Das Kollektor-Paradoxon

Kürzlich wurde hier das übliche Messdaten-Update abgefeiert. Die PDF-Messdatendokumentation enthält inzwischen schon fünf komplette Heizsaisonen:

Heizenergien (inkl. Warmwasser), elektrische Energien (inkl. Solepumpe) und die resultierende Arbeitszahl für die bisherigen Saisonen. Zu speziellen Experimenten in jedem Jahr siehe Text des Postings oder das oben verlinkte PDF.

Es wird Zeit, endlich die fundamentalen Fragen der Eisspeicher- und Kollektor-Forschung in Angriff zu nehmen.

Welchen Einfluss hat die Fläche des Kollektors auf die Performance der Anlage?

und

Wie stark ist der Kollektor?

Im Herbst 2014 hatte Chefingenieur dieses Forschungsprojekt gestartet und schnell einmal den Kollektor umgebaut. Nicht nur wegen der Ästhetik der Lärchenholzkonstruktion, sondern um die nutzbare Fläche umschalten zu können – von 12m2 auf 24m :

Kollektorschaltungen

OBEN: Voller Kollektor, Schaltung wie in den Heizsaisonen 2012, 2013 und 2017 (aktuell). UNTEN: Halber Kollektor, verwendet in den Saisonen 2014, 15, und 16.

Nun gilt es, Heizsaisonen zu finden, die sich (fast) nur durch die genutzte Kollektorfläche unterscheiden.

Die Saisonen 2014 und 2016 fallen einmal weg, da die Siedler hier versucht haben, einen riesigen Holzhaufen ökologisch sinnvoll wegzubringen … ein Problem mit dem ein renovierungswürtiger Siedler sich hin und wieder konfrontiert sieht:

Die Siedler vor über eine Dekade – zum Zeitpunkt der größten Zerstörung. Das Bild zeigt einen kleinen Teil des übrigen ‚Brennholzes‘.

So wurde in diesen Saisonen nur das Untergeschoß mit der Wärmepumpe beheizt. Aufgrund des atypischen Kollektorbetriebs während der Eisspeicher-Challenge muss man die Saison 2014 ohnehin aus der Wertung nehmen.

Dann sollte auch der Jahres-Energiebedarf vergleichbar sein: Die kalten Winter 2012 und 2016 fallen damit weg.

Es bleiben die eher wärmeren Saisonen 2013 (ganzer Kollektor) und 2015 (halber Kollektor): Das ganze Haus wurde mit der Wärmepumpe beheizt; Heizenergien und Entzugsenergien waren sehr ähnlich.

Aber der Blick auf die Jahresarbeitszahlen verursachte ein erstes Stirnrunzeln. Die waren praktisch identisch (!). Um eine Tendenz erkennen zu können, musste man tiefer graben und die Eisperioden (Dez/Jan/Feb) vergleichen. Dort erkennt man zwar einen Unterschied, der fällt aber weit geringer aus, als man ihn vielleicht erwarten würde

In der Eisperiode für den halben Kollektor war:

  • die Kollektorernte um ca. 10% niedriger
  • die Arbeitszahl um ca. 0,2 Punkte geringer
  • die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe um ca. 1,5K geringer
Halber-Kollektor-vereist

Der halbe Kollektor in Betrieb.

Die Siedler überprüften Ihre Datenkrake auf Bugs und versuchten alte handschriftliche Notizen zu entziffern. Kann das stimmen?

Aber eigentlich hätte sie es schon lange wissen müssen: Das Orkrakel – ihre Simulation des Wärmepumpensystems hatte diesen Trend vorhergesagt. Aber auch die ersten Berechnungen aus grauer Vorzeit liefern den Schlüssel zur Lösung des Rätsels. So hatten die Siedler doch tatsächlich verdrängt, dass sie sich vor Jahren – vor dem Bau von LEO_2 – schon theoretisch damit beschäftigt hatten, was eine Vergrößerung der Kollektorfläche bringen kann.

Schon damals war ihnen die Bedeutung der Serienschaltung des Kollektors mit dem Wärmetauscher im Eisspeicher bewußt gewesen.

Für the ‚theoretische Abhandlung von Wärmetauschern in Serie‘ muss man eigentlich nur zwei Dinge wissen:

  1. Die Leistung eines Wärmetauschers kann man auf zwei Arten darstellen: Einerseits als proportional zur Differenz der Soletemperaturen beim Ein- und Austritt – und andererseits als proportional zur mittleren Temperaturdifferenz zwischen Sole und dem umgebenden Medium (Luft oder Wasser im Tank).
  2. Wenn man Wärmetauscher in einem Kreis zusammenhängt, sind ihre Leistungen nicht unabhängig, da sie die Temperaturen an den Verbindungspunkten gemeinsam haben.

Wenn die Wärmepumpe nicht läuft, dann müssen Kollektor und Tankwärmetauscher beide genau die gleiche Leistung ‚tauschen‘. Kennt man Luft- und Tanktemperatur, Schlauchlängen und Übertragungsfaktoren – dann kann man die Wärmetauscherleistung ausrechnen.

Das Orkrakel kennt die Leistung der Wärmepumpe und deren Spreizung im Solekreis – und berechnet nach diesen Prinzipien so die Soletemperatur an den interessanten drei Verbindungspunkten im Solekreis:

3-Punkte-Methode - Wärmeaustauscher und Solekreis: Eisspeicher, Wärmepumpe, Kollektor.

Überblick über Wärmeaustauscher und Solekreis. Die drei ‚interessanten‘ Temperaturen im Solekreis, vor/nach Wärmepumpe, Kollektor und Tank können berechnet werden aus der aktuellen Wärmepumpenleistung, Außen- und Tanktemperatur.

Der entscheidende Punkt lässt sich schon erkennen, wenn man den ‚Regenerationsbetrieb‘ ohne Wärmepumpe betrachtet:

Die aktuelle Ernte-Leistung des Kollektors ist proportional zum Temperaturunterschied von Luft und Tank … nicht sehr überraschend! Je wärmer die Luft im Vergleich zum Tank, umso mehr kann man ernten.

Dann spielt die Kombination der Wärmeübertragungseigenschaften der beiden Wärmetauscher eine Rolle: Wie man – eigentlich auch wieder ohne Forschungsprojekt – erwarten hätte könne, ist die übertragene Leistung sehr klein, wenn einer der beiden Wärmetauscher sehr ’schlecht‘ ist im Vergleich zum anderern: Wenn z.B. der Schlauch im Tank unverhältnismäßig kurz wäre, oder wenn statt einem Schlauchkollektor (mit gutem Wärmeübergang durch Konvektion) ein Flachkollektor verwendet würde.

Wenn man in so einem suboptimalen Fall den ohnehin schon viel besseren Wärmetauscher noch besser macht, dann ändert sich nicht viel. Macht man stattdessen den schlechteren besser, sieht man – eh klar – eine deutliche Verbesserung. Haben beide Wärmetauscher Übertragungseigenschaften in der gleichen Größenordnung – wie das die typischer ‚Siedler-Dimensionierung‘ vorsieht, dann kann die Größe oder ‚Stärke‘ jedes Wärmetauschers vergleichsweise deutlich ändern, ohne drastische Auswirkung. Z.B. wird durch Vergrößerung der Kollektorfläche die Leistung besser, aber sie wächst weniger als linear.

Damit ist auch die Frage nach der Stärke des Kollektor beantwortet: Man kann nicht sagen, wieviel ein Kollektor in kW oder in kW pro Fläche bringt, wenn man nicht auch die Eigenschaften des dazugehörigen Wärmetauschers im Tank kennt.

Noch einen subtilen Effekt gilt es zu berücksichtigen: Der halbe Kollektor bringt nun fast die doppelte Leistung pro Fläche. Aber damit alles zusammenpasst, muss nach den genannten ‚Wärmetauschergrundsätzen‘ auch die mittlere Temperaturdifferenz zum umgebenden Medium größer werden: das Produkt aus Fläche und dieser Temperaturdifferenz darf sich ja fast nicht ändern.

Nachdem die Lufttemperatur vorgegeben ist, muss damit die mittlere Soletemperatur sinken und damit sinkt die Arbeitszahl etwas – genau der Effekt, den die Siedler in den Daten für die Eisperioden sehen.

Von Temperaturwellen und ihrer nicht bewiesenen Wirkung auf Murmeltiere

Irgendwer wollte uns im letzten Posting davon überzeugen, dass sein Eisspeicher ein besseres Orakel sei als ein Murmeltier.

Das elkement als Wissenschaftsoffizier fühlt sich herausgefordert – vor allem, da die wellenartige Änderung der Bodentemperatur eine Erinnerung weckt: Temperaturwellen – das kennen wir doch von irgendwo!

Temperaturwellen werden in jeder Einführung zu Wärmepumpen und oberflächennaher Geothermie gezeigt: In den ersten 10 Metern unter der Erdoberfläche schwingt die Temperatur im Lauf des Jahres hin und her – diese Schwingung klingt mit der Tiefe ab. Dann ist die Temperatur für einige Meter konstant und schließlich steigt sie in größerer Tiefe um ca. 3°C pro 100m an:

temperaturwelle-tiefe

Theoretische Berechnung des Temperaturverlaufs, nach einem einfachen Wärmeleitungsmodell. Für Details zur Rechnung siehe die zweite Hälfte dieses Postings.

Die Temperaturwelle ergibt sich aus der Annahme, dass:

  1. … die Temperatur an der Erdoberfläche sinuswellenartig im Jahresverlauf zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert schwankt.
  2. … zusätzlich ein – kleiner – ‚geothermischer Strom‘ aus dem Erdinneren an die Oberfläche fließt.
Geothermischer Wärmestrom - Earth heat flow

Geothermischer Wärmestrom in mW/m2, an der Erdoberfläche. (Wikimedia user Bkilli1) Der Mittelwert auf Kontinenten ist ca 65mW/m2 – was einer Änderung der Temperatur von 3°C pro 100 m entspricht.

Dieser Wärmestrom stammt teils von radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren und  teils von jener Energie, die bei der Bildung der Erde aus Staubwolken und kleineren Himmelskörpern frei wurde. Die Erde kühlt durch diesen Strom aber aufgrund ihrer enormen Masse um weniger als ein Millionstel Grad pro Jahr aus.

temperaturwelle-oberflaeche

Berechnete Temperatur im Erdboden, zu verschiedenen Zeiten des Jahres -Das Maximum oder Minimum in einer bestimmten Tiefe entsteht durch den langsamen, verzögerten Transport der Energie, die an Erdoberfläche absorbiert wurde.

In den ersten 10 Metern Tiefe schwankt die Temperatur um den Wert von 10°C – was auch dem Mittelwert an der Erdoberfläche entspricht bzw. entsprechen muss! Die so genannte oberflächennahe Geothermie nutzt saisonal zwischengespeicherte Sonnenenergie. Der geothermische Strom von 0,065W/m2  ist klein gegen die mittlere Leistung der Sonneneinstrahlung pro Fläche: ca. 144W/m2 bei 1000kWh Globalstrahlungssumme pro Jahr.

Irgendwer berief sich in seinem Orakel-Posting aber nicht auf die Schwingung mit der Tiefe, sondern die langsame zeitliche Änderung der Temperatur in einer bestimmten Tiefe. Nach dem einfachen Modell sieht das in etwa so aus:

temperaturwelle-zeitlich

Temperatur in unterschiedlichen Tiefen in der Erde in Abhängigkeit von der Zeit nach dem gleichen theoretischen Modell wie die vorigen Grafiken. Die jahreszeitlichen Schwankungen werden mit größerer Tiefe schwächer, weil die örtliche Welle abklingt.

Die Siedler-Datenkrake wird regelmäßig mit dem Temperaturwerten im (vom Eisspeicher) ungestörten Boden in 0,3m und in 1m Tiefe gefüttert. Die beiden Wellen sind ca. 10-15 Tage zeitverschoben:

temperaturwelle-boden-messung

Gemessene Temperatur in verschiedenen Tiefen (Logging durch UVR1611 / CMI). Die senkrechten, strichlierten Linien deuten die ungefähre Verzögerung der Temperaturwelle in größerer Tiefe an. Der absolute Wert der Temperaturen in 1m Tiefe ist etwas höher als in der berechneten Kurve für ein ‚typisches‘ Jahr oben.

Vor der Automatisierung wurden Messungen der Erdtemperatur zum Teil unter unmenschlichen Bedingungen manuell durchgeführt. Die Verzögerung zwischen den Punkten in 1m Tiefe und 1,88m liegt in einer ähnlichen Größenordnung:

temperaturwelle-boden-manuell

Manuell gemessene Temperaturen im unbelasteten Boden in unterschiedlichen Tiefen. Der Abstand der strichlierten Linien entspricht ca. 15 Tagen.

Das theoretische Modell benötigt folgende Eingangsparameter:

  • Maximale und minimale Temperatur an der Erdoberfläche: Damit können die zeitlichen Wellen vertikal verschoben und an das lokale Klima angepasst werden.
  • Thermische Eigenschaften des Bodens: Diese – alleine – bestimmen die Zeitverschiebung in unterschiedlichen Tiefen.

Alle Wellen arbeiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit im Boden vor: Die Geschwindigkeit ist gleich der Wellenlänge durch die Periodendauer von einem Jahr. Wie man an den ersten Diagrammen sieht, ist die Welle stark gedämpft, d.h. die Wellenlänge ist deutlich länger als die Abklinglänge.

Beide Längen hängen nur von der thermischen Diffusivität ab, die aus drei Eigenschaften berechnet wird. Für die theoretisch berechneten Diagramme wurden folgende Werte verwendet, die sich auch in anderen elkementaren Simulationen zu LEO_2 bewährt haben:

  • Wärmeleitfähigkeit κ = 0,0019 kW/mK
  • Dichte ρ = 2000 kg/m3
  • Spezifische Wärme cp = 1,3 kJ/kgK

Die Diffusivität D ist \frac{\kappa }{\varrho \, c_{p} } und damit 0,0026 m2/h, die Wellenlänge gleich \lambda = \sqrt{4\pi D\tau } = 17m. Die Abklinglänge ist immer um einen Faktor 2π kleiner.

Für 70cm Tiefenunterschied ist die erwartete Verzögerung:

Zeitverschiebung = 8760h * 0,7m / 17m = 360 h = 15 Tage

… was größenordnungsmäßig übereinstimmt mit der in den Messungen sichtbaren Verzögerungen. D.h. die in diesem Artikel präsentierte Methode ist eine Art Orakel zur Bestimmung der thermischen Diffusivität des Erdbodens.

Diverse Legenden zu den Murmeltieren lassen sich möglicherweise auch mit den sich ständig ändernden Temperaturkurven in Zusammenhang bringen. Lernen wir doch, dass die pelzigen Nager diverse Arten von Bauen in unterschiedlichen Tiefen zu unterschiedlichen Zeiten nutzen: ‚Kühle‘ Sommerbaue nahe der Oberfläche, tiefer liegende Nestkammern – und dann noch Höhlen, die ganzjährig zum Absetzen von Exkrementen genutzt werden.

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Wer’s genauer wissen will (die Physik, nicht die Zoologie) und mehr Formeln sehen will:
Siehe einen längeren Artikel dazu auf elkemental Force.

Quelle zur Differenzialgleichung und der Lösung für die Temperaturwellen:
Thermodynamik und Statistik von Wilhelm Macke.

Beruhigt in den Sommer …

Eigentlich hätte das Irgendwer von vorne herein einplanen müssen. Aber erst die Hitzewelle, die gerade vorübergezogen und dann von einer Kälteperiode abgelöst worden war, hatte ihn auf diese Idee gebracht.

Es war ja total offensichtlich und irgendwie genau dasselbe, wie im Winter, nur waren ‚warm‘ und ‚kalt‘ vertauscht: Im Winter sollte der Wassertank soviel Wärme wie möglich aufnehmen und für die Heizung bereitstellen. Im Sommer sollte der Tank soviel Wärme wie möglich abgeben, um kalt genug für die passive Kühlung zu bleiben. Winter & Sommer, Kälte & Wärme, Nehmen & Geben: Ein chinesischer Philosoph hätte hier wahrscheinlich ein astreines Erscheinungsbild von Yin & Yang erkannt …

Yin & Yang, by Gregory Maxwell [Public domain], via Wikimedia Commons

Aber worum ging es eigentlich?

Durch die passive Kühlung der Siedlerhütte während der jüngsten Hitzewelle hatte der Wassertank eine beträchtliche Energiemenge aufgenommen und sich innerhalb einer Woche um ca. 3°C auf 17°C erwärmt. Aber um für den richtigen Sommer gerüstet zu sein, der ja angeblich noch bevorstand, musste Irgendwer irgendwie dafür sorgen, dass die Temperatur im Wassertank wieder sank.

Das durch die Sonne erwärmte  Erdreich, das den Tank umgab, konnte um diese Jahreszeit nur mehr wenig Energie aufnehmen. Auch die Wärmemenge, die dem Wassertank während der Warmwasserbereitung entzogen wurde, würde die Temperatur nur langsam wieder sinken lassen.

Dagegen lagen die nächtlichen Außentemperaturen derzeit unter 10°C. Warum also nicht ‚den Spieß umkehren‘ und den Kollektor zur Kühlung des Wassertanks benutzen? – Klar! Das war die Lösung!

Jetzt machte sich – wieder einmal – die frei programmierbare Universalregelung  bezahlt, die Irgendwer für die Steuerung seiner Erfindung verwendete. Denn dazu brauchte nur eine Kleinigkeit an der Steuerungslogik geändert werden. Die nötige ‚Hardware‘ war ja vorhanden und mangels Heizung im Sommer sogar chronisch unterbeschäftigt. – Aber das konnte schnell geändert werden …

Kollektorkühlung Wassertank

Mit der kleinen Änderung an der Steuerung konnte der Wassertank nun über den Kollektor gekühlt werden. Nach dem Anstieg der Tanktemperatur während der Hitzewelle (Passive Kühlung der Siedlerhütte) war dadurch nach wenigen Tagen wieder die Normaltemperatur im Tank erreicht.

Nach einigen Tagen betrachtete Irgendwer zufrieden sein Werk. Jetzt konnte er sogar den für die Jahreszeit zu kalten Tagen etwas Positives abgewinnen und beruhigt den heißen Sommertagen entgegenblicken …

Wie kommt die Wärme so schnell ins Duschwasser?

Wie von Irgendwem experimentell belegt wurde, wird Warmwasser im Durchfluss in einem Hygienespeicher so rasch erwärmt, dass damit auch anspruchsvolle Warmduscher (Heißduscher) zufrieden gestellt werden können.

Worin besteht nun das Geheimnis dieser Wärmeübertragung?

Die durch einen Wärmetauscher (Neudeutsch und korrekt: Wärmeübertrager) übertragene Wärmeleistung entspricht dem Produkt folgender Faktoren:

  • Der Oberfläche des Wärmetauschers, d.h. der Außenfläche des Edelstahl-Wellrohres im Wärmetauscher des Hygienespeichers.
    Für den betrachteten Speicher sind das: 5,8 m2 (!), also keine geringe Fläche!
  • Der Wärmestrom pro Fläche ist nicht an jeder Stelle des Rohres gleich. Daher wird eine mittleren Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wassers im Volumen des Speichers („Das Große“) und der des zu erwärmenden Wassers im Rohr berechnet:
    Aus dem Messergebnissen …
    – Temperatur des Speichers: 47°C
    – Temperatur Kaltwasser: 15,5°C
    – Temperatur Warmwasser: 41,5°C
    … ergibt sich folgende mittlere logarithmische Temperatur:
    [41,5 – 15,5]/ln[(47-15,5)/(47-41,5)] = 15 K
  • Des Wärmedurchgangskoffizienten (‚k-Wert‘) in Watt pro m2 und Kelvin. Dieser entspricht dem U-Wert in der Bauphysik und beschreibt zusammenfassend die Wärmeübertragung durch Konvektion im Rohr, Wärmeleitung durch die Rohrwand und Konvektion durch Dichteunterschiede im Speicher. Für eine Abschätzung wird hier ein typischer Richtwert von ca. 150 W/m2K angenommen.
    (Dies ist ein unteres Limit für einen Rohrbündelwärmetauscher)

Damit ergibt sich geschätzt eine Wärmetauscherleistung von ca. 13 kW
… was mit den gemessenen 12 kW gut übereinstimmt!

12 kW erscheint hoch – vergleichbar mit der maximalen Leistung einer Heizung eines Einfamilienhauses. Zu berücksichtigen ist aber, dass das Warmwasser im Wärmetauschrohr auch relativ lange unterwegs ist:

Das Volumen des Rohres im Speicher beträgt 48 Liter. Bei einem Volumenstrom von 6,25 Liter pro Minute ist  ein Wassertröpfchen daher fast 8 Minuten unterwegs – und hat daher ausreichend Zeit sich aufzuwärmen.

Heat Exchanger (Heat exc 1-1)

Wärmetauscher – schematisch. Warme und kalte Flüssigkeit sind durch eine Grenzfläche getrennt. Der Wärmedurchgangskoeffizient hängt u.a. von der Strömungsgeschwindigkeit der beiden Flüssigkeiten ab.

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.