
Kastenbauweise in Modulen	ja	nein
verlötet und druckdicht	ja	nein
frost- und überkochsicher	nein	ja
Wärmetauscher	ja	ja
Ausdehnungsgefäß	ja	nein
große Wärmeabstrahlfläche nach vorne	ja	nein
selektive Beschichtung	ja	eingeschrängt
Mindesteinstrahlenergie	ja	nein
speichert Nachtfrost	ja	nein
zeitliche Wärmeverluste	ja	nein
Anbindung an Warmwasser- heizung	nötig	möglich
höhere Temperatur nötig	ja	nein
große Trägheit	ja	nein
wirkt konzentrierend	nein	ja

 
 
 
 
 
 
 

Bei einer Preisbetrachtung des Luftkollektors ergeben sich für die verschiedenen Materialien:
 
 
 
 

20- 30 DM/m² für den Aluminiumreflektor

40 DM/m² für hagelsicheres Abdeckglas

20 DM/m² für Absorberblech (Aluminium)

10 - 100 DM/m² für selektive Beschichtung

50 DM/m² für Glaskörper

50 DM/m² für Trägerskelett

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ca. 200 DM/m² Luftkollektor
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.5.) Tabellen und Werte zum Rinnenluftkollektor
 
 
 
 

Das folgende Diagramm 4 zeigt die erreichbaren Leerlauftemperaturen bei einer bestimmten Strahlleistung bei 0°C und 10°C Außentemperatur. Bei der Leerlauftemperatur wird dem Kollektor keine Wärme entzogen, es stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur zwischen eingestrahlter Solarenergie und Verlustenergie durch Wärmeabstrahlung und Wärmeleitung ein.
 
 

Diagramm 4: Leerlauftemperaturen

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Die folgende Tabelle 6 zeigt die zeitliche Erwärmung bei verschiedenen Strahlleistungen ohne

Wärmeabfuhr.
 
 
 
 

Tabelle 6:
 
 
 

Zeit	Datum 17.10 Außentemp 4°C			17.10.92 Außentemp 4°C			11.04.92 Außentemp 6°C			11.04.92 Außentemp 8°C			10.04.92 Außentemp 17°C			18.07.92 Außentemp 22°C
min	Luft-temp.     (°C)	W/m²	(°C)	W/m²	(°C)	W/m²	(°C)	W/m²	(°C)	W/m²	(°C)	W/m²
00	6	60	5	106	37	300	53	400	19	859	23	350
01	7	60	6,5	109	40	300	57	400	31	859	29	350
02	8	60	8,5	110	45,5	300	60	400	49	840	36	350
03	9,5	60	10,5	111	50	300	64	400	67	830	44	355
04	10,5	60	12,5	112	51	300	66,5	400	83	820	49	355
05	11	60	14	112	52	300	69,5	400	95	820	53	360
06	11,5	60	15,5	113	52	300	72,5	400			56	355
07	12	58	16	115	52	300	74,5	400			59	360
08	12	55	17	115			76	400			62	360
09	12	55	18	117			78	400			63	360
10	12,5	52	18,5	117			79	400			64	360
11	12,5	52	19	115			80	400			65	360
12	13	55	19,5	112			80	400
13	13	55	20	111			80,5	400
14	13	59	20	110			81	400
15	13,5	60	20,5	110			81	400
20	14	70	21	110
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Die folgende Tabelle 7 zeigt die Wirkungsgrade bei verschiedenen Kollektortemperaturen und Strahlleistungen.
 
 

Tabelle 7:
 
 
 
 
 

Außen temperatur (°C)	Eintritts temperatur (°C)	Austritts temperatur (°C)	Strahl leistung (W/m²)	Effektiv leistung (W/0,92m²)	Luft durchsatz (kg/h)	Wirkungs grad h (%)
0	4	49	670	616	23,1	47
0	4	44	580	533	22	46
0	4	44	480	441	18	46
0	3	35	350	322	17,4	48
3	18	47	710	653	37,4	46
3	15	51	700	644	24,7	39
3	7	58	680	625	14,7	33
6	7	43	400	368	19	52,5
6	6	32	275	253	17,8	51
4	4	22	200	184	18	49
-4	2	7	75	69	12,8	21
-4	4	11	130	119	14	23
0	4	13	140	129	14	27,3
-2	3	12,5	100	92	4,65	13,5
-2	2	10	75	69	5,1	16,6
-2	1,5	6,5	50	46	5,8	17
-2	0	5	40	37	6	22,6
0	17,5	42	660	607	40	45
0	19	46	685	630	40	48
0	15	53	645	593	21,3	38
0	17	53	660	607	21,3	35
8	8	16	145	133	24	41
8	8	15	124	114	24	41
7	7	10,5	60	55	24.5	41
20	20	60	850	782	41,6	59
17	17	40	850	782	89.8	73,7

 
 
 

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Die Tabelle 8 zeigt den Wärmeenergiegewinn in Kwh/m²d der Kollektoren je Tag im betreffenden Monat; erstens bei ungünstigen Temperaturen und geringsten Wärmepumpeneinsatz, zweitens bei günstigen Temperaturen und geringsten Wärmepumpeneinsatz, und drittens bei günstigen Temperaturen und hohem Wärmepumpeneinsatz.
 
 
 
 

Tabelle 8:
 
 
 

Monat	Oktober	November	Dezember	Januar	Februar	März
ungünstige Temperatur geringer Wärmepumpeneinsatz	~1,0	~0,39	~0,24	~0,32	~0,87	>1,0
günstige Temperatur geringer Wärmepumpeneinsatz	>1,0	~0,5	~0,38	~0,5	~1,05	>1.0
günstige Temperatur hoher Wärmepumpeneinsatz	>1.0	>0,6	>0,48	>0,6	>1,05	>1,0

 

Den Berechnung wurden die Diagramme und Tabellen von Seite 45 bis Seite 56 sowie die Tabelle 7 mit den Wirkungsgraden zugrunde gelegt. Die Kollektorneigung beträgt in diesem optimalen Beispiel 30°C mit Südausrichtung.
 
 

Zum Anfang
 

5.) Energieangebot von der Sonne