Solarthermische Warmluftheizung WEIRD SCIENCE CLUB

Transkript

1 Solarthermische Warmluftheizung von Carmen Hofmann Carolin Grötsch WEIRD SCIENCE CLUB Darmstadt an der Lichtenbergschule Europaschule, MINT-Excellence Center, Internationale Begegnungsschule Ludwigshöhstraße, Darmstadt

2 Zusammenfassung Uns war diese Arbeit über regenerative Energien sehr wichtig, weil wir immer mehr mit dem starken Energieverbrauch und seinen Auswirkungen auf die Umwelt konfrontiert werden. Zudem haben wir uns natürlich auch überlegt wie es wohl in ein paar Jahren aussehen mag. Das Öl z.b wird überteuert sein und kein Mensch kann es noch bezahlen. Auch für die Umwelt gibt es nur Nachteile, die ohnehin jetzt schon total belastet ist. Also wollten wir einen Energielieferanten finden der zum Einen effektiv und umweltfreundlich ist und zum Anderen nicht aufgebraucht werden kann. Wir haben uns für die Energie der Sonne entschieden und wollten damit ein ganzes Haus beheizen. Dazu haben wir Experimente zur Wärmeverteilung in einem Raum durchgeführt und ausgewertet und einen kommerziell vorhandenen Kollektor versucht zu verbessern. Dabei ist heraus gekommen das es nicht nur möglich ist, ein Haus mit solarthermischer Luftheizung zu beheizen, sondern dass dies auch ein effektiver Weg ist die Temperatur schnell zu ändern. Wir konnten ein paar Ideen entwickeln, die bestehende Verfahren noch besser machen könnten.

3 Einleitung Wir haben das Thema solare Lufterwärmung bearbeitet, da Strom, Gas und Erdöl immer teurer werden und oft auch nicht sehr umweltfreundlich sind. Kaum schaltet man die Nachrichten ein, wird einem versucht deutlich zu machen, dass die Erdöl-Ressourcen bald aufgebraucht sind und man irgend einen alternativen, effektiven Energielieferanten benötigt. Es ist also ein alltägliches Problem. Man muss aber nicht weit gehen, um einen guten Energielieferanten zu finden die Sonne. Die Sonne ist die Hauptenergiequelle für alle möglichen Vorgänge auf der Erde, von der Photosynthese über das Wetter bis zu Meeresströmungen. Ganz unmittelbar kann man z.b. die Wärme der Sonne spüren, wenn man an einem Sommertag draußen ist. Diese Wärmeenergie sollte man eigentlich unkompliziert zum Erwärmen von Häusern verwenden können und es gibt auch viele Anwendungen. Als wir uns mit der Thematik beschäftigten, fanden wir heraus, dass moderne Häuser sehr gut isoliert werden müssen, damit sie effizient mit Wärmeenergie umgehen können. Das bringt allerdings Lüftungsprobleme mit sich. Darum schien uns das Prinzip einer Warmluftheizung sehr intelligent zu sein, weil viele Vorteile hier vereinigt werden. Das wollten wir genauer untersuchen. Zielsetzung Wir wollten experimentell untersuchen, ob man ein Haus mit solarerthermisch produzierter Warmluft effektiv heizen kann.

4 Solar-Luft-Kollektoren Damit die Energie der Sonne auch an die Luft abgegeben werden kann, die im Haus zirkuliert, muss sie zunächst einmal eingefangen werden. Dies geschieht auf der Südseite eines Hauses mit einem Kollektor. Abbildung 1: Modell eines solaren Zuluftsystems für ein Niedrigenergiehaus Abbildung 2: Prinzip des gängigen Solarkollektors

5 Uns fiel auf, dass die Kollektoren eine glatte Oberfläche haben, welche einen Teil der Sonnenstrahlen wieder zurückreflektiert und so nicht alle Strahlen optimal nutzt. Wir würden einen solchen Kollektor gerne mit einer anderen Oberfläche konstruieren, um die Lichtausbeute zu optimieren: Abbildung 3: Unser Kollektor mit pyramidalen Vertiefungen Bei unserem Design gibt es keine glatte Oberfläche sondern eine nach innen gehende Pyramidenform, wie man auch oben auf der Darstellung erkennen kann. Durch diese Form erhöht sich nicht nur die Oberfläche, eventuell reflektierte Strahlung trifft auch wieder auf Kollektorfläche auf. Dadurch wird der Absorptionsgrad erhöht. Die Oberfläche sollte in tiefem Schwarz gehalten sein, um die Reflektion so gering wie möglich zu halten. Solch eine Oberfläche hat natürlich den Nachteil, dass Schnee oder Wasser darauf liegen bleiben, die vergrößerte Oberfläche mehr Angriffsfläche für kühlende Winde bietet und generell auch eher zum Verschmutzen neigt. Darum würden auch wir eine schützende, glatte Glasplatte über den Kollektor montieren, die einen schmalen Luftraum offen hält und so wie ein übergestülptes Treibhaus wirkt. Dieser Luftspalt, der hermetisch abgeschlossen ist, kann auch mit einem anderen Gas gefüllt werden, was die Wärmeaufnahmeeigenschaften des Kollektors weiter verbessert. Das Glas lässt Wasser und Schnee leicht abfließen, ist leicht zu reinigen (Vögel...) und sollte so vergütet sein, dass es so wenig wie möglich reflektiert. Nun haben wir also einen Kollektor, der solarthermische Energie einfängt und wir haben auch einen Ventilator, der die Warmluft im Haus intelligent verteilt. Nun wollen wir überprüfen, ob sich ein Raum schnell und gleichmäßig aufwärmt.

6 Experimentelle Überprüfung der Wärmeluftverteilung im Raum Um einen Raum zu simulieren nehmen wir einen großen Karton. Wir stechen in den Pappkarton an verschiedenen Stellen Löcher mit Hilfe einer Schere hinein und beschriften sie von 1-7. Danach stecken wir in jedes der Löcher ein Thermometer hinein. Dann schneiden wir ein etwas größeres Loch für den Lufteinlass und ein zweites für den Luftauslass. Mit Hilfe eines regulierbaren Föhnes blasen wir Warmluft auf die Lufteinlassöffnung. Dann lesen wir Abbildung 4: Foto zu dem Experiment Winter ( Öffnung oben ) nach 2, 4, 6, 10, 12, 15 min an der Skala der Thermometer die Temperaturen ab. Da man ja meistens im Winter heizt, wenn z.b. die Fenster als Kältebrücke deutlich niedrigere Temperaturen haben, haben wir versucht auch dies zu simulieren. Für die Wintersimulation haben wir an 3 der Wände einen Kühlakku geklebt und auch hier wieder die Temperaturen gemessen. Abbildung 5: schematische Darstellung der Messpunkte an unserem Karton bei den Sommer- und Wintermessungen

7 Ergebnisse Wir haben die Messergebnisse in zwei Tabellen zusammengestellt: Abbildung 6: Messergebnisse der Temperaturmessungen in C Bei dem Versuch Sommer, kann man sehr gut erkennen das die Temperatur bei den Versuchen an Loch 3, 4, 5 und 7 ziemlich stark ansteigt. Bei dem Versuch Winter mit den Kühlakkus passiert das Selbe egal ob die Öffnung oben oder unten ist in die hinein geföhnt wird, die Temperatur steigt recht stark an Loch 3, 4, 5, und 7.

8 Diskussion zur Wärmeluftverteilung im Raum Die warme Luft kommt am schnellsten bei den oben und unten gegenüberliegenden Löchern an. Das bedeutet, dass die Luft zuerst den der Luftzufuhr gegenüberliegenden Teil erwärmt. Erst danach steigt die warme Luft in den anderen Teil des Raumes. Somit ist es schwer den Teil zu erwärmen welcher über unter oder gegenüber der Luftzufuhr liegt. Dort beträgt die Temperatur im "Sommer" nach 15 Minuten 51 C, hingegen in dem Teil, welcher am Besten beheizt wird beträgt die Temperatur 54 C. Die Luftzufuhr sollte am Boden des Raumes sein, da man nicht den oberen sondern eher den unteren Teil des Raumes erwärmen will. Wenn die Luftzufuhr oben an der Wand ist, würde es lang dauern bis Wärme auch am Boden ankommt, da Wärme immer nach oben steigt. So sollte die warme Luft an einem unteren Teil des Raumes eingelassen werden und an einem oberen Teil, zur Belüftung, wieder ausgelassen werden. Deutung zur Verbesserung der Kollektoren: Durch die pyramidenförmigen Einbuchtungen wird das Licht so gebrochen, dass so wenig wie möglich verloren geht. Wenn es auf einer geraden Fläche aufprallt, prallt ein Teil des Lichtes ab und entweicht. Durch die Pyramidenform soll das abprallende Licht auf einer anderen der Seiten der Pyramide aufprallen und dort aufgenommen werden. Dadurch wird der Lichtverlust immer geringer. Nach mehrfachem Abprallen liegt der Verlust bei fast 0. Durch eine nicht-reflecktierende Platte auf dem Kollektor wird dieser vor Schmutz und Feuchtigkeit geschützt. Fazit Wir konnten mit unseren Experimenten die Erwärmung in einem Zimmer durch eine Warmluftheizung simulieren und haben festgestellt, das man mit Warmluft einen Raum unkompliziert heizen könnte. Unsere Messungen sind natürlich sehr grob aber wir haben durch sie eine Menge über Strömungen gelernt. Eine Warmluftheizung soll-

9 te im Idealfall immer genau an den Raum, seine Geometrie und seinen Verwendungszweck angepasst werden. Durch verbesserte Kollektoren sollte es auch in Deutschland möglich sein, zumindest zeitweise mit der Kraft der Sonne eine Warmluftheizung zu betreiben. An Tagen, an denen die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht, muss dann die Luft durch eine Wärmepumpe oder durch eine Holzpelletheizung oder durch Gas angewärmt werden. Danksagung Wir möchten Herrn. Dr. Dlabal danken. Er hat uns auf diesen Wettbewerb aufmerksam gemacht und uns animiert mitzumachen. Er stand uns auch bei allen Fragen mit Rat und Tat zur Seite und steuerte gute Ideen bei. Dann danken wir noch unseren Eltern für die Denkanstöße und die vielen kleinen Hilfen. Literaturverzeichnis Dipl.-Phys. Stephen Weißmann: Energieeffiziente Frischlufterwärmung mit einem PCM-Wärmespeicher, Weißmann_TP7.pdf