2000-02: Solar-Luftsysteme
Grundlagen
Eine luftgeführte thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, einem Verteilungssystem, einem Energiespeicher und einer Regelung. Darin unterscheidet sie sich nicht von einem wassergeführten System. Der prinzipielle Unterschied besteht darin, dass die Wärme vom Ort ihrer Entstehung im Absorber mit Hilfe von Luft (statt mit Wasser) ihrer Verwendung zugeführt wird.
Das Zeitalter der luftgeführten thermischen Solaranlagen hat begonnen
Luftgeführte Systeme sollten für alle Gebäude in Betracht gezogen werden, die Raumheizung oder Vorheizung der Ventilationsluft benötigen. Übliche Anwendungsfälle sind Raumheizung für Wohnungen und Erwärmung der Ventilationsluft für Industriegebäude, Schulen, Sporthallen und kleinere Bürogebäude. Es ist sinnvoll, die heiße Luft im Sommer für die Brauchwassererwärmung zu verwenden, dadurch verwendet man das System das ganze Jahr hindurch.
Abbildung 1: Hochleistungskollektor
Die Geschichte der luftgeführten thermischen Solaranlage
Die erste patentierte solare Luftheizung wurde von S. Morde 1881 entworfen und gebaut und seit 1890 in den USA vermarktet. Sie wurde an einer südgerichteten Wand montiert und bestand aus einem schwarzen Metallblech in einer flachen, glasbedeckten Kiste. Die Luft wird an der schwarzen Metalloberfläche erwärmt und es entsteht eine natürliche Konvektion. Kalte Luft tritt am unteren Ende der Platte durch eine Öffnung ein, während die erwärmte Luft vom oberen Ende direkt in den dahinterliegenden Raum austritt. Einige solcher Luftheizungen wurden in Massachusetts in Häuser eingebaut, allerdings folgte danach keine weitere Vermarktung.
In den folgenden Jahrzehnten wurden Solarluftsysteme vor allem in den USA weiterentwickelt. Eine breite Markteinführung bliebe dieser Technologie aber lange versagt.
Abbildung 2: Das Mehrfamilienhaus Marostica in Italien Systemvariation "Typ2"
Erst zwischen 1973 und 1985 wurde weiterführende Forschungsarbeit außer von staatlichen Förderungsstellen auch von Firmen unterstützt, die Ausstattungsteile für Heiztechnik herstellten. In den folgenden Jahren wurden solare Luftsysteme für Kühlung erforscht. Solar erhitzte Luft lieferte die Energie für AbsorptionsKühlschränke oder Trocknungskühlschränke.
Während dieser Zeit wuchsen die kommerzielle Herstellung und der Verkauf von solaren Luftheizungssystemen parallel zur Herstellung und Verkauf von wassergeführten Systemen. Eine Umfrage aus dem Jahr 1980 ergab, dass 85 US Firmen Luftkollektoren für den Handel und den häuslichen Gebrauch anboten. Viele der Firmen vertrieben auch komplette Systeme inklusive Installation. 1983 stieg die Anzahl der Sonnenkollektoren, die von der "Solar Rating and Certification Corporation" ein Zertifikat erhielten, von 12 auf 34.
In den 80-iger Jahren war eine langsame Wiederbelebung zu erkennen, diesmal in Europa. Ohne die Unterstützung von Forschungseinrichtungen begannen Architekten Wohnhäuser und Schulen mit solarer Luftheizung zu errichten. Die Gebäude zeigten gute Leistungsdaten. Das Interesse wuchs, solare Wärme auf diese alternative Art zu transportieren und zu speichern. Die Systeme reichten von dach- und fassadenintegrierten Ausführungen bis hin zu Fensterkollektoren (eine Jalousie im luftgefüllten Zwischenraum eines Doppelglasfensters fungiert als Absorber). Während viele Systeme von Architekten geplant und vor Ort gebaut wurden, wurde die Industrie in diesem Bereich wiedergeboren und zielte mit ihren Produkten auf Marktnischen ab. In den 90-igern kamen günstige, betriebsfertige Kollektoren auf den Mark, um Wochenendhäuser von Schweden bis Spanien zu temperieren und zu entfeuchten. In Massenproduktion hergestellte Hochleistungskollektoren fanden in Sporthallen, Bürogebäuden und Privathäusern ein breites Anwendungsfeld (siehe Abbildung 3). Der größte Erfolg konnte mit unverglasten Kollektoren zur Erwärmung der Ventilationsluft erzielt werden. Sie erwiesen sich sogar trotz der fallenden Preise von fossilen Brennstoffen als kosteneffektiv.
Abbildung 3: Bombardier's Canadair Aircraft Factory mit 10.000 m² unverglastem Luftkollektor
Die Aussichten dieser Technologie erlangte die Aufmerksamkeit der Regierungen, die zunehmend von Umweltkonzernen darauf aufmerksam gemacht wurden. Als Reaktion auf das wiedererlangte Interesse wurde im Programm für solares Heizen und Kühlen der internationalen Energieagentur (IEA-SHC) 1992 die Task 19 initiiert, die mit Unterstützung von 9 Ländern, darunter Österreich, in einer sechsjährigen Arbeit Solarluftsysteme im Detail untersuchte.
Systemvariationen
Experten in der Task 19 begannen mit der Bestandsaufnahme von 30 Gebäuden mit luftgeführten Solarsystemen, die in den 90-igern gebaut worden waren. Sechs Grundtypen konnten gefunden werden, die sich in der Art des Wärmetransportes vom Kollektor zum Energiespeicher oder dem zu beheizenden Bereich und zurück unterschieden. In einem Kollektor mit offenem Kreislauf geht die erwärmte Luft direkt in den bewohnten Raum, bei einem geschlossenem Kreislauf zirkuliert die Luft durch ein geschlossenes Rohrleitungssystem.
Typ 1: Solare Heizung der Ventilationsluft
Außenluft wird durch einen verglasten oder unverglasten Kollektor direkt in den Raum geleitet, der belüftet und geheizt werden soll. Dieses System kann hohe Wirkungsgrade erzielen, da für den Kollektor kalte Luft bereitgestellt wird. Im Sommer kann die Wärme nach außen abgeführt werden.
Geeignete Anwendungen liegen bei der Entfeuchtung von (zeitweise) unbewohnten Ferienhäusern bis hin zur Belüftung von großen Industriehallen.
Typ 2: Kollektor/Raum/Kollektor
Im, nach seinem italienischen Erfinder benannten, Bara Costantini System, geht Raumluft zum Kollektor, wo sie erwärmt wird. Sie steigt auf und kommt über die Decke zurück, die als thermischer Energiespeicher dient. Die Luftbewegung erfolgt nur durch natürliche Konvektion. Die Speicherdecke strahlt nach Sonnenuntergang Wärme ab. Im Sommer kann der Kollektor auf der Oberseite nach außen hin entlüftet werden, wobei die Raumluft abgeführt wird. Diese wird durch kühlere Luft aus einem Erdwärmetauscherregister oder durch ein offenes Fenster an der Nordseite des Gebäudes ersetzt. Dieses System wurde häufig in Mehrfamilienhäusern eingesetzt.
Typ 3: Kollektorerwärmte Luft, die durch Hohlräume in der Gebäudeummantelung zirkuliert
Wärmeverluste durch die Gebäudehülle können drastisch reduziert werden, indem man durch einen Kollektor erwärmte Luft in einer hohlen Gebäudehülle zirkulieren lässt. Weil die Luft sehr kühl zum Kollektor zurückkommt, kann der Kollektor sehr günstig gebaut werden und dennoch einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Im Sommer kann die vom Kollektor erwärmte Luft zur Brauchwassererwärmung in einem Luft-Wasser Wärmetauscher verwendet werden. Dieses System ist besonders gut geeignet für die Nachrüstung schlecht isolierter Mehrfamilienhäuser.
Typ 4: Geschlossener Kreislauf von Kollektoren und Energiespeicher, Wärmeabgabe durch Strahlung
Bei diesem klassischen Typ wird Luft von einem Kollektor erwärmt und durch Rohrleitungen in massive Böden oder Wände geleitet, die die Wärme vier bis sechs Stunden lang in die Räume abstrahlen. Dieser Typ hat den Vorteil, dass große Heizoberflächen für ein hohes Maß an Behaglichkeit sorgen. Ein ventilatorbetriebener Luftumlauf sorgt für die besten Systemwirkungsgrade und die beste Leistungsabgabe. Anwendungen für diesen Typ umfassen alle Gebäudearten, die von einer Niedrigtemperaturheizung profitieren.
Typ 5: Einfacher, offener Kreislauf zu den Räumen des Gebäudes
Dieser Typ ist Typ 4 sehr ähnlich, allerdings ist durch separate Rohrleitungen im Speicher eine kontrollierte Wärmeabgabe möglich. Da der Energiespeicher gut isoliert werden kann, kann er mit höheren Temperaturen aufgeladen werden und muss erst entlehrt werden, wenn die Energie benötigt wird. Außerdem kann er sich weiter weg von den zu beheizenden Räumen befinden. Es gibt relativ wenige Gebäude mit dieser Art Heizung, da sie ziemlich teuer ist.
Typ 6: Im Kollektor erwärmte Luft, Wärmeabgabe erfolgt in einem Luft-Wasser Wärmetauscher
Bei diesem Typ wird Luft im Kollektor erwärmt, diese gibt die Wärme in einem Luft-Wasser Wärmetauscher ab. Da sich diese Wärmetauscher üblicherweise innerhalb der Gebäudehülle befinden, kann man auf ein Frostschutzmittel verzichten, wenn eine Frostwächter vorgesehen wird, um vor nächtlicher Entladung zu schützen. Das heiße Wasser kann durch konventionelle Radiatoren, Fußboden- oder Wandheizungen geführt werden oder einen Heißwassertank beladen. Die Nachrüstung von bestehenden Gebäuden ist einfach, da Heizsysteme meistens wassergeführt sind.
Anwendungen
Einfamilienhaus
Einfamilienhäuser haben am meisten von der Entwicklung der Solartechnik profitiert. Mit ihrem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und dem sich daraus ergebenden großen Heizenergiebedarf sind sie prädestiniert für luftgeführte Solarsysteme.
Wesentlich bei der Planung ist es, die Kosten für Ventilatoren, Rohrleitungen und die Regelung gering zu halten. Es ist sinnvoll einen Energiespeicher vorzusehen, da der Heizungsbedarf während des Tages durch passive Gewinne durch die Fenster teilweise abgedeckt werden kann. Es sollte immer überlegt werden, das System im Sommer zur Brauchwassererwärmung zu verwenden, da ein ganzjähriger Gebrauch die Amortisation beschleunigt.
Mehrfamilienhäuser
Mehrfamilienhäuser stellen eine interessante Verknüpfung mehrerer Eigenschaften dar. Die inneren Energiegewinne, die Komfortbedürfnisse und die Belegungen entsprechen denen von Einfamilienhäusern. Dagegen kommt ihre Geometrie mehr der von Bürogebäuden nahe (mehrere Stockwerke, kleines Oberflächen zu Volumen Verhältnis). Da ihr Heizbedarf pro Quadratmeter geringer ist als der von Einfamilienhäusern, kann mit einer Solaranlage auch ein höherer solarer Deckungsgrad erreicht werden. Und da die Hausbewohner von Mehrfamilienhäusern in den meisten Fällen nicht die Besitzer sind, müssen der Betrieb und die Wartung einfach und störungsfrei sein. Außerdem soll die Anlage eine geringe Amortisationszeit aufweisen. Der Schalldämmungseffekt darf bei luftbetriebenen Solaranlagen auch nicht außer Acht gelassen werden. Bei einem automatischen Abzug in Küche und Bad kann die abgesaugt Luft durch Luft, die in verglasten Balkonen vorgewärmt wurde, ersetzt werden. Für belüftete Korridore, Vorzimmer und gemeinsam benützte Räume haben sich unverglaste Kollektoren als sehr wirksam erwiesen. Abbildung 4 zeigt die Systemvariation "Typ 2" in einem italienischen Mehrfamilienhaus.
Abbildung 4: Das Mehrfamilienhaus Marostica in Italien, Systemvariation "Typ 2"
Schulen
Schulen und Kindergärten sind die optimalen Gebäude, um die Nutzung von Solarenergie zu demonstrieren. Moderne Schulen haben oft große verglaste Eingangsbereiche oder Pausenhallen. Solche verglaste Räume können auch als Luftkollektor dienen, wenn man die warme Luft im oberen Bereich des Raumes abzieht. Mit Fensterkollektoren kann ebenso Wärme aus der Verglasung von südgerichteten Klassenräumen gewonnen und diese in nordgerichtete Zimmer umgeleitet werden. Unverglaste, offene Systeme können Frischluft erwärmen und diese direkt in die Klassenräume leiten. Da die Erwärmung von Zuluft 30 bis 60% des Heizenergiebedarfs decken kann, können auf diese Weise großartige Einsparungen erzielt werden. Die Kombination eines Luftheizsystems mit einer Fußbodenheizung hat einige Vorzüge (z.B. in einem Kindergarten; spielende Kinder am Fußboden).
Sporthallen
Sporthallen haben typischerweise eine große äußere Oberfläche mit geringem Fensteranteil (um Blendung zu vermeiden) und große, flache Dächer. Diese weitläufige und lichtundurchlässige äußere Fläche ist wie gemacht für eine gebäudeintegrierte solare Luftheizung. Da durch die Ausübung von Sport Wärme erzeugt wird, kann die Hallentemperatur niedrig gehalten werden (um die 15°C). Diese niedrigen Temperaturen bewirken einem sehr guten Kollektorwirkungsgrad. Gleich wichtig wie die Heizung ist in diesem Fall auch eine gute Be- und Entlüftung zur Vermeidung von Feuchtigkeit und Gerüchen. Die solar erwärmte Luft kann sowohl zur Zulufterwärmung, als auch zur Vorwärmung des Wassers für die Duschen genützt werden. Es gibt einige sehr wirtschaftliche Beispiele, die über die letzten Jahre gut abgeschnitten haben und Amortisationszeiten von weniger als 5 Jahren vorweisen können.
Industriehallen
Die Heizung von Industriehallen ist eine der besten Anwendungsbereiche für solare Luftheizungen. Diese Gebäude haben oft nur ein Stockwerk und ein großflächiges, schlecht isoliertes Dach. Daher haben sie auch einen erheblichen Heizbedarf. Außerdem benötigt die Erwärmung der Zuluft die gleiche Energiemenge wie der vorliegende Raumheizungsbedarf. Solare Lufterwärmer zur Bereitstellung von temperierter Zuluft haben sich als kosteneffektiv erwiesen (sogar bei den heutigen niedrigen Energiepreisen). Das System funktioniert auch an bewölkten Tagen, da jede Lufterwärmung sinnvoll ist. Eine Temperaturerhöhung um 5 bis 20 K über der Außentemperatur ist im Normalfall ausreichend. Wenn die Frischluft über die Raumtemperatur erwärmt wird, dann kann sie auch zur Raumheizung beitragen. Amortisationszeiten von 2 bis 5 Jahren sind bei diesen Systemen durchaus realistisch. Abbildung 5 zeigt die Bombardier's Canadair Aircraft Factory mit 10.000 m² unverglastem Luftkollektor. Der (aus rein ästhetischen Gründen) weiße Bereich an der Oberseite der Wand ist der Ansaugschacht, der die von der Wand aufsteigende erwärmte Luft sammelt.
In Niedrigenergiebüros wird mehr als 60% der Heizlast durch Zulufterwärmung abgedeckt. Aber mit der Zunahme der Nützung von Tageslicht und Energiesparmaßnahmen in den Büros, wird der Heizenergiebedarf wieder ein wichtiger Punkt. Im Idealfall sollte ein Luftheizsystem auch einen Energiespeicher haben, da die Wärme nicht immer zu dem Zeitpunkt benötigt wird, wenn sie vorhanden ist. Eine Lösungsmöglichkeit stellt eine "doppelte Fassade" dar. Hierbei wird eine Glasfassade 30 bis 80 cm vor die innenliegende Fassade gesetzt. Der sich ergebende Spalt erfüllt mehrere Funktionen: Im Winter dient die solar erhitzte Luft der Frischlufterwärmung. Im Sommer dient der Spalt als solarer "Kamin", wobei die aufsteigende, warme Luft an Schlitzen an der Oberseite abgezogen wird. Vorrichtungen für Verschattung und Schutz vor Blendung können im Spalt angebracht werden, wo sie auch vor Wind und Wetter geschützt sind. Schließlich und Endlich erfüllt diese Konstruktion auch die Funktion eines hervorragenden Schallschutzes.
Testverfahren für Solar-Luftkollektoren
Um die Leistung von Kollektoren abschätzen zu können, wurden ein akkreditierter Vor-Ort-Test und ein standardisiertes Testverfahren für Prüfstände in der Task 19 entwickelt. Die Leistungsmessung von Luftkollektoren ist um einiges aufwendiger als von Wasserkollektoren, da die Messung von Temperaturen und Massenströmen bei Luft schwieriger ist. Außerdem muss bei komplexeren Problemen (z.B. Leckströme) das Strömungsverhalten im Kollektor und der geringe Wärmeübergang vom Kollektor berücksichtigt werden.
Vor-Ort-Tests in Dänemark
Um die Leistung von bereits installierten Kollektoren zu messen, wurde 1996 im Solar-Energie-Labor in Dänemark ein Vor-Ort-Testverfahren entwickeln. Der Wirkungsgrad von Luftkollektoren wird - ähnlich wie bei wassergeführten Kollektoren - stark durch den Massenfluss im Kollektor beeinflusst. Ein Aufrechnen der Leistungen von kleineren Testkollektoren auf größere Maßstäbe ist daher schwierig.
Der Massenstrom wird entweder durch einen kalibrierten Druckverlust oder einer kalibrierten Luftgeschwindigkeit ermittelt. Die Temperaturen werden von kalibrierten Temperaturfühlern abgelesen, die sich mit einer definierten Anordnung in den Rohrleitungen befinden. Der Wirkungsgrad wird durch Einsetzen der Parameter in die Standard-Wirkungsgradgleichung für thermische Sonnenkollektoren ermittelt. Diese Methode wurde an zwei dänischen solaren Luftkollektoren getestet (in Havrevangen und in Tjørnegade). Die Genauigkeit der Wirkungsgradgleichungen lag innerhalb des Genauigkeitsbereichs für wassergeführte Kollektoren. Basierend auf diesen Erfahrungen wurden Richtlinien erstellt, um die meteorologischen Bedingungen festlegen zu können, bei denen die Tests durchgeführt werden sollen. Dieses Verfahren wurde 1998 im Dänischen Technologieinstitut festgelegt.
Labortests im Österreichischen Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal
Sieben Hersteller aus sieben verschiedenen Ländern erklärten sich einverstanden, ihren Produkte im Rahmen der Task 19 im Österreichischen Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal in Wien prüfen zu lassen. Es wurden sowohl Produkte getestet, die schon gut am Mark eingeführt waren, als auch vielversprechende Prototypen. Einige Hersteller nützten die Untersuchung, um ihre Produkte technisch auf den neuesten Stand zu bringen. Diese Testserie brachte viel Erfahrung darin, wie solche Tests durchzuführen sind. Abbildung 6 zeigt die den Prüfstand bei arsenal research in Wien.
Für die Genauigkeit wurden zwei Ventilatoren, einer am Einlass und einer am Auslass, verwendet. Sie wurden so eingerichtet, dass der statische Druck am Kollektor dem atmosphärischen Druck entspricht. Nur auf diese Weise können Leckströme vermindert werden.
Ein kritischer Punkt ist das Strömungsverhalten innerhalb des Kollektors. Wenn man mit nur einem Kollektor, so wird das Strömungsverhalten in der Nähe des Ein und des Auslassventils meist falsch dargestellt. In der Nähe von Rohreinlässen und -auslässen wird der Absorber nicht gut mit Luft umspült. Die Rohranschlussstutzen müssen daher so konstruiert werden, dass ein möglichst gleichmäßiges Strömungsbild zwischen Ein- und Auslass erzielt wird. Für diese Tests wurde eine spezielle Box konstruiert, um eine gleichmäßige Durchströmung zu gewährleisten.
Während es sehr einfach ist, die Eintrittstemperatur zu messen, ist das bei der Austrittstemperatur nicht der Fall. Die Luft geht in mehreren Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen aus dem Kollektor, daher ist eine Vorrichtung zur Vermischung der Schichten und eine ausgefeilte Anordnung der Temperaturfühler notwendig. Um die Kollektoren mit verschiedenen Lufttemperaturen zu testen, wurde eine geschlossene Klimakammer (150 m³) verwendet. Damit konnte die Einlassluft auf festgelegte, konstante Temperaturen von -5 bis +60°C gebracht werden. Im Stagnationsfall können, in Abhängigkeit von der Absorberoberfläche, Verglasung und Isolation, Temperaturen von bis zu 200°C überschritten werden.
Die Simulation von Wind (Windrichtung und Geschwindigkeit) ist besonders für unverglaste Kollektoren entscheidend. Wird ein verglaster Kollektor unterhalb des Absorbers mit Luft durchströmt, hat der Wind keinen besonderen Einfluss. Befindet sich dir Durchströmung zwischen Absorber und Verglasung, so zeigen die Kollektoren, besonders wenn sie bei höheren Temperaturen arbeiten, abfallende Leistungen bei höheren Windgeschwindigkeiten.
Abbildung 4: Teststand am Österreichischen Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal
Ausblick
Die Aussichten für solare Luftsysteme sind vor allem in folgenden Marktnischen vielversprechend:
- Alte Gebäude mit renovierungsbedürftigen Fassaden: Einsatz von Luftsystemen in der Fassade als Renovierung
- Häuser, die Verkehrslärm aus der Luft oder von der Straße ausgesetzt sind: Doppelfassaden als Schallschutz
- Bürogebäude und Niedrigenergiehäuser mit kontrollierter Belüftung, die solar erwärmt wird
- Industriehallen und Warenlager mit niedriger Temperatur: Luftkollektoren in der Fassade
- Ferienhäuser: Solare Luftkollektoren mit Naturumlauf oder PV-angetrieben für Raumentfeuchtung und als Frostschutz
Solare Luftkollektoren erfüllen mehrere Funktionen und verwenden übliche Gebäudebestandteile, daher haben sie noch eine große Zukunft vor sich. Außerdem erlauben die Vielfalt der Kollektor- und Speichertypen und die unterschiedlichen Arten der Be- und Entladung viele kreative und individuelle Lösungen. Der Wachstum der Industrie im Bereich Luftkollektoren war im letzten Jahrzehnt beeindruckend: Die weltweite Vermarktung eines unverglasten Kollektorsystems aus Kanada; die Einführung eines neuen, flachen Kollektortyps aus Norwegen, der Standard-Glasbefestigungssystemen verwendet; die Ausbreitung von deutschen und dänischen Fertigsystemen für Zweithäuser. Und schließlich die Entwicklung von Modulsystemen für Freizeitanlagen und Bürogebäuden zu besseren Leistungen hin.
Das Zeitalter der solaren Luftsysteme hat begonnen, das Wachstum der Industrie wird weitergehen.
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Vorteile und Anwendungsgrenzen von luftgeführten thermischen Solaranlagen Vorteile
Nachteile
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Literatur
IEA SHC-Task 19: James&James Science Publishers, 35-37 William Rd. London NW1
3ER UK:
- Solar Air Systems - Case Studies, ISBN 1-873936-85-0.
- Solar Air Systems: A Design Handbook, ISBN 1-873936-86-9.
- Solar Air Systems: A Catalog of Products, ISBN 1-873936-84-2.
Transair (P.C. Programm), Transsolar, Nobelstr. 15, D 70569 Stuttgart, 1999
M. Bosanac ans S. Østergaard Jensen: In-Situ Solar Air Collector Array Test, ISBN 87-7756-480-4, Solar Energy Laboratory, DTI Energy, PO Box 141, DK 2630 Taastrup, Dec. 1997
*) Architekt Robert Hastings war Operating Agent der Task 19 - Solar Air Systems im Rahmen der IEA Heating and Cooling Programme und ist Geschäftsführer der Architecture, Energy- & Environment GmbH, CH 8304 Wallisellen, Schweiz [^]