IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 2/1998, Seite 53 ff.
Thermische Solarenergienutzung im Niedertemperaturbereich
Dr. Ulrich Schirmer, Dr. Jens Göring* Teil 1
In den letzten 15 bis 20 Jahren haben die technischen Hilfsmittel zur thermischen Nutzung der Solarenergie erfolgreich die Entwicklung vom Bastlerprodukt zum hochwertigen technischen Gebrauchsartikel durchgemacht. Parallel dazu nahm die Akzeptanz gegenüber dieser umweltfreundlichen Energiewandlung deutlich zu. Auf der Basis aufbauend ist es heutzutage sehr wichtig, dafür Sorge zu tragen, daß diese erfreuliche und wünschenswerte Entwicklung nicht durch technische Fehler bei der Planung oder Errichtung von Anlagen, durch Unkenntnis bei der Beratung von Interessenten oder durch Wecken übersteigerter Erwartungen mit folgender Ernüchterung zerstört wird.
1. Einleitung
Generell unterscheidet man bei der thermischen Nutzung der Solarenergie zwischen einer Bereitstellung der Nutzwärme im Niedertemperaturbereich (bis ca. 100°C) und im Hochtemperaturbereich. Entsprechend der solaren Einstrahlungsverhältnisse spielt in den gemäßigten geographischen Breiten, zu denen auch Deutschland gehört, die Niedertemperaturnutzung die entscheidende Rolle. Aus diesem Grund ist die vorliegende Abhandlung diesem Aspekt zugeordnet.
Im Niedertemperaturbereich selbst sind noch die aktive und die passive Nutzung der Sonnenstrahlung zu unterscheiden. Ersteres wird hier vorgestellt, da dies die Belange der Haustechnik massiv berührt, während die passive Nutzung vorrangig dem Bereich Architektur und Bautechnik zuzuweisen ist.
| Bild 1: Kollektorprinzip1 transparente Abdeckung |
2. Energiewandlung
Hauptbestandteil einer jeden Solaranlage ist der Wandler. Im Falle der Niedertemperaturtechnik sind das entweder freiliegende oder eingehauste Absorber. Letzteres stellt den Normalfall dar und wird als Solarkollektor bezeichnet. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Solarkollektors, wobei die geometrische Gestaltung variieren kann.
Im Absorber wird die einfallende Sonnenstrahlung in thermische Energie umgesetzt, was zur Temperaturerhöhung bis zum Stagnationszustand (thermische Verluste haben den gleichen Betrag wie die zugestrahlte Energie) führte, wenn nicht ein Kühlmedium durch den Absorber geleitet würde. Dieses Kühlmedium erfüllt die Funktion des Wärmeträgers, der die gewonnene thermische Energie zum Abnahmeort transportiert.
Diese Grundfunktion bestimmt die Anforderungen an den Kollektoraufbau und die eingesetzten Materialien. Der Absorber soll ein Maximum an Strahlungsenergie absorbieren und dabei in innere Energie umwandeln, aber selbst keine Wärme an seine Umgebung verlieren. Es gilt diesbezüglich, die Strahlungsgesetze zu überlisten. Die Einhausung soll konvektive und Wärmeleitungsverluste vermeiden.
2.1 Flachkollektoren
Moderne Kollektoren sind hinsichtlich dieser Teilaufgaben optimiert. Spezielle Beschichtungstechniken der Absorberoberfläche sorgen dafür, daß bis zu 95% der einfallenden kurzwelligen Strahlung absorbiert werden. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz würde ein derartiger (fast schwarzer) Körper ebensogut wieder als Infrarotstrahler 95% Energie entsprechend seiner Eigentemperatur im langwelligen Bereich abstrahlen. Die sogenannte selektive Beschichtung verändert die Absorptions-Emissions-Charakteristik im gewünschten Sinne. Bei den derzeit noch dominierenden Beschichtungen aus Schwarzchrom bzw. Schwarznickel liegt die kurzwellige Absorption bei 85 bis 90% und die langwellige Emission bei 7 bis 15%. Absorber mit der neuesten Beschichtung TiNOX (Titannitrit und Titanoxid) weisen schon Werte von 95 bzw. 5% vor.
Der transparente Teil der Absorbereinhausung hat die Doppelfunktion, den Absorber thermisch von der Umgebungsluft abzukoppeln und trotzdem möglichst alle einfallende Solarstrahlung durchzulassen. Diese Funktion erfüllt normales Fensterglas nur sehr unzureichend, während spezielle eisenarme Gläser eine höhere spektrale Durchlässigkeit aufweisen. Zusätzlich muß die Abdeckscheibe mechanischen Mindestanforderungen genügen, d.h. möglichst begehbar sein und thermisch bedingte Spannungen aushalten. Um bei flach einfallender Strahlung den Effekt der Totalreflexion zu vermeiden, sind die Glasoberflächen vergütet oder strukturiert.
Die Gehäusehohlräume, die nicht für den Strahlengang freigehalten werden müssen, sind mit Isolationsmaterial ausgekleidet. Auch hier ist die Beachtung bestimmter Mindestanforderungen funktionswichtig. Es dürfen keine Reststoffe enthalten sein, die bei höheren Temperaturen ausgasen. Das Isolationsmaterial muß je nach Kollektorbauart temperaturbeständig im Bereich 150...200°C sein, da diese Temperaturen bei Stagnation schnell erreicht sind.
Für das Gehäuse sind neben der mechanischen Festigkeit vor allem UV-Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit unabdingbar. Außer dem dominierenden Aluminium werden auch Kunststoffe erprobt und bei einzelnen Kollektortypen seit Jahren eingesetzt.
| Bild 2: Absorber1 Linienschweißungen |
Die Verbindung zwischen der Absorberfläche (Cu- oder Al-Blech) und dem Leitungssystem (meist Cu-Rohr) stellt einen weiteren kritischen Punkt der Kollektorkonstruktion dar. Gefordert ist die bestmögliche wärmeleitende Verbindung zwischen Fläche und Rohr. Wärmetechnisch optimal sind stoffschlüssige Verbindungen über einen Großteil des Rohrumfanges bei Querschnittszunahme des Absorberbleches in Richtung Rohr. Als hinreichender Kompromiß zwischen Wärmeleitung und Fertigungskosten gelten heute Linienschweißungen, Doppelblechabsorber mit Hohlräumen oder das ideal formschlüssig zwischen zwei Blechen eingepreßte Rohr (Sunstrip; Bild 2).
| Bild 3: Vakuum-Röhrenkollektor |
2.2 Röhrenkollektoren
Die bisherige Ausführungsschilderung trifft überwiegend auf den Flachkollektor zu. Auf etwas andere geometrische Weise erfüllt der sogenannte Röhrenkollektor die o.g. Anforderungen. Ein evakuiertes Glasrohr bildet das Gehäuse (Bild 3). Das Vakuum stellt eine ideale thermische Isolation dar. Die Absorbergestaltung gleicht dem Flachkollektor. Hinsichtlich des Wärmeträgers gibt es Variationen. Beim direktdurchströmten Vakuumröhren-Kollektor wird die thermische Energie auf gleiche Weise wie beim Flachkollektor abgeführt. In einer zweiten Variante ist der Absorber thermisch an ein Wärmerohr angekoppelt, welches seinerseits in seiner Kondensationszone die Energie an den eigentlichen Wärmeträgerkreislauf übergibt. Vakuumröhren-Kollektoren galten in der Anfangszeit der Entwicklung als kostspielige Exoten, erreichen aber durch Fertigungsfortschritte gegenwärtig vergleichbare Preis-/Leistungs-Verhältnisse wie Flachkollektoren. Durch ihre meist bessere thermische Isolation sind mit Ihnen bei den niedrigeren Umgebungstemperaturen des Winterhalbjahres größere Energiegewinne zu erzielen.
2.3 Schwimmbadabsorber
Sind die Anforderungen an das Temperaturniveau des Wärmeträgers bescheidener (Schwimmbaderwärmung), kann zugunsten der Kosten auf das Gehäuse und die Isolation verzichtet und der Absorber frei ausgelegt werden. Aufbau und Material dieser Schwimmbadabsorber sind dem Einsatzzweck angepaßt und kostenoptimiert. Dies führt zu mattenförmigen Gebilden mit durchströmten Hohlräumen. Die Flächengebilde sind nahezu frei konfektionierbar und damit an jedes Flächenangebot anzupassen. Sie bestehen aus Weichkunststoff oder Verbundmaterial mit den Eigenschaften: UV-beständig, chlorwasserfest und preiswert.
| Bild 4: Wirkungsgradkennlinie1 optische Verluste |
2.4 Kollektorwirkungsgrad
Der integrale Effekt über alle Eigenschaften der Kollektorkomponenten spiegelt sich in der Wirkungsgradkennlinie wider (Bild 4). Dies ist ein heikles Thema, da z.T. kontroverse oder zumindest unterschiedliche Positionen bei der Wirkungsgraddiskussion bestehen. Falsch bzw. irreführend ist es, von einem konkreten Kollektorwirkungsgrad zu sprechen. Es existiert immer ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Betriebsbedingungen und einem momentanen Wirkungsgrad. Daraus erklärt sich die Definition der Wirkungsgradkennlinie. Ein Punkt der Kennlinie ist der Wirkungsgrad eines bestimmten Kollektors bei einer definierten Temperaturdifferenz zur Umgebung und einer bestimmten Einstrahlung (Betriebskoeffizient). Darin enthalten sind sowohl die optischen Eigenschaften des Kollektors (Transmission der Abdeckscheibe, Absorption/Emission des Absorbers) als auch sämtliche thermischen Einflußgrößen (gewollte und ungewollte Wärmeabfuhr). Die Angabe des sogenannten optischen Wirkungsgrades allein liefert noch keine hinreichende Aussage zum Gesamtbetriebsverhalten.
3. Die Anlage
Gemeinsam ist allen thermischen Solaranlagen im Niedertemperaturbereich folgender grundsätzlicher Aufbau:
Die im Absorber in thermische Energie umgewandelte solare Einstrahlung wird von einem Wärmeträger übernommen und zum Verbrauchsort, Übergabeort oder einer Speichereinrichtung transportiert.
Die technischen Unterschiede liegen in
3.1 dem verwendeten Wärmeträger,
3.2 der Antriebsenergie für die Wärmeträgerumwälzung,
3.3 dem Druckniveau im Solarkreislauf,
3.4 der thermischen Ankopplung des Solarkreislaufs an weitere Wärmetransportsysteme,
3.5 der Art evtl. benutzter Speicher,
3.6 der Art der oder des versorgten Verbrauchers und
3.7 der Größenordnung der Anlage.
Die Klassifizierungsmerkmale überschneiden sich teilweise.
| Bild 5: Offene Schwerkraftanlage |
3.1 Wärmeträger
Es ist zu unterscheiden zwischen Brauchwasser, Wasser-/Frostschutzgemisch, Heizungswasser und Luft als Wärmeträger. Die direkte Aufheizung von Brauchwasser im Solarkreislauf findet man nur in einfachen Kleinanlagen, für die keine Frostgefahr besteht. Dies ist entweder dann der Fall, wenn die geographische Lage die Frostfreiheit gewährleistet oder wenn die Anlage nur in der frostfreien Zeit betrieben wird (Gartenhäuser u.ä.). Entsprechende Anlagen in südlichen Regionen sind mehrheitlich entsprechend Bild 5 aufgebaut. Sie funktionieren ohne Fremdenergie nach dem Thermosyphonprinzip (Schwerkraftumwälzung) und speisen das aufgewärmte Trinkwasser in einen drucklosen offenen Speicher ein, aus dem bei Bedarf das Warmwasser entnommen wird, wobei automatisch, aber ohne direkte Leitungsverbindung zum Trinkwassernetz kaltes Wasser nachströmt.
Soll in unseren gemäßigten Breiten eine Anlage ganzjährig betrieben werden, sind Frostschutzmaßnahmen zu ergreifen. Dies wird erreicht durch Verwendung eines Gemisches aus Wasser und Frostschutzmittel (Glykol) im primären Kreislauf. Je nach hygienischen Anforderungen soll der eingesetzte Glykoltyp lebensmittelunbedenklich oder nicht sein. Beim Umgang mit diesem Gemisch ist zu beachten, daß gegenüber Wasser geänderte Stoffwerte auftreten (geringere spez. Wärmekapazität, höhere Viskosität, größere Dichte). Das bedingt z.B. größere Pumpenleistungen und angepaßte Meßtechnik. Der Betreiber muß wissen, mit welcher Substanz die Anlage bei Wärmeträgerverlust aufzufüllen ist. Letztlich ist eine Mischung aus Glykol und Wasser immer teurer als reines Wasser.
| Bild 6: Drain-Back-Anlage |
Die Nachteile der Frostschutzmittelgemische versucht man neuerdings mittels Solarkreisläufen zu umgehen, die nur mit Wasser gefüllt sind. Sie entleeren sich bei Stillstand teilweise und befüllen sich automatisch bei Pumpenanlauf wieder (Drain-Back-System). Das Wasser befindet sich damit bei Anlagenstillstand nicht im frostgefährdeten Kollektor und anderen außenliegenden Anlagenteilen. Hinsichtlich der Wasserqualität handelt es sich um Heizungswasser, welches stofflich getrennt von weiteren Abnehmerströmen geführt wird (Bild 6).
Ebenfalls absolut frostunabhängig funktioniert der Wärmeträger Luft. Bis weit in die 80er Jahre hinein war die solare Erwärmung von Luft im Flachkollektor in Europa nur der Prozeßwärmegewinnung in der Land- und Nahrungsgüterwirtschaft (speziell zu Trocknungszwecken) vorbehalten. Inzwischen ist auch hier wie schon vorher in Nordamerika die Bereitstellung von Raumheizwärme stark im Kommen. Die eingesetzten Kollektoren gleichen den flüssigkeitsgefüllten Flachkollektoren mit dem Unterschied, daß die Wärmeträgersysteme deutlich größere Querschnitte aufweisen. Dies liegt an der geringeren spezifischen Wärmekapazität der Luft. Die Luftkollektortechnik fand bisher verstärkte Anwendung bei der Unterstützung von Luftheizsystemen, speziell in großvolumigen Funktionsgebäuden wie Schwimm-, Turn- oder Gewerbehallen.
3.2 Wärmeträgerumwälzung
Es ist zu unterscheiden zwischen dem Schwerkraftumlauf (vergleiche 3.1) und dem Pumpenumlauf im Solarkreis.
Der Schwerkraftumlauf ist zwar nicht auf Fremdenergie angewiesen, bringt aber hinsichtlich der Rohrführung und räumlichen Komponentenanordnung deutliche Beschränkungen. Wie bei Schwerkraftheizungen dürfen keine steigenden und fallenden Leitungsabschnitte wechseln. Die waagerechte Ausdehnung sollte beschränkt sein. Der Speicher muß sich immer an höchster Stelle im System befinden, was bei Dachmontage der Kollektoren schnell zum Problem wird.
Es dominieren die Solarsysteme mit Zwangsumlauf des Wärmeträgers (Pumpen- bzw. Ventilatorumwälzung). Abgesehen von Sonderentwicklungen wie z.B. den Pumpen für Drain-Back-Systeme gelten die gleichen Einsatz-, Auswahl- und Dimensionierungsrichtlinien wie in der Warmwasserheizungstechnik bzw. in der Lüftungstechnik. Prinzipiell ist der Einsatz von Zwangsumwälzung an das Vorhandensein mehr oder weniger anspruchsvoller Regeltechnik gebunden. Minimalforderung ist die, daß bei solarer Einstrahlung die Umwälzung in Betrieb genommen wird. Der Trend geht hin zu sensibel regelbaren Umwälzpumpen, um den solaren Ertrag zu maximieren und den Hilfsenergiebedarf zu minimieren.
3.3 Druckniveau im Solarkreislauf
Diese Anlagenklassifizierung schließt direkt an 3.2 an. Die einfachste Anlagenkonfiguration ist die offene Schwerkraftanlage, was heißt, daß das Druckniveau im Leitungssystem zwischen Kollektor und Speicher nur von der Höhe geprägt wird. Ein Speicher, der in diesen Umlauf direkt eingebunden ist, wird ebenfalls "drucklos" sein.
| Bild 7: Schwimmbadanlage |
Die solare Schwimmbeckenheizung ist das typische Beispiel für ein offenes und somit "druckloses" System mit Pumpenumwälzung (Bild 7).
In geschlossenen Kreisläufen werden die Druckverhältnisse nach ähnlichen Gesichtspunkten wie in geschlossenen Warmwasserheizungsanlagen festgelegt mit dem Unterschied, daß man beim Wärmeerzeuger, d.h. dem Kollektor, von höheren Grenztemperaturen als beim Heizkessel ausgehen muß. Um Dampfbildung zu vermeiden, sind damit auch höhere Systemdrücke als in Warmwasserheizungen vorzusehen. Es wird mit Systemdrücken von bis zu 6 bar gearbeitet.
3.4 Thermische Ankopplung des Solarsystems
Wenn wie in der überwiegenden Zahl der thermischen Solaranlagen der Solarkreis nicht direkt mit Brauchwasser gefüllt ist, besteht die Notwendigkeit, die aufgenommene thermische Energie in weitere Stoffkreisläufe zu übertragen. Bei diesen handelt es sich üblicherweise um Heizwasserkreisläufe oder die Brauchwarmwasserabnahme. Maßgebliche Anlagenkomponente ist der Wärmeübertrager.
| Bild 8: Doppelmantelspeicher (Schwerkraftanlage) |
Die einfachste Bauform ist der Doppelmantelspeicher für Schwerkraftsysteme, bei dem es vordergründig auf die Erzielung minimaler Druckverluste ankommt (Bild 8).
| Bild 9: Prinzip Solarspeicher |
Im Kleinanlagenbereich dominieren innenliegende, d.h. im Speicher eingebaute Wärmeübertrager (Bild 9). Sie sind ausgeführt als Glatt- oder Rippenrohrbündel oder -wendeln. Generell weist diese Bauform die geringere spezifische Übertragungsleistung gegenüber externen Apparaten auf. Deshalb muß ab bestimmter Anlagengrößen der außenliegende Wärmeübertrager (bevorzugt der Plattenwärmeübertrager) zum Einsatz kommen. Andernfalls könnte die erforderliche Wärmeübertragungsfläche nicht im vorhandenen Speichervolumen untergebracht werden.
Bei der Anlagenkonfigurierung gilt es zu bedenken, daß jede thermische Kopplung mittels Wärmeübertrager Exergieverluste mit sich bringt, d.h. das Temperaturniveau im beladenen Kreis liegt um ca. 5 K niedriger als im entladenen. Für die Wärmeübertragerdimensionierung ist die Beachtung der veränderten spezifischen Wärmekapazität des Frostschutzgemisches im Solarkreis wichtig. (Fortsetzung folgt)
*) Dr. Ulrich Schirmer und Dr. Jens Göring: Technische Universität, Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik
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