Leistungstest und Wirkungsgradbestimmung

Transkript

1 Leistungstest und Wirkungsgradbestimmung S-Line Kollektor am Dipl.-Ing. Stefan Brandt

2 Der Wirkungsgrad eines Luftkollektors hängt im wesentlichen von 3 Faktoren ab: 1) Den technischen Eigenschaften des Kollektors, wie gut wird die Lichtenergie in Wärme gewandelt und wie gut erfolgt die Übertragung der Wärmeenergie an die Luft 2) Den Betriebseigenschaften, wie Luftdurchsatz und Temperaturerhöhung 3) Den Wärmeverlusteigenschaften den Kollektors Die unter Punkt 1 aufgeführten Eigenschaften sind unveränderlich, beim S-Line Kollektor werden diese Eigenschaften durch die Verwendung eines selektiv beschichteten Absorberbleches und eines optimierten Luftführungskanals mit einer vergrößerten Wärmeübertragungsfläche erreicht. Die unter Punkt 2 und 3 aufgeführten Eigenschaften tragen maßgeblich dazu bei, dass der Wirkungsgrad in einer gewissen Bandbreite schwankt, je nach realem Betriebsstatus. Grundsätzlich erreicht man einen höheren Wirkungsgrad bei hohen Luftgeschwindigkeiten und geringen Temperaturerhöhungen. Das resultiert aus der Tatsache, dass bei höheren Luftgeschwindigkeiten der Wärmeübertrag vom Blech auf die Luft besser funktioniert und die Wärmeverluste des Kollektors bei niedrigen Ausblastemperaturen geringer sind. Dagegen steht die Tatsache, dass die Einblastemperatur für Heizzwecke bei ca Grad liegen sollte um eine Heizeffekt zu generieren. Des weiteren ist die Luftgeschwindigkeit so einzustellen, dass auch an Tagen mit wechselnder Bewölkung ein kontinuierlicher Wärmeeintrag erzielt wird, hier liegt die Strömungsgeschwindigkeit eher etwas niedriger. Unter diesen Gesichtspunkten ist der Kollektor zu betreiben, auch wenn somit nicht unbedingt der höchste Wirkungsgrad erreicht wird.

3 Den ersten Wirkungsgrad des S-Line Kollektors habe im Juni 2011 bestimmt, dieser lag bei 83 %. Ein hoher Wert, der aber wenig aussagekräftig ist, da die Außentemperatur bei Grad lag und somit die Wärmeverluste gering ausfielen. Der Wirkungsgrad des Luftkollektors sollte in einem Zeitraum bestimmt werden, an dem der Kollektor auch effektiv als Zusatzheizung genutzt wird. Gerade in der Übergangszeit spielen Luftkollektoren Ihre Stärke aus. Aus dem Grund ist der Oktober mit noch ausreichenden Sonnentagen aber kalter Lufttemperatur ideal. Eine Hochdruckphase stellte sich um das Wochenende Oktober ein, bei nächtlichen Temperaturen um Minus 2 Grad Celsius und Tageshöchsttemperaturen von 15 Grad - ideale Bedingungen für den Leistungstest des S-Line Kollektors. Der Kollektor ist zur Zeit fest an einem Nebengebäude installiert, bei einer Ausrichtung von 160 Grad SW und einem Anstellwinkel von 85 Grad. Morgens fällt unverschattet die Sonne auf den Kollektor, ab Mittag verschattet der Kollektor durch das nebenstehende Wohngebäude. Die so gewonnen Daten wurden zur Ermittlung der Spitzenleistung und des Tageswirkungsgrades herangezogen. Die Messkurven geben aber über noch mehr Auskunft, dem steilen Anstieg der Kollektortemperatur in Abhängigkeit der Globalstrahlung, der Wärmespeicherfähigkeit des Kollektors um Schattenphasen zu überbrücken und der Zuführung vorgewärmter Luft durch den nach vorne gestalteten Lufteinlass. Auf den folgenden Folien gehe ich auf alle relevanten Aspekte ein, damit die Berechnung der Daten nachvollziehbar, belastbar und verständlich wird.

4 Aufbauschema zur Messung der Daten des S-Line Kollektors SÜDEN 8.45 Uhr - 45W/m² Uhr 872 W/m² Uhr - 59W/m² Verschattung durch Wohngebäude 160 SO S-Line Kollektor Wandmontage mit 85 Grad

5 Globalstrahlungskurve P max. 872 W/m² Beginn Verschattung um 13 Uhr Globalstrahlungsertrag : 6,48 kwh

6 T Ein - Lüftungsgitter Grad 15 Grad -2 Grad Die Temperaturkurve gemessen am Lufteinlassgitter beginnt bei 2 Grad C und endet bei 15 Grad C. Der Peak bei 1 stellt den Einschaltzeitpunkt des Differenzreglers dar, der hier bei 15 Grad liegt. Ab dem Punkt 2 steigt die Einlasstemperatur weiter an, was an der Tatsache liegt, dass die Luft an der Außenscheibe empor steigt und sich somit zusätzlich erwärmt, der Kollektor erhält somit vorgewärmte Luft, welches den Wirkungsgrad nochmals zusätzlich steigert. Das funktioniert allerdings nur bei Windstille.

7 Kurve Globalstrahlung & Kollektorinnentemperatur Hier erkennt man sehr schön die Speicherfähigkeit des Kollektors, um kurzfristige Schwankungen der Globalstrahlung z.b. durch Wolkenverschattung auszugleichen. Während die Globalstrahlung (blaue Kurve) ab Uhr schon wieder sinkt, verläuft die Kollektorinnentemperatur (rote Linie) noch weiter konstant. Um diese gespeicherte Energie zu nutzen ist der Betrieb des Lüfters durch ein Netzteil zwingend erforderlich. Bei Solarbetrieb würde bei Wolkenverdeckung der Lüfter nicht mehr laufen und somit die Energie zur Gebäudebeheizung verloren gehen.

8 Kurve Luftauslasstemperatur Die rosa Kurve stellt die Temperatur am Kollektorausgang dar. Sie liegt um einige Grad unter der Kollektortemperatur. Auch hier zeichnet sich die Stabilität der Kurve nach dem Sinken der Globalstrahlung aus. Wärmeertrag am Ausblasrohr: 5,01 kwh

9 Messbeginn mit leicht gefrorenen Scheiben 7.30 Uhr morgens

10 Messdaten Datenlogger um 9.04 Uhr

11 Messdaten Datenlogger um 9.40 Uhr und Uhr

12 Zusammenfassung Die Kollektorbetriebsdauer betrug 4h15 min, möglich ohne Gebäudeverschattung wären ca. 5h10 min gewesen. Insgesamt wurden mit dem Datenlogger Messpunkte je Messreihe aufgenommen und verarbeitet. 5 kwh (bzw. ca. 6,5 kwh ohne Gebäudeverschattung) an erzeugter Wärmeenergie sind für einen 2 m² Kollektor ein sehr guter Wert. Die Wärmeenergie würde an diesem Tag komplett ausreichen, um die konventionelle Heizung unseres Wohngebäudes zu ersetzen. Leistungsdaten Globalstrahlungsertrag Max Einstrahlung Laufzeit des Kollektors P max. Delta T max. 6,58 kwh 872 W/m² 4h15 min W 45,2 K Wirkungsgrad 76,16 % Energiegewinn Volumenstrom (reduziert) Nach DIN / Solarstrahlung > 650 W 5,01 kwh 103 m³/h Wirkungsgrad 75,58 % Energiegewinn 4,17 kwh

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14 Resümee Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades ist es beim S-Line Kollektor zwingend erforderlich sich für den Nachbau exakt an der Bauanleitung zu orientieren. Abweichungen im Aufbau können sich nachhaltig auf den Wirkungsgrad und die erzielbare Leistung auswirken. Trotzdem sind die erreichten Werte im Freifeld selten reproduzierbar, zu unterschiedlich sind die während des Messbetriebes zu erwartenden Umgebungseinflüsse. Schon geringe Änderungen bei Lufttemperatur, Globalstrahlungsstärke, Sonnenstandshöhe und Windgeschwindigkeit tragen zu einer Verschiebung des Wirkungsgrades bei. Trotzdem sollten Werte oberhalb von 70% jederzeit erreichbar sein, auch unter ungünstigen Witterungsbedingungen. Unter guten Rahmenbedingungen liegt der Wirkungsgrad bei ca. 80 %. Technisch sollte das Luftfördervolumen im Betrieb so angepasst werden, dass eine fest vorgegeben Heiztemperatur nicht überschritten wird. Somit werden unnötige Wärmeverluste vermieden. Einfach ausgedrückt, niedrige Kollektorinnentemperatur - niedrige Luftfördergeschwindigkeit, hohe Kollektortemperatur - hohe Fördergeschwindigkeit. Der Differenzregler bietet eine variable Drehzahlregelung nicht. Auf dem Markt verfügbare Regelungsanlagen eignen sich nicht für Luftkollektoren und sind vom Verhältnis auch zu teuer. Der nächste Trubadu Meilenstein für einen effektiven Betrieb von Luftkollektoranlagen wird eine speziell auf die Anforderungen zugeschnittene Regellösung sein - das nächste Projekt für 2011/2012.