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2000-02: Solar-Luftsysteme

Kooperation-International

Bis vor einigen Jahren waren die Menschen des ladakhischen Bergdorfes Lingshed, in dem diese Solarschule gebaut wird, von westlichen Einflüssen abgeschirmt. Durch den zunehmenden Tourismus und die Omnipräsenz der Medien gerät jedoch das Wertesystem der Menschen ins Wanken. Die Dorfbewohner beginnen nun ihre eigene Kultur als minderwertig anzusehen. Vor allem die Jugend zieht mit verherrlichten Vorstellungen über das städtische Leben aus dem Dorf weg.

Eine Solarschule am Dach der Welt

Von Gottfried Purkarthofer und Christian Hlade*

Mit dieser Abwanderung geht gleichzeitig ein Teil ihrer eigenen Kultur und damit ihrer Identität verloren. Die "Friends of Lingshed", gegründet vom Initiator der Solarschule Christian Hlade, möchten den Dorfmenschen durch eine gute Schulbildung helfen, sich ihrer reichen Kultur bewußt zu werden, um der aktuellen Entwicklung in ihrem Land selbstbewußt entgegentreten zu können.
Das Dorf Lingshed liegt in einer der entlegensten und rauhesten Gebieten des Himalaya. Dieser Ort mit ca. 1.000 Einwohnern befindet sich auf über 4.000 m Seehöhe und kann nur durch einen fünftägigen Fußmarsch erreicht werden. Im Winter, wo die Temperaturen bis auf - 30°C sinken, ist Lingshed vollkommen von der Außenwelt abgeschnitten. Die Lebensgrundlagen der Bewohner sind der Anbau von Gerste und Erbsen, sowie die Haltung von Yaks und Ziegen.

Abbildung 1: Empfang im Dorf Lingshed, das nördlich des Himalayahauptkammes in Ladakh liegt. Ladakh gehört seit 1942 zu Indien.

Geschichte des Solarschulprojekts

Die Geschichte des Schulprojekts in Lingshed geht bis in das Jahr 1992 zurück. Christian Hlade entdeckte auf einer Trekkingtour dieses entlegene Dorf und erlangte Einblicke in die Notwendigkeiten der dort ansässigen Menschen. So erarbeitete er im Zuge seiner Diplomarbeit Pläne für eine Dorfschule, denn bis dahin wurden die Schüler teilweise im Freien oder in einer unbeheizten Steinhütte unterrichtet. In der Realisierungsphase des Projekts, das nun von mehreren Mitarbeitern getragen wird, stand immer das Motto "Hilfe zur Selbsthilfe" im Vordergrund. So ist es den Projektverantwortlichen besonders wichtig, alle Entscheidungen im Einklang mit den Menschen in Lingshed zu treffen. Bei diesem Projekt geht es jedoch nicht nur darum, ein Schulgebäude zu errichten, sondern auch um den Aufbau einer Schulstruktur. So wurden 1995 zwei Lehrer engagiert, die ab diesem Zeitpunkt in einem provisorischen Schulgebäude unterrichteten. Ein Jahr später waren drei Projektmitarbeiter in Lingshed anwesend, die gemeinsam mit den einheimischen Lehrern Unterrichtseinheiten gestalteten und bei der Organisation zur Verbesserung des Schulbetriebs mithalfen. Zur langfristigen Sicherung des Schulbetriebs wurden 1996 vier Kinder aus dem Dorf auf traditionelle Weise mittels Orakelspruch ausgewählt, die nun eine gute Schulausbildung in der Hauptstadt Leh bekommen, um möglicherweise in Zukunft als Lehrkräfte in Lingshed zu wirken. Eine junge Frau aus dem Dorf erhält eine Ausbildung in tibetischer Heilkunst zur Gewährleistung der medizinischen Versorgung.

Abbildung 2: Die Schulkinder mit den beiden einheimischen Lehrern sind zur Zeit in einem provisorischen Schulgebäude untergebracht.

Wie überall auf dieser Welt ist auch in Lingshed Politik der kleinen Schritte und sehr viel Fingerspitzengefühl für die Verwirklichung der Solarschule notwendig. Durch die Vertrauensbasis, die seit 1992 geschaffen wurde, findet nun der Schulbau eine große Zustimmung im Dorf, sodass mit der Detailplanung begonnen werden konnte.
Während im Sommer alle Dorfbewohner - einschließlich der Kinder - dringend als Arbeitskräfte gebraucht werden, ruht im Winter jegliche Feld- und Hirtenarbeit. In diesen Monaten steigt die Schüleranzahl in der provisorischen Dorfschule stark an. Zur Beheizung dieser Steinhütte kann jedoch Holz als Brennstoff nicht eingesetzt werden, da aufgrund der Höhenlage der Rohstoff sehr rar ist. Hingegen sind die Möglichkeiten der passiven Sonnenenergienutzung sehr gut. Im Winter ist es zwar sehr kalt, aber es scheint fast täglich die Sonne, sodass die Schulräume durch die passive Sonnenenergienutzung beheizt werden können.
Nach Besichtigung bereits bestehender Solarschulen in Ladakh wurde das ursprüngliche Konzept für die Solarschule in Lingshed nochmals überarbeitet und ein neues Modell der Schule gebaut. Mit Hilfe dieses Modells konnte auf eine sehr anschauliche Weise den Dorfbewohnern die Funktion der solaren Bauweise erläutert werden. Vom örtlichen Kloster wurde schließlich ein passendes Grundstück für den Schulbau angekauft.
So konnten noch 1999 alle Weichen für den Schulneubau gestellt werden. Die Planung ist abgeschlossen, und das Projekt wird vom ganzen Dorf durch Mithilfe unterstützt. Mit den beiden Mönchen Lama Tsewang und Lama Sandup konnten zwei verlässliche und erfahrene Bauleiter verpflichtet werden, die die Bauaufsicht für die Errichtung der Solarschule übernehmen.
Der Schulbau soll Ende 2000, Anfang 2001 fertiggestellt sein. Er enthält drei Klassenräume und drei Lehrerwohnräume.
In Kooperation mit der AEE - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE sind die Installation einer thermischen Solaranlage zur Brauchwasserbereitung sowie eine Photovoltaikanlage mit Akkuspeicherung für die Beleuchtung des Solarschulhauses geplant. Weiters soll ein Solarkocher für die Schule gebaut werden. Mit diesem Kocher werden einerseits für die Kinder zu Demonstrationszwecken das Mittagessen in der Schule bereitet und andererseits den Eltern in Kursen der Selbstbau eines Solarkochers und dessen Handhabung vermittelt. Mit dem Solarkocher kann wiederum der wertvolle Rohstoff Holz eingespart werden. Durch die karge Vegetation ist gerade im Winter die Mangelernährung ein großes Problem. Aus diesem Grund ist der Bau eines Gewächshauses in Planung. Den Kindern wird dann im Unterricht vermittelt, wie man Gemüse auch im Winter ziehen kann.
Das zu Beginn recht kleine Projekt ist inzwischen sehr gewachsen. 1999 wurden insgesamt über 8700 Euro (öS 120.000.-) für Lehrergehälter, Ausbildungskosten und vor allem für Baumaterialien für die Schule in Ladakh ausgegeben. Das Projekt wird in den nächsten 5 bis 7 Jahren noch eine intensive Betreuung benötigen. Dann sollte der Prozess von der Hilfe bereits zur Selbsthilfe abgeschlossen und genügend einheimische Lehrer ausgebildet sein, um den Anfordernissen des 21. Jahrhunderts gerecht werden zu können.

Finanzielle Unterstützung des Projektes

Die vom Verein "Friends of Lingshed" angestellten ladakhischen Lehrer und die Ausbildung der Schulkinder bedeuten regelmäßige finanzielle Aufwendungen. Auch für den Bau der Solarschule fehlen noch finanzielle Mittel. Spenden werden erbeten auf das Konto 02216-014502, BLZ 20815 (Die Steiermärkische), Kennwort: "EB: Spende f. Schulprojekt Lingshed - Himalaya"

*) Dipl.-Ing. Christian Hlade ist Architekt in Graz, Initiator des Projekts und Gründer des Vereins "Friends of Lingshed"
Dipl.-Ing. Gottfried Purkarthofer ist Mitarbeiter der AEE in Gleisdorf [^]

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2000-02: Solar-Luftsysteme

Realisierte Beispiele

Zu den klassischen Einsatzgebieten des Luftkollektors zählt die Beheizung von Hallenbädern. Unter den hier gegebenen Nutzungsbedingungen erreicht er Höchstwerte für den solaren Ertrag, den solaren Deckungsgrad und, bei erwiesener Langlebigkeit der Technik, auch für die Wirtschaftlichkeit, die der von Raumwärme aus fossilen Brennstoffen vergleichbar ist.

Solare Warmluft für Hallenbäder

Von Armin Schwab*

Hallenbäder haben auf Grund ihrer besonderen Nutzungsbedingungen ganzjährig einen sehr hohen Wärmebedarf, da sowohl die Temperatur der Raumluft als auch die des Beckenwassers konstant auf Werten um die 30 °C gehalten werden müssen. Hinzu kommen Energiebedarf für die Duschen und die konstante Erneuerung des Beckenwassers. Der Wärmebedarf eines Hallenbades entspricht damit dem von mehr als 100 Einfamilienhäusern, die nach den aktuellen Anforderungen an den Wärmeschutz gebaut sind. Zur Deckung dieses Energiebedarfs werden in der Regel fossile Brennstoffe eingesetzt - mehr als 200.000 Liter Öl oder Kubikmeter Gas können dabei pro Jahr in einem ganzjährig betriebenen Hallenbad verheizt werden.

Die Lüftung eines Hallenbades verbraucht den größten Teil der Energie

Wegen der Verdunstung des Beckenwassers und zur Erneuerung der Atemluft der Besucher ist in einer Schwimmhalle eine ständige, hohe Zufuhr von Frischluft erforderlich. Bei dem im Titelfoto gezeigten Beispiel - einem Hallenbad in Ingolstadt, das vor etwa 10 Jahren mit Luftkollektoren ausgerüstet wurde - sind dies rund 20.000 m3/h (oder 26 t/h !), die auf eine Raumtemperatur von 30 °C erwärmt werden müssen. Das bedeutet einen ständigen Bedarf an Heizwärme bis - mit Ausnahme der wärmsten Tage - in den Sommer hinein. Der Anteil für die Erwärmung der Frischluft am Gesamtwärmebedarf beträgt dabei für das oben genannte Beispiel nach einer Untersuchung des Büros Ebert-Ingenieure 46 % oder 840 MWh pro Jahr - mit dieser Energie könnte der Wasserinhalt von 10 Schwimmbecken zum Kochen gebracht werden.
Allerdings werden keine hohen Anforderungen an das Temperaturniveau gestellt - die Lüftungsanlage bläst die Frischluft mit maximalen Temperaturen von 35 °C bis 40 °C in den Hallenbereich ein. Daher bietet die Erwärmung der Frischluft ein hohes technisches Potential für den Einsatz von Solarenergie.
Da das zu erwärmende Medium die der Halle zugeführte Frischluft ist, bietet sich der Einsatz von Solarluftkollektoren an. Die Frischluft wird dabei von der ohnehin vorhandenen Lüftungsanlage nicht mehr direkt, sondern über das Kollektorfeld angesaugt. Die lufttechnische Ankopplung an die bestehende Technik ist daher in der Regel sehr unkompliziert, weshalb die solare Frischlufterwärmung sich auch gut zur Nachrüstung eignet.

Die Frischlufterwärmung führt zu hohen solaren Erträgen

In den wärmeren Monaten - April bis September - werden nicht selten über die solare Erwärmung allein schon die erforderlichen Zulufttemperaturen von mehr als 30 °C erreicht. Hier wirkt sich dann besonders positiv aus, dass eine konventionelle Nachheizung - mit kurzen Brennerlaufzeiten, den entsprechend geringen Wirkungsgraden und hohen Schadstoffemissionen - seltener gestartet werden muss bzw. zeitweise ganz abgeschaltet bleiben kann.
Aber auch - und gerade - dann, wenn die Kollektorleistung allein nicht ausreicht, wird die Solarenergie hocheffizient genutzt: um jedes Grad, das die Solaranlage die Frischluft erwärmen kann, fällt der fossile Energiebedarf für die Nachheizung geringer aus. Die direkte Erwärmung der Zuluft in den Kollektoren ohne die Notwendigkeit eines Wärmetauschers und den damit verbundenen Verlusten ermöglicht diese optimale Ausnutzung der solaren Energie. Auch diffuses Licht, das nur einen Bruchteil der Energiedichte direkten Sonnenscheins erreicht, kann auf diese Weise genutzt werden und trägt einen Teil zur Erwärmung der Frischluft bei.

Abbildung 1: Jährliche Nutzwärmeerträge der Solarluftanlage am Hallenbad Ingolstadt zwischen 1991 und 1997

Abbildung 2:

Die seit der Inbetriebnahme der Luftkollektoranlage in Ingolstadt durchgeführten Messungen bescheinigen daher auch einen sehr hohen Wirkungsgrad der Anlage. In sechs Jahren wurden durchschnittlich jährlich rund 675 kWh Wärme pro m² Kollektorfläche geerntet, woraus sich - bei etwa 1290 kWh Einstrahlung auf den mit 45 ° Neigung aufgestellten Kollektor - ein Wirkungsgrad des Luftheizsystems von etwa 52 % ergibt. Die Werte könnten sogar noch etwas günstiger ausfallen, wenn die Anlage auch im Sommer durchgängig genutzt würde - aber im August ist das Hallenbad geschlossen.
Die Kollektoranlage des Ingolstädter Hallenbades ist mit 350 m² eine der größten Solarluftanlagen in Deutschland; sie stellt jährlich rund 236.600 kWh an Wärmeenergie bereit, was zu einer Einsparung von etwa 36.000 m3 Gas jährlich führt. Die Solaranlage trägt daher durchschnittlich mit einem Deckungsgrad von 28% zur Frischlufterwärmung bei.

Hoher Ertrag und lange Lebensdauer

Abbildung 2 zeigt, dass der hohe solare Ertrag der Anlage in den sechs Jahren des Untersuchungszeitraumes nur geringfügig (- 5%, + 7%) schwankt. Dies deckt sich mit den Erfahrungen an anderen Objekten und zeigt, dass auch die Solarenergie eine über lange Zeiträume hin zuverlässige Energiequelle darstellt. In Verbindung mit der Langlebigkeit der Luftkollektortechnik - viele Anlagen sind bereits seit zehn und mehr Jahren im Einsatz (s. Tabelle im Text), untersuchte Anlagen wie das Ingolstädter Hallenbad zeigen keine Anzeichen für eine Verringerung der Anlagenerträge - lassen sich die Kosten der solaren kWh über lange Zeiträume gut kalkulieren (wohingegen die Kosten fossiler Energie durchaus nicht für alle Zeit so stabil bleiben müssen wie in den letzten Jahrzehnten).

Tabelle 1: Hallenbäder mit Grammer-Luftkollektoranlagen in Deutschland

Das erstaunliche Ergebnis von Berechnungen, die der Hersteller der Kollektoren durchgeführt hat, sind Preise von 0,036 bis 0,05 Euro/kWh (0,50 bis 0,70 öS/kWh) solarer Wärme, je nachdem, welche Annahmen in diese Rechnungen einfließen. Dies liegt im Bereich von Wärme, die mit Hilfe der Verbrennung von Erdgas erzeugt wird, und nur wenig über den derzeitigen Kosten der Wärmeerzeugung mit Erdöl. Wenn hingegen elektrischer Strom durch den Einsatz von Luftkollektoren substituiert werden kann - wie zum Beispiel elektrische Flächenstrahler in den Umkleiden bei der Sanierung eines anderen Hallenbades -, dann führt dies in der Regel zu einer Amortisation der Kollektoranlage innerhalb weniger Jahre.

Großes Potential für Luftkollektoranlagen für die Hallenbadbeheizung

Die große Zahl von Hallenbädern in Deutschland - nahezu jede kleinere Stadt oder größere Kommune betreibt mindestens eine solche Freizeit- und Sportstätte - und die weitgehend ähnliche Anlagentechnik dieser Objekte eröffnen dem Einsatz des Luftkollektors ein großes - technisches und schon aktuell wirtschaftliches - Einsatzpotential. Der Idealfall ist hier natürlich beim Neubau einer solchen Anlage gegeben, bei dem alle Komponenten und Platzverhältnisse perfekt aufeinander abgestimmt werden können.
Aber auch für die nachträgliche Ausrüstung eines Hallenbades mit einer Luftkollektoranlage liegen die Verhältnisse oft kaum schlechter. Der Anschluß des Kollektorfeldes an die Lüftungsanlage kann normalerweise problemlos an die Frischluftansaugung erfolgen, unter ungünstigen Umständen muss der Strömungswiderstand des Kollektorfeldes mit Hilfe eines zusätzlichen Gebläses kompensiert werden.
Die Aufständerung der Kollektoren ist auf den Flachdächern ist problemlos möglich, wenn das Dach die notwendigen statischen Reserven hat. Eine spezielle Starkwindsicherung ist wegen des Eigengewichtes der Kollektoranlage oft nicht notwendig. Auch bei nachträglicher Installation auf einem Altbau ist die perfekte Südausrichtung des Kollektorfeldes in der Regel kein Problem.
Unter diesen Verhältnissen bietet die solare Beheizung von Hallenbädern den öffentlichen oder privaten Betreibern eine wirtschaftliche und technisch unkomplizierte Möglichkeit, ohne Komfortverlust erhebliche Mengen an Primärenergie einzusparen und entsprechend - wozu sich Länder wie Deutschland verpflichtet haben - den ₂-Ausstoß zu reduzieren.

*) Dr. Armin Schwab ist Diplom-Physiker und Unhalber eines Ingenieurbüros für Planungs- und Messdienstleistungen im Bereich rationellen und regenerativen Energieeinsatzes in Wertheim-Bettingen, Deutschland. http://www.protherm-online.de [^]

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2000-02: Solar-Luftsysteme

Realisierte Beispiele

In den relativ niederschlagsreichen Gebieten der Alpenländer dienen Heubelüftungsanlagen dem verlustarmen Konservieren von Wiesenfutter. Sonnenkollektoren zur Anwärmung der Trocknungsluft für die Heubelüftung haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten in der Landwirtschaft bewährt.

Sonnenkollektoren trocknen Heu

Von Franz Nydegger*

Der große Vorteil der landwirtschaftlichen Sonnenenergieanwendung für die Heubelüftung liegt darin, dass sie in die Jahreszeit mit hohem Strahlungsangebot der Sonne fällt. Da aber Schönwetterperioden oft durch Gewitter gestört oder unterbrochen werden, ergeben sich nur wenige Heuerntegelegenheiten mit drei und mehr Tagen, welche für die Bodenheubereitung ausreichen würden. Um die Heubelüftungsanlagen schlagkräftiger zu machen, lassen sich verschiedene Hilfsmittel wie Ölöfen, Wärmepumpen, Luftentfeuchter oder Sonnenkollektoren einsetzen. Der Energieertrag eines Sonnenkollektors hängt einerseits vom Energieangebot der Sonne, vom Wirkungsgrad des Kollektors und von der Dauer der Belüftung ab. Sonnenkollektoren für die Heubelüftung können Zeitabschnitte mit einer Einstrahlung von mindestens 200 W/m² gut nutzen.
Im Durchschnitt fallen von Mai bis September pro Tag acht für den Sonnenkollektor verwertbare Stunden mit einer Einstrahlung von rund 570 W/m² an. Daraus kann ein Kollektor mit einem Wirkungsgrad von 45 % rund 260 W/m² gewinnen.
Der Sonnenkollektor stellt die einzige Lösung dar, welche auf zusätzliche Fremdenergie verzichten kann. Zudem kann die Heubelüftung gezielt an Tagen mit gutem Strahlungsangebot eingesetzt werden. In der übrigen Zeit erfolgt der Betrieb intervallmäßig.
In den ersten Jahren kamen vor allem Kollektoren mit durchsichtigen Abdeckungen zur Anwendung. Aufgrund von Prüfstandmessungen und dem Abwägen der verschiedenen Vor- und Nachteile setzten sich in der Landwirtschaft Kollektoren mit dunklen Abdeckungen durch.
Funktionsweise
Sonnenkollektoren für die Heubelüftungsanlage sind in der Regel ins Dach integrierte Luftkollektoren. Die dunkle Abdeckung (Wellfaserzementplatte oder Wellblech) dient als Absorber. In einer Distanz von normalerweise 10-20 cm wird die Luftleitplatte montiert. Die gesamte Trocknungsluft wird nun vom Heubelüftungsventilator durch diesen Zwischenraum gesogen.

Planung

Fläche
Die Leistung des Kollektors hängt direkt mit seiner Fläche zusammen. Die Fläche sollte nicht zu klein gewählt werden, da sonst die Leistung enttäuscht und unter Umständen Schwierigkeiten mit der Luftführung auftreten können (zu wenig Querschnitt). Als grobe Faustzahl für den Einstieg in die Planung gilt:
Wellfaserzementkollektorfläche = 2,5 x Heustockfläche
Bei der Berechnung kann diese Fläche dann noch etwas nach oben oder unten angepasst werden.
Zwischenraum (Abdeckung zu Luftleitplatte)

Abbildung 1: Der Zwischenraum Z zwischen Abdeckung (z.B. Wellfaserzementplatte) und der Luftleitplatte (Spanplatte) muss in Abhängigkeit der Kollektorform und dem Luftdurchsatz richtig berechnet werden.

Als wichtigstes Mass nach der Fläche folgt der Zwischenraum zwischen Dachhaut (Wellfaserzementplatten) und Unterzug (Spanplatte). Bei den dunklen Abdeckungen wie Wellfaserzementplatten und Blech fällt die Wärme der Abdeckung an. Sie muss möglichst gut wegtransportiert werden. Dies ist dann der Fall, wenn im Kollektor eine gute Verwirbelung stattfindet. Das heisst, wenn die Luft relativ schnell fliesst.

Abbildung 2: Die Luftführung spielt bei der Planung eine entscheidende Rolle. Je nach Gebäudekonzept müssen ganz unterschiedliche Luftführungen geprüft werden. Die Varianten P beziehen sich auf Pfettendächer, die Varianten S auf Sparrendächer.

Sammelkanal
Der Sammelkanal übernimmt die Luft aus den Kollektorabschnitten und leitet sie direkt oder über einen Luftleitkanal zum Lüfter. Ein genügender Querschnitt mit einer Luftgeschwindigkeit von 4 max. 5 m/s ist hier vorzusehen. Dabei kann berücksichtigt werden, dass die Luftmenge in der Luftströmungsrichtung proportional zur Kollektorbreite zunimmt. Der Sammelkanal kann also konisch sein. Mündet ein Kollektorteil (zum Beispiel im Vordachbereich) direkt in den Lüfterraum, so kann diese Luftmenge bei der Berechnung des Sammelkanalquerschnittes abgezogen werden.
Luftführung
Es sind unterschiedliche Luftführungen möglich (s. Abbildung 3). Bei der Wahl der Luftführung gilt es zuerst eine günstige Form für den Kollektor zu finden. Dann wird überprüft, ob der Weg vom Kollektor zum Lüfter auf möglichst direktem Weg mit genügend Querschnitt erfolgen kann. Dabei darf man auch unkonventionelle Ideen in die Überlegungen einschliessen. Zum Beispiel können doppelte Wände, ein im Dachbereich montierter Lüfter mit Druckkanal und Umleitgitter (Leitbleche) oder das Ausnützen von Nebenräumen als Lüfterraum interessante Lösungsmöglichkeiten bieten.

Abbildung 3: Bei Neubauten empfiehlt es sich, die Spanplatten direkt vor dem Dachdecker zwischen die Balken zu verlegen.

Montage
Bei Neubauten empfiehlt es sich, den Unterzug (Spanplatten) direkt vor dem Dachdecker einzulegen. Der Zimmermann kann seitliche Latten oder Bretter unter den Balken (Sparren/Pfetten) bereits in der Werkstatt vormontieren. Die zugeschnittenen Spanplatten (19 mm) können so sehr schnell von oben verlegt werden. Zwar wird dazu praktisch immer der Zimmermann benötigt (wenig Eigenleistung), doch darf der zusätzliche Aufwand für die Gerüstung und die mühsame Arbeit über Kopf bei der nachträglichen Montage nicht unterschätzt werden.
Aktuelle Kollektorarten
Kollektoren mit Wellfaserzement-Abdeckung stellen bei Neubauten die weitaus grössten Anteile. Sie sind unproblematisch im Aussehen. Der Wirkungsgrad (Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme) liegt in der Regel bei 40 bis 50 %. Zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades ist eine sorgfältige Planung mit der optimalen Wahl der Luftgeschwindigkeit möglich und notwendig.
Der Kollektor mit Ziegel-Abdeckung kommt an Standorten mit extremen Anforderungen an das Erscheinungsbild der Dächer und bei Umbauten zum Zug. Generell muss hier mit relativ niedrigen Wirkungsgraden von 30 bis 40 % gerechnet werden. Eine optimale Auslegung und Luftführung wie beim Kollektor mit Wellfaserzement-Abdeckung ist wegen der Gefahr von "Falschluft" nicht möglich. Ebenso stösst man mit dem Ausgleichen des tiefen Wirkungsgrades durch mehr Fläche an Grenzen des Machbaren. Etwas schwierig zu beurteilen ist das Verhalten nach Niederschlägen. Es ist davon auszugehen, dass Ziegel relativ langsam trocknen und dass Feuchtigkeit durch die Ritzen angesaugt wird.
Der Kollektor mit Blechabdeckung aus einbrennlackiertem Alu- oder Stahlblech liegt sowohl im Wirkungsgrad wie auch im Erscheinungsbild zwischen dem Kollektor mit Wellfaserzement-Abdeckung und dem kaum mehr neu erstellten transparent abgedeckten Kollektor. Für Betriebe an industrienahen Standorten oder in Gegenden mit traditionell vorhandenen Blechdächern stellt er eine gute kostengünstige Lösung dar. Eine dachziegelähnliche Prägung hilft das Erscheinungsbild verbessern.

Tabelle 1: Vergleich Kollektorleistungen
Kollektor mit 250 m² für Heustock von zirka 100 m², Sonneneinstrahlung 800 W/m², 500 m ü.M., Ansaugstrecke 10 m.

Der heute selten mehr erstellte durchsichtige Kollektor könnte die Temperaturerhöhung von zirka 7 °C bereits mit einer Fläche von 180 m² erreichen. Oder anders ausgedrückt kann der tiefere Wirkungsgrad des Wellfaserzement-Kollektors in vielen Fällen durch eine grössere Fläche aufgefangen werden. Die Differenz zwischen Kollektoren mit Ziegel resp. Wellfaserzement-Abdeckung lässt sich aber schwerlich durch eine noch grössere Kollektorfläche ausgleichen. Die Luftführung sowie die vorhandenen Dachflächen setzen hier oft Grenzen.

Energieertrag

Wie eingangs aufgezeigt, kann ein Sonnenkollektor pro m² eine Leistung von ca. 260 W erbringen. Diese Leistung ist mit der Laufzeit und der Kollektorfläche zu multiplizieren.
Geht man von einer durchschnittlichen Laufzeit von 500 h/Jahr (die Intervallbelüftung während ungünstigen Zeiten nicht eingeschlossen) aus, so ergibt dies für den im Beispiel aufgeführten Kollektor von 200 m² folgenden Ertrag:
200 m² x 26 W x 500 h = 26 000 000 Wh = 26 000 kWh.

Planung

Obschon der Sonnenkollektor eine ausgesprochen einfache Technik darstellt, lohnt sich eine seriöse Planung. Sie muss auf die folgenden Punkte achten:

• Richtige Fläche
• Optimaler Zwischenraum Abdeckung/Unterzug
• Separate Berechnung der Zwischenräume bei Kollektoren mit zwei unterschiedlichen Ansauglängen
• Direkte Luftführung
• Genügend Querschnitt beim Sammel- und Luftleitkanal.

Vor allem für Betriebe mit silofreier Milchproduktion bietet der Sonnenkollektor auch in den kommenden Jahren eine willkommene Möglichkeit, die Heubelüftungsanlage schlagkräftiger einzusetzen.

Abbildung 4: Ein Blech mit Ziegelprägung könnte helfen, den aus optischen Gründen verpönten Kollektor mit Blechabdeckung zu ermöglichen.

*) Franz Nydegger, Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT), CH-8356 Tänikon, Schweiz [^]

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2000-02: Solar-Luftsysteme

Realisierte Beispiele

Auf dem Dach des Delphinariums des Nürnberger Tiergartens hat die Energie-Agentur Mittelfranken e.V. (EAM) eine Solar-Luft-Anlage mit 235 m² Kollektorfläche errichtet, die Strom und Wärme erzeugt.

Solar-Luft-Anlage am Dephinarium im Nürnberger Tiergarten

Von Siegfried Schröpf*

Das Delphinarium bietet sehr gute Bedingungen für die Nutzung der Sonnenenergie. Durch die optimale Südausrichtung das Daches bei 51° Neigung sind hohe Erträge sichergestellt. Darüber hinaus ist der Tiergarten der ideale Ort, um einer breiten Bevölkerungsschicht eine Demonstrationsanlage dieser Größenordnung zugänglich zu machen.
Die Anlage ist das erste Contracting-Projekt mit der Stadt Nürnberg aus dem Bereich regenerativer Energien. Der Energiedienstleister, also die EAM finanziert und betreibt die Anlage. Die Investition refinanziert sich im wesentlichen aus der Energieeinsparung von rund 15.000 Litern Heizöl pro Jahr für die Lüftungsanlage, dem Stromertrag der Photovoltaikelemente und einer Contractinggebühr des Tiergartens. Ohne dieses Contractingmodell wäre der Tiergarten alleine nicht in der Lage gewesen, diese Investition in Höhe von insgesamt rund 250.000 Euro (inkl. Messtechnik) zu tätigen.

Abbildung 1: Auf einer Anzeigetafel werden für die Besucher des Tiergartens die aktuellen und kumulierten Energieströme visualisiert.

Der erzeugte Strom, ca. 10.000 kWh pro Jahr, wird in das öffentliche Netz der EWAG eingespeist und kostendeckend vergütet.
Die "reinen" Luftkollektoren und die PV/Luftkollektoren sorgen für eine Erwärmung der Frischluft und eine Reduzierung der Raumluftfeuchte. Die geforderte "Schwimmhallentemperatur" von 20°C und der 3,5 fache Frischluftwechsel pro Stunde eröffnet ein riesiges Potential zur Solarenergienutzung. Die jährlich eingesparten 15.000 Liter Heizöl decken etwa 15% des Heiz- bzw. Lüftungsenergieverbrauches des Delphinariums ab. Die Vermeidung von 50 Tonnen ₂-Emission kommt dabei nicht nur den Tiergartenbewohnern und -besuchern zugute.
Die aktuellen und kumulierten Energieströme werden auf einer 1,5 m² großen Anzeigentafel dem interessierten Publikum präsentiert. Etwas spektakulärer ist der begehbare und verglaste Luftsammelkanal, in dem sowohl die Wärme als auch die Luftmenge fühlbar gemacht wird. Dem unbedarften Besucher vermittelt ein 60 °C warmer Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s (knapp 20 km/h oder Windstärke 3) vielleicht mehr über die Kraft der Sonne als spröde Kilowatt und Kilowattstunden anzeigen können.

Abbildung 2: Bei der kombinierten PV/Luftanlage wurde anstatt der transparenten Kollektorabdeckung aus Glas ein PV-Modul eingesetzt. Der Luftstrom im Kollektor kühlt das Modul permanent und erhöht damit die Stromerträge.

Um einige Kilowattstunden mehr (oder weniger) geht es bei der kombinierten PV/Luftanlage. Anstatt der transparenten Abdeckung aus Glas wird ein PV-Modul in einen Luftkollektor eingesetzt und durch den Luftstrom im Kollektor permanent abgekühlt. Die Abwärme wird ebenso wie der Ertrag der "reinen" Luftkollektoranlage der Lüftungsanlage zugeführt. Durch diese Kühlung der Photovoltaikzellen wiederum bleibt deren Wirkungsgrad hoch, wodurch der Jahresertrag um ca. 10% ansteigen soll.

Abbildung 3: Prinzipskizze des PV/Luft Hybridkollektors

Überprüft wird dies durch ein dreijähriges Messprogramm der Fachhochschule Nürnberg in Zusammenarbeit mit der Energie Agentur Mittelfranken. Als Referenzanlage dient hierzu die in unmittelbarer Nähe installierte "konventionelle" PV-Anlage mit gleichen Modulen, gleichen Wechselrichtern und gleichen Einstrahlungsbedingungen.

*) Dipl.-Volkswirt Siegfried Schröpf ist Geschäftsführter der GRAMMER KG in Amberg, Deutschland. http://www.bs.grammer.de [^]