PV/T*-Schiefer Entwicklung einer neuen Gebäude-Komponente: Messung - Modellierung - Simulation

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1 PV/T*-Schiefer Entwicklung einer neuen Gebäude-Komponente: Messung - Modellierung - Simulation Sven Kropf 1 & 2, Alfred Moser 1, Gerhard Zweifel 2 1 Gruppe Air&Climate, ETH Zentrum LOW, 892 Zürich 2 Zentrum für interdisziplinäre Gebäudetechnik, HTA Luzern, Technikumstr. 21, 648 Horw kropf@hbt.arch.ethz.ch Zusammenfassung Die Entwicklung neuer Gebäude-Komponenten zur Optimierung eines ganzen Gebäude-Systems ist jeweils eine sehr komplexe Angelegenheit. Der Weg von der Idee bis zur Realisierung ist lang. Häufig steht man dabei vor der Frage "Messungen oder Berechnungen?". Wie kommt man möglichst schnell und kostengünstig auf möglichst genaue Aussagen? Dieser Beitrag zeigt anhand eines Beispiels (PV/T*-Schiefer), wie Messung und Rechnung voneinander profitieren. Praxis und Theorie stehen dabei in einem ständigen Dialog und die Erkenntnisse aus einem Arbeitsfeld fliessen im nächsten ein. Im vorliegenden Beispiel wurde dabei der nicht zwingende Weg von der Komponente hin zum Gebäude gewählt: Praxis Theorie Realisierung Projektplanung Feldmessung an ersten P&D-Anlagen Optimierung der Komponente Labormessung am Prototypen Komponenten-Ebene Gebäude-Ebene Gebäudesimulation Fallstudien mittels Gebäudesimulation Modellierung (dynamisch) des Kompenenten-Ertrags CFD erweitert den Messbereich * PV/T = photovoltaisch/thermisch Idee 16

2 Die Idee Die eintreffende Solarstrahlung (1%) wird zu rund 1% an der Glasoberfläche des PV-Moduls reflektiert. Der grösste Teil wird in der Schicht mit den Solarzellen absorbiert, wo ca. 1% in Strom umgewandelt wird. Die restlichen 8% fallen als Abwärme an und müssen irgendwie an die Umgebung wieder abgegeben werden. Dies geschieht bei den meisten gebäudeintegrierten PV-Anlagen beinahe ausschliesslich über die Modul-Vorderseite - zu ungefähr gleich grossen Teilen durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung und durch Konvektion an die Umgebungsluft. Durch eine Hinterlüftung wird bei PV/T-Systemen die Fläche, über die das Modul die Wärme abgibt, verdoppelt (Vorder- und Rückseite), so dass diese Abgabe auf einem deutlich tieferen Temperaturniveau geschehen kann, was den elektrischen Ertrag um etwa 1% erhöht. Um die Zellkühlung weiter zu optimieren werden beim PV/T-Schiefer die Module nur auf knapp der Hälfte ihrer Fläche mit Zellen versehen, der übrige Teil wird durch die ziegelartige Anordnung bei der Montage überdeckt. Einerseits kann so ein Teil der bei abgegebenen Wärme "eingefangen" und damit nutzbar gemacht werden, andererseits wird die Luftgeschwindigkeit durch die geringere Spaltweite hinter dem Modul erhöht, was die Wärmeabgabe mittels Konvektion im Spalt & begünstigt Die Labormessung Von Juli 21 bis März 22 wurde ein Prototyp des Systems auf dem Dach der HTA Luzern ausgemessen. Dabei wurden folgende Parameter variiert: 1. Luftvolumenstrom (die Luft wird über ein flexibles Rohr mit einem Ventilator vom Sammelkasten oben am Messkasten abgesaugt. Der Ventilator bestimmt so die Luftgeschwindigkeit im Spalt). 2. Neigungswinkel der Module (der Kasten kann mittels Flaschenzügen auf den Metallschienen bewegt und mit Schrauben an verschiedenen Positionen befestigt werden). 3. Spaltweite (durch auswechseln der Holzleisten zwischen den Modulen). 17

3 Am Beispiel eines sonnigen Messtages wird das Vorgehen bei der Messdatenanalyse illustriert: Der Verlauf der Messgrössen (Stundenmittelwerte) zeigt bereits deutlich die Trägheit des Systems: Der thermische Ertrag hinkt der solaren Einstrahlung 1-2 Stunden hinten nach. Demnach sind auch kurzfristige Schwankungen (vorüberziehende Wolken von 11: bis 12:) in der Luft- Austrittstemperatur nicht zu sehen. Luftvolumenstrom, Neigungswinkel und 1 Spaltweite wurden jeweils für einen ganzen 9 Tag konstant gehalten. 8 Einstr. W/m2 el. Ertr. W/m2 Es interessiert, wie sich folgende zwei Werte 7 th. Ertr. W/m2 in Abhängigkeit der Einstrahlung verhalten: 6 dtzelle: Zelltemp. - Umgebungstemp. dtluft: Luft-Austrittstemp. - Umg.temp. 4 Damit diese Werte aus verschiedenen 3 Messtagen untereinander vergleichbar sind, 2 werden sie auf den Betrag für eine 1 Einstrahlung auf die Modulfläche von 1 W/m 2 umgerechnet (Temperaturhysterese) März 22: Stundenmittelwerte Der lineare Fit durch die Temperatur- Hysteresen wird dadurch bestimmt, dass die Steigungen der Geraden durch den Nullpunkt und durch die einzelnen Punkte der Hysterese mit der Einstrahlung (dtzelle) bzw. mit dem themrischen Ertrag (dtluft) gewichtet und gemittelt werden Temp. über Aussenluft [ C] dtzelle C dtluft C Einstrahlung [W/m2] Einstr. vwind el. Ertr. th. Ertr. dtluft dtzelle V-Luft W/m2 m/s W/m2 W/m2 C C m3/h.m % 26.6% März 22: Tabelle der Stundenwerte und die daraus gewonnenen Tagesmesswerte. 26. März 22: Temperatur-Hysterese Für die entsprechenden Parameter des Messtages kann somit je ein Wert für dtzelle und dtluft (je bei 1' W/m 2 Einstrahlung) bestimmt werden. dtzelle ; dtluft bei 1 W/m2 [ C] Spaltweite 6 mm dtzelle dtluft Luft-Volumenstrom [m3/h.m2] dtzelle bzw. dtluft bei 1' W/m 2 Einstrahlung. Die Auswertung zeigt, dass dtzelle und dtluft vor allem vom Luftvolumenstrom abhängen. Der therm. Ertrag seinerseits hängt stark von dtluft (und damit ebenfalls vom Luftvolumenstrom) ab. 18

4 Die Modellierung Um Genauere Aussagen über eine mögliche Nutzung der durch die PV/T-Schiefer gewonnenen Warmluft machen zu können, sind dynamische Simulationsmodelle notwändig. Auf Grund der Erkenntnisse aus den Labormessungen und ergänzenden numerischen Luftströmungssimulationen (CFD-Berechnungen) soll ein einfaches dynamisches Rechenmodell für den PV/T-Luftkollektor entwickelt werden, welches später in bestehende Gebäudesimulationmodelle integriert werden kann: Das Modell besteht aus Gleichungen mit zeitabhängigen Variablen, welche die physikalischen Vorgänge innerhalb der Komponente beschreiben. Gewisse Variablen können mit den Modellen anderer Gebäudekomponenten verbunden werden (Pfeile links und rechts). Einstrahlung Aussentemperatur Windgeschwindigkei t Neigung der Gebäudehülle Ausrichtung der Gebäudehülle Spaltweite und -länge Luft- Austrittstemperatur Luft-Massenstrom Druckabfal l Durch die Definition der Parameter (Pfeile oben) kann das Modell gleichartige Komponenten verschiedener Bauweisen beschreiben. Die Feldmessung Seit Juni 22 läuft die Feldmessung am PV/T-Dach des Geräteschuppens im Garten des Einfamilienhauses am Obstweg 12 in Steinhausen. Im Keller des Einfamilienhauses steht eine Erdöl-Zentralheizung mit integrierter Warmwasser- Aufbereitung. Ausserhalb der Heizperiode wird der Boilerinhalt mittels eingebauter Luft/Wassser- Wärmepumpe erwärmt. Die Wärme wird dabei der Raumluft im Keller entzogen, was im Sommer zu Temperaturen von bis zu lediglich 12 C und damit zu Feuchtigkeitsproblemen führte. Hobbyraum Flur Waschküche Heizung Werkraum Vorratskeller Grundriss des Kellergeschosses am Obstweg 12 in Steinhausen mit Wärmepumpenboiler und warmluftzuführendem Rohr. Um dieses Problem zu entschärfen, suchte man nach einer Möglichkeit, die Eingangstemperatur der Wärmepumpe zu erhöhen, was einerseits zu einem geringeren Stromverbrauch für die Warmwasser-Aufbereitung und andererseits zu wärmerer und trockenerer Luft im ganzen Kellergeschoss führt. Die benötigte Wärme für die Zuluft der Wärmepumpe wird heute mittels idealer Hinterlüftung den Photovoltaik-Ziegeln entzogen, welche auf dem Dach des Geräteschuppens im Garten der Liegenschaft montiert wurden. Die Hinterlüftung der PV-Ziegel sorgt gleichzeitig für eine Kühlung der Solarzellen und damit für einen erhöhten elektrischen Wirkungsgrad. 19

5 Die Resultate zeigen einen ersten Eindruck, wie das System läuft: Lufttemperaturen im PV/T-System Während der Hitzeperiode Mitte Juni (34 C Tagesspitze) stieg die Lufttemperatur unter dem Dachgiebel (TKanal) auf C und beim Zutritt in den Werkraum (T_Zuluft) auf C. Im Werkraum selber erreichte die Raumtemperatur (T_Werkraum) 3 C und leicht darüber. Raumtemperaturen Die Wärme musste zum Teil dem Werkraum wieder abgeführt werden. Die Tür zum Flur und die Haustür vom Flur nach draussen blieben dazu über Mittag offen, währenddem die Tür zum Vorratskeller geschlossen blieb. Damit wurde erreicht, dass der restliche Teil des Kellergeschosses (T_Flur und T_Vorratskeller) nicht im gleichen Masse aufgeheizt wurde, so dass die Temperaturen immer unter denjenigen im Parterre (T_Parterre) lagen. Am 2. Juni blieb die Tür zum Vorratskeller zwecks Luftwechsel offen - die Auswirkungen sind im Diagramm klar ersichtlich. Lufttemperaturen im WP-System Die Wärmepumpe-Austrittstemperatur (T_WP-Out) folgt der Werkraum-Temperatur, solange die Wärmepumpe nicht in Betrieb ist. Während des Betriebes fällt sie kurzzeitig ab und zieht die Werkraum-Temperatur ein wenig mit sich. Wegen dem Stromtarif läuft die Wärmepumpe vor allem morgens oder abends. Ein Betrieb am Nachmittag wäre punkto Stromverbrauch und Temperaturverlauf im Werkraum interessanter. Übertemperatur - Einstrahlung Wie bei der Auswertung der Labormessungen zeigt auch diese Grafik den Verlauf der Übertemperaturen in Abhängigkeit der Einstrahlung. Es sind Tagesverläufe während den Monaten Juni/Juli übereinandergezeichnet, was die Reproduzierbarkeit des Kurvenverlaufes illustriert. An sonnigen Tagen liegt das Tagesmaximum der Zelltemperatur nur 18 C über derjenigen der Lufttemperatur im Dachgiebel. Der Höchstwert für die Zelltemperatur am 18. Juni betrug 7 C (anstelle 9 C ohne Hinterlüftung) TKanal1 TKanal2 T_Zuluft TAussen T_Werkraum TAussen T_Werkraum T_Parterre T_Flur T_Vorrat 2 2 Sonne VLuft 1 1 Sonne VLuft Jun. 18. Jun. 2. Jun. Lufttemperaturen im PV/T-System 11. Jun. 18. Jun. 2. Jun. Raumtemperaturen Jun. 18. Jun. 2. Jun. Lufttemperaturen im WP-System T_Zuluft T_Werkraum T_WP-Out T_Vorrat WP VLuft Sonne Temp. über Aussenluft [ C] 4 dtzelle C y =.49x 4 dtluft C 3 3 y =.227x Einstrahlung [W/m^2] Übertemperatur Einstrahlung 2

6 Die Fallstudien Mit den anhand der Resultate aus der Feldmessung validierten Berechnungsmodellen wird es möglich sein, definierte Fallbeispiele dynamisch zu simulieren und jeweils den zu erwartenden Systemnutzungsgrad genügend genau zu bestimmen. Lufttrocknung Luft/Wasser-Wärmepumpe Erdspeicher und Erdspeicher und TABS zur Brauchwassererwärmung WärmepumpeOthma Die neu entwickelten Berechnungsmodelle werden mit bestehenden Modellen für die dynamische Gebäudesimulation kombiniert. Hervorragend dazu geeignet ist das Simulationsprogramm IDA mit der Anwendung IDA-ICE ("Indoor Climate and Energy"). Bestehende Modelle für Gebäudehülle und Zonen (Fassade, Wände, Türen, Fenster, Lüftungs- und Heizsysteme) sind beliebig kombinierbar mit selbstgeschriebenen Modellen. Der Arbeitsaufwand mit diesem neuen Programm ist dabei bedeutend geringer als mit herkömmlichen Programmen! Verknüpfung der Modelle in IDA-ICE - BeispielObstweg 12, Steinhausen (siehe Feldmessung): Links der Vorratskeller und rechts der Werkraum mit Wärmepumpenboiler und Zuluft vom PV/T-Luftkollektor. 21

7 Schlussfolgerungen Für Schlussfolgerungen aus dem PV/T-Projekt ist der Zeitpunkt noch etwas zu früh. Es zeichnet sich bereits die Richtung ab, in welchen Fällen welche Systeme für PV/T-Projekte geeignet sind. Genaue Aussagen dazu werden in rund einem Jahr erwartet. Was sich hingegen bereits heute klar gezeigt hat: Interdisziplinäres Denken und Handeln ist in unserer Gesellschaft überall gefordert. Es lohnt sich nicht zuletzt auch in der angewandten Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Gebäudetechnik. Nur ein gut ausgewogenes Zusammenspiel von Messung und Simulation erlaubt auf diesem Gebiet ein effizientes Vorwärtskommen. Literatur Zu IDA: Siehe Zu PV/T: Sven Kropf; "Multifunktionale Gebäudehülle: Wetterschutz, PV und Luftkollektor"; Nachdiplomarbeit ETH Zürich 1999; erhältlich beim Autor. Sven Kropf; "PV/T-Schiefer - Messresultate"; Beitrag an der nationalen PV-Tagung in Lugano 22; erhältlich beim Autor. 22