Luftkollektoren - einfach Energie und Geld sparen - Teil 1 (Stand: 05.2023/01.2024)
Es ist erstaunlich einfach, mit Hilfe der Sonne solare Wärme für Dein Haus zu nutzen. Ich zeige Dir, wie Du einen Luftkollektor selber bauen kannst. Das ist einfacher als Du denkst.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Was ist ein Luftkollektor?
- 2. Grundsätzlicher Aufbau eines Luftkollektors
- 2.1 Es gibt hinsichtlich der Abeckung zwei unterschiedliche Luftkollektoren:
- 2.2 Neben der grundsätzlichen Unterscheidung zwischen abgedeckt und un- bzw. offenen Kollektoren, gibt es eine Reihe weiterer Varianten
- 2.3 Einsatz verschiedener Materialien für Absorber
- 2.4 Einfluss des Strömungsquerschnittes auf die Kollektorausgangsluft
- 3 Einflüsse der Sonneneinstrahlung auf den Luftkollektor
- Ende Teil 1
- zum Teil 2: Anleitung zum Selbstbau und Ermittlung der Leistung
Vorwort
Im Jahr 2012 habe ich mir darüber Gedanken gemacht, wie mögliche Energieeinsparungen in unserem Einfamilienhaus möglich sind. Bereits im Jahr 2003 hatte ich eine PV-Anlage mit ca. 2,2 kW installieren lassen, deren Förderung Ende 2023 ausläuft.
Das Thema Wärmepumpe war zum damaligen Zeitpunkt noch nicht so weit entwickelt und auch bezahlbar, dass das ein möglicher Ansatz wäre.
Also beschäftigte ich mich mit dem kostengünstigsten Energielieferanten, der Sonne. Ich stelle mir die Frage, ob eine Anlage für Warmwassererzeugung (Solarthermie) eine mögliche Variante wäre. Im Rahmen der Literatur-Recherche bin ich auch Luftkollektoren gestoßen. Der einfache und kostengünstige Aufbau haben mich dazu veranlasst, diese Kollektorform genauer zu betrachten. Unter anderem stieß ich auf die Seite www.copy.net.de/Solar/Solar_neu.html (Solarseite – die Brücke (copy-net.de). Der Autor beschreibt seine verschiedenen Projekte, um bei seinem Haus ebenfalls Energieeinsparungen zu realisieren und seine Heizung zu optimieren.
Unter der Phase 4 wird sehr ausführlich über das Luftkollektor-Projekt berichtet. Mir schien das Konzept und Ausarbeitung einleuchtend und nachvollziehbar, so dass ich Anfang 2013 mir ebenfalls ein Luftkollektor mit 2,2 m x 1,2 m baute. Dieser ging dann Mitte 2013 in Betrieb. Für die Steuerung des Luftkollektors beschaffte ich mir eine Siemens Logo und erstellte das entsprechende Software-Programm. Der Kollektor funktioniert bis heute zuverlässig und ohne Probleme.
Nachdem ich das Projekt Luftkollektor abgeschlossen habe, fragte ich mich, warum wir die Wärme beim Lüften unserer Wohnungen ungenutzt verlieren. Nachdem meine Frau und ich auch zum damaligen Zeitpunkt berufstätig waren, war ein ausreichendes händisches Lüften nicht in dem Umfang möglich, wie es erforderlich gewesen wäre.
Eine KWL-Anlage besteht im Wesentlichen aus zwei Ventilatoren, einem Luft/Luft-Wärmeaustauscher und mehreren Temperaturfühlern. Der Aufbau war für mich als Verfahrenstechniker nichts außergewöhnliches, so dass ich mich entschloss, eine KWL-Anlage selbst zu bauen. Steuerungstechnisch habe ich das Software-Programm in die vorhandene Siemens Logo integriert. Prinzipiell wird die Luft, die eingeblasen wird, über die Abluft des Wohnzimmers angewärmt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Plattenapparates wird dadurch die eingeblasen Luft mehr oder weniger durch die Abluft angewärmt (ein Wirkungsgrad des Plattenapparates von > 80 % sollte erreicht werden)
In meinen nachfolgenden Blog Artikeln: „Kontrollierte Wohnraumlüftung (2023/2024): 1. Teil Grundlagen“ und „Kontrollierte Wohnraumlüftung (2024): 2. Teil“ berichte ich ausführliche vom Selbstbau meiner Lüftungsanlage.
Die KWL habe ich in Reihe zu meinem Luftkollektor geschalten, d.h. die Ansaugluft durchfließt den Luftkollektoren und dient dann der KWL als Zuluft. Sowohl im Kopfraum meines Kollektors als auch im Ansaugkanal meiner KWL sind Temperaturfühler verbaut. Sollte die Luft im Kollektor bzw. im Ansaugkanal der KWL einen Grenzwert überschreiten, wird nur noch über den Kollektor Luft eingeblasen und der Abluft-Ventilator in der KWL steht.
Nachdem mir über die Siemens-Logo keine Messdatenaufzeichnungen und auch keine Visualisierung der beiden Anlagen zur Verfügung standen, habe ich schließlich 2016 begonnen, Raspberry Kleinsteuerungen zu installieren und dabei FHEM (Hausautomatisierung) einzusetzen. Nun war es mir möglich, eine Reihe von Daten und Messkurven zu erhalten. Dazu habe ich in Perl verschiedene Softwareprogramme geschrieben um auch begonnen Thermostat-Ventil zu automatisieren (Smart-Home). Bis heute nutze ich FHEM.
Jedoch ist meiner Meinung nach FHEM etwas „altbacken“. Im Jahr 2013 wollte ich ein moderneres Design und eine bessere Visualisierung erreichen und habe mich dazu im Internet aus die Suche begeben. Schließlich bin ich Ende 2021 auf den ioBroker gestoßen und habe mich entschieden umzustellen und über Blockly und über verschiedene Adapter und Instanzen (incl. der Kommunikationsinstanz zu FHEM) Software-Programme für meinen Kollektor und KWL neu zu schreiben. Insgesamt gibt es für den ioBroker momentan 470 Adapter für die verschiedensten Anwendungen.
Als Visualisierung nutze ich Jarvis. Ebenfalls wie auch ioBroker ein Open Source Programm und damit kostenlos. Mit der Visu von Jarvis bin ich sehr zufrieden.
Als Datenbank nutze ich InfluxDB und für die Erstellung von Messwertkurven verwende ich Grafana, ein Tool, das extrem vielfältig und mächtig ist und es einem ermöglicht, sehr schöne und übersichtliche Kurven zu erstellen. Lese dazu meinen Beitrag zu Smart Home im ioBroker.
Zu diesen oben beschriebenen Projekten möchte mehre Blog-Artikel erstellen und euch die einzelnen Projekte mit Hintergrundinformationen vorstellen.
–> Im 1. Teil geht es um die Grundlagen zu den Luftkollektoren;
–> im 2. Teil werden verschiedene Berechnungen vorgestellt und
möchte euch von meine Luftkollektoren-Projekt berichten
1. Was ist ein Luftkollektor
Luftkollektoren sind eine Art Sonnenkollektor, der Luft anstelle von Wasser als Wärmeträger verwendet. Der Aufbau ist ähnlich: Wärmekollektoren (sogenannte Absorber) werden meist in einer Wanne oder einem Kasten platziert, die die von der Sonne abgestrahlte Wärmeenergie an die darunter strömende Luft übertragen. Eine Glasabdeckung auf der Oberseite bildet eine Abdeckung, die den Kollektor vor Umwelteinflüssen (Regen, Hagel etc.) schützt. Moderne Luftkollektoren erreichen einen Wärmeübertragungsgrad von 50-70%.
2. Grundsätzlicher Aufbau eines Luftkollektors
- Definitionen:
Zuluft: Luft, die in den Kollektor einströmt und dort erwärmt wird
Umgebungsluft: Luft, die in den Kollektor umgibt, bei offenen Kollektoren ist die Zuluft identisch der Umgebungsluft
Kollektorausgangsluft: Solar erwärmte Luft, die den Kollektor verlässt
Kollektoreingang: Eintrittsstelle der zu erwärmenden Zuluft in den Kollektor
Kollektorausgang: Austrittsstelle der Kollektorausgangsluft aus dem Kollektor
2.1. Es gibt hinsichtlich der Abeckung zwei unterschiedliche Luftkollektoren:
2.1.1 Der abgedeckte Luftkollektor
Bei dieser Ausführung ist der Absorber mit einer mit transparenter Abdeckung abgedeckt.
Die nachfolgende Abbildung unter 2.2 zeigt die abgedeckte Ausführung unter a.) – c.), sowie e.) – g.)
2.1.2 Der Unabgedeckte Luftkollektor
Bei dieser Art wird keine transparente Abdeckung des Absorbers verbaut, die äußerste (oberste) Schicht des Kollektors absorbiert das Sonnenlicht.
Die nachfolgende Abbildung unter 2.2 zeigt diese Ausführung und d.) und h.).
2.2 Neben der grundsätzlichen Unterscheidung zwischen abgedeckt und un- bzw. offenen Kollektoren, gibt es eine Reihe weiterer Varianten:
Es sind acht Arten der Durch- und Umströmung für abgedeckte und unabgedeckte Kollektoren dargestellt. In der oberen Reihe sind bei a.) sowohl die Abdeckung als auch der Absorber perforiert. Bei den Abbildungen (b-d) werden perforierte Absorber abgebildet. Im Fall (a) ist allerdings nur die transparente Abdeckung durchströmt, der Absorber ist überströmt. In der unteren Reihe wird der Absorber (e) überströmt. Bei den Abbildungen (f) und (h) wird der Absorber unterströmt, hingegen wird dieser bei (g) umströmt.
Bei der Überströmung strömt die Luft zwischen der transparenten Abdeckung und Absorber. Es ist grundsätzlich zu empfehlen, im Ausaugbereich des Luftkollektors Filter einzubauen. Ansonsten kommt es zu Verschmutzung der Abdeckung und des Absorbers, was sich dann auf den Wirkunggrad negativ auswirken wird.
Die Luft strömt bei der Durchstörmung entweder durch Löcher im Absorberblech oder durch eine Absorbermatte (Geflecht oder Wolle)
Neben einer Durch- und Umströmung werden Kollektoren auch mit einer
Hinterströmung eingesetzt. Die Zuluft strömt hinter dem Absorber ein, wodurch keine Verschmutzung auf der Vorderseite des Absorbers stattfindet. Jedoch beeinflusst eine zu starke Verschmutzung der Rückseite des Absorbers den Wärmeübergang negativ.
2.3 Einsatz verschiedener Materialien für Absorber
Es werden für die Absorber verschiedene Materialien und Zusammensetzungen verwendet:
a.) zum Einsatz kommen Aluminiumbleche, die vollflächig
oder perforiert, lackiert oder spektralselektiv beschichtet sind
b.) weiterhin werden Metall- oder Kunststoffwolle oder –
Geflecht eingesetzt, das von der Luft durchströmt wird
2.4 Einfluss des Strömungsquerschnittes auf die Kollektorausgangsluft
a.) je kleiner der Strömungsquerschnitt, desto größer ist die Kollektorfläche
und die nutzbare Wärme, aber auch der Druckverlust und Maximaltemperatur
steigen an
• je größer die Kanalhöhe ist, desto größer ist der Anteil an nicht erwärmter Luft
an Austritt
Ergänzung Strömungsprofile:
3. Einflüsse der Sonneneinstrahlung auf den Luftkollektor
Shelly EM präziser Wi-Fi-Energiezähler∗
Der Shelly EM überwacht den Verbrauch verschiedenster Geräte, wie Lampen, Heizkörper und Haushaltgeräte. Der Shelly EM kann den gesamten Stromkreis automatisch abschalten, wenn der Verbrauch die festgelegte Grenze erreicht hat. Außerdem kannst Du Deinen Energieverbrauch in Echtzeit messen
Alles was Du benötigst ist WLAN. Auch ich benutze den Shelly EM und voll und ganz zufrieden. Meine Empfehlung!
Solare Gewinne durch transparente Bauteile sind abhängig von der effektiven Fläche des Bauteils, vom Gesamtenergiedurchlassgrad der transparenten Fläche, der Dichte der eintreffenden Solarstrahlung, sowie von dem Bauteil und der Einstrahlungsdauer.
Architektonisch beeinflussbar sind die Ausrichtung der transparenten Bauteile und die Qualität der Fensterbauteile. Gebäude mit effektiv ausgerichteten und bemessenen Fensterflächen mit hohem Gesamtenergiedurchlassgrad können durch solare Wärmegewinne, vor allem im Wohnungsbau, einen großen Teil des Energiebedarfs decken.
3.1 Begriffe und Definitionen:
3.1.1 Globalstrahlung
Globalstrahlung bezeichnet die Summe der einfallenden Sonnenstrahlung, die direkt und diffus auf eine horizontale Fläche trifft. Diese Strahlung setzt sich aus der direkten Strahlung, die in gerader Linie von der Sonne auf die Fläche trifft, und der diffusen Strahlung, die von der Atmosphäre gestreut wird, zusammen. Die Globalstrahlung wird in der Regel in Watt pro Quadratmeter (W/m²) gemessen und ist ein wichtiger Faktor für die Energiebilanz von solarbetriebenen Anlagen.
Die Globalstrahlung wird mittels spezieller Instrumente namens Pyranometer gemessen und die Maßeinheit Watt pro Quadratmeter (W/m²) wird dabei verwendet. Im Wetterbericht wird oft der Momentanwert erwähnt, welcher die Strahlung pro Quadratmeter pro Sekunde darstellt, die auf die Erde trifft.
In Deutschland beträgt der durchschnittliche Momentanwert der Globalstrahlung etwa 137 W/m².
Wenn es um Photovoltaik geht, werden in der Regel jährliche Messwerte für die Globalstrahlung verwendet, die in Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m²) und Jahr angegeben werden. Ein Messjahr umfasst sowohl Tage als auch Nächte.
Die durchschnittliche jährliche Globalstrahlung in Deutschland beträgt etwa 900-1200 kWh/m².
3.1.2 Reflexion
Unter Reflexion wird das Zurückwerfen von Lichtstrahlung verstanden. Bei glatten Oberflächen gilt das Reflexionsgesetz, man spricht von gerichteter Reflexion. An rauen Stellen wird Lichtstrahlung dagegen diffus gestreut.
Die Strahlung auf die geneigte PV-Generatorebene wird an der Moduloberfläche reflektiert und führt zu Einstrahlungsverlusten. Der direkte Strahlungsanteil wird in Abhängigkeit vom Sonnenstand und vom Winkelkorrekturfaktor des Moduls reflektiert.
Der Winkelkorrekturfaktor oder auch IAM-Wert ((incidence angle modifier) ist der Faktor, mit dem die Abhängigkeit der Kollektorleistung vom Einstrahlwinkel der Solarstrahlung berücksichtigt wird.
Ein Reflexionsverlust von IAM50 (incidence angle modifier) besagt, wie hoch die Reflexion bei einem Einfallswinkel von 50° ist. Aus diesem Faktor kann dann nach dem ASHRAE-Modell (ursprünglich von Souka und Safwat) zunächst der Faktor b0 und damit die Reflexion für jeden beliebigen Einfallswinkel berechnet werden:
Die IAM-Werte können berechnet werden. Um den IAM-Wert besser zu verstehen, folgt anbei die Ermittlung über einen Versuchsaufbau einer Vakuumröhre.
Der Kollektor hat im Normalfall eine statische Position. Um ihn herum bewegt sich die Sonne, deren Position sich über die Elevation (d.h. Sonnenhöhe) und den Azimut (Sonnenstand) definiert. Beide Größen variieren über den Tag und über das Jahr.
Folglich gibt es auch für den IAM-Wert immer zwei Werte. Anbei ein Beispiel für eines Kollektors mit Polycarbonat-Doppelstegplatten:
θ: Winkel
KθT = Winkelkorrekturfaktor zur transversalen Messrichtung
KθL: WF zur longitudinalen Messrichtung
Mit steigendem, also flacherem Einfallswinkel steigen auch die Reflexionsverluste an der Moduloberfläche.Eine rechtwinklige Einstrahlung wird durch den Winkel θ = 0 ° definiert.
Ergänzung:
Das ASHRAE-Modell ist ein Modell, das von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) entwickelt wurde, um die Wirkung von Fenstern und anderen optischen Elementen auf die Sonneneinstrahlung und die Raumtemperatur zu bestimmen. Es wird auch zur Ermittlung der Leistung von Sonnenschutzsystemen verwendet. Es gibt einen linearen Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und der effektiven Menge an Sonnenstrahlung, die durch die Polycarbonatplatte dringt.
H&T Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsstatus∗
Der Shelly H&T ist ein Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensor, der seine Messdaten über WLAN an Dein Smartphone sendet. In Deiner Shelly Cloud App kannst Du auf einem Blick sehen, wie sich deine Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit verändert, um beispielsweise Schimmelbildung zu vermeiden.
Auch diesen kleinen und kompakten Fühler verwende ich.
Meine Empfehlung!
Beispiel für die Berechnung der Leistung eines Kollektors:
Die effektive Einstrahlung auf die Kollektorfläche kann wie folgt berechnet werden:
Effektive Einstrahlung
= Solare Einstrahlung x Transmission x Winkelkorrekturfaktor.
Die Solare Einstrahlung beträgt 1357 W, die Transmission beträgt 84% (0,84) und der Winkelkorrekturfaktor bei 60° beträgt 0,64. Damit ergibt sich:
Effektive Einstrahlung = 1357 W x 0,84 x 0,64 = 734 W/m²
Nehmen wir an, die Kollektorfläche beträgt beispielsweise 2 m². Dann können wir die Leistung des Kollektors berechnen, indem wir die effektive Einstrahlung mit der Kollektorfläche multiplizieren:
Leistung = Effektive Einstrahlung x Kollektorfläche = 734 W/m² x 2 m² = 1468 W
Die Leistung des Kollektors beträgt in diesem Beispiel 1468 Watt.
3.1.3 Absorption:
Werden durch die Aufnahme von Strahlungsenergie wie Licht Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe erwärmt, wird von Absorption gesprochen. Dabei wird kurzwelliges Licht in langwelliges Licht umgewandelt. Wie viel von der Strahlungsenergie aufgenommen wird, hängt von der Oberfläche des Absorbers ab. Dunkle Oberflächen absorbieren mehr als helle. Ein ideal schwarzer Körper nimmt 100 Prozent der Energie auf und hat damit einen Absorptionsgrad von 1,0.
Die Absorption von Sonnenenergie bei einem Luftkollektor hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter:
- Oberflächenbeschaffenheit: Die Farbe, Textur und Beschaffenheit der Oberfläche des Kollektors beeinflussen die Absorption. Dunkle, matte Oberflächen absorbieren mehr Sonnenenergie als helle oder glänzende Oberflächen.
- Einfallswinkel: Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf den Kollektor beeinflusst auch die Absorption. Wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf den Kollektor treffen, ist die Absorption maximal. Bei flacheren Winkeln ist die Absorption geringer (siehe Winkelkorrekturfaktor).
- Luftmasse: Die Luftmasse, also die Menge an Luft, durch die das Sonnenlicht hindurchgeht, beeinflusst ebenfalls die Absorption. Wenn das Sonnenlicht durch eine größere Menge an Luft hindurchgeht, wird weniger Energie absorbiert.
Die Absorption kann durch die folgende Formel beschrieben werden:
Q = α ∗ A ∗ G
Q = Energie, die vom Kollektor absorbiert wird (in Watt)
α = Absorptionskoeffizient
A = Kollektorfläche (in m²)
G = Einstrahlungsintensität (in Watt pro Quadratmeter)
Die Absorptionskoeffizienten hängen von den oben genannten Faktoren ab und können je nach Material des Kollektors und seinen Eigenschaften variieren. Zum Beispiel haben schwarze, matte Oberflächen einen höheren Absorptionskoeffizienten als helle, glänzende Oberflächen.
Insgesamt können diese Faktoren dazu beitragen, die Effizienz von Luftkollektoren zu erhöhen, indem sie die Absorption von Sonnenenergie maximieren. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Absorption nur eine Komponente des Wärmeübertragungsprozesses ist und andere Faktoren wie Wärmeleitung und Konvektion ebenfalls berücksichtigt werden müssen, um die Gesamteffizienz des Systems zu bewerten.
Hinweise: Unterschied Globalstrahlung und Einstrahlungsintensität
Globalstrahlung und Einstrahlungsintensität sind zwei Begriffe, die in der Strahlungsphysik verwendet werden, um verschiedene Aspekte der solaren Strahlung zu beschreiben.
Die Einstrahlungsintensität bezieht sich auf die Menge an Sonnenstrahlung, die auf eine bestimmte Fläche trifft. Sie wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) gemessen und hängt von der Höhe der Sonne am Himmel, der Jahreszeit, der Breite des Standorts und anderen Faktoren ab (z.B. Zusammensetzung der Atmosphäre, da bestimmte Gase, insbesondere Wasser- und Kohlendioxid, bestimmte Wellenlängen der Sonnenstrahlung absorbieren können; Geografische Lage, etc.).
Die Globalstrahlung hingegen bezieht sich auf die Menge an Sonnenstrahlung, die auf eine horizontale Fläche auf der Erdoberfläche trifft. Sie setzt sich aus der direkten Strahlung (die direkt von der Sonne kommt) und der diffusen Strahlung (die von der Atmosphäre gestreut wird) zusammen und wird in der Regel in kWh/m² gemessen.
Plug S Smart Wifi Stecker∗
Der Shelly Plug S ist eine smarte Schaltsteckdose mit dem Du Deine Elektrogeräte aus der Ferne steuern kannst. Stecke den Shelly Plug S einfach in eine Steckdose und schließe ein Elektrogerät Deiner Wahl an.
Meine Empfehlung!
3.1.4 Wärmeleitung
Wärmeleitung: In Luftkollektoren hängt die Wärmeleitung mit der Absorption zusammen, da die absorbierte Energie im Kollektor durch Wärmeleitung an die Luft im Inneren des Kollektors übertragen wird. Wenn die Sonnenstrahlen auf die Oberfläche des Kollektors treffen, wird ein Teil der Energie durch Absorption in Wärme umgewandelt, die sich im Kollektor ausbreitet. Diese Wärmeenergie wird dann durch Wärmeleitung an die Luft im Inneren des Kollektors übertragen und dann durch Konvektion weiter transportiert wird.
Die Effizienz des Wärmeleitungsvorgangs hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Wärmeleitfähigkeit der Materialien im Kollektor und der Dicke des Materials. Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit übertragen Wärmeenergie schneller als Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit.
Ein Ventilator im Luftkollektor sorgt dafür, dass die Luft durch den Kollektor zu transportieren. Dadurch wird die Konvektion tatsächlich weniger wichtig für die Wärmeübertragung, da der Ventilator eine gezielte und schnelle Luftbewegung erzeugt. Der Ventilator erzeugt somit eine künstliche Strömung und bewegt die Luft durch den Kollektor, um die Wärmeenergie von der Kollektoroberfläche aufzunehmen und zu transportieren. Der durch den Ventilator erzeugte Luftstrom kann die Wärmeenergie viel effizienter transportieren als die natürliche Konvektion.
Die Geschwindigkeit des Luftstroms, der durch den Ventilator erzeugt wird, ist jedoch wichtig für die Wärmeübertragung. Wenn der Luftstrom zu gering ist, kann sich eine Schicht aus kalter Luft in der Nähe der Kollektoroberfläche bilden, die die Wärmeübertragung reduziert. Wenn der Luftstrom zu stark ist, kann die Luft nicht genügend Zeit haben, um die Wärmeenergie aufzunehmen, bevor sie den Kollektor verlässt.
Daher ist es wichtig, die Geschwindigkeit des Luftstroms im richtigen Bereich zu halten, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten. Insgesamt ist die Konvektion durch den natürlichen Luftstrom im Luftkollektor weniger wichtig, wenn ein Ventilator für den Transport der Luft verwendet wird, aber die Geschwindigkeit des Luftstroms bleibt ein wichtiger Faktor für die Wärmeübertragung.
In einem Luftkollektor ist es normalerweise besser, ein turbulentes Strömungsprofil anzustreben, da turbulente Strömungen eine höhere Wärmeübertragungskapazität haben als laminare Strömungen. Turbulente Strömungen haben eine höhere Wirbelbildung und Verwirbelung, was zu einer effektiveren Vermischung der Luft und einer schnelleren Wärmeübertragung führt.
Deshalb ist es in einem Luftkollektor wichtig, die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des richtigen Bereichs zu halten, um die Effizienz der Wärmeübertragung zu maximieren und gleichzeitig Energieverluste zu minimieren. Bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es zu einem starken Luftwiderstand und zu hohen Druckverlusten kommen. Dies führt auch dazu, dass durch den hohen Luft-Volumenstrom die Temperaturdifferenz zwischen Eintritts- und der Austrittsluft sinkt.
Daher ist es wichtig, ein ausgewogenes Strömungsprofil zu erreichen, das genügend Turbulenzen für eine effektive Wärmeübertragung aufweist, aber gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des akzeptablen Bereichs hält. Die Strömungsbedingungen und das gewünschte Strömungsprofil können jedoch je nach Anwendung und Kollektortyp variieren.
Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und Viskositätskräften in einer Strömung beschreibt. Sie gibt an, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist.
Für einen Luftkollektor ist es in der Regel am besten, eine Reynoldszahl im turbulenten Bereich anzustreben, da turbulente Strömungen eine höhere Wärmeübertragungskapazität aufweisen als laminare Strömungen. Allerdings hängt die optimale Reynoldszahl auch von der Anwendung und dem Kollektortyp ab.
In der Regel sollte die Reynoldszahl jedoch nicht zu hoch sein, da dies zu hohen Druckverlusten und einer Verringerung der Effizienz der Wärmeübertragung führen kann. Eine Reynoldszahl zwischen 4000 und 10000 wird oft als optimal für Luftkollektoren angesehen.
Es ist jedoch zu beachten, dass die optimale Reynoldszahl von verschiedenen Faktoren abhängt, wie der Strömungsgeschwindigkeit, der Kollektorgröße und der Oberflächenbeschaffenheit. Eine genaue Bestimmung der optimalen Reynoldszahl erfordert daher eine sorgfältige Analyse und Modellierung der Strömungsbedingungen im Luftkollektor.
Die Reynoldszahl (Re) für einen Luftkollektor wird wie folgt berechnet:
Re = ρ ∗ v ∗ L/μ
wobei:
- ρ die Dichte der Luft (in kg/m^3) ist
- v die Strömungsgeschwindigkeit der Luft (in m/s) ist
- L die charakteristische Länge des Kollektors (in m) ist, welche die Größe der Strömung in der Richtung der Strömung beschreibt
- μ die dynamische Viskosität der Luft (in Pa*s) ist.
Eine höhere Reynoldszahl deutet auf eine turbulente Strömung hin, während eine niedrigere Reynoldszahl eine laminare Strömung anzeigt. Die optimale Reynoldszahl für einen Luftkollektor hängt von der Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit des Kollektors sowie der Strömungsgeschwindigkeit ab. In der Regel sollte die Reynoldszahl für einen Luftkollektor zwischen 4000 und 10000 liegen, um eine effektive Wärmeübertragung bei minimalem Luftwiderstand und Druckverlust zu gewährleisten.
3.1.5 Konvektion
Bei der Konvektion wird die Luft durch die warme Oberfläche der Abdeckung erwärmt und die dadurch erwärmte Luft (geringer Dichte) steigt auf.
Konvektion bezieht sich auf den Wärmetransport durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen, die durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Im Falle eines Luftkollektors sorgt ein Ventilator für eine konstante Luftströmung durch den Kollektor, wodurch die erwärmte Luft ständig vom Kollektor wegtransportiert und durch kühlere Luft ersetzt wird. Die erwärmte Luft steigt aufgrund der geringeren Dichte nach oben, während kühlere Luft von unten in den Kollektor einströmt und die Wärme aufnimmt. Durch diesen ständigen Zyklus der Konvektion wird die Wärmeenergie effektiv durch den Kollektor transportiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wärmeleitung die Übertragung von Wärme durch direkten Kontakt zwischen den Stoffen ermöglicht, während die Konvektion durch die Bewegung von Luft eine effektive Wärmeübertragung und Wärmetransport unterstützt. Beide Prozesse arbeiten zusammen, um die Wärmeenergie von der Oberfläche des Kollektors auf die Luft zu übertragen und so die Effizienz des Luftkollektors zu erhöhen.
Konvektionsverluste: Die Außenlufttemperatur, die Windgeschwindigkeit im Außenbereich und die Dicke der Polycarbonatplatte können alle einen Einfluss auf die Konvektionsverluste in einem Luftkollektor haben. Die Vorgänge im Außenbereich entsprechen den physikalischen Vorgängen im Innenbereich des Luftkollektors, d.h. je größer die Windgeschwindigkeiten sind, desto größer sind Wärmeleitung und Konvektion in Form von Konvektionsverlusten.
3.1.6 Transmission
Transmission ist eine Größe für die Durchlässigkeit von Sonnenlicht (elektromagnetische Wellen). Sobald eine Welle auf ein Hindernis trifft, wird diese zum Teil reflektiert und beim Durchqueren des Hindernisses ganz oder teilweise absorbiert. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der verbleibende Rest aus, d.h. dieser Rest wird durch das Hindernis transmittiert.
Für meinen selbst gebauten Luftkollektor habe ich Polycarbonat-Doppelstegplatten eingesetzt. Lt. Herstellerangaben hat diese Form der Abdeckung zum damaligen Zeitpunkt eineTransmission-Wert von 84 %.
Bei Transmissionsverlusten kehrt sich der Vorgang um. Dabei wird über die Außenflächen des Luftkollektors durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung Energie an die Umgebung abgegeben. Der Transmissionswärmeverluste beruht auf dem Temperaturunterschied innen und außen. Die Maßeinheit für diese Leistung wird ebenfalls in Watt angeben.
Ergänzungen:
Die letzten Blog-Artikel habe sich mit den Themen Luftkollektoren (Teil 1 und Teil 2) und dem Thema Lüftungsanlage (Teil 1 und Teil 2) befasst. Aus meiner Sicht handelt sich dabei um eine Anlage, die sich hervorragend ergänzen.
Auch möchte ich meinen Beitrag zur DIY Nachführung von meiner Balkon Fotovoltaikanlage empfehlen.
Lesen Sie meine Blog-Artikel:
Schnarchen – die oft unterschätzte Volkskrankheit (2023)
Luftkollektoren – einfach Energie und Geld sparen – Teil 1 (Stand: 05.2023/01.2024)
Luftkollektoren – einfach Geld und Energie sparen – Teil 2 (Stand: 07.05.2023)
Kontrollierte Wohnraumlüftung (2023/2024): 1. Teil Grundlagen
Kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL) (2024) 2. Teil
Balkon Fotovoltaikanlage – mit automatischer Nachführung (2024)
Mein Weg zum Smart Home mit dem ioBroker: Erfahrungen und Tipps
High Protein Produkte – Was steckt dahinter (2024)?
Split Klimagerät vs. Wärmepumpe – eine Alternative?