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2.5 Aktive Solarsysteme

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2.5.1 Übersicht

Gebäudetechnische Anwendungen

  • Wassererwärmung
  • Wassererwärmung und Heizung
  • Heizung mit Luftkollektorsystem
  • Schwimmbadbeheizung
  • Stromerzeugung mit Solarzellen
  • kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung mit Hybridkollektor

Wassererwärmungsanlagen

Der vom Kollektor aufgefangene Teil der Strahlungsenergie wird über den Kollektorkreislauf in den Speicher transportiert (Bild 2.28). Um nachts bei kaltem Kollektor eine Entladung des Speichers zu verhindern, wird ein Rückschlagventil eingebaut. Da das Wärmeträgermedium meist aus einem Frostschutzgemisch besteht, wird die Wärme über einen Wärmeübertrager an den Speicher abgegeben. Die Pumpe wird von der Steuerung erst eingeschaltet, wenn die Kollektortemperatur oben etwa 10 K über der Speichertemperatur unten liegt. Die Pumpe wird ausgeschaltet, wenn diese Temperaturdifferenz auf ca. 1 K abgesunken ist. Mit Vorteil wird der Kollektor unterhalb des Speichers platziert. Dann kann, bei grosszügiger Auslegung der Strömungskanäle, auf Pumpe und Steuerung verzichtet werden (Bild 2.29). Mittels Zusatzenergie wird der obere Speicherteil, der einen Tagesbedarf deckt, nötigenfalls nachgeheizt. Die Vorwärmung in grösseren Wassererwärmungsanlagen ist die wirtschaftlichste Art, Sonnenenergie zu nutzen (Bild 2.30). Im Mehrfamilienhaus sind etwa 0,5 m2 Kollektorfläche pro Person nötig.

Einfache Wassererwärmungsanlage

Bild 2.28 Einfache Wassererwärmungsanlage [BFK4]

Thermosiphon-Anlage

Bild 2.29 Thermosiphon-Anlage

Solare Wasservorwärmung im MFH

Bild 2.30 Solare Wasservorwärmung im MFH

Anlagen für Warmwasser und Heizunterstützung

Diese sollten möglichst einfach konzipiert werden, da sie sich so am besten bewähren. Die Kompaktanlage (Bild 2.31) eignet sich insbesondere auch zusammen mit einem Holzkessel. Dieser weist eine Rücklauftemperaturhochhaltung auf. Ein relativ kleiner Wassererwärmer befindet sich innerhalb des Speichers. Die Höhe der Speicheranschlüsse ist entsprechend der Temperaturschichtung gewählt. Falls die Holzfeuerung nicht das ganze Speichervolumen benötigt, ist der Kesselrücklauf oberhalb des Solarwärmeübertragers anzuschliessen (punktiert). Die Warmwassertemperatur variiert stark, sodass oft Verbrühungsgefahr besteht. Deshalb begrenzt ein thermostatisches Mischventil die Verbrauchstemperatur auf etwa 55 °C durch Beimischen von kaltem Wasser. Die verlustreiche Warmwasserzirkulation mit Pumpe sollte, wenn entbehrlich, weggelassen werden.

Kompaktanlage für Warmwasser und Heizung

Bild 2.31 Kompaktanlage für Warmwasser und Heizung

Volldeckende Solarheizungen

Beim Heureka-Haus [Kri1] bilden die Kollektoren die südliche Aussenwand (Bild 2.32). Sie weisen zwischen Absorber und Glas eine 10 cm dicke transparente Wärmedämmung auf, sodass der Absorber 0 °C nie unterschreitet. Damit ist es möglich, das Heizungswasser direkt durch die Kollektoren strömen zu lassen. Bestandteile der Konzeption sind im Weiteren eine Lüftungsanlage mit Luftvorwärmung im Erdreich und Wärmerückgewinnung sowie eine Abwasser-Wärmerückgewinnung.

Wärmeerzeugung Heureka-Nullenergiehaus

Bild 2.32 Wärmeerzeugung Heureka-Nullenergiehaus

Luftkollektoranlagen

Diese weisen meist eine Speicherung in massiven Geschossdecken (Bild 2.33 und [Fil]) oder in Geröllspeichern [Kri2] auf. Systeme mit Luftkollektoren sind in der Regel weniger effizient als solche mit Flüssigkeitskollektoren.

Luftkollektoranlage Fabrik Meteolabor

Bild 2.33 Luftkollektoranlage Fabrik Meteolabor [Rup]

2.5.2 Kollektoren

Solarstrahlung

Die gesamte Strahlung, die auf eine ebene Fläche aus dem darüber befindlichen Halbraum auftrifft, wird als hemisphärische Strahlung bezeichnet. Diese setzt sich zusammen aus der Direktstrahlung und der Diffusstrahlung (Bild 2.34). Die Globalstrahlung ist die hemisphärische Strahlung, die auf einer horizontalen Fläche empfangen wird.

Haupttypen von thermischen Kollektoren

Flachkollektoren nutzen sowohl die direkt von der Sonne kommende Direktstrahlung als auch die von der Atmosphäre gestreute oder vom Boden reflektierte Diffusstrahlung (Bilder 2.34 bis 2.36). In der Schweiz ist etwa die Hälfte der jährlich auf eine südlich orientierte Fläche einfallende Strahlung diffus. Bei Sonnenschein beträgt der diffuse Anteil 10 bis 40 %. Konzentrierende Kollektoren mit Sonnennachlaufsteuerung nutzen nur Direktstrahlung. Diese Hochtemperaturkollektoren sind für Wassererwärmung und Heizung kaum sinnvoll.

Aufteilung der Sonnenstrahlung

Bild 2.34 Zusammensetzung der hemisphärischen Strahlung auf der Empfängerfläche [BFK4]

Flachkollektor für Flüssigkeit

Bild 2.35 Flachkollektor für Flüssigkeit

Luftkollektoren

Bild 2.36 Luftkollektoren [Kri2]

Verluste des Kollektors

Optische Verluste

Die Abdeckung reflektiert und absorbiert einen Teil der einfallenden Strahlung. Bei Einfallswinkeln (zur Flächennormalen) von 0 bis 45 ° beträgt der Transmissionsanteil einer einzelnen Scheibe 85 bis 90 %, bei Einfallswinkeln gegen 90 ° strebt er gegen 0. Der Absorber reflektiert nochmals einen Teil. Der optische Wirkungsgrad ηopt sagt aus, welcher Anteil der einfallenden Strahlung vom Absorber aufgenommen wird.

Thermische Verluste

Sie nehmen zu mit steigender Kollektortemperatur und werden charakterisiert durch den U-Wert. Die thermischen Verluste können reduziert werden durch eine selektive Absorberbeschichtung. Eine solche strahlt nur wenig Leistung ab (IR-Bereich, Wellenlänge > 3 μm) und absorbiert gleichzeitig die Sonnenstrahlung (Wellenlänge 0,3 bis 3 μm) fast vollständig. Bei Luft als Wärmeträger sind die Wärmeübergangskoeffizienten sehr viel kleiner als bei Flüssigkeiten. Um nun nicht allzu hohe Absorbertemperaturen zu erhalten, sollte die von der Luft umströmte Absorberfläche wesentlich grösser sein als die Kollektor-Einstrahlfläche (Bild 2.36).

Kollektorwirkungsgrad

Darunter versteht man das Verhältnis der vom Medium abgeführten Leistung zur hemisphärischen Einstrahlungsleistung. Typische Strahlungswerte ФG auf günstig orientierte Flächen betragen bei Sonnenschein 600 bis 1100 W/m2, bei bedecktem Himmel 50 bis 400 W/m2. Da der Wärmedurchgangskoeffizient mit steigender Kollektortemperatur zunimmt, ist die Kollektorkennlinie gekrümmt (Bild 2.37). Der Wirkungsgrad nimmt mit steigender Kollektortemperatur stark ab. Kollektoren sollen deshalb bei der tiefstmöglichen Temperatur arbeiten.

Kollektorwirkungsgrad in Funktion der Temperaturdifferenz Absorber-Umgebung und der Globalstrahlungsleistung (vereinfacht)

Bild 2.37 Kollektorwirkungsgrad in Funktion der Temperaturdifferenz Absorber-Umgebung und der hemisphärischen Strahlungsleistung (vereinfacht)

Bild 2.38 kann die Leerlauf-Übertemperatur entnommen werden (Schnittpunkt mit Abszisse). Bei maximaler Einstrahlung sind somit bei einem selektiven Kollektor Übertemperaturen von etwa 170 K zu erwarten. Bei Pumpenausfall müssen diese Temperaturen ohne Risiken bewältigt werden können (Lösungsmöglichkeiten [BFK4]). Die Kollektor-Kenngrössen werden in Prüfinstituten gemessen [SPF1].

Kollektorkennlinien-Bereiche von verglasten und unverglasten Kollektoren

Bild 2.38 Kollektorkennlinien-Bereiche von verglasten und unverglasten Kollektoren

2.5.3 Grob-Dimensionierung von Wassererwärmungsanlagen

Der solare Deckungsgrad ist das Verhältnis von solarem Bruttoertrag und Bruttowärmeaufnahme des Speichers während eines Jahres (Bild 2.39).

Energieflussbild einer Solaranlage

Bild 2.39 Energieflussbild einer Solaranlage

Ist der solare Deckungsgrad bekannt, kann der Zusatzenergieverbrauch ermittelt werden. Oberhalb eines Deckungsgrads von 45 bis 50 % entsteht im Sommer zeitweise ein Wärmeüberschuss. Bei diesem Deckungsgrad ist ein preisgünstiger Liter Warmwasser zu erwarten. Bei kleinerem Deckungsgrad sind die Investitionen geringer, und bei grösserem Deckungsgrad ist die Zusatzenergie geringer.

Bild 2.40 stellt den Zusammenhang zwischen Kollektorfläche und Deckungsgrad dar. Für Wohnhäuser beträgt der Nutzwarmwasserbedarf etwa 40 Normliter pro Person und Tag (Bild 7.2). Unter Berücksichtigung der Speicher- und Verteilverluste eines guten Systems ergibt sich ein Wärmebedarf QB entsprechend etwa 50 Normliter pro Person und Tag (2,9 kWh pro Person und Tag). Bei grösseren Anlagen sind diese Abschätzungen zu ergänzen durch Computerberechnungen [SPF2].

Grobdimensionierungs-Diagramm für solare Warmwasseranlagen mit einer Bruttowärmeaufnahme des Speichers entsprechend 50 Normliter pro Person und Tag

Bild 2.40 Grobdimensionierungs-Diagramm für solare Warmwasseranlagen mit einer Bruttowärmeaufnahme des Speichers QB entsprechend 50 Normliter pro Person und Tag

Das Diagramm gilt näherungsweise unter folgenden Voraussetzungen:

  • reine Wassererwärmungsanlage;
  • selektive, einfach verglaste Kollektoren;
  • Kollektororientierung: Azimut SE bis SW, Neigung 20 bis 50 °, bei ganzjähriger Nutzung Maximalwert anstreben;
  • Speichervolumen: 50 bis 100 l/m2 Kollektorfläche bzw. 1,5 bis 2 Tagesbedarfe.

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