Solarkollektoren Warmwasser/Heizunterstützung

In Polysun lassen sich Solarkollektoren für Warmwasser (Brauchwassererwärmung) als auch für Heizungsunterstützung, Schwimmbäder oder sogar Prozesswärme in der Industrie effizient berechnen und in Hydrauliken von Wärmepumpen- und Energiesystemen abbilden.

Planern und Ingenieuren stehen über 7’300 verschiedene Solarthermie-Kollektoren, einschließlich Flachkollektoren, Röhrenkollektoren und Parabolrinnenkollektoren zur Verfügung. Die Software ermöglicht die Auswahl und Konfiguration spezifischer Kollektortypen aus einem umfangreichen Komponenten-Katalog. Leistungsparameter wie Wirkungsgrad, thermische Trägheit und IAM-Werte werden berücksichtigt, um realitätsnahe Betriebsszenarien darzustellen. Funktionen wie die Berechnung des solaren Deckungsgrads, der optimalen Kollektoranzahl und der Bruttogesamtfläche unterstützen die Dimensionierung. Zusätzlich können Standortbedingungen, Ausrichtung und Temperaturdifferenzen dynamisch simuliert werden, um die Effizienz der Systeme zu maximieren.

Dabei helfen umfassende Kollektormodelle, Normen wie ISO 9806 oder EN 12975 und parametrisierte Eingaben dabei, realistische Wirkungsgrade zu berechnen. Wenn Sie ein Projekt planen, das Warmwasser mittels Solarthermie erzeugt – sei es für ein Mehrfamilienhaus oder Gebäude mit erhöhtem Warmwasserbedarf –, sind nachfolgend die Modellgrundlagen zusammengestellt.

Unterschiedliche Solarkollektoren Arten

Es wird zwischen drei verschiedenen Solarkollektoren Arten unterschieden. Je nach Anwendung ist der eine oder andere Kollektor besser geeignet.

Solarthermie Flachkollektoren

Unverglaste Flachkollektoren

Unverglaste, nicht abgedeckte, Solarthermie-Flachkollektoren sind ideal zur Schwimmbadbeheizung und für gewisse Anwendungen der Wasservorwärmung. In Gegenden, in denen starker Wind herrscht, ist mit noch grösseren konvektiven Verlusten zu rechnen. Auf der anderen Seite sind unverglaste Kollektoren kostengünstig und verursachen keine Reflexionen (was bei verglasten Kollektoren oft als Anlass für Einsprachen verwendet wird).

Verglaste Flachkollektoren

Dies sind die am häufigsten verwendeten Kollektoren. Sie eignen sich sowohl zur Wasservorwärmung, zur Brauchwassererzeugung als auch zur Heizungsunterstützung. Preislich sind sie etwas teurer als nicht-abgedeckte Kollektoren. Wegen ihrer guten Wärmedämmung eignen sie sich auch zum Einbau in Fassaden.

Aufbau von Solarkollektoren: Schematische Darstellung eines verglasten Flachkollektors. In den dünnen Längsröhrchen fliesst die Wärmeträgerflüssigkeit

Solarthermie Röhrenkollektoren

(Vakuum-) Röhrenkollektoren:

Solarthermie Röhrenkollektoren eignen sich besonders zur Brauchwassererzeugung und in Gebieten mit eher niedrigen Aussentemperaturen (oder wenn ein erheblicher Anteil von Sonneneinstrahlung im Winter anfällt). Sie basieren auf der Grundidee, dass die Absorberfinne in einem evakuierten Rohr nur über Wärmestrahlung Energie verliert. Zudem führt das Reflexionsverhalten des Lichtes und die Geometrie des Glasrohres dazu, dass schräg einfallendes Licht im Vergleich zu Flachkollektoren besser auf den Absorber gelangt. Insgesamt sind die Röhrenkollektoren aber die teuersten, und für gewisse Anwendungen nicht so gut geeignet, wie Flachkollektoren.

Aufbau von Solarkollektoren: Schematische Darstellung eines Vakuumröhrenkollektors. In den dünnen Längsröhrchen fliesst die Wärmeträgerflüssigkeit

Parabolrinnenkollektoren

Parabolrinnenkollektoren sind eine spezielle Form von Solarthermie-Kollektoren, die zur Erzeugung von hohen Temperaturen und häufig auch zur Stromproduktion eingesetzt werden. Sie gehören zur Gruppe der konzentrierenden Solarkollektoren, da sie Sonnenlicht mit Spiegeln bündeln, um es auf ein kleines Ziel zu fokussieren.
Im Gegensatz zu Flach- oder Röhrenkollektoren, die das Sonnenlicht direkt auf einer Absorberfläche einfangen, nutzen Parabolrinnenkollektoren die Reflexion von Sonnenstrahlen über eine parabolisch geformte Spiegelröhre.
Parabolrinnenkollektoren werden vor allem in solarthermischen Kraftwerken, industriellen Prozessen mit hohem Wärmebedarf sowie in großen Fernwärmeanlagen eingesetzt. Für private Haushalte eignen sie sich dagegen nicht, da sie viel Platz benötigen, hohe Anschaffungskosten verursachen und nur bei direkter Sonneneinstrahlung effizient arbeiten.

Wirkungsgrad und Verluste eines Solar­thermie-Kollektors

Die Einstrahlungswerte können von einem Kollektor natürlich nicht vollständig verwertet werden. Es gibt verschiedene Gründe, die dazu beitragen, dass ein Teil der eingestrahlten Energie nicht bis zur Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird:

• Teilweise Reflexion am Abdeckglas (ca. 8 %), ausser bei nicht-abgedeckten Kollektoren;
• Nicht vollständige Absorption am Kollektor, je nach Beschichtung: minus 4-10 %;
• Nicht perfekte Kühlung des Absorbers, sogenannter F’-Faktor: minus 3-10 %;
• Thermische Emission von Wärmestrahlung, je nach Beschichtung und Temperatur;
• Thermische Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion, Verluste je nach Temperatur;

Der Wirkungsgrad eines Solarthermie-Kollektors hängt stark davon ab, wie gross die Differenz der mittleren Kollektor- und der Aussentemperatur ist. Wenn diese sehr gross ist

(z.B. 80 °C), ist mit hohen Wärmestrahlungs- und Konvektionsverlusten zu rechnen. Bei kleinen Temperaturdifferenzen können aber Wirkungsgrade bis gegen 90 % erreicht werden. Wenn die Kollektortemperatur aufgrund des kalten Fluids unter der Umgebungstemperatur liegt, können sogar Wirkungsgrade „über 100 %“ auftreten. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird dann nicht nur von der Sonne, sondern auch von der Umgebungswärme erwärmt.

Optische und geometrische Einflussfaktoren

Nebst den thermischen Eigenschaften des Kollektors bestimmen auch geometrische und optische Eigenschaften dessen Leistungsfähigkeit. Zum einen wird bei flacheren Einfallswinkeln (wenn die Kollektorfläche „schräg von der Seite“ bestrahlt wird) die effektive Einstrahlungsfläche kleiner. Zum anderen reflektiert das Abdeckglas das Licht umso stärker, je flacher der Reflexionswinkel ist. Diese winkelabhängige Eigenschaft wird als IAM („Winkelfaktor“, engl. „incident angle modifier“) bezeichnet.

Es kann durchaus vorkommen, dass die Wirkungsgradkennlinie bei einem Kollektor höher liegt als bei einem anderen, er aber aufgrund seines Spiegelungsverhaltens einen tieferen Jahresertrag erbringt. Daher ist der IAM ebenso wichtig für die Beschreibung eines Kollektors, wie der Wirkungsgrad selber.

Bei einem Flachkollektor spielt es je nach Dimension keine grosse Rolle, ob der Winkel über die Längs- oder die Querachse (longitudinal oder transversal) abgefahren wird, solange das Glas nicht besonders strukturiert ist, oder der Kollektor eine längliche Form aufweist.

Das physikalische Phänomen dieser Reflexion und Rand-Abschattung ist gut verstanden. Es lässt sich durch die Ambrosetti-Funktion \(K(\theta) = \ \ 1 – {(\tan{(\frac{\theta}{2}))}}^{a}\)  mit einem einzigen Parameter beschreiben. Oft wird dafür das Reflexionsverhalten unter einem Winkel von 50° verwendet. Bei diesem Winkel lässt sich der Wirkungsgrad experimentell noch mit grosser Genauigkeit bestimmen und der Winkeleffekt ausreichend gut feststellen.

Bei Röhrenkollektoren sind die beiden IAM-Verläufe unterschiedlich. In transversaler Richtung nimmt die Energieeinstrahlung wegen der Reflexionseigenschaft der Glasröhren weniger stark ab, als diese aufgrund der perspektivischen Verkürzung der Kollektorfläche zu erwarten wäre. Ab einem gewissen Punkt fällt der IAM aber drastisch ab, wegen der gegenseitigen Abschattung der Röhren.

Die longitudinale Richtung wird ebenfalls mit der Ambrosetti-Funktion und einem Messpunkt bei 50° Neigung von der Normalen ermittelt. Für die transversale Richtung sind je nach Kollektorgeometrie mehrere Messpunkte erforderlich, die mithilfe einer kubischen Spline verbunden werden. Die Bedingungen an den Enden der Spline, (erste und zweite Ableitung), verhalten sich entsprechend einer Spiegelung an der z-Achse θ=0°. Alle IAM Werte zwischen der Longitudinalen und Transversalen sind mit der bekannten Form der McIntire-Funktion \(K\left( \theta_{l},\theta_{t} \right) = K\left( \theta_{l},0 \right) \cdot K(0,\theta_{t})\)  approximiert. Eine andere Form der Gleichung sieht so aus: \(K(\theta,\varphi) = K\left( \theta_{l},0{^\circ} \right) \cdot {\cos(\varphi)}^{2} + K(\theta_{t},90{^\circ}) \cdot {\sin{(\varphi)}}^{2}\) . Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, eigens aus Messungen oder Simulationen ermittelte IAM Tabellen einzufügen.