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2000-02: Solar-Luftsysteme

Realisierte Beispiele

Die Hauptschule Koblach in Vorarlberg mit 11 Klassenräumen, Gruppenräumen, mit div. Neben- und Spezialunterrichtsräumen, einer Bibliothek, einer Dreifach-Turnhalle und einigen außerschulisch genützten Räumlichkeiten wurde 1994 fertiggestellt. Für die Reduzierung des Lüftungswärmebedarfs wurde eine Belüftung der Innenräume vorgesehen. Zusätzlich reduziert eine 180 m² große, verglaste Luftansaugfassade den Lüftungswärmebedarf.

Solare Warmluft zur Beheizung und Warmwasserbereitung

Von Manfred Bruck*

In die Fassade integrierte Luftkollektoren (Alu-Trapezblech, gelocht und beschichtet; Verglasung ESG Listral 200) dienen der Vorwärmung von Luft, die über ein Belüftungssystem direkt zur Beheizung der Klassen genutzt wird. Ein Luftverteil- und Regelsystem ermöglicht eine Mehrfachnutzung der Warmluft zur Beheizung der Gänge, des Foyers und der Turnhalle. Der verbrauchten Luft werden vor der Abgabe ins Freie noch 70% des Wärmeinhaltes sowie Feuchte über einen Rotationswärmetauscher entzogen. Bei erreichter Raumtemperatur in den Klassen wird die Sonnenwärme zur Vorwärmung von Brauchwasser verwendet. Bei Anlagenstillstand (z. B. zwischen 12 und 14 Uhr) und bei Wärmeangebot vom Luftkollektor kann die gesamte Wärmemenge im Warmwasserspeicher zur Aufheizung abgegeben werden. Bei Anstieg der Raumtemperatur in den Klassen wird die Außenluft zur Kühlung der Klassen verwendet. Dabei kann den Klassen Außenluft von der Ostseite zugeführt werden. Über Mischgassensoren und Volumenstromregler wird die Luftumwälzung in Abhängigkeit von der CO₂-Konzentration (Soll-Wert 800 ppm) geregelt und somit den Schülern und Lehrern ein einwandfreies "Lernklima" geboten. Über Frequenzumformer sind die Ventilatorantriebe drehzahlgeregelt. Zur Abdeckung des Restenergiebedarfes dienen zwei Gaskondensationskessel aus Edelstahl mit aufgebauten Low-NOx -Gasbrennern. Die gesamten Regelabläufe werden über ein DDC-Leitsystem geregelt und überwacht. Die Einzelraumregelung und die bedarfsgeregelte Lüftung gewährleisten eine rasche Fremdwärmekompensation und einen sinnvollen Einsatz der Zusatzenergie.

Kollektoraufbau

Hinter dem 6 mm dicken, strukturierten Sicherheitsglas (Typ Ornament 504, Hitzeschock getestet, Lichtdurchlässigkeit 90 %) befindet sich im Abstand von 45 mm der perforierte Absorber. Das schwarz, mit Kunststoff beschichtete, 1 mm starke Aluminiumblech ist perforiert. Durch kleine Löcher (Durchmesser 1,2 mm) mit einer Fläche von etwa 1% der Absorberfläche wird die Luft von der Glasseite auf die hintere Seite des Absorbers gesaugt. Der Luftspalt zwischen dem Absorberblech und der anschließenden Dämmung ist 55 mm.
Als Dämmplatte wurde ein sogenanntes "Sandwichpaneel" gewählt. Das ist eine doppelschalige mit Schutzlack beschichtete Blechtafel mit dazwischenliegendem, fest mit den Metallabdeckungen verbundenem Hartschaum (PUR). Die in sich steife und dichte Dämmplatte wurde direkt auf die tragenden Betonsäulen des Gebäudes aufgeschraubt. Zwischen den Säulen wurde nochmals 100 mm Mineralwolldämmung (Wärmeleitklasse 0,04; Dichte 200 kg/m³) eingebracht.

Frischluftführung im Kollektorbetriebsmodus

Die Luft wird durch ein Wetterschutzgitter mit dahinterliegendem Filter am unteren Ende des Kollektors angesaugt. Sie gelangt zuerst in den Raum zwischen Glas und Absorber. Dabei erwärmt sie sich und wird kontinuierlich über die Höhe durch das perforierte Blech abgesaugt. Im dahinterliegenden Zwischenraum strömt sie weiter nach oben und gelangt in den Sammelkanal aller Kollektorelemente, der auf dem Dach montiert ist. Von der Belegung der Klassenräume (gemessen an der CO₂-Konzentration) hängt es ab, wieviel Frischluft über den Kollektor angesaugt wird. Der Gesamtvolumenstrom wird über einen frequenzgesteuerten (druckabhängig) Ventilator geregelt. Der maximale Durchsatz durch den gesamten Kollektor beträgt 9500 m³/h. Das ergibt bei 180 m² Kollektorfläche einen maximalen spezifischen Volumensstrom von 53 m³/h.m². In den Zwischenräumen werden somit Luftgeschwindigkeiten von 1,5 --2,5 m/s erreicht. Bei der maximalen Auslegung wird ein Wirkungsgrad von 70 - 80 % erreicht, je nach Höhe der Kollektortemperatur.

Regelung und Regelungsstrategien

Lüftungsbetrieb
Die Luft wird, wenn die Lüftungsanlage in Betrieb ist, generell über den Luftkollektor angesaugt. Steigt die Klassenraumtemperatur über 20°C, so wird Frischluft über den Bypass nach dem Kollektor beigemischt, so daß die Zuluft nur noch 20°C beträgt.
Der Rotationswärmetauscher wird in Betrieb gesetzt, wenn die solar erwärmte Frischluft kälter als 18°C ist.

Warmwasserbereitung
In Zeiten, in denen die Lüftungsanlage nicht in Betrieb ist, kann über den Kollektor Warmwasser erzeugt werden. Eine auf 50% reduzierte Luftmenge wird über den Kollektor gesaugt. Sie erwärmt sich dadurch wesentlich stärker als im Normalbetrieb. Die Lufttemperaturen erreichten in diesem Betriebsmodus etwa 50 - 70°C. Im Register für die Warmwasserbereitung kann somit 40 - 50°iges Warmwasser erzeugt werden. Die in diesem Fall auf 25 - 30°C abgekühlte Luft wird über einen Bypass nach dem Lüftungsgerät wieder ins Freie geleitet.

*) Dr. Manfred Bruck ist Ingeneurkonsulent in Wien und war einer der österreichischen Experten im Rahmen der IEA Task 19. [^]