Der effektivste Solarkollektor

Irgendwer hatte damals lange hin-und-her überlegt. Damals, als das Dach der Siedlerhütte schon so arg mitgenommen war, dass es grundlegend erneuert werden musste. Was konnte er im Zuge einer Dach-Erneuerung für die Optimierung seines Energiehaushaltes tun?

Dachstuhl der Siedlerhütte

Das Dach der Siedlerhütte war grundlegend erneuert worden …

Gut isolieren. – Klar! Aber konnte er die Dachfläche nicht zusätzlich auch für eine Solaranlage oder Photovoltaik nutzen?

Solarkollektor und Fenster in einem

8 Stück dieser hocheffektiven, multifunktionalen Solarkollektoren hatte Irgendwer in das neue Dach eingebaut. Durch das Aufziehen von Schutzschilden (Markisen) – s. mittlerer Kollektor – konnte der Wirkungsgrad / Energieertrag stufenlos variiert werden.

Schließlich hatte er sich für diese hocheffektiven, multifunktionalen Solarkollektoren entschieden. Schnell waren 8 Stück mit einer effektiven Kollektorfläche von jeweils 0,56m2 (also insgesamt 4,5m2) in das Dach eingebaut. Davon waren 2 nach Nord-Osten, 3 nach Süd-Osten und 3 nach Süd-Westen ausgerichtet.

Und er hatte seine Entscheidung bis heute nicht bereut. Denn gerade jetzt, während des beginnenden Frühlings war die Jahreszeit gekommen zu der er mit dieser relativ geringen Kollektorfläche das gesamte 110m2 große Dachgeschoß ausschließlich mit Solarenergie heizen konnte.

Heizen mit direkter Sonneneinstrahlung

Bei den aktuellen aprilhaften Wetterbedingungen reichte die direkte Sonneneinstrahlung bereits aus, um das Dachgeschoß mit 110m2 zu beheizen. Während des Tages stieg die Raumtemperatur auf gute 22°C und während der Nacht kühlte der Raum nicht unter 21°C ab. Während des dargestellten Zeitraumes war die Fußbodenheizung außer Betrieb. Die Globalstrahlung zeigt die Solarenergie senkrecht auf die nach SO ausgerichteten Kollektoren.

Was war nun das besondere an diesen Kollektoren?

  • Formschön
  • Multifunktional: Solarkollektor und Fenster in einem.
  • Hocheffektiv: Bis auf die Reflexionsverluste an der Oberfläche wird die gesamte auftreffende Sonnenenergie direkt in den Raum geleitet
  • Steiler Neigungswinkel: Energieertrag für Winter / Übergangszeit optimiert
  • Keinerlei Verrohrungsaufwand: Kollektor in die Dachfäche einbauen – fertig.
  • Variable Kollektorfläche / variabler Wirkungsgrad durch ‚Schutzschilde‘ (Markisen) und Lüftungsfunktion
  • Geringster Wartungsaufwand (ab und zu putzen …)
Dachflächenfenster: Formschön und multifunktional

Innenansicht des hocheffektiven, multifunktionalen und formschönen Solarkollektors, auch ‚Dachflächenfenster‘ genannt…

Aber Irgendwer wusste auch, dass die Schutzschilde nicht mehr ausreichen würden, um unter der brennenden pannonischen Sommersonne überflüssige Solarenergie vom Dachgeschoß fernzuhalten. Das würde dann die nächste Bewährungsprobe für seine Erfindung werden …

Wärmeübertragung pur?

Die Siedler haben lange überlegt, wie sie die Energie der Elemente Luft, Sonne, Erde und Wasser am besten nutzen können, um ihr winterliches Energieproblem zu lösen. Ihr Interesse galt zunächst der optimalen Nutzung der Elemente ‚Luft‘ und ‚Sonne‘.

Wie wird Wärme – im Winter, effizient – übertragen?

Der ‚Wärmesammler‘ der Siedler ist ein Kollektor, der bereits in dieser Geschichte kurz vorgestellt wurde:

Kollektor zur Energiegewinnung. Bildquelle: punktwissen.

Kollektor zur Gewinnung von Energie aus Umgebungsluft und Sonnenlicht.

Ist dieser Kollektor für die Siedler optimal?

Bei den ‚Elementen‘ Sonnenstrahlung und Umgebungsluft, wird Wärme durch Wärmestrahlung bzw. durch Konvektion übertragen. Zum Vergleich von Kollektoren muss die Effizienz dieser Mechanismen für den konkreten Anwendungsfall überprüft werden.

Wärmeübertragung durch  elektromagnetische Strahlung benötigt kein Medium: Die Kollektormoleküle werden direkt durch die frisch aus dem Weltraum eintreffenden, von der Sonne ausgesendeten, Photonen zu stärkeren Schwingungen angeregt – was einer höheren Temperatur entspricht.

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Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlt elektromagnetische Energie ab. Ab ca. 500°C wird die Strahlung sichtbar, bei niedrigen Temperaturen macht eine Infrarotkamera die Strahlung sichtbar. Die Sonne strahlt ‚mit fast 6000°C‘.

Wärmeübertragung durch ‚direkten Molekülkontakt‘ nennt man Wärmeleitung oder Konvektion. Wärmeleitung beschreibt das langsame Vorwärtskriechen des Wärmestroms in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium, indem wilder schwingende Moleküle oder Atome ihre langsameren Nachbarteilchen anstoßen und diese aufschaukeln.

Konvektion bedeutet, dass die Wärme der zappelnden Teilchen zusätzlich transportiert wird; der Transportstrom ist eine gerichtete Bewegung – zusätzlich zum nicht gerichteten Zappeln, das eben einer bestimmten Temperatur entspricht. Der Antrieb für diesen Strom kann eine Umwälzpumpe sein,  oder auch die natürliche ‚Pumpe‘ des Auftriebs: Heiße Luft steigt auf.

Maxwell-Distribution

Geschwindigkeitsverteilung von Stickstoffmolekülen bei unterschiedlichen Temperaturen. Heißere Teilchen (gelb) haben eine höhere mittlere Geschwindigkeit als kühlere Teilchen (blau).

Nachdem Wärme mit dem Kollektor aus der Luft gesammelt werden soll, müssen die Luftmoleküle ihre Energie an der Grenzfläche Kollektor / Luft effizient loswerden. Effizient kann das nur sein, wenn die Energie von Ort der Übergabe schnell weg transportiert wird. Aus diesem Grund muss der hohle Kollektor von einer Flüssigkeit durchflossen werden.

Egal wie die Wärme übertragen wird – sie fließt immer vom heißeren zur kälteren Objekt. In vielen Fällen kann man die Wärmeübertragung durch mehrere Schichten und Grenzflächen hindurch durch eine einzige Zahl beschreiben: Der Wärmestrom (in Watt pro Fläche) ist proportional zur Temperaturdifferenz ‚innen‘ und ‚außen‘; den Proportionalitätsfaktor nennt man Wärmedurchgangskoeffizient. In der Bauphysik ist auch die Bezeichnung ‚U-Wert‘ üblich.

Konvektion

Temperaturverlauf im einer Wand, die zwei Medien voneinander trennt: In der Wand wird die Wärme durch Wärmeleitung übertragen in den Grenzbereichen (gekrümmter Verlauf) durch Konvektion.

Ein solarthermischer Flachkollektor, wie er für die Warmwasserbereitung verwendet wird, ist optimiert für die Wärmeübetragung durch Strahlung: Die Glasplatte verhindert Wärmeübertragung durch Konvektion: Durch die – verbleibende – Konvektion treten unerwünschte Verluste auf, da der durch die Strahlung aufgeheizte Kollektor heißer ist als die Umgebungsluft.

Solar collectors (Solti sorkollektor verseny)

Selbst gebaute Flachkollektoren (Ungarn). Österreich hat eine lange Tradition als Solarthermieland – diese Tradition wurde durch einen Selbstbaubewegung begründet, die mittlerweile durch kommerzielle Kollektorherstellung abgelöst wurde.

Ein nicht abgedeckter Schlauchkollektor oder ‚Schwimmbadkollektor‘ (wie er von den Siedlern verwendet wird) hat noch höhere Konvektionsverluste, wenn er ähnlich wie ein Flachkollektor eingesetzt und durch Strahlung gespeist wird: Die fehlende Abdeckung macht die Konvektion effizienter.

Ist der Kollektor also wärmer als die Umgebung, führt die Konvektion zu einem Verlust dar. Hat allerdings der Kollektor eine geringere Temperatur als die Umgebungsluft, dann wird genau das zum Vorteil und es wird effizient Energie von der Umgebungsluft an das Medium im Kollektor übertragen.

Der einfachere Schlauchkollektor ist in diesem Sinn dem Flachkollektor überlegen – Voraussetzung ist natürlich, dass man mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur der Kollektorflüssigkeit zufrieden ist! Aber wie hier kurz gezeigt wurde, kann man auch eine vergleichsweise kühle ‚Wärmequelle‘ sinnvoll nutzen.