innoLUKO Untersuchungen von Luftkollektoren und Luftkollektorfeldern

Luftkollektoren weisen im Vergleich zu den wasserdurchströmten Kollektoren einige wesentliche Vorteile auf (keine Frostgefährdung, keine Gesundheits- und Umweltgefährdung durch Leckagen) und sind zudem vergleichsweise kostengünstig in der Anschaffung und wartungsarm im Betrieb. Ihr primärer Einsatzbereich liegt in der industriellen Prozesstechnik (z.B. Trocknung). Die Beheizung von Arbeits- und Wohnbereichen, in denen kontrollierte Lüftungssysteme installiert sind (Hallen, Bürogebäuden,…), findet aber zunehmend Beachtung.

Forschungen, die auf dem Gebiet der wasserdurchströmten Kollektoren durchgeführt wurden und werden sind nicht ohne weiteres auf das breite Anwendungsfeld der Luftkollektoren übertragbar. Insbesondere die notwendigen höheren Übergabequerschnitte und die erreichbaren Temperaturspreizungen für das Wärmeträgermedium Luft erfordern innovative Lösungen für die Nutzung dieser komplementären Technologie.

Das Konsortium entwickelt daher durch die Kombination aus Simulationen und experimentellen Arbeiten hoher Detailtiefe am Kollektor die grundlegende Methodik für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der Luftkollektortechnologie.

Neben den Untersuchungen an einem einzelnen Luftkollektor liegt ein zweiter Schwerpunkt des Projektes auf deren Verschaltung zu Kollektorfeldern. Dazu wird im Rahmen des Projektes ein individuell verschaltbares Kollektorfeld aufgebaut, das in Langzeitmessungen, bestehend aus Wetter- und Solardaten, Kollektorfeldperformance und Verbraucherparameter, eine breite Datenbasis für die Evaluierung von Simulationsmodellen liefert.

Das Konsortium setzt sich im Forschungsprojekt zum Ziel, eindimensionale Modelle sowie hochaufgelöste dreidimensionale Strömungssimulationen unter Berücksichtigung aller wichtigen Wärmetransportmechanismen für Luftkollektoren zu erarbeiten und deren Performanz mit experimentellen Daten zu evaluieren. Für die experimentelle  Datenbasis wird hierbei eine verfeinerte lokale Messtechnik entwickelt und eingesetzt werden.

Die Arbeiten beinhalten die konsequente Weiterentwicklung der Luftkollektortechnik, um für verschiedene Anwendungen gezielt unterschiedliche Temperaturbereiche zur Verfügung stellen zu können.

Ausgangssituation

Luftkollektoren werden heute nur in Nischen eingesetzt, obwohl sie Vorteile aufweisen wie z. B. Frost- und Stagnationssicherheit. Allerdings weisen sie auch Nachteile auf, wie z. B. die geringe Wärmekapazität der Luft. Mit neuen Luftkollektortypen und zunehmenden aktiven Lüftungssystemen in den Gebäuden ergeben sich neue Chancen für die Luftkollektortechnik, die deshalb entsprechend weiterentwickelt werden muss. Dabei sind auch Konzepte vorstellbar, bei denen luftbasierte Wärmeträger eingesetzt werden, deren Wärmekapazität z. B. durch zusätzliche Stoffe im Luftstrom erhöht wurde.

Am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme wurde bereits 2003 begonnen einen Teststand zu planen und zu errichten mit dem es möglich ist, Solarkollektoren zu vermessen, die nicht eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch, sondern Luft als Wärmeträger nutzen. Ein solcher Teststand besteht aus mehreren Komponenten zur Messung verschiedener Größen, die Einfluss auf das Betriebsverhalten des Prüflings haben werden. Einige dieser Bauteile (z.B. Temperaturmesseinheit) wurden in den letzten Jahren am TestLab Solar Thermal selbst entwickelt und sind sehr erfolgreich im Einsatz. In verschiedenen Veröffentlichungen konnten die Vorteile und die Unterschiede zu anderen normativen Regelwerken dargestellt werden. Das Fraunhofer ISE engagiert sich zudem außerordentlich in den nationalen und internationalen Normungsgremien, Dort wurde der lead zum work item „solar air heaters“ demnach auch an das Institut vergeben. Es gelang bereits im vergangenen Revisionsvorgang die Luftkollektoren neu in die EN 12975-1 einzubringen. In mehreren wissenschaftlichen Beiträgen konnte der Stand der Technik dargestellt und mit optimierten Methoden verglichen werden. Dennoch bestehen weiterhin technologie-spezifische Lücken zum Beispiel im Bezug auf Förderrichtlinien, Prüfmethoden, Modellbildung, Simulationsmöglichkeiten. Gerade auch in Hinblick auf Systeme / Systemtechnik und der gesamtheitlichen Betrachtung gibt es weiteren Handlungsbedarf, welcher durch die bisherigen Arbeiten nur angerissen aber nicht erschöpfend ausgearbeitet werden konnte. Erste vielversprechende Ergebnisse bezüglich Luftkollektoranlagen zur solaren Heizungsunterstützung wurden in einem Feldtest gemacht, in dem Hochleistungsluftkollektoren über Luft-Wasser-Wärmeübertrager die Heizungsanlage von Einfamilienhäuser unterstützten.

Das vorliegende Projekt geht systematisch einige dieser Lücken an. Der Marktanteil der Solar Luftkollektor Technologie wird weltweit auf ca. 0,8 % geschätzt. Es handelt sich also um eine Nischen-Technologie. Die Anwendungsgebiete und die Ausführungsvarianten sind dabei extrem vielfältig und müssen noch kategorisiert werden. Dazu wird das vorgelegte Projekt einen Beitrag leisten. Die Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten sind auf Grund des geringen Marktanteils noch nicht sehr ausgereift und detailliert. Dies stellt für den Markt und viele Marktteilnehmer eine große Herausforderung dar. So kann ein Endkunde heute praktisch nicht vergleichen, ob für seinen Anwendungsfall ein wasserführendes System oder ein luftführendes System energieeffizienter ist. Auch hier wird das Projekt Fortschritte in den Möglichkeiten machen. Ebenso werden neue Methoden der Messwerterfassung (z.B. Bestimmung des windvektor-abhängigen Verhaltens durch Einsatz eines 3D Ultraschallanemometers) und der Messdatenverarbeitung (z.B. MLR Multi-Lineare-Regression) für die Charakterisierung von Luftkollektoren eingesetzt werden, was zu einer genaueren Beschreibbarkeit und hin zu mehr Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Technologievarianten führt.

Experimentelle Untersuchungsmethoden (optische Lasermesstechnik, Hitzdrahtanemomentrie, Temperaturfeldmessungen) sind etabliert, wurden aber unseres Wissens nach noch nicht in Luftkollektoren kombiniert eingesetzt. Die Methoden für das Monitoring von Kollektorfeldern und Einzelkollektoren wurde demonstriert – dennoch sind die Daten zur Validierung der entwickelten 1D und 3D Modelle wesentlich. Insbesondere durch Kombination des Monitorings der 48 Elemente des Kollektorfeldes und den Zielgrößen (Feuchtegehalt Hackschnitzel) erwarten wir uns Einblicke in das komplexe System. ISE wird in das Projekt seine Feldtest-Erfahrungen einbringen.

Die numerische Strömungssimulation ist etabliert, ihr Einsatz in der Solarkollektortechnik aber nur bedingt gezeigt. Hier soll die Kombination der physikalischen Wärmeübertragungsmechanismen von Konvektion, Diffusion und Strahlung in einem Gesamtkollektorfeld modelliert werden. Für die Abschätzung der Wärmeverluste in Kollektoren werden häufig Jahrzehnte alte, für bestimmte Randbedingungen (Geometrie, Umgebungsvariablen) gültige, empirisch ermittelte Korrelationen von strömungsmechanischen Kennzahlen (Nusselt, Reynolds, Grashof etc.) verwendet. Dadurch ist nur eine eingeschränkte Modellierung von Kollektoren möglich, die dafür aber extrem wenig Rechenzeit benötigt. Für detaillierte Fragestellungen kommt in diesem Projekt eine moderne Form der Strömungs- und Wärmetransportberechnungen, die Computational Fluid Dynamics Simulation (CFD) ebenfalls zur Anwendung. Die vorgesehenen experimentellen Methoden zur Vermessung der physikalischen Materialeigenschaften liefern die benötigten thermischen und optischen Eingangsparameter für die Berechnungen und erlauben so die Erstellung eines realistischen 3-dimensionalen Kollektormodells, welche die bisherigen 1-dimensionalen Modellen substantiell erweitern und ergänzen. Der wichtige Punkt der Validierung dieses Computermodells wird durch den Vergleich von verschiedenen simulierten Werten wie Temperaturverteilung, Strömungsfeldern und Wärmeverlusten, mit den im experimentellen Teil gemessenen erreicht. Dieses validierte Kollektormodell ermöglicht dann, die rasche, relativ einfache und kostengünstige Implementierung von neuen Kollektorkomponenten, –geometrien und Materialien. Durch die Forschungsarbeiten in diesem Projekt wird es damit möglich, das ursprüngliche Problem der Beurteilung des tatsächlichen Nutzens der diversen Kollektorneuerungen und –verbesserungen sowohl experimentell als auch theoretisch und unter realistischen Betriebsbedingungen zu erfassen. Weiters beschäftigen sich frühe Arbeiten im Kollektorbereich mit konvektiven Vorgängen sowie mit ersten Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen von Flachkollektoren und neuerdings auch von CPC-Kollektoren. 1D Simulationen mit TRNSYS werden in  vielen Themengebieten beim AIT und beim ISE eingesetzt. In diesem Projekt soll dieses Know-How auf den Luftkollektor und verschaltete Luftkollektorfelder übertragen werden.

Bestehende Methoden und Prüfnormen, die 1:1 von Wasserkollektoren auf Luftkollektoren übertragen werden, sind sehr fraglich. Beispiele dafür sind die deutlich größeren Temperaturdifferenzen (die auch in anderen Bereichen liegen) sowie die schlechtere Wärmeleitfähigkeit der Luft. Die übliche Mitteltemperaturbildung macht daher zum Beispiel kaum Sinn.  

Daher ist es Ziel im Projekt über neue Analysemethodiken nachzudenken (z.B. ein oder mehrere zusätzliche Messungen in üblichen Prüfzyklen) damit auch mit einfachen Messmethoden belastbare Aussagen über die Qualität und Performance von Luftkollektoren gemacht werden können. Bei Normmessungen von Wasserkollektoren wird bewusst eine Reihe von Effekten vernachlässigt, die kaum Einfluss auf die Performance haben. Eine Normmessung bei Wasser lässt auch erfahrungsgemäß eher Rückschlüsse auf zu erwartende Varianzen zu. Für den Luftkollektor muss diese Priorisierung aber neu vorgenommen werden und durch belastbare Messungen und Simulationen abgesichert werden. Damit wird in diesem Projekt eine Analyse mit großer Detailtiefe für Luftkollektoren durchgeführt.

Kollektorfelder aus Wasserkollektoren können vergleichsweise einfach geplant und berechnet werden, weil das Wärmeträgermedium Wasser mit kleinen Querschnitten auskommt und daher die Übertragung von einem Kollektor auf den nächsten nur durch einen sehr kleinen Querschnitt (Kupferrohr) erfolgt. Die relatvie Lage im Kollektorfeld ist dahedr relativ frei wählbar. Beim Luftkollektor wird aber im Optimalfall die gesamte verfügbare Querschnittsfläche als Verbindungsfläche zwischen den Kollektoren verwendet, um die Druckverluste gering und die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig zu halten. Damit entsteht die Notwendigkeit, über Verschaltungsstrategien nachzudenken und diese auch mit hochwertigen Simulationsrechnungen und experimentellen Arbeiten abzusichern. Das Optimierungspotential von Kollektorfeldern ist aus diesen Gründen groß.

Die Simulation von Luftkollektoren als Bauteile sowie deren systemische Verschaltung ist überaus komplex. Dies liegt an  der physikalischen Ebene. Unter anderem an folgenden Punkten: Luft ist kompressibel, der Wärmeübergang ist ganz erheblich vom Strömungszustand (laminar, Turbulent, Mischgebiet) sowie der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Auf Grund der niedrigeren Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser sind dementsprechend größere Kanalquerschnitte notwendig, um den Druckverlust auf einem energetisch sinnvollen Niveau zu halten. Mit großen Querschnitten entsteht aber auch die Schwierigkeit erheblicher Inhomogenitäten über den Strömungsquerschnitt. Ein weiteres Problem ist, dass mit der Luft auch Feuchtigkeit in den Kollektor eingebracht wird, die in der Energiebilanz unbedingt berücksichtigt werden muss. 

Auf der systemischen Ebene liegen die Schwierigkeiten in der oft sehr engen Koppelung von Umgebungsbedingungen (Frischluft-Ansaugung) und Nutzungsanwendungen (direkte Raumluftvorwärmung durch wandintegrierten Luftkollektor). Eine Vergleichsbasis zu definieren anhand derer man zu fairen Aussagen über die Performanz kommen kann ist ungleich komplizierter als für die oft recht standardisierten wasserführenden Solarkollektoren. Verfügbare Programme greifen hier stets zu kurz, oder sind nur auf wenige Anwendungen bzw. Produkte anwendbar. Hier wird das Projekt erheblich zum Fortschritt beitragen.

Ein Problem bei der Auslegung von Trocknungsanlagen mit Luftkollektoren ist das Fehlen von allgemeinen Richtlinien, die über die oft sehr spezifische Erfahrung von einzelnen Anbietern solcher Anlagen hinausgeht. Eine mögliche Abhilfe stellen Simulationsberechnungen von Trocknungsanlagen bzw. Teilen davon dar. Damit kann das Verhalten verschiedener Anlagenvarianten an unterschiedlichen Standorten vorhergesagt werden und die Auswirkungen einzelner Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Anlagen bereits in der Planungsphase abgeschätzt werden. Eine an den Standort und die Trocknungsanforderungen optimale angepasste Wahl der Kollektoren sowie deren Zusammenschaltung wird somit möglich.