Zeitschrift EE

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2013-01: Kunststoff-Kollektoren

Leistungsanforderungen an Polymermaterialien

Abbildung 1: Kunststoffkollektor (mit konstruktivem Überhitzungsschutz) am Teststand der AEE INTEC
(Bildquelle: AEE INTEC)

Eine wichtige Voraussetzung zur Nutzung von Polymerwerkstoffen in solarthermischen Anlagen ist die genaue Kenntnis der Leistungsanforderungen an die jeweiligen Komponenten und die dafür eingesetzten Werkstoffe. Der vorliegende Artikel bezieht sich auf die im Rahmen des Großforschungsvorhabens „Solarthermische Systeme aus Polymerwerkstoffen: SolPol-1“ im Arbeitspaket WP-01 durchgeführten Arbeiten (zu SolPol-1/2 siehe [1] und [2]).

Von Alexander Kaiser, Christian Fink, Robert Hausner, Thomas Ramschak und Wolfgang Streicher



Ausgangslage

Ein zentraler Aspekt beim Einsatz von Polymerwerkstoffen in Solaranlagen ist die Kenntnis der im System auftretenden Belastungen (insbesondere Temperatur- und Druckentwicklung) in entsprechender zeitlicher Auflösung (z.B.: in Stundenmittelwerten). Da bei den dominierenden Materialien Metall und Glas in konventionellen Solarsystemen die Belastungsgrenzen nicht annähernd erreicht werden, gab es im Anwendungsbereich der Solartechnik bisher keine Notwendigkeit für die Erstellung von Belastungsprofilen der Systemkomponenten. Aus diesem Grund fehlte es nicht nur an verfügbaren Angaben zur Belastungshäufigkeit, sondern teilweise auch an Methoden zur Bestimmung derselben. Eine Aufgabenstellung innerhalb des Projektes SolPol 1 lautete Berechnungsmethoden zu entwickeln und eine breite Wissensbasis zu Belastungsprofilen in unterschiedlichen Anwendungen, Systemkonzepten bzw. Klimaeinflüssen zu erstellen. Die Systemkonzepte betreffend stand dabei sowohl die Berücksichtigung von gepumpten Systemen und Themrmosiphonsystemen als auch angepasste Prinzipien (Drain-Back-Einheiten, Kollektoren mit Überhitzungsschutz, etc.) im Fokus der Arbeiten.

Definition von Referenzstandorten und Referenzanwendungen

Die Auswahl von Referenzstandorten erfolgte mit dem Ziel, Systembelastungen in Folge von sehr unterschiedlichen Klimaeinflüssen (kontinental, mediterran, heiß-trocken, heiß-feucht, gemäßigt) generieren zu können. Neben den klimatischen Belastungen spielten dabei auch die grundsätzlich vorherrschenden Marktpotenziale und die aktuellen Marktaktivitäten in den in Frage kommenden Regionen eine wichtige Rolle. Schlussendlich wurden die Standorte Graz, Athen, Pretoria, Fortaleza und Peking für die weiteren Arbeiten definiert und für die betrachteten Anwendungen marktkonforme Referenzsysteme hydraulisch definiert und in den Dimensionen festgelegt . Die Eckdaten hierzu werden ebenso wie die Strahlungs- und Außentemperaturmaxima an den jeweiligen Standorten in Tabelle 1zusammengefasst.

Tabelle 1: Zusammenfassung der klimatischen Rahmenbedingungen an den ausgewählten Standorten, der behandelten Systemanwendungen sowie der marktkonformen Dimensionierung der Referenzsysteme (Bruttokollektorfläche)

Thermische Belastungen im Gesamtsystem

Zur Bestimmung der Belastungsprofile auf der Ebene des Gesamtsystems wurden im ersten Schritt die Referenzsysteme in den Simulationsprogrammen Polysun [5] bzw. SHW [6] abgebildet. Beispielhaft zeigt Abbildung 2hierzu die Temperaturbelastung unterschiedlicher Komponenten in einem Referenzsystem zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung (Kombisystem) über ein Kalenderjahr (konventionelle Technik, selektiv beschichteter Metallabsorber) am Standort Graz. Liegt die höchste Temperaturbelastung für die Komponente Speicher bei max. 95°C (Häufigkeit von ca. 30 h/a), ist in Folge von Anlagenstagnation im Sommer der Absorber und der Kollektoraustritt (2h/a rund 200°C) mit wesentlich höheren Temperaturen beaufschlagt. Basierend auf so ermittelten ersten Profilen der Temperatur- und Druckbelastung für die Referenzsysteme wurden spezielle Maßnahmen zur Reduktion der Belastungen in angepassten Kunststoffsystemen (Methoden des Überhitzungs­schutzes, Drain-Back-Einheiten, etc.) definiert und in den vorhin genannten Simulationsumgebungen umgesetzt.

Abbildung 2: Jahresstundenhäufigkeiten der auftretenden Temperaturen an unterschiedlichen Systemkomponenten eines konventionellen Kombisystems mit selektiv beschichtetem Metallabsorber (Standort Graz, Referenz Einfamilienhaus) Klick Mich!

Die niedrigsten Temperaturen erfährt der Absorber des Kollektors in klaren Nächten im Winter. Hierbei kann die Temperatur im Kollektor durch Strahlungsaustausch mit dem klaren Himmel auch unter der gemessenen Außentemperatur liegen, was beispielhaft für den Standort Graz Minimalwerte von bis zu minus 21°C (9°C unter der tiefsten Außentemperatur) bedeutet.

Überhitzungsschutz und Drain-Back Systeme

Wie in Abbildung 2 dargestellt, bringt Anlagenstagnation hohe Temperatur- und dadurch auch Druckbelastungen für kollektornahe Komponenten mit sich. Je nachdem wie gut es gelingt diese Belastungen wirksam zu begrenzen ohne den Wirkungsgrad im Normalbetrieb wesentlich zu reduzieren, entscheidet darüber ob technische Kunststoffe oder kostengünstige Massenkunststoffe eingesetzt werden können. Im Rahmen der gegenständlichen Arbeiten wurden zwei unterschiedliche Maßnahmen zur Reduktion der Systembelastungen betrachtet:

  • Entleerende Systeme (Drain-Back Systeme): Nach Abschalten der Pumpe entleert sich das Solarsystem in einen zur Atmosphäre hin offenen Auffangbehälter. Der Kollektor muss zwar den Temperaturen standhalten, die korrelierende Druckbelastung entfällt aber bzw. kann stark reduziert werden.
  • Kollektoren mit Überhitzungsschutz auf Basis gezielt erhöhter Wärmeverluste des Kollektors: Erreicht der Kollektor ein definiertes Temperaturniveau, werden gezielt die Wärmeverluste des Kollektors erhöht und dadurch die Maximaltemperaturen begrenzt (z.B.: Kollektoren mit einem speziellen Rückkühler nach dem Thermosiphonprinzip oder Kollektoren mit einem erhöhten Luftwechsel).

Um Vergleiche zum marktüblichen Referenzsystem mit einem selektiv beschichteten Standardflachkollektor anstellen zu können, galt es einerseits den Aufbau als auch die Leistungsdaten für einen „typischen“ Kunststoffkollektor zu bestimmen. Dies erfolgte basierend auf einer Literaturrecherche zu bereits am Markt befindlichen Kunststoffkollektoren und ersten Rechenergebnissen aus dem Projekt SolPol 2. Der so definierte Kunststoffkollektor besteht aus einer Doppelstegplatte als Abdeckung, einem schwarzen, vollflächig durchströmten Absorber, einer Rückwanddämmung und einem Kunststoffgehäuse (Leistungsdaten des Kollektors: c0 = 73%, c1 = 3,5 W/m²K, c2 = 0,016 W/m²K²).

Abbildung 3zeigt den Wirkungsgradverlauf des definierten Kunststoffkollektors sowie den Wirkungsgradverlauf unterschiedlich effizienter Varianten des Überhitzungsschutzes (Schalttemperatur ab 85°C). Können die Temperaturen des Kunststoffkollektors bei idealer Überhitzungsschutzfunktion auf 85°C begrenzt werden, treten bei ungünstiger Überhitzungsschutzfunktion durchwegs Temperaturen jenseits von 120°C auf. Für die weiteren Berechnungen wurde der Kollektor mit „Günstig wirkendem Überhitzungsschutz“ herangezogen und in das Simulationsprogramm SHW [6] integriert.

Abbildung 3: Wirkungsgradkennlinien des definierten Kunststoffkollektors ohne Überhitzungsschutz (grün) und unterschiedlich effiziente Varianten des Überhitzungsschutzes für den Polymerkollektor (blau) Klick Mich!

Temperaturbelastungsprofile am Absorber

Für die definierten Standorte wurde eine Vielzahl an Systemvarianten bestimmt und in den oben genannten Simulationsumgebungen abgebildet. Stellvertretend für die große Anzahl an Simulationsergebnissen werden in Abbildung 4 und 5 jeweils Absorbertemperaturen für unterschiedliche Anwendungen, Standorte und Systemausführungen dargestellt. Abbildung 4 zeigt die Jahresstundenhäufigkeiten der mittleren Absorbertemperatur für die Referenzsysteme „Warmwasser-Einfamilienhaus (EFH)“ und „Kombisystem-Einfamilienhaus (EFH)“ sowie für die gleichen Anwendungen und Standorte die Kunststoffkonfigurationen „Überhitzungsschutz“ bzw. „Drain-Back“. Liegen die maximalen Temperaturbelastungen der Referenzsysteme bei rund 195°C (roter Bereich), liegen beim Drain-Back System die Stagnationstemperaturen aufgrund des nicht selektiv beschichteten Absorbers bei rund 165°C (grüner Bereich). In einem Kunststoffkollektor, ausgestattet mit effektivem Überhitzungsschutz, tritt hier die geringste Temperaturbelastung mit maximal 90°C auf (blauer Bereich).

Abbildung 4: Jahresstundenhäufigkeiten der Absorbertemperaturen in Kunststoffkollektoren mit Überhitzungsschutz (blau), ohne Überhitzungsschutz als Drain-Back System (grün) und dem Referenzkollektor (rot) bei unterschiedlichen Anwendungen (Warmwasserbereitungs- „WW“ und Kombisystem „Kombi“) jeweils für die Referenz „Einfamilienhaus“ am Standort Graz. Klick Mich!

Abbildung 5 zeigt die Jahresstundenhäufigkeiten der mittleren Absorbertemperatur für die Kunststoffsysteme in Drain-Back bzw. in Thermosiphonausführung der Anwendung „Warmwasser-Einfamilienhaus (EFH)“ an allen fünf Standorten sowie für die Anwendung „Kombisystem-Einfamilienhaus“ und „Warmwasser-Mehrfamilienhaus (MFH)“ an zwei Standorten. Zu Vergleichszwecken ist das Referenzsystem „Warmwasser-Einfamilienhaus“ am Standort Graz dargestellt. Deutlich wird dabei, dass die Untergrenzen der Temperaturprofile im Wesentlichen nur vom Standort bestimmt werden, wohingegen die Obergrenzen zusätzlich von den Kollektoreigenschaften, der Systemwahl sowie der Anwendung (Lastprofile bzw. regional übliche Dimensionierung) abhängen. Die maximal auftretenden Temperaturen in den Thermosiphonsystemen werden systembedingt mit maximal 95°C begrenzt, was auf den inhärenten Überhitzungsschutz durch die Frischwasserversorgung zurückzuführen ist.

Abbildung 5: Jahresstundenhäufigkeiten der Absorbertemperaturen in Kunststoffkollektoren ohne Überhitzungsschutz als Thermosiphonsysteme (gelb), Drain-Back Systeme (grün), und dem Referenzkollektor (rot) bei unterschiedlichen Anwendungen (Warmwasserbereitungs- „WW-Einfamilienhaus“ und „WW-Mehrfamilienhaus“, sowie Kombisystem „Kombi-Einfamilienhaus“) an unterschiedlichen Standorten Klick Mich!

Druckbelastungsprofile für den Absorber

Die Druckentwicklung hängt in geschlossenen Systemen unmittelbar mit der Temperaturentwicklung zusammen, weshalb für die Berechnung der Druckbelastungen die Temperaturprofile die Basis bildeten. Weiters ist bei der Bestimmung der Druckentwicklung einerseits entscheidend, ob es im Falle der Anlagenstagnation zu Dampfbildung kommt und andererseits welche Dimensionierungsrichtlinien für das Ausdehnungsgefäß herangezogen werden. Um für die untersuchten geschlossenen Systeme mit Dampfentwicklung (insbesondere die Referenzsysteme) auch die Druckentwicklung im Zuge von Anlagenstagnation mitberücksichtigen zu können, wurde eine spezielle Methode entwickelt. Diese verknüpft die tatsächlichen Vorgänge bei Stagnation, in denen Phasen mit Sattdampf und überhitztem Dampf auftreten, mit den stündlichen Temperaturen aus den Systemsimulationen [4]. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen (Abbildung 6, roter Bereich), dass im Stagnationsfall Drücke von bis zu 4,5 bar auftreten. Im Gegensatz dazu liegen die maximalen Drücke in den als offene Systeme definierten Drain-Back Anlagen wesentlich geringer (siehe Abbildung 6, grüner Bereich). Aufgrund der Entleerung bei Pumpenstillstand kann hier Dampfbildung weitestgehend vermieden werden, was zu maximalen Drücken von max. 0,2 bar führt. Dieser Druck tritt während des Startvorgangs (geodätische Kollektorhöhe von ca. 2 m) auf. Im Betrieb hingegen kommt es im Absorber zu einem Unterdruck, welcher der Höhendifferenz zwischen Drain-Back-Tank und Kollektor entspricht und bei großen Differenzen die Arbeitstemperatur des Systems deutlich reduzieren kann (unterschreiten der Siedetemperatur). Bei Einkreis-Thermosiphonsystemen ergibt sich die maximale Druckbelastung aus der geodätischen Höhe zwischen Frischwasserreservoir und Kollektorunterkante und beträgt etwa 0,2 bis 0,4 bar Überdruck (Abbildung 6, gelber Bereich). Bei Zweikreis-Thermosiphonsystemen (Abbildung 6, oranger Bereich) und Systemen mit Überhitzungsschutz (blauer Bereich) kommt es systembedingt zu keiner Dampfbildung, weshalb die Flüssigkeitsdehnung in Verbindung mit der Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes weitestgehend die Druckmaxima (0,2 bis 1,2 bar Überdruck) bestimmt.

Abbildung 6: Jahresstundenhäufigkeiten der Absorberdrücke für die Anwendung Warmwasser-Einfamilienhaus in unterschiedlichen Kunststoffsystemen an allen fünf Standorten sowie dem Referenzsystem am Standort Graz (Überdrücke) Klick Mich!

Maximale Temperaturbelastungen unterschiedlicher Kollektorkomponenten

Für die Bestimmung der Temperaturbelastung an Kollektorbauteilen (Absorber, Dämmung, Abdeckung, etc.) über ein Kalenderjahr (Stundenwerte) wurde ein spezielles, eindimensionales Kollektormodell [3] erstellt, das die Berechnung der Kollektorbauteile ermöglicht. Dieser Berechnungsansatz erlaubt auch die Bestimmung der Komponententemperaturen im Falle der Maximalbelastung in einer ungefüllten Anlage, das heißt die Kollektoren wurden bereits montiert, sind aber nicht gefüllt bzw. mit Verbrauch beaufschlagt. Der entwickelte Berechnungsansatz verwendet standortspezifische Klimadaten und die im Betriebszustand auftretenden Temperaturen des Wärmeträgermediums (berechnet mit Polysun, unter Verwendung eines identen Klimadatensatzes), um die auftretenden Temperaturen an Kollektorbauteilen wie Absorber, Dämmung oder Abdeckung zu bestimmen. Abbildung 7 zeigt beispielhaft Ergebnisse der Temperaturbelastung von Komponenten des definierten Kunststoffkollektors an den Standorten Graz und Fortaleza im ungefüllten Zustand. Deutlich wird, dass am Standort Fortaleza aufgrund der hohen Einstrahlungssumme und der hohen durchschnittlichen Außentemperatur deutlich höhere Temperaturbelastungen im ungefüllten Kollektorsystem entstehen.

Abbildung 7: Jahresstundenhäufigkeiten der Temperaturbelastung von unterschiedlichen Komponenten in Kunststoffkollektoren (Kunststoffabdeckung, Kunststoffabsorber, Kunststoffdämmung) im ungefüllten Anlagenzustand (Maximalbelastung) für die Standorte Graz und Fortaleza. Berücksichtigung fanden hierbei nur Einstrahlungswerte größer 300 W/m². Klick Mich!

Zusammenfassung

Im Rahmen des gegenständlichen Projektes wurden Methoden entwickelt, welche die Bestimmung von Temperatur- und Druckbelastungen in konventionellen Kollektoren und Systemen genauso erlauben wie die Abbildung spezieller kunststoffspezifischer Entwicklungen. Die zentralen Ergebnisse bilden Temperatur- und Druckbelastungen für eine Vielzahl unterschiedlicher Systemkonstellationen in Kunststoffbauweise an fünf Standorten, zusammengefasst in einer übersichtlichen Belastungsmatrix. Diese Matrix bildete einerseits die Basis für die Definition von Systemkonzepten und die Werkstoffauswahl im Projekt SolPol 2 und steht andererseits dem Projektkonsortium für weiterführende Entwicklungen zur Verfügung.

Literatur

  1. R. W. Lang, G. M. Wallner, J. Fischer: Erneuerbare Energien, ee 1-11, 9-11 (2011).
  2. R. W. Lang, G. M. Wallner, J. Fischer: Erneuerbare Energien, ee 1-13, 18-20 (2013).
  3. Duffie et al., 1991: Duffie,J.A., Beckman W.A.,Solar Engineering of Thermal Solar Processes, Verlag John Wiley & Sons, Inc. 1991
  4. Hausner et al., 2003: Hausner R., Fink C., Wagner W., Riva R.: Endbericht zum Projekt „Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten“, AEE INTEC, Institut für Nachhaltige Technologien, Gleisdorf, Österreich, 2003
  5. Vela Solaris, 2011: Vela Solaris AG, Stadthausstrasse 125, CH-8400 Winterthur, www.velasolaris.com: Polysun Simulation Sofware - DESIGNER, Version 5.8.6.15775, Benutzerdokumentation, Winterthur, 2011
  6. Streicher et al., 2011: Streicher, W., Schnedl, K., Thür, A., Puschnig, P.: Programmbeschreibung von SHW - Simulationsprogramm für solare Brauchwasserbereitungs- und Heizungssysteme, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen, Universität Innsbruck, 2011

Autoren

DI (FH) Alexander Kaiser, DI Robert Hausner und DI Thomas Ramschak sind Mitarbeiter der AEE INTEC im Bereich „Solarthermische Komponenten und Systeme“ ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

Ing. Christian Fink ist Leiter des Arbeitsbereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ bei AEE INTEC

 

Univ. Prof. DI Dr. Wolfgang Streicher ist Leiter des Arbeitsbereichs Energieeffizientes Bauen am Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften der Universität Innsbruck

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