Solar-Luftkollektor

Ein Solar-Luftkollektor ist eine gute Alternative zu einem Erdwärmetauscher - Luft oder Luftbrunnen, um die Außenluft für eine zentrale Kontrollierte Wohnungslüftung oder einer größeren lüftungstechnischen Anlage vorzuwärmen. Die Solar-Luftkollektoren sind durch ein vernachlässigtes oder fehlendes Marketing in der Öffentlichkeit nahezu unbekannt.

Luftkollektoren haben den selben Aufbau wie der von Flachkollektoren einer thermischen Solaranlage. Sie bestehen aus einem Kollektorgehäuse, einer transparenten Abdeckung, einem Absorber und einer rückseitigen Wärmedämmung. Bei der Auswahl der Materialien der Komponenten und die Witterungsbeständigkeit sind dieselben Grundregeln wie bei einem Flachkollektor zu beachten.

Solar-Luftkollektoren können zur Beheizung, Nachtkühlung und/oder Belüftung von Gebäuden eingesetzt werden. Die vom Prinzip her einfachen Solar-Lüftungssysteme arbeiten nach dem "Wärmefallen-Prinzip" oder auch "Wintergarten-Prinzip". Komplette Gebäude oder Teilfassaden können mit einem Glasvorbau und integrierten Luftkollektoren versehen werden.

Die Luftführung in den Luftkollektoren beeinflusst die Wärmeaufnahme, weil der Wärmeübergang vom Absorber auf den Wärmeträger Luft gegenüber Wasser geringer ist. Die verschiedenen Bauarten beeinflussen die Wärmeübertragung vom Absorber auf die Luft, als auch die Wärmeverluste an die Umgebung erheblich.

Die Solar-Luftkollektoren unterscheiden sich durch 6 verschiedene Bauarten:

•  Kollektoren mit unter- oder durchströmten Absorbern
•  Frischluft- oder Umluftkollektoren
•  Klein- oder Großflächenkollektoren
•  Abgedeckte und nicht abgedeckte Kollektoren
• Vakuum-Röhrenluftkollektor
•  "Frischluftkollektoren" - Nicht abgedeckte Kollektoren (Absorber

Ein Solar- Luftkollektor mit unterströmtem Absorber hat geringe Staubablagerungen, eine erheblich verkleinerte Kondensation und die frontseitigen Wärmeverluste werden vermindert.

Ein Solar-Luftkollektor mit durchströmtem Absorber hat einen sehr guter Wärmeübergang, aber einen höheren Strömungswiderstand beim Durchströmen des Absorbers. Durch die Verwendung selektiver Beschichtungen werden die Verluste des Kollektors gegenüber der Umgebung verringert und dadurch der Wirkungsgrad des Luftkollektors erhöht.

Neu auf dem Markt ist ein Vakuum-Röhrenluftkollektor, der Austrittstemperaturen von über 100 °C erreichen kann. Diese können in Trocknungsanlagen und in Häusern mit geringen Heizlasten (z. B. Passivhaus), die keine wasserführenden Heizsysteme benötigen, eingesetzt werden.

Es gibt auch nicht abgedeckte Kollektoren (Absorber). Hier strömt die Luft entlang (unter) einem schwarzen Blech oder durchströmt ein Blech mit vielen sehr kleinen Löchern. Es handelt sich um eine besondere Bauart von Frischluftkollektoren. Diese Kollektoren werden zum Belüften und Temperieren z. B. von großen Treppenhäusern, Hallen, Turnhallen, Schwimmbädern. Außerdem werden sie auch als Solarfassade eingesetzt und kommen in Verbindung mit einer kontrollierten Lüftung zum Einsatz. Diese Systemvariante ist einfach im Aufbau und kostengünstig. Der Wirkungsgrad ist, besonders bei stärkerem Wind, geringer als der von abgedeckten Kollektoren.

Vor- und Nachteile von Solar-Luftkollektoren gegenüber wasserführenden Kollektoren:

Vorteile

• • Luft ist kostenlos
  • Einfacher Aufbau
  • Undichtigkeiten im Kollektor oder in den Rohren verursachen keine Bauschäden durch austretende Solarflüssigkeiten
  • Keine Übertragungsverluste durch Wärmetauscher
  • Luft als Wärmeträger gewährleistet einen störungsfreien Anlagenbetrieb
  • Heizung in Verbindung mit einer Kontrollierteen Wohnungslüftung in Häusern mit sehr geringer Heizlast
  • Für einzelne Räume und ganze Gebäude nutzbar
  • Eine Nachtkühlung ist möglich
  • Duo-Kollektoren für Strom und Warmluft erhältlich

Nachteile

• • Aufgrund der geringeren Wärmekapazität und Dichte von Luft im Vergleich zu Wasser werden für den Wärmetransport größere Volumenströme (größere Rohrleitungsquerschnitte) und Kollektorflächen benötigt.
  • Größere Antriebsleistungen der Ventilatoren im Gegensatz zu Pumpen müssen in der Energiebilanz der Heizungs- und Lüftungsanlage mit berücksichtigt werden.
  • Fehlende Informationen über Solar-Luftkollektoren und ihre Einsatzmöglichkeiten nicht nur bei den Kunden sondern auch bei den Fachbetrieben
  • Aufgrund der Vielseitigkeit hoher Beratungsbedarf
  • Abhängigkeit von der Sonne

Diese Kollektoren gibt es aber auch als Kollektoren für die Aufdachmontage und als Kleinpaneele für die Hauswand.

Im Sommer wird die vertikale Luftbewegung im verglasten Bereich für den Luftaustausch genutzt. Die im Winter eingefangene Strahlungswärme unterstützt die Gebäudeheizung über die kontrollierte Wohnungslüftung. Die Einstrahlintensität wird durch automatische Jalousiensysteme geregelt.

Die solare Energie aus der Luft kann auch zur Kühlung über eine Adsorptionswärmepumpe genutzt werden. Die Effektivität der solaren Lüftung ist von der Strahlungsintensität, den Gebäudekonstruktion und der verwendeten Haustechnik abhängig.

Den Solar-Luftkollektor gibt es in verschiedenen Aufführungen, ja sogar viele Eigenbauten. Besonders hat sich speziell perforiertes schwarzes Aluminiumblech bewährt, das auch die diffuse Einstrahlung (bei bedecktem Himmel) in Wärme umgewandelt. Die Perforation lässt eine gute Zirkulation zu. Dadurch wird der Luftkollektor relativ gleichmäßig erhitzt.

Die seit 1992 in Deutschland entwickelten und gefertigten Absorberbleche erhöhen die Zulufttemperatur, abhängig von der Luftwechselrate, um bis zu 30 °C. und sind weltweit in verschiedensten Ausführungen (auch ohne Glasabdeckung) im Einsatz. Die Effizienz wurde bei vielen Mess-Studien nachgewiesen. Im Solarluftkollektor wurde, ohne Vorerwärmung, bereits im März 2006 eine Temperatur von über 70° C. gemessen. Bei 1maligem Luftwechsel in der Minute, sank die Temperatur erst nach über 90 Minuten Ventilatorlaufzeit auf 55° C. quelle: DRYTEC

Auch bei der Trocknung von Holzhackschnitzel werden Solarsysteme (Luftkollektoren), die auf dem Gewächshausprinzip basieren, angewendet. Hier wird die von einem Luftkollektor erwärmte Luft durch das Holzschnitzellager geleitet. Dadurch ist eine kostengünstige Hackschnitzelaufbereitung möglich.

Entfeuchtung mit einem Solar-Luftkollektor
Um einen Keller oder andere feuchte Räume (z. B. in lange leerstehende Sommerhäuser) effektiv zu entfeuchten, ist eine regelmäßige Belüftung und Erwärmung des Kellers notwendig. Mit einem Solar-Luftkollektor kann ein hoher Luftaustausch und eine steigende Erwärmung erfolgen. Dieser leitet vorgewärmte, frische Außenluft in den Keller. Gleichzeitig muss die Raumluft mit der aufgenommenen Feuchte abgesaugt werden.

Das SolarVenti® Keller-Set besteht aus einem leistungsstarken SolarVenti® Warmluftkollektor mit Gebläsefunktion zur Erwärmung von Luft und einem darauf abgestimmten Absaugset. Der SolarVenti® arbeitet unabhängig vom Stromnetz mit einem im Gerät eingebauten Solarmodul und betreibt so vollautomatisch den Ventilator für die erwärmte Zuluft, sowie den Abluftventilator im Absaugset. Der im SolarVenti® Keller-Set enthaltene Komfortregler sorgt zuverlässig dafür, dass auch bei Abwesenheit die angeschlossenen Kellerräume optimal be- und entlüftet werden. Die Luft im Keller wird alle 2 Stunden komplett ausgetauscht und so werden Schadstoffe wie Radon oder Lösemittel wirkungsvoll entfernt.

Mit diesen solarbetriebenen Luftkollektoren sind auch folgende Anwendungen möglich: Radonabsaugung, Holztrocknung, Getreidetrocknung, Früchtetrocknung, Hackschnitzeltrocknung, Heutrocknung, Kaffeetrocknung, Kräutertrocknung oder Klärschlammtrocknung. Die Montage ist senkrecht oder waagerecht möglich. Quelle: SolarVenti®

Allgemeines zu Luftkollektoren - energie + innovation

Mit einem Vakuum-Röhrenluftkollektor können Lufttemperaturen von weit über 100 °C erreicht werden. Deswegen eignet sich das System nicht nur zum direktem Heizen von Wohngebäuden, Industriehallen, zur Trocknung sondern mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher auch zur Trinkwassererwärmung und indirekter Heizungsunterstützung.

Der Vakuum-Röhrenluftkollektor besteht aus CPC-Vakuumröhren mit CPC-Spiegel (Compound Parabolic Concentrator), einem Wärmequellenprofil und Edelstahlwellrohre. Die Röhren bestehen aus einer doppelwandigen Glasröhre mit luftleerem Zwischenraum. Die Glasröhren sind am Ende miteinander verschmolzen, so dass ein Vakuumverlust ausgeschlossen ist. Das innere Rohr Glasrohr ist auf seiner Außenfläche mit einer modernen, hochselektiven Beschichtung versehen und dient als Absorber. Der hocheffiziente Absorber ermöglicht die Aufnahme eines hohen Anteils der Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in Wärme. Gleichzeitig vermindert er die Emission von Wärmestrahlung. Der CPC-Spiegel hinter den Vakuumröhren konzentriert die Sonnenstrahlen wie ein Brennglas auf die Glasröhre und den Absorber.

Im Wärmequellenprofil wird die Wärme aufgenommen und gibt sie an die Luft im innern des Wellrohres ab. Die Austrittstemperaturen können weit über 100 °C erreichen. Mithilfe eines hocheffizienten Gebläses wird die Luft aus dem Kollektor ins Gebäude befördert. Das Vakuumprinzip bietet den Vorteil, dass die gespeicherte Wärme nicht an die Umgebung abgegeben wird.

Da die CPC-Vakuumröhren keine zirkulierende Flüssigkeit haben sind, ist das System sehr wartungsarm und nahezu universell einsetzbar, denn Luft kann im Winter nicht einfrieren und im Sommer nicht in Stagnation kommen. Den höchsten solaren Energieertrag erhält man, wenn die warme Luft ohne Umwege direkt in das Gebäude (z. B. Fabrikhalle, Trocknung) oder in vorhandene Lüftungsanlagen geleitet wird.

Mit einem zusätzlichen Luft-Wasserwärmetauscher kann der Vakuum-Röhrenluftkollektor auch ganz einfach in jedes vorhandene Heizungssystem zur Trinkwassererwärmung integriert werden. Wird zusätzlich eine Photovoltaikanlage integriert, kann die Anlage komplett autark betrieben werden.

Das Vakuum-Röhrenluftkollektor-System kann vorzugsweise in Passivhäuser, Ferienhäusern, Ein- und Mehrfamilienhäuser ohne wasserführende Heizungssystems, Fabrikhallen und zur Trocknung eingesetzt werden.

Als Hybridkollektor wird ein PVT-Kollektor (PV [Photovoltaik] und T [thermischer Kollektor - Flüssigkeit oder Luft]) oder ein Flüssigkeit/Luft-Kollektor bezeichnet. Mit dem PVT-Kollektor kann nicht nur elektrische Energie erzeugt, sondern auch Wärme produziert werden.

Durch die Kombination der PV-Module und thermischen Solarkkollektoren in einem Bauteil wird weniger Fläche bei gleicher Energieausbeute benötigt. Dies verursacht geringere Kosten bei der Produktion und Montage. Außerdem wird eine Dachfläche mit den PVT-Kollektoren optisch hinnehmbarer.

Das solare Wärmepumpensystem SOLAERA arbeitet Tag und Nacht und liefert vollständig die benötigte Wärme für die Hauswärmeversorgung über Hybridkollektoren (Flüssigkeit/Luft). Diese nehmen nicht nur Wärme aus Sonnenstrahlen auf, sondern nutzen auch die Energie der Umgebungsluft durch ein zuschaltbares Gebläse. Im Vergleich zu normalen Kollektoren liefert der Hybridkollektor die vierfache Wärmemenge in den Wintermonaten. Ein Teil der gewonnenen Wärme wird im Wasser-/Eisspeicher (Latentspeicher) untergebracht, wo die Wärme verlustfrei gespeichert wird.

Durch den extrem hohen Wärmeübergang im patentierten Wasser-/Eisspeicher-System kommt dieser mit 320 Litern aus. Andere Speicher-Systeme benötigen wesentlich mehr Inhalt bzw. Platz. Der Hybridbetrieb führt dazu, dass die Wärmepumpe im Sommer nicht benötigt wird, da die leistungsfähigen Hybridkollektoren die benötigten Temperaturen direkt erzeugen können.

TWINSOLAR
Die einfallende Sonnenergie wird in einem Photovoltaikmodul nur zu etwa 15 % in elektrische Energie umgewandelt. Der größere Anteil der Strahlungsenergie wird zu Wärme, die wiederum die Leistungsfähigkeit der Zelle bei der Stromproduktion reduziert. Deswegen muss bei einer Solarstromanlage (Photovoltaik-Anlage) für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt werden.. Bei den Hybridkollektoren werden die Module aktiv mit Hilfe eines Ventilators gekühlt, was die Stromausbeute erhöht. Die warme Luft kann dann bei Bedarf z. B. zu verschieden Zwecken genutzt werden

Die relative kalte Außenluft durchströmt den Luftkollektor, erwärmt sich und kann z. B. für die Belüftung und/oder Trocknung eines Gebäudes oder Holzlager genutzt werden soll. Bei höherem Luftdurchsatz ist es auch möglich, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe einzusetzen, die dann die Grundlage zur Erwärmung von Trinkwasser und/oder zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt wird.. In kleinen Anlagen können die PV-Module direkt für den Strombedarf des Ventilators eingesetzt werden, so dass auf einen Wechselrichter und andere Vorrichtungen zur Einspeisung in das Stromnetz verzichtet werden kann.

Speziell für die Ansteuerung von Warmluftkollektoren mit internem oder externem 12V-Ventilator wurde ein elektronisches Steuergerät (WAC [Warm Air Control]) entwickelt. Die Spannungsversorgung des WAC kann sowohl mittels eines Solarmoduls und eines externen Netzteils sichergestellt werden. Zur parallelen Einspeisung sind zwei entsprechende Eingänge vorhanden. Beide Versorgungen können gleichzeitig angeschlossen werden, ohne dass diese sich nicht gegenseitig beeinflussen.

Durch interne und optional extern anschließbare Sensoren können verschiedene physikalische Größen (Temperatur und Feuchte) aufgenommen und zur Steuerung des Kollektorventilators, eines externen parallelen Ventilators und eines Schaltausganges verarbeitet werden.

Dabei sind unterschiedliche Modi einstellbar.

• Maximale Kollektortemperatur
• Feuchteregelung
• Timer
• Starttemperatur
• Temperaturdifferenz
• Maximale Raumtemperatur
• Null-Grad-Funktion

Die grundlegende Funktion gestattet es, einen Raum temperatur- und/oder feuchteabhängig zu lüften. Die im Warmluftkollektor erwärmte Luft wird durch einen vom WAC stufenlos angesteuerten Ventilator (meist im Kollektor integriert) in den Raum eingeblasen. Mittels der Funktion "Starttemperatur" wird hier der Lüfter mit einem voreingestellten Leistungswert angesteuert, wenn die Temperatur im Kollektor (gemessen mit TF1) einen einstellbaren Wert übersteigt. Weiterhin kann durch die Raumtemperatur-Funktion verhindert werden, dass der Raum überhitzt. Diese Funktion schaltet den Lüfter bei Überschreiten einer einstellbaren Temperatur ab.

Wenn der WAC in dem zu regelnden Raum installiert ist, so kann man dessen internen Feuchte- und Temperatursensor weiterhin zur Temperaturdifferenz- und zur Feuchteregelung nutzen.