Inhaltsverzeichnis

3.2 Energetische Berechnungen
4. Nutzung von Luftkollektoren
5. Bau meines Luftkollektors im Jahr 2013
- 5.1 Entwurf und Konstruktion meines Luftkollektors
- 5.2 Bauanleitung meines Luftkollektors
6. Berechnung der Leistung meines Luftkollektors
- 6.1 Theoretische rechnerische Leistung meines Luftkollektors
- 6.2 Gemessene Leistung meines Luftkollektors (Basistag 04.05.2023)
  Ende Teil 2 – Abschluss Blog Luftkollektor
  Grundlagen zum Luftkollektor Teil 1

Luftkollektoren - einfach Geld und Energie sparen - Teil 2 (Stand: 07.05.2023)

3.2 Energetische Berechnungen

3.2.1 Gesamtenergiedurchlassgrad (G-Wert)

Der Gesamtenergiedurchlassgrad, kurz G-Wert genannt, erfasst die Energiedurchlässigkeit eines transparenten Bauteils, wie etwa einer Verglasung. Er setzt sich zusammen aus der direkt durchgelassenen Sonnenstrahlung und der sekundären Wärmeabgabe, die vom Glas nach innen durch Abstrahlung und Konvektion erfolgt.

3.2.2 Ermittlung der Wärmeeinträge in einen Kollektor

Die Abhängigkeit der Energieeinträge eines Flachkollektors von den genannten Faktoren kann durch folgende mathematische Formel beschrieben werden:

Q = η_c * A_c * G * (F_tau * tau – U_l * (T_c – T_a))

Dabei stehen:
Q für die Energieeinträge des Kollektors
η_c für den Solarkollektorwirkungsgrad,
A_c für die Kollektorfläche,
G für die solare Einstrahlung auf die Kollektorfläche,
F_tau für den Einstrahlungswinkelkorrekturfaktor,
tau für die Transmission des Kollektors,
U_l für den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Kollektor und Umgebung,
T_c für die Kollektortemperatur und
T_a für die Umgebungstemperatur.

Die Formel zeigt, dass die Energieeinträge des Kollektors von der solaren Einstrahlung G und dem Solarkollektorwirkungsgrad η_c abhängen. Außerdem wird die Transmission τ (tau) des Kollektors durch den Einstrahlungswinkelkorrekturfaktor F_tau berücksichtigt, da sie von der Einstrahlungsrichtung abhängig ist. Der Wärmeübergangskoeffizient U_l und die Temperaturen T_c und T_a berücksichtigen die Abhängigkeit von der

3.2.3 Berechnungsverfahren zum Wirkungsgrad

Der Solarkollektorwirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis der nutzbaren thermischen Energie, die von einem Solarkollektor aufgenommen und abgegeben wird, zur solaren Einstrahlung auf den Kollektor. Mathematisch ausgedrückt, ist der Solarkollektorwirkungsgrad η_c definiert als:

η_c = Q_nutz / (A_c * G)

Dabei steht Q_nutz für die von dem Kollektor abgegebene nutzbare thermische Energie, A_c für die Kollektorfläche und G für die solare Einstrahlung auf die Kollektorfläche.

Der Solarkollektorwirkungsgrad gibt somit Auskunft darüber, wie effektiv ein Kollektor die solare Einstrahlung in thermische Energie umwandelt. Er ist somit ein wichtiges Kennzeichen für die Leistungsfähigkeit eines Solarkollektors und wird daher oft bei der Auswahl und Bewertung von Solarkollektoren herangezogen.

3.2.4 Berechnung der Momentanleistung Q

Die Momentanleistung Q˙ des Kollektors in Watt berechnet sich nach der Gleichung:

Q˙ = η ∗ A_a ∗ G

A_a: Bezug auf Aperturfläche
G: Globalstrahlung [W/m²]

4. Nutzung von Luftkollektoren

Solare Trocknung: Luftkollektoren können verwendet werden, um Luft zu erwärmen und Feuchtigkeit aus landwirtschaftlichen Produkten wie Obst, Gemüse und Getreide zu entfernen. Dadurch können die Produkte länger gelagert werden.

Entfeuchtung: Luftkollektoren können Feuchtigkeit aus der Luft entfernen und so zur Entfeuchtung von Gebäuden und Räumen beitragen.

Lüftung von Gewächshäusern: Luftkollektoren können zur Belüftung von Gewächshäusern eingesetzt werden, um das Wachstum von Pflanzen zu fördern.

Solare Kühlung: Luftkollektoren können in Kombination mit einer Absorptionskältemaschine zur solaren Kühlung von Gebäuden eingesetzt werden

5. Bau meines Luftkollektors im Jahr 2013

5.1 Entwurf und Konstruktion meines Luftkollektors

Wie zu Beginn meiner Blogs beschrieben, habe ich Ende 2012 begonnen, meinen eigenen Luftkollektor zu planen. Vorbild und Konzeption stammen aus den Erfahrungen von www.copy.net.de/Solar/Solar_neu.html.

Nachdem meine räumlichen Möglichkeiten den Luftkollektor aufzustellen eingeschränkt waren, habe ich mich dazu entschlossen, den Kollektor senkrecht an die Hauswand mit südlicher Ausrichtung zu stellen.

Dabei entstand folgende Skizze vom Aufbau:

Nachfolgendes Foto entstand im April 2023:
Auch nach 10 Jahren Betrieb funktioniert der LuKo ohne Probleme. Er trotz auch allen Witterungsverhältnissen.
In dem Luftkollektor an sich sind KEINE Lüfter verbaut. Der LuKo ist in Reihe zu meiner selbstgebauten kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL) installiert. Die Luft wird im Kollektor unten angesaugt, erwärmt und oben rechts über die Lüfter, die auf dem Weg bzw. in der KWL verbaut sind, angesaugt.

Der Luftkollektor hat:
– Außenmaß:  L x B: 2.600 mm x 1.350 mm
– Kollektorfläche:
geplant: L x B: 2.200 mm x 1.100 mm = 2,42 m2
tatsächlich: wurden 4 Elemente mit je 1.100 mm x 450 mm   = 1,98 m2 verbaut
– es sind zwei Lüfter nach dem Kollektor verbaut:
1. Stufe: ebm Papst Typ: 8214 JN gemessene Leistung: 85 m³/h, ergibt
eine Luftgeschwindigkeit von ca. 0,39 m/s
2. Stufe: Sunon Lüfter gemessene Leistung 25 m³/h

→ beide Lüfter bringen zusammen einen Volumenstrom von 110 m³/h
d.h. es ergibt sich dadurch eine Luftgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/s

5.2 Bauanleitung meines Luftkollektors

Leider ist es schon mehr als 10 Jahre her, dass ich meinen Luftkollektor gebaut habe. Deshalb habe ist die Bauanleitung aus der Erinnerung geschrieben.
Wichtig ist dabei insbesondere, die Längenausdehnungen der Doppelstegplatten beim Erwärmen zu berücksichtigen.

Folgende Materialien habe ich eingesetzt:

OSB-Platten für die Rückwand
Vierkant-Holzprofile für den seitlichen Rahmen
16 mm Polycarbonatdoppelstegplatte für die Abdeckung
Aluminiplatten
Schwarzer Solarlack M40 Li/E
Alukaschierte Steinwolle
Schrauben
Dichtungsband (Moosgummi)
Silikon

Schritt 1: Rückwand und Rahmen bauen Verwenden Sie die OSB-Platten für die Rückwand und die Vierkant-Holzprofile für den Rahmen. Die OSB-Platten habe ich auf die gewünschte Größe geschnitten. Die Holzprofile habe ich an die OSB-Rückwand angeschraubt.

Schritt 2: Für den Lüfter habe ich eine Bohrung oben rechts in der Rückwand angebracht.

Schritt 3: Aluminiplatten vorbereiten. Die Aluminiumplatten wurden anschließend von mir auf die Größe der Rückwand geschnitten. Als nächstes habe ich den schwarzen Solarlack auf die Oberfläche der Platten aufgetragen und trocknen lassen.

Schritt 4: Auf der Unterseite der Holzprofile des Luftkollektors habe ich mit dem Forstner-Bohrer mehrere Löcher für die Zuluft gebohrt. Um eine Verschmutzung des Innenraums des Luftkollektors zu vermeiden, wurden von mir an den Zuluftlöchern Alu-Winkel angebracht, die es erlauben, eine in ein Lochblech eingebettete Filtermatte hineinzuschieben.

Schritt 5 Isolierung anbringen. Mit der alukaschierte Steinwolle habe ich die Rückseite des Kollektors isoliert, um möglichst geringe Wärmeverluste über die Rückwand zu verursachen.

Schritt 6: Um die Rückwand dampfdicht und möglichst geschlossen zu bekommen, habe ich zusätzlich die Rückwand mit Sauna-Alupapier ausgekleidet.

Schritt 7: Aluminium-Platten anbringen. Die Befestigung erfolgt über Winkelprofile, wodurch zwischen der Isolierung der Rückwand und der Alu-Platte ein Spalt entsteht. Somit werden die Solar-Aluplatten beidseitig umströmt und führen dadurch zu einer maximalen Nutzung der Oberflächen der Alu-Platten.
Verbesserungsmöglichkeit: Die Befestigung mit Winkelprofilen hat sich als nicht optimal verwiesen. Eine Platte hat sich gelöst und ich musste diese wieder provisorisch befestigen. Heute würde ich die Alu-Platten über Gewindestangen befestigen und fixieren (kontern), wodurch eine besserte Fixierung und ein exakterer Abstand der Platten zur Isolierung und Platte erreicht werden kann.

Schritt 8: Abdeckung anbringen. Zum Abdichten habe ich mir Moosgummi beschafft. Um das Moosgummi zu fixieren, habe ich zwei Vierkant Holzprofile links und rechts angebracht, so dass die etwas höhere Moosgummi-Dichtung in der Nut der beiden Holzprofile fixiert ist. Da sich die Polycarbonatplatte bei Erwärmung ausdehnt, kann die Platte nicht am Rahmen verschraubt werden. Ich habe das Problem dadurch gelöst, dass ich auch hier Eisenwinkel angebracht habe, die am Rahmen befestigt wurden, jeweils Gewindestangen durchgesteckt wurden. Die Polycarbonatplatte wird dann über den Winkel und den Flügelmuttern auf die Moosgummi-Dichtung presst. Die geschieht über den Umfang des Kollektors.

Schritt 9: Abschlussarbeiten Versiegeln Sie alle Lücken und Kanten mit Silikon, um sicherzustellen, dass der Kollektor vollständig dicht ist.

Schritt 10: Als Kantenschutz habe ich an den OSB-Platten Alu-Winkelprofile angebracht

Sie können Polycarbonatbefestigungen in verschiedenen Baumärkten, Online-Shops oder bei Herstellern von Polycarbonatplatten kaufen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wo man geeignete Polycarbonatbefestigungen kaufen kann. Eine Möglichkeit ist, bei einem Baumarkt oder Baufachhandel vor Ort nach passenden Befestigungen zu fragen. Oft haben diese Geschäfte ein breites Sortiment an Befestigungsmaterialien, die auch für Polycarbonatplatten geeignet sind.

Alternativ kann man auch online nach passenden Befestigungen suchen. Es gibt zahlreiche Online-Shops, die sich auf Befestigungsmaterialien spezialisiert haben und auch Polycarbonatbefestigungen im Angebot haben.

Empfehlen kann ich auf jeden Fall den Solarlack M40 Li/E, der schon seit über 10 Jahren seine Arbeit tut. Ich kann auf den Aluminiumplatten keine Veränderung feststellen.

6. Berechnung der Leistung meines Luftkollektors

6.1 Theoretische rechnerische Leistung meines Luftkollektors

Die Globalstrahlung (siehe 1. Teil zum LuKo), kann in Bayern ein maximalen Wert von ca. 1.000 W/m² erreichen. Nachdem die Transmission ca. 84% (0,84) und der Winkelkorrekturfaktor bei 60° 0,64 (= KθT) beträgt, würde sich eine rechnerische maximale Leistung meines Luftkollektors von:

Maximale Leistung = 1.000 W x 0,84 x 0,64 x 1 = 538 W/m²

wobei: KθT = Winkelkorrekturfaktor zur transversalen Messrichtung

Nachdem meine Kollektorfläche 1,98 m² beträgt, ergibt sich die Leistung durch die Multiplikation der Solaren Einstrahlung mit der Transmission und dem Winkelkorrekturfaktor:

Leistung = Effektive Einstrahlung x Kollektorfläche = 538 W/m² x 1,98 m² = 1.065 W

Die Leistung des Kollektors könnte einen Wert von 1.065 Watt erzielen.

Grundsätzlich ist neben dem transversalen Winkelkorrekturfaktor auch der longitudinale Winkelkorrekturfaktor zu berücksichtigen.

6.2 Gemessene Leistung meines Luftkollektors (Basistag 04.05.2023)

Um die Leistung meines Luftkollektors zu überprüfen, habe ich den 4. Mai 2023 ausgewählt. Für diesen Tag habe ich von dem Bayerischen Landesamt für Umwelt die tagesaktuellen Messwerte ausgewählt.

Folgende Werte für die Globalstrahlung wurden für diesen Tag in Landsberg am Lech ermittelt:

Daraus ergibt sich folgende Meßkurven-Darstellung:

Nachfolgend habe ich die Zahlenwerte aus Globalstrahlung und Leistung meines Luftkollektors gegenübergestellt und den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Zeit berechnet.

Dabei wird deutlich, dass der Winkelkorrekturfaktor maßgeblich für die Leistung des Kollektors verantwortlich ist. Hierbei ist wie schon im 1. Teil meines Blogs beschreiben, der transversale Winkelkorrekturfaktor wesentlich von Bedeutung:

Es wurden theoretisch für meinen Kollektor eine maximale Leistung von 535 Watt/m² berechnet.

Bei 798 Watt/m² Globalstrahlung ergibt sich am 04. Mai 2023 um 14.00 Uhr eine Leistung des LuKo von ca. 506 Watt/m², was einem Wirkungsgrad von ca. 64 % entspricht.

Somit wird der errechnete Leistungswert annähernd erreicht.

Ein Wirkungsgrad von max. ca. 64 % für einen selbst gebauten Luftkollektor ist ein sehr gutes Ergebnis.

Der Raspberry Pi 4 Model B ist das neueste Produkt aus der beliebten Raspberry Pi Computer Familie. Er bietet bahnbrechende Steigerungen bei der Prozessor Leistungsfähigkeit, Multimedia Performance, Speicher und Anschlüssen, im Vergleich zu der Vorgänger Generation Raspberry Pi 3 Model B+, während die Rückwärts Kompatibilität zu den Vorgängermodellen voll erhalten bleibt

Nachtrag und Ergänzungen Januar 2024:

Im Januar 2024 habe ich neue Messungen durchgeführt. Diese Messung wurden durch Verbesserungen meiner Visualisierung und Nutzung von IoBroker, Blockly, verschiedenen Shelly Komponenten möglich.

Auf der Visu ist zu erkennen, dass bei einer Aussentemeparatur von ca. 8 °C im LuKo ein Wert von ca. 66 °C erreicht wird. Bei einem Volumenstrom von ca. 110 m3/h wird dann mit ca. 47 °C eingeblasen.
(Werte am 28.01.2024 !!)

Die Grafik zeigt den Temperaturverlauf der Zimmertemperatur, Einblasetemperatur und Luko-Temperatur im inneren des Kollektors. Hierbei wurden am 28.01.2024 eine maximale Temperatur von ca. 83 °C erreicht!!

6.3 Visualisierung, Steuerung und grafische Darstellung der LuKo-Werte

Die Steuerung und Programmierung des LuKo-Programms wurden mit ioBroker und der Instanz Blockly durchgeführt.

Der ioBroker ist eine Open-Source-Plattform für die Heimautomatisierung und das Internet der Dinge (IoT). Es handelt sich um eine zentrale Softwarelösung, die es ermöglicht, verschiedene Smart-Home-Geräte, Systeme und Protokolle zu integrieren, zu steuern und zu automatisieren. Die Plattform bietet eine Vielzahl von Adaptern, die es ermöglichen, Geräte und Dienste verschiedener Hersteller und Standards zu verbinden.
Hier sind einige Merkmale und Funktionen von ioBroker:

Modularer Aufbau: ioBroker ist modular aufgebaut, wobei jede Funktion oder Integration durch sogenannte „Adapter“ bereitgestellt wird. Diese Adapter können von der Community entwickelt und aktualisiert werden, was eine große Flexibilität und Vielfalt an unterstützten Geräten und Diensten ermöglicht.
Unterstützung für verschiedene Protokolle: ioBroker unterstützt eine breite Palette von Protokollen und Standards für die Heimautomatisierung, darunter Zigbee, Z-Wave, MQTT, KNX, Homematic, Modbus, Philips Hue, IKEA TRÅDFRI und viele mehr.
Benutzeroberfläche: ioBroker bietet eine webbasierte Benutzeroberfläche, über die Benutzer ihre Smart-Home-Geräte konfigurieren, überwachen und steuern können. Die Benutzeroberfläche ist anpassbar und ermöglicht die Erstellung von Dashboards, Diagrammen und Visualisierungen.
Automatisierung und Skripting: ioBroker bietet leistungsstarke Automatisierungsfunktionen, die es Benutzern ermöglichen, komplexe Abläufe und Szenarien zu erstellen. Dies erfolgt oft über die Verwendung von sogenannten „Skripten“, die in JavaScript verfasst werden.
Integration von Diensten und APIs: Neben der Integration von Smart-Home-Geräten unterstützt ioBroker auch die Integration von Webdiensten und APIs, was es ermöglicht, externe Datenquellen und Dienste in die Automatisierung einzubeziehen.
Community und Erweiterbarkeit: ioBroker hat eine aktive Community von Entwicklern und Benutzern, die kontinuierlich neue Adapter und Funktionen entwickeln und unterstützen. Dies macht die Plattform äußerst erweiterbar und anpassbar an die individuellen Bedürfnisse der Benutzer.

Insgesamt ist ioBroker eine vielseitige und leistungsfähige Plattform für die Heimautomatisierung, die es Benutzern ermöglicht, ihr Zuhause intelligent zu vernetzen, zu automatisieren und zu kontrollieren.

Visu ist ein Adapter im ioBroker.
Der „Visu“ Adapter im ioBroker ist ein Adapter, der es ermöglicht, visuelle Benutzeroberflächen zu erstellen und zu integrieren. „Visu“ ist eine Abkürzung für „Visualisierung“, und dieser Adapter dient dazu, die Steuerung und Überwachung verschiedener Smart-Home-Geräte und -Systeme über eine grafische Benutzeroberfläche zu vereinfachen.
Hier sind einige Merkmale und Funktionen des „Visu“ Adapters im ioBroker:

Benutzeroberflächenerstellung: Der Adapter ermöglicht die Erstellung von benutzerdefinierten Dashboards und Oberflächen, die es Benutzern ermöglichen, ihre Smart-Home-Geräte zu steuern und zu überwachen.
Widget-Unterstützung: Es gibt eine Vielzahl von Widgets, die zur Gestaltung der Benutzeroberfläche verwendet werden können, wie Schalter, Schieberegler, Diagramme, Symbole usw.
Anpassungsmöglichkeiten: Benutzer können die Benutzeroberfläche nach ihren individuellen Anforderungen anpassen, z.B. durch Hinzufügen von Widgets, Anordnen von Elementen, Ändern von Farben und Stilen usw.
Integration von Smart-Home-Geräten: Der „Visu“ Adapter ermöglicht die Integration einer Vielzahl von Smart-Home-Geräten und -Systemen, die mit dem ioBroker kompatibel sind, wie z.B. Lichter, Thermostate, Sensoren, Kameras usw.
Skalierbarkeit: Die Benutzeroberfläche kann je nach Bedarf skalierbar sein, von einfachen Dashboards für einzelne Räume bis hin zu umfangreichen Steuerungszentralen für das gesamte Zuhause.
Einfache Konfiguration: Die Konfiguration und Einrichtung der Benutzeroberfläche erfolgt über die ioBroker-Benutzeroberfläche oder über Skripte und Konfigurationsdateien.
Responsive Design: Die erstellten Benutzeroberflächen sind in der Regel für verschiedene Bildschirmgrößen und Geräte optimiert, um eine optimale Benutzererfahrung zu gewährleisten.

Insgesamt bietet der „Visu“ Adapter im ioBroker eine flexible und benutzerfreundliche Möglichkeit zur Visualisierung und Steuerung von Smart-Home-Geräten und -Systemen über eine ansprechende grafische Benutzeroberfläche.

Blockly ist eine visuelle Programmiersprache, die in ioBroker integriert ist. Mit Blockly können Nutzer Automatisierungen und Regeln für ihre Smart-Home-Geräte ohne Programmierkenntnisse erstellen. Die Programmierung erfolgt durch das Zusammenfügen von Bausteinen, die sogenannten Blöcke, die verschiedene Aktionen und Bedingungen repräsentieren. Mit Blockly können Nutzer komplexe Automatisierungen erstellen, die auf bestimmten Ereignissen oder Bedingungen basieren. Die visuelle Darstellung von Blockly erleichtert die Verwaltung und Überwachung von Automatisierungen, da sie auf einfache Weise anpassbar sind. Blockly ist eine großartige Möglichkeit für Nutzer, die ioBroker-Plattform ohne Programmierkenntnisse zu nutzen und das Smart-Home-Erlebnis zu verbessern.

Influx-DB ist eine Open-Source-Zeitreihendatenbank , die speziell für die Speicherung, Abfrage und Visualisierung von Zeitreihendaten optimiert ist. Sie eignet sich gut für die Speicherung von Sensordaten, Metriken, Protokollen und anderen Zeitreihendaten, die in IoT-Anwendungen und anderen Umgebungen generiert werden. Durch die Verbindung von InfluxDB mit ioBroker können Sie Zeitreihendaten aus Ihrem Smart Home oder anderen Umgebungen effektiv speichern, verwalten und analysieren, um Einblicke zu gewinnen und automatisierte Aktionen basierend auf diesen Daten zu erstellen.

Grafana ist eine Open-Source-Plattform für die Visualisierung und Analyse von Daten. Es bietet eine Vielzahl von Diagrammtypen und Visualisierungsoptionen. Benutzer können interaktive Dashboards erstellen und anpassen. Grafana unterstützt eine breite Palette von Datenquellen und Integrationen. Es ermöglicht Alarme und Benachrichtigungen basierend auf definierten Schwellenwerten. Die Plattform ist äußerst flexibel und anpassbar. Grafana bietet Templating-Funktionen zur dynamischen Dashboard-Erstellung. Es verfügt über eine aktive Community und ein umfangreiches Ökosystem von Plugins und Integrationen. Insgesamt ist Grafana ein leistungsstarkes Werkzeug für die Datenvisualisierung in verschiedenen Anwendungsgebieten.

In einem separaten Blog werde ich auf den ioBroker, Blockly, Jarvis, Influxdb und Grafana eingehen.

Lese dazu meinen Beitrag Smart Home im ioBorker.

Lese auch meine Artikel zu Luftkollektoren Teil 1 und Teil 2, sowie die interessanten Artikel zum Thema Lüftungsanlagen Teil 1 und Teil 2. Ein weiterer Artikel beschäftigt sich mit Balkon Fotovoltaikanlage mit selbstgebauter automatischer Nachführung.
Hierbei handelt es sich alle um DIY-Anlagen.