Transparent solar thermal collectors measurements and modelling

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1 Transparent solar thermal collectors measurements and modelling Christoph Maurer, Paolo Di Lauro, Michael Hermann, Tilmann E. Kuhn Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Heidenhofstr. 2, Freiburg Tel.: , Fax: Abstract Transparent solar thermal collectors (TSTC) as presented by Figure 1 indicate primary energy savings even in comparison with an opaque wall [1, 2]. Figure 1 Schematic drawing of a TSTC. An absorber with openings and slats is mounted inside of three glass panes. [2] While conventional collector measurements focus on predicting the collector gain, TSTC need to quantify the heat flux into the building and the solar transmission, too. This paper presents the measurement equipment as well as the modelling based on the measurement results. A detailed physical model of TSTC [3] offers predictions of the benefits, easy collector optimizations and more, but also the possibility of quantifying the uncertainties of the simulation. The method to determine these uncertainties is presented in the last subsection.

2 2. Optical measurements A detailed physical TSTC model needs to be able to calculate the solar transmission through the collector and the absorption in all relevant collector parts. Therefore, optical measurements of the individual layers of the collector are needed, e.g. with samples of the glass panes. Based on the results, an optical simulation is performed to calculated the effect of multiple reflections. The optical measurements and simulations need to be performed for various directions of irradiance, especially when the collector has a strong angle-selective behaviour. Measurements and simulations should also be performed separately for both polarizations, because the degree of polarization in general varies during transmission and reflection, which means that the values for unpolarized radiation are incorrect for the second layer. The influence of the polarization depends on the materials and the number of layers. For a double glazing, the error can be below a few percentage points. In the worst case of a double glazing with (τ p =1, ρ s =1), the solar transmittance of 0.5 would be underestimate by 50% with a value of 0.25, if the polarization is neglected. The equipment for spectrally resolved angle-dependent measurements are presented by Figure 2 and Figure 3. The simulation with a four-flux model [4, 5] accounts for the difference of direct and diffuse radiation. Figure 2 Schematic drawing of a PELA-1030 measurement. The dotted sample is irradiated from the left. A small integrating sphere can rotate around the sample to detect the direct-direct transmission or reflection. [2]

3 (a) (b) Figure 3 The TAUWIN equipment (a) allows angle-dependent measurements of the directhemispherical transmittance. The RHOWIN equipment is used to measure the angledependent direct-hemispherical reflectance. The dotted samples are irradiated from the left and large integrating spheres collect the transmitted (a) or reflected (b) radiation. [2] The optical simulation based on the measurements of all collector layers provides the angle-dependent transmittance through the TSTC as well as the angle-dependent effective absorptance of each layer including the effect of multiple reflections. 3. Calorimetric measurements Figure 4 presents a cross-section through the g value calorimeter. The ambient temperature, the irradiance and the external heat transfer coefficient can be adjusted as well as the temperature of the artificial interior and the internal heat transfer coefficient. A black calorimeter absorbers has the temperature of the artificial interior and absorbs nearly all radiation which is transmitted through the sample. Heat flux sensors inside the calorimeter absorber measure the energy flux to the interior which allows the calculation of the g value. In TSTC measurements, the fluid flow and the fluid inlet temperature can also be adjusted involving a second thermostat. By measuring the fluid outlet temperature, the collector gain can be calculated. Collector gain and energy flux to the interior are the main results of calorimetric TSTC measurements. Additional temperature sensors can be applied e.g. to investigate the temperature distributions inside the TSTC. Additional edge insulation allows the measurement of centre-of-glazing values. The comparison of measurements with and without additional edge insulation is used to assess the quality of the edge design and allows predictions for TSTC dimensions with different ratios of collector area and edge perimeter.

4 solar simulator cross-flow ventilator Air conditioner Thermostat Figure 4 Cross-section through the g value calorimeter. The dotted sample is irradiated by solar simulator. The measurement chamber is air-conditioned and a thermostat controls the temperature of the black calorimeter absorber. The striped edge insulation can be applied to minimize the edge effects. [2] 4. Modelling Detailed physical models of TSTC need good starting values for all parameter, first, and also a suitable thermal network. The convective heat transfer was investigated with CFD 1 simulations of the gas around the transparent absorber. Figure 5 presents the streamlines of an exemplary CFD simulation. Remarkably, a relevant exchange of gas volumes in front of and behind the absorber was not detectable. The thermal network was therefore built without an additional thermal resistance between the thermal nodes of the gas in front of and behind the absorber. 1 Computational Fluid Dynamics

5 Figure 5 CFD simulation of the gas around the transparent absorber. The exchange of gas in front and behind the absorber seems to be negligible. Some starting values can be estimated only with large uncertainties as long as the calorimeter measurements are not available. Including the results of the calorimeter measurements, all parameters are varied within their uncertainties to find an optimum parameter set, which allows accurate simulation of the measurement results. 5. Uncertainty analysis When TSTC are measured and modelled, the question of the uncertainty of the simulation models arises, e.g. regarding possible financing instruments. The real TSTC design often depends on the current building project. Therefore, the uncertainty of a varied TSTC designs needs an assessment, too. Both topics can be solved with Monte Carlo simulations based on the simulation model. First, the uncertainty of each parameter of the model has to be determined. Second, random parameter sets are created. The random distribution of each parameter is based on its uncertainty. Figure 6 presents as one example the result of an assessment of the energy flux to the interior.

6 Histogramm Energiestrom nach innen Anzahl Simulationen Energiestrom nach innen [W] Anzahl Simulationen Normalverteilung Figure 6 Histogramm of Monte Carlo simulations together with a fitted normal distribution. 6. Acknowledgement The authors are indebted to their project partners Stefano Pavan (PERMASTEELISA), Lars Michel (INTERPANE) and Thomas Baumann (Peter Berchtold, Ing.-Büro) within the European project Cost-Effective 2. Christoph Maurer received financial support from the German National Academic Foundation. 7. Literature [1] C. Maurer, T.E. Kuhn, Variable g-value of transparent façade collectors, Energy and Buildings, Submitted (2011). [2] C. Maurer, Theoretical and experimental analysis and optimization of semitransparent solar thermal façade collectors, PhD thesis (accepted), Department of Architecture, Karlsruhe Institute of Technology, [3] C. Maurer, T.E. Kuhn, Transparent solar thermal façade collectors: New Trnsys Type and first validation results, in, OTTI, Regensburg, [4] B. Maheu, J.N. Le Toulouzan, G. Gouesbet, Four-flux models to solve the scattering transfer equation in terms of Lorenz-Mie parameters, Applied Optics, 23 (19) (1984) [5] B. Maheu, G. Gouesbet, Four-flux models to solve the scattering transfer equation in terms of Lorenz-Mie parameters: special cases, Applied Optics, 25 (7) (1986)

7 Transparente Fassadenkollektoren: Messung und Modellierung Christoph Maurer, Paolo Di Lauro, Michael Hermann, Tilmann E. Kuhn Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Heidenhofstr. 2, Freiburg Tel.: , Fax: Kurzfassung Transparente Fassadenkollektoren, wie in Abbildung 1 skizziert, versprechen primärenergetische Einsparungen selbst im Vergleich mit einer opaken Wand [1, 2]. Abbildung 1 Schema eines transparenten Kollektors. Zwischen drei Gläsern befindet sich ein Absorber mit Öffnungen und Lamellen. [2] Während sich konventionelle Kollektormessungen auf die Ertragsvorhersage konzentrieren, muss bei transparenten Fassadenkollektoren auch die Wärmeabgabe an den Innenraum und die Strahlungstransmission quantifiziert werden. Diese Veröffentlichung stellt die dafür notwendigen Messungen und die Modellierung auf der Basis dieser Messungen vor. Die Modellierung der transparenten Kollektoren [3] ermöglicht unter anderem Prognosen des Nutzens und Kollektoroptimierungen sowie eine Quantifizierung der Unsicherheiten. Die Methode zur Unsicherheitsberechnung wird abschließend vorgestellt.

8 2. Optische Messungen Ein physikalisches Modell einer teiltransparenten Fassadenkomponente sollte die solare Transmission durch die Komponente und die Absorption in allen relevanten Bereichen berechnen können. Dazu werden optische Messungen der einzelnen Schichten der Komponente benötigt, z.b. der verschiedenen Gläser. Darauf aufbauend kann dann eine optische Simulation durchgeführt werden, um den Einfluss von Mehrfachreflexionen zu berücksichtigen. Die optischen Messungen und Simulationen müssen auch für verschiedene Richtungen der einfallenden Strahlung durchgeführt werden, besonders bei stark winkelselektiven Komponenten. Die Messungen und Simulationen sollten nach Möglichkeit auch getrennt nach beiden Polarisierungen durchgeführt werden, da sich der Polarisationsgrad bei Transmission und Reflexion im Allgemeinen ändert und die Werte für unpolarisiertes Licht bei der zweiten Schicht dann nicht mehr gültig sind. Der Einfluss der Polarisierung hängt von Materialien und Schichtanzahl ab. Bei einer Zweifachverglasung kann der Fehler im Bereich weniger Prozentpunkte liegen. Im Extremfall einer Zweifachverglasung mit (τ p =1, ρ s =1) würde der Transmissionsgrad von 0,5 durch die Vernachlässigung der Polarisierung mit einem Wert von 0,25 um 50% unterschätzt werden. Die Instrumente für die spektralen winkelabhängigen Messungen sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 skizziert. Die Simulation nach [4, 5] unterscheidet gerichtete und diffuse Strahlung. Abbildung 2 PELA-1030-Aufbau: Die gepunktete Probe wird von links bestrahlt. Eine kleine Ulbrichtkugel kann um die Probe rotieren, um die gerichtet-gerichtet transmittierte oder reflektierte Strahlung zu erfassen. [2]

9 (a) (b) Abbildung 3 Die TAUWIN-Apparatur (a) ermöglicht die winkelabhängige Messung des gerichtethemisphärischen Transmissionsgrades. Mit der RHOWIN-Apparatur (b) kann der gerichtethemisphärische Reflexionsgrad winkelabhängig gemessen werden. Die Strahlung fällt von links auf die gepunkteten Proben. [2] Die optische Simulation auf der Basis der Messdaten der einzelnen Schichten liefert als Ergebnis den winkelabhängigen Transmissionsgrad durch den ganzen transparent solar thermal collector (TSTC) und den winkelabhängigen effektiven Absorptionsgrad von jeder einzelnen Schicht des Kollektors unter Berücksichtigung von Mehrfachreflexionen. 3. Kalorimetermessungen Abbildung 4 zeigt einen Querschnitt durch das g-wert-kalorimeter. Es bietet die Möglichkeit, die Außentemperatur, die Einstrahlung und den externen Wärmeübergangskoeffizienten einzustellen, ebenso wie die Temperatur des künstlichen Innenraums und dem internen Wärmeüberganskoeffizienten. Ein schwarzer Kalorimeterabsorber definiert einerseits die Temperatur des künstlichen Innenraums und absorbiert die transmittierte Solarstrahlung nahezu vollständig. Wärmeflussplatten in seinem Inneren messen den Energiestrom, den die Probe an den Innenraum abgibt. Aus diesem Energiestrom kann dann der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-wert) berechnet werden. Bei der Messung eines TSTC kann auch der Fluidmassenstrom und seine Eintrittstemperatur eingestellt werden, mit Hilfe eines zusätzlichen Thermostaten. Durch Messung der Fluidaustrittstemperatur kann der Kollektorertrag berechnet werden. Der Kollektorertrag und der Energiestrom an den Innenraum sind die wichtigsten Ergebnisse einer TSTC-Messung. Zusätzlich können noch weitere Temperatursensoren angebracht werden, z.b. um die Temperaturverteilungen in der Probe zu untersuchen. Randüberdämmungen bieten die Möglichkeit, centre-of-

10 glazing(cg)-werte zu messen. Der Vergleich von Messungen mit und ohne Randüberdämmung erlaubt Rückschlüsse auf die Qualität des Randverbundes und ermöglicht Prognosen für Probengeometrien mit einem anderen Verhältnis von Probenfläche und Randumfang. solar simulator cross-flow ventilator Air conditioner Thermostat Abbildung 4 Querschnitt durch die Messkabine des g-wert-kalorimeters. Die gepunktete Probe wird von einem Solarsimulator bestrahlt. Eine Klimaanlage kontrolliert die Kabinentemperatur und ein Thermostat die Temperatur des schwarzen Kalorimeterabsorbers. Die gestrichelt eingezeichnete Randüberdämmung kann eingesetzt werden, um die Randeffekte zu minimieren. [2] 4. Modellierung Die Modellierung von transparenten Kollektoren benötigt zunächst möglichst gute Startwerte für alle Parameter und ein geeignetes Netz aus thermischen Knotenpunkten. Zur Untersuchung des konvektiven Wärmetransports wurden CFD 1 - Simulationen des den transparenten Absorber umschließenden Gasvolumens durchgeführt. Abbildung 5 zeigt beispielhaft die Strömungslinien einer dieser Simulationen. Wider Erwarten zeigt die Simulation keine Konvektionswalze, die das Gasvolumen vor und hinter dem Absorber durchmischt. Daher wurde in der Modellierung auch auf einen zusätzlichen thermischen Widerstand zwischen den beiden Teilvolumina verzichtet. 1 Computational Fluid Dynamics

11 Abbildung 5 CFD-Simulation des den teiltransparenten Absorber umschließenden Gasvolumens für den Fall einer Außentemperatur von -20 C und einer Raumtemperatur von 0 C ohne Sonneneinstrahlung und Fluidstrom. Eine deutliche Durchmischung des Gases vor und hinter dem Absorber ist nicht erkennbar. [2] Einige Startwerte können ohne Kalorimetermessungen nur mit großen Unsicherheiten abgeschätzt werden. Mit Hilfe der Kalorimetermessungen können alle Parameter innerhalb ihrer Unsicherheiten variiert werden, um ein Parameterset zu identifizieren, das die Kalorimetermessungen sehr gut reproduzieren kann. 5. Analyse der Unsicherheiten Nach Messung und Modellierung eines TSTC stellt sich auch mit Blick auf Finanzierungsmodelle die Frage, mit welchen Unsicherheiten die Ergebnisse des Simulationsmodells behaftet sind. Da die Auslegung von TSTC meist vom konkreten Bauprojekt abhängt, muss auch die Unsicherheit von leicht variierten TSTC- Auslegungen bestimmt werden können. Für beide Fragestellungen eignet sich eine auf der Modellierung aufbauende Analysis mittels Monte-Carlo-Simulationen. Dafür werden zunächst die Unsicherheiten der Modellparameter abgeschätzt. Anschließend werden Parametersets mit Zufallszahlen für die einzelnen Modellparameter erstellt, wobei die Zufallszahlen zum Beispiel eine Normalverteilung aufweisen mit der Unsicherheit als Standardabweichung. Abbildung 6 zeigt beispielhaft das Ergebnis der Untersuchung der Unsicherheit des Energiestroms in den Innenraum.

12 Histogramm Energiestrom nach innen Anzahl Simulationen Energiestrom nach innen [W] Anzahl Simulationen Normalverteilung Abbildung 6 Ergebnis von Monte-Carlo-Simulationen zusammen mit einem Normalverteilungsfit. 6. Danksagung Die Autoren danken ihren Projektpartnern Stefano Pavan (PERMASTEELISA), Lars Michel (INTERPANE) und Thomas Baumann (Peter Berchtold, Ing.-Büro) im EU- Projekt Cost-Effective 2. Christoph Maurer dankt der Studienstiftung des deutschen Volkes für sein Promotionsstipendium. 7. Literatur [1] C. Maurer, T.E. Kuhn, Variable g-value of transparent façade collectors, Energy and Buildings, Submitted (2011). [2] C. Maurer, Theoretical and experimental analysis and optimization of semitransparent solar thermal façade collectors, PhD thesis (accepted), Department of Architecture, Karlsruhe Institute of Technology, [3] C. Maurer, T.E. Kuhn, Transparent solar thermal façade collectors: New Trnsys Type and first validation results, in, OTTI, Regensburg, [4] B. Maheu, J.N. Le Toulouzan, G. Gouesbet, Four-flux models to solve the scattering transfer equation in terms of Lorenz-Mie parameters, Applied Optics, 23 (19) (1984) [5] B. Maheu, G. Gouesbet, Four-flux models to solve the scattering transfer equation in terms of Lorenz-Mie parameters: special cases, Applied Optics, 25 (7) (1986)