Simulation von Luftkollektoranlagen in T*SOL

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Nicolas Schulz
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1 Simulation von Luftkollektoranlagen in T*SOL M. Sc. David Dunnett, Dipl. Ing. Sebastian Engelhardt Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH Stralauer Platz 34,10243 Berlin Tel: , Fax: Einleitung Luftkollektoranlagen sind in Europa und in den USA bereits seit längerem eingeführt. Da Luft als Wärmeträger unkompliziert ist und diese Anlagen einfach in bestehende Lüftungssysteme integrierbar sind, gewinnen Luftkollektorsysteme immer mehr an Bedeutung. Entstehungsgeschichte Luftkollektorsysteme haben gegenüber konventionellen Wassersystemen mehrere prinzipielle Vorteile: Die erwärmte Luft kann direkt zum Heizen oder Trocknen Verwendet werden. Wasserschäden können nicht auftreten, Frostschutz entfällt. Stagnation und kleinere Leckagen im System sind unproblematisch. Damit eignen sich Luftkollektorsysteme vor allem zur solaren Unterstützung von kontrollierten Wohnungslüftungen, zur Unterstützung von solaren Luftheizsystemen und insbesondere zur Beheizung von nur zeitweise bewohnten Gebäuden wie Ferienhäuser, Hütten, Sommerhäuser etc., die im Standardfall über keine Heizung, bzw. nur über elektrische Heizung verfügen. Aus diesem Grund entwickelte die Valentin EnergieSoftware GmbH ein Software- Modul Solare Luftkollektoranlagen, um den Planer bei der Dimensionierung, Auslegung und Simulation dieser solaren Luftheizsysteme zu unterstützen. Entwicklungsziele Das Ziel des T*SOL-Moduls Luftkollektoranlagen ist die Bereitstellung von Anlagensystemen zur solaren Frischluftvorwärmung und Anlagensystemen zur solaren Heizungsunterstützung mit und ohne Wärmerückgewinnung.

2 Voraussetzung dafür war die Entwicklung folgender Komponenten: Luft-Wasser Wärmetauscher Integration eines neuen Gebäudemodells Integration des Luftkollektormodells Definition von Verlaufsprofilen der Solltemperatur, der inneren Wärmequellen und der Lüftungsvolumenströme. Umsetzung Abbildung 1: Darstellung der Luftkollektoranlage in T*SOL

3 Überblick über die realisierten Anlagensysteme Es ist nun die Simulation von Luftkollektoranlagen zur Heizungsunterstützung in den gebräuchlichsten Kombinationen möglich: Solare Luftheizung mit und ohne bestehende Heizung, solare Trinkwarmwasser-Unterstützung, solare Erwärmung der Frisch- oder Umluft, mit Lüftungssystem, mit Wärmerückgewinnung. Das Gebäudemodell Um die Vorteile der solaren Luftheizsysteme darstellen zu können, ist es wichtig, die Reaktion des Gebäudes auf die Erträge der Luftkollektoranlage dynamisch zu berechnen. Mithilfe der Gebäudekapazität können die Überschüsse der Mittagszeit in den Abend hinein gerettet werden. Dazu wurde das Gebäudemodell, welches bereits auf den letzten Tagungen vorgestellt wurde [2], [3], an das Luftkollektorsystem angepasst. So können zum Beispiel auch nur Teilbereiche des Gebäudes solar beheizt werden. Damit ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Geometrie, die Bauweise, wie auch möglicherweise zusätzlich eingebrachte Kapazität zu berücksichtigen. Die Nutzerprofile Um unterschiedliche Nutzungen zu unterschiedlichen Jahreszeiten richtig abbilden zu können, wurde das Gebäudemodell um vom Anwender definierbare Profile der Solltemperatur, der Lüftungsvolumenströme und Verläufe der inneren Wärmequellen erweitert. Hier können drei typische Wochen definiert werden. Diese Wochentypen können dann den einzelnen Monaten des Jahres zugeordnet werden. Der folgende Dialog macht das Vorgehen deutlich:

Abbildung 2: Dialog zur Definition des Jahresprofils mit unterschiedlichen Wochentypen Ermittlung des Kollektorwirkungsgrad Derzeit gibt es keine allgemein anerkannte Norm für Luftkollektoren.

4 Abbildung 2: Dialog zur Definition des Jahresprofils mit unterschiedlichen Wochentypen Ermittlung des Kollektorwirkungsgrad Derzeit gibt es keine allgemein anerkannte Norm für Luftkollektoren. Die Kollektorgleichung für Wasserkollektoren kann nicht genutzt werden, da im Falle der Luftkollektorsysteme die Vereinfachung Mittlere Kollektortemperatur gleich der Mittleren Fluidtemperatur nicht zutrifft. Für die Berechnung in T*SOL wird der Ansatz von Josef Buchinger [1] genutzt, in dem die Kollektorwirkungsgradgleichung benutzt wird, die Temperaturdifferenz allerdings auf die Kollektoraustrittstemperatur bezogen wird. Es ist noch zu berücksichtigen, dass diese Gleichung u.a. stark abhängig vom Volumenstrom durch den Kollektor ist.

5 Dieses Verhalten wird im Moment durch die Definition eines maximalen und minimalen Volumenstroms und den dazugehörigen Korrekturfaktoren vereinfacht linearisiert. Simulationsergebnisse Im Folgenden werden beispielhaft einige Simulationsergebnisse präsentiert. In der Abbildung 3 wird die Abhängigkeit des Solarkreiswirkungsgrades vom Luftvolumenstrom dargestellt. Darauf folgt die Darstellung der Ergebnisse der Jahressimulation eines Gebäudes mit solarer Raumheizung und Trinkwarmwasserunterstützung (Abb. 4). Die letzte Grafik (Abb. 5) zeigt die erste Seite des Kurzberichtes mit den wichtigsten Ergebnissen. Abbildung 3: Vergleich für unterschiedliche Volumenströme durch 8,04 m² Grammer Solar SLK Kollektor für drei aufeinanderfolgende Tage im Februar in Nürnberg

6 Abbildung 4: Energiebilanz einer Jahressimulation für ein Gebäude mit solarer Heizungsunterstützung

7 Abbildung 5: Erste Seite des T*SOL Kurzberichts

8 Zusammenfassung Mit dem vorliegenden Modul T*SOL Luftkollektoranlagen ist es nun möglich, die typischen Anwendungen für den Einfamilienhaus- und Ferienhausbereich abzubilden und damit den Planer bei seinen Entscheidungen zu unterstützen. Die Simulation berücksichtigt das thermische Verhalten und die Kapazität des Gebäudes. Die Kombination von solarer Luftkollektoranlage und Trinkwarmwasserbereitung ist möglich. Literatur [1] Buchinger, Josef: Resource Document on Testing of Solar Air Collectors, WP4.1 New Generation of Solar Technologies, Jan [2] Gatzka, B., Valentin, G.: PCMexpress: Planungs- und Simulationsprogramm für den Einsatz von Phasenwechselmaterialen (PCM), Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, pp390-5, April, 2008 [3] Radke, U.: Auslegungsprogramm für solare Kühlung, 19. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, pp402-3, Mai 2009

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