Wärmedämmung für hocheffiziente Flachkollektoren

Tagungsband 22. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, Mai 2012. Wärmedämmung für hocheffiziente Flachkollektoren S. Föste, F. Giovannetti, D. Seyfarth, C. Jennrich und G. Rockendorf Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal, Tel. 05151 999 506, Fax 05151 999 500 E-Mail: foeste@isfh.de, www.isfh.de Motivation Derzeit am Markt verfügbare Flachkollektoren verwenden als Rückseitendämmung fast ausschließlich Mineralwolle mit geringem Bindemittelanteil, die von verschiedenen Herstellern angeboten wird. Die wesentlichen Vorteile dieser Materialien sind die hohe Temperaturstabilität und die geringen Kosten. Typische Dämmstärken liegen zwischen 30 mm und 50 mm. Eine Vielzahl von Entwicklungsarbeiten an Flachkollektoren strebt eine Effizienzsteigerung durch Reduzierung der Wärmeverluste an. Das Ziel ist dabei den Flachkollektor für den Einsatz bei hohen Temperaturen oder niedriger Einstrahlung, z. B. für Prozesswärmeerzeugung, solare Kühlung oder Heizungsunterstützung mit hohem solarem Deckungsanteil, zu optimieren. Die Verbesserungsmaßnahmen setzen vor allem im Bereich der transparenten Abdeckung an. Hier entstehen bei einem herkömmlichen einfachverglasten Flachkollektor etwa 80 % der gesamten Wärmeverluste. Es werden unterschiedliche Verbesserungsansätze verfolgt, die den konvektiven und den strahlungsbedingten Wärmetransport zwischen Absorber und transparenter Abdeckung reduzieren, beispielsweise durch das Einbringen von Wabenstrukturen [1], Folien oder Glasscheiben zwischen Absorber und äußerer transparenter Abdeckung [2]. Bei Mehrfachverglasungen können zudem spektral selektive Funktionsschichten auf Glas zum Einsatz kommen, die zusätzlich den Wärmestrahlungstransport im Scheibenzwischenraum deutlich senken [3]. Aufgrund dieser wirksamen Dämmmaßnahmen an der transparenten Abdeckung nimmt die Bedeutung der rückseitigen opaken Wärmedämmung im Kollektor zu, da die Wärmeverluste über die opake Dämmung einen größeren Anteil an den gesamten Wärmeverlusten des Kollektors erhalten. Zudem werden die Dämmstoffe aufgrund der reduzierten Wärmeverluste deutlich höheren Stagnationstemperaturen ausgesetzt, wodurch erhöhte Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit gestellt werden. Ein weiterer Trend geht in Richtung eines schlankeren Kollektoraufbaus, der die Ästhetik des Kollektors begünstigt und eine verbesserte Gebäudeintegration ermöglicht. Um durch die Verringerung der Dämmstärken keine signifikanten Leistungseinbußen herbeizuführen, ist hier vor allem die Verwendung von Dämmstoffen mit besonders geringen Wärmeleitfähigkeiten erforderlich. Aufgrund der deutlich gestiegenen Anforderungen an den Dämmstandard im Gebäudebereich sind in den letzten Jahren verstärkt Produkte mit deutlich verbesserten

thermischen Eigenschaften auf den Markt gebracht worden. In der Kollektoranwendung spielt neben den guten thermischen Eigenschaften und möglichst geringen Kosten zudem die Temperaturbeständigkeit eine entscheidende Rolle. Im vorliegenden Beitrag werden potentiell für Kollektoren geeignete Dämmmaterialien bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit charakterisiert. Zudem soll bewertet werden, wie unterschiedliche Wärmedämmungen die Leistungsfähigkeit von hocheffizienten Flachkollektoren beeinflussen. Untersuchungen an Dämmmaterialien Wärmeleitfähigkeit Nach den gültigen Normen im Baubereich wird für Dämmstoffe die Wärmeleitfähigkeit üblicherweise bei einer mittleren Probentemperatur von 10 C und einer Temperaturdifferenz von 10 K ermittelt. Die Wärmeleitfähigkeit von Dämmmaterialien ist in der Regel signifikant von der Probentemperatur abhängig. Dämmstoffe werden in Flachkollektoren in der Regel bei Temperaturen zwischen 10 C und 120 C (Betrieb des Kollektors, nicht im Stagnationsfall) eingesetzt. Die Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ist für diese Dämmstoffe von großer Bedeutung, um in Simulationen die Kollektorwärmeverluste bestimmen zu können. Wir haben die Wärmeleitfähigkeit von unterschiedlichen marktüblichen und innovativen Dämmstoffen, die potentiell für den Einsatz in hocheffizienten Flachkollektoren geeignet erscheinen, gemessen. Bei der Auswahl der Materialien wurde eine ausreichende Temperaturbeständigkeit (bis mindestens 200 C nach Herstellerangaben) und eine möglichst geringere Wärmeleitfähigkeit vorausgesetzt. Wir haben zum Einen Produkte, die üblicherweise in Kollektoren eingesetzt werden, untersucht: Drei verschiedene Steinwolle-Dämmstoffe sowie ein Melaminharzschaum. Weiterhin sind ein Polyurethan-Hartschaum-Produkt sowie zwei innovative Produkte, die jeweils aus einem Mineralwolle-Vlies bestehen, in das Aerogelpartikel eingearbeitet sind, untersucht worden. Diese Aerogelvliese, im Folgenden als Hybrid-Dämmstoffe bezeichnet, weisen aufgrund der sehr guten Dämmeigenschaften der Aerogelpartikel deutlich geringere Wärmeleitfähigkeiten als herkömmliche Mineralwolledämmstoffe auf. Sie sind vor allem für Sonderlösungen im Baubereich vorgesehen, bei denen besonders schlanke Konstruktionen gewünscht sind. Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit sind mit einem Zwei-Platten Messgerät des Herstellers Taurus (Typ 900 GS) an konditionierten trockenen Proben im Format 500 mm x 500 mm bei Probentemperaturen von 10 C bis 90 C durchgeführt worden (Temperaturdifferenz über der Probe 10 K). Abbildung 1 zeigt die gemessenen Wärmeleitfähigkeiten der untersuchten Dämmstoffe in Abhängigkeit der mittleren Probentemperatur. Betrachtet man die Wärmeleitfähigkeit 50 bei einer Probentemperatur von 50 C, lassen sich die untersuchten Dämmstoffe in 3 Gruppen unterteilen:

Steinwolle und Melaminharzschaum: 50 0,037 0,042 W/mK Polyurethan-Hartschaum: 50 0,032 W/mK Hybrid-Dämmstoffe: 50 0,021 W/mK Die Hybriddämmstoffe erlauben somit im Vergleich zu Steinwolleprodukten eine bis zu 50 % geringere Dämmstoffstärke bei gleicher Dämmwirkung. Anhand der drei untersuchten Steinwolle-Produkte wird deutlich, dass auch gleichartige Materialien sehr unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen können. Auch die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit zeigt deutliche Unterschiede. Für die Steinwolle 1 und 2 sowie für den Melaminharz-Schaum ergibt sich im Messbereich eine mittlere Steigung der Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 mw/mk², für Steinwolle 3 und den PU-Hartschaum ca. 0,15 mw/mk² und die Hybriddämmstoffe erreichen Werte von 0,07 mw/mk². Wärmeleitfähigkeit in W/(mK) 0.05 0.04 0.03 0.02 Steinwolle 1 Steinwolle 2 Melaminharz-Schaum Steinwolle 3 PU-Hartschaum Hybrid-Dämmstoff 1 Hybrid-Dämmstoff 2 20 40 60 80 mittlere Probentemperatur T m in C Abbildung 1: Messwerte der Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Dämmmaterialien als Funktion der mittleren Probentemperatur. Die typische Messunsicherheit beträgt ±2 %. Ausgasungsverhalten Neben den thermischen Eigenschaften ist für einen Kollektordämmstoff vor allem das Ausgasungsverhalten entscheidend. Es muss ausgeschlossen werden können, dass der Dämmstoff bei Stagnationstemperatur des Kollektors Ausgasungen produziert, die sich an der Innenseite der Kollektorabdeckung niederschlagen und so das visuelle Erscheinungsbild und die Leistungsfähigkeit des Kollektors beeinträchtigen. Besonders bei Glasabdeckungen mit porösen Antireflex-Schichten kann dadurch eine deutliche Verringerung der solaren Transmission entstehen, da durch Beschlag die Poren der Schicht verstopft werden und damit die Antireflexwirkung aufgehoben wird. Diese Ausgasungen sind zudem häufige Ursache für nicht bestandene Kollektorprüfungen nach EN 12975-2. Um das Ausgasungsverhalten der ausgewählten Dämmstoffe zu untersuchen, wurde ein Prüfverfahren verwendet, das an das Prüfverfahren des Instituts für Solartechnik SPF [4] angelehnt ist.

Der Prüfaufbau ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Die Dämmstoffprobe wird nach Konditionierung auf eine Heizplatte gelegt und analog zur Kollektoranwendung von einer Seite aufgeheizt. Die Heizplatte wird während der Belastung auf eine Temperatur geregelt, die der Stagnationstemperatur des Kollektors entspricht. Für die Untersuchungen in diesem Beitrag ist eine Temperatur von 260 C gewählt worden, die der zu erwartenden Stagnationstemperatur eines hocheffizienten Flachkollektors mit selektiver Doppelverglasung (vgl. [3, 5]) entspricht 1. Die Probe befindet sich in einem gedämmten Metallgefäß; als Kondensatfalle dient eine Glasscheibe mit poröser Antireflex-Beschichtung. Eine auf die Glasplatte aufgelegte Aluminiumplatte sorgt für eine homogene Temperaturverteilung auf der inneren Glasoberfläche. Die Belastung erfolgt gleichzeitg an zwei Proben über eine Dauer von 12 h. Um die Temperaturstabilität und das Ausgasungsverhalten qualitativ zu bewerten, erfolgt eine visuelle Begutachtung der Dämmstoffprobe und der Antireflex- Glasscheibe. Vor und nach der Exposition wird an der Antireflex-Glasscheibe eine Transmissionsmessung mit einem Zweistrahl-Spektrometer Cary 5000 (von Varian) durchgeführt. Die Verringerung der solaren Transmission solar des Antireflex-Glases infolge der Exposition dient als quantitatives Kriterium für das Ausgasungsverhalten des Dämmstoffs. Aluminiumplatte Antireflex-Glas (Kondensatfalle) Aluminiumrohr Dämmung Dämmstoff- Probe Heizplatte Abbildung 2: Schematische Darstellung des Prüfaufbaus zur Ausgasungsuntersuchung in Anlehnung an [4]. Abbildung 3 zeigt die Transmissionsgradminderung der Kondensatfalle infolge der Exposition der bereits genannten Dämmstoffe. Bei Hybriddämmstoff 1 sowie den drei Steinwolle-Produkten kann visuell kein Beschlag auf der Kondensatfalle festgestellt werden. Die Transmissionsmessung ergibt dennoch Verringerungen der solaren Transmission zwischen 0,4 % und 2,1 % absolut, die auf eine partielle Aufhebung der Antireflex-Wirkung zurückzuführen sind. Nach den Prüfvorschriften des SPF [4] gilt der Ausgasungstest als nicht bestanden, wenn die Transmissionsgradminderung mehr als 1,5 % beträgt. Nach dieser Festlegung sind ausschließlich Hybriddämmstoff 1 und Steinwolle 2 für den Einsatz in hocheffizienten Flachkollekto- 1 Die Stagnationstemperatur von 260 C wird bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² und einer Umgebungstemperatur von 30 C erwartet.

ren geeignet. Ob die Grenzen so beibehalten werden sollten oder ob die knapp durchgefallenen Steinwolleproben nicht doch als geeignet einzustufen sind, bedarf einer weitergehenden Expertendiskussion. Die übrigen 3 Dämmstoffe (Hybrid-Dämmstoff 2, Melaminharzschaum und Polyurethan-Hartschaum) erzeugen deutlich erkennbare Ablagerungen an der Kondensatfalle, die Transmissionsgradminderung liegt zwischen 5,2 % und 9,2 %. Zudem zeigen sich an den Dämmstoffproben deutliche Verfärbungen und zum Teil Schrumpfungen an der beheizten Seite. Diese Dämmstoffe sind deshalb ohne ein zweites Dämmmaterial, das den heißen Absorber von diesen Materialen trennt, für die Anwendung in hocheffizienten Kollektoren nicht geeignet. Hybrid-Dämmstoff 2 9,2% Hybrid-Dämmstoff 1 0,5% Polyurethan-Hartschaum Melaminharz-Schaumstoff 5,2% 5,7% Steinwolle 3 1,7% Steinwolle 2 0,4% Steinwolle 1 2,1% 0 2 4 6 8 10 12 Transmissionsgradminderung absolut in % Abbildung 3: Transmissionsgradminderung der Glasrezipienten infolge der Temperaturbelastung der untersuchten Dämmstoffe. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass neben den Steinwolleprodukten auch der Hybriddämmstoff 1 ausreichend ausgasungsbeständig bei 260 C ist, und somit potentiell geeignet für den Einsatz in hocheffizienten Flachkollektoren ist. Durch die etwa um den Faktor 2 geringere Wärmeleitfähigkeit des Hybrid-Dämmstoffs gegenüber Steinwolle würden sich somit deutlich schlankere Kollektorkonstruktionen bei gleicher Leistungsfähigkeit erzielen lassen. Demgegenüber stehen jedoch die Kosten 2, die momentan etwa um den Faktor 30 über den Kosten von Mineralwolle liegen, und somit einer wirtschaftlichen Anwendung in Kollektoren entgegenstehen. Auf Basis dieser ersten Untersuchungen existiert somit keine in allen Belangen überzeugende Alternative zu den gewöhnlich in Kollektoren verwendeten Steinwolleprodukten mit geringem Bindemittelanteil. Es wird fortlaufend nach 2 Hier werden die spezifischen Kosten pro Wärmeleitwiderstand betrachtet Durch die ca. um 50 % geringere Wärmeleitfähigkeit des Hybriddämmstoffs wird ca. halb so viel Volumen des Hybriddämmstoffs gegenüber der Dämmwolle benötigt, um den gleichen Wärmeleitwiderstand zu erreichen

weiteren nicht konventionellen Dämmmaterialien recherchiert, um weitere Materialien nach dem vorgestellten Verfahren zu testen. Messungen an Kollektormustern Um den Einfluss unterschiedlicher Rückseitendämmungen, die sich hinsichtlich Ihrer Dicke und Wärmeleitfähigkeit unterscheiden, auf die Leistungsfähigkeit eines hocheffizienten Flachkollektors zu untersuchen haben wir zunächst Leistungsmessungen an einem variablen Musterkollektor durchgeführt. Der Kollektoraufbau mit einer Low-e Doppelverglasung ist in Abbildung 4 dargestellt. Antireflexbeschichtung Antireflexbeschichtung Argon Low-e Beschichtung (ITO) Luft Low-e Absorberbeschichtung 1 2 3 4 abs solar = 0.96, 1,2 = 0.89 solar = 0.86, 3 = 0.29 solar = 0.94, abs = 0.06 Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Musterkollektors. Die eingesetzte Low-e Prototyp-Glasscheibe (Hersteller Fa. Euroglas) ist mit einer Metalloxidbeschichtung auf Basis von Zinn dotiertem Indiumoxid (In2O3:Sn, kurz: ITO) ausgestattet, die eine solare Transmission solar von 86 % und einen Emissionsgrad von 29 % (bei 20 C) aufweist. Dieser Musterkollektor wurde mit drei unterschiedlichen Rückseitendämmungen ausgestattet (vgl. Abbildung 5 rechts): HFK 1 mit Steinwolle 2 (d = 72 mm) HFK 2 mit einer Kombination aus Steinwolle 3 (d = 40 mm) und Hybriddämmstoff 1 (d = 20 mm) HFK 3 mit Steinwolle 3 (d = 40 mm) Die gemessenen Wirkungsgradkennlinien und die entsprechenden Wirkungsgradparameter (vgl. Abbildung 5 links) zeigen, dass der effektive Wärmeverlustkoeffizient a60 3 durch Reduzierung der Dämmstärke von 72 mm auf 40 mm (Vergleich HFK 1 zu HFK 3) um 0,25 W/m²K ansteigt. Durch eine Kombination von Steinwolle und Hybriddämmstoff 1 (HFK 2) lassen sich sogar leicht verringerte Wärmeverlustkoeffizienten im Vergleich zu HFK 1 erreichen, bei gleichzeitiger Verringerung der Bauhöhe des Kollektors um 12 mm. Wie bereits erläutert ist der Einsatz von Hybrid-Dämmstoffen in Kollektoren aufgrund der hohen Kosten derzeit jedoch kaum wirtschaftlich darstellbar. 3 a60 ist der effektive Wärmeverlustkoeffizient bei einer Temperaturdifferenz von 60 K zwischen Fluid und Umgebung. Er wird durch a60 = a1+a2 60K berechnet.

Kollektorwirkungsgrad 0.8 0.6 0.4 Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) spektral selektive Isolierverglasung Füllgas Argon 0 a 1 a 2 a 60 - Wm -2 K -1 Wm -2 K -2 Wm -2 K -1 0.2 HFK 1 (72 mm) 0.747 2.24 0.0080 2.73 HFK 2 (40 + 20 mm)0.743 2.12 0.0089 2.65 E g = 950 W/m² HFK 3 (40mm) 0.747 2.46 0.0085 2.97 = 45 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 T f /E g in Km²/W HFK 1 (72 mm) Steinwolle 2 (d = 72 mm) HFK 2 (40 + 20 mm) Steinwolle 3, d = 40 mm Hybrid 1, d = 20 mm HFK 3 (40 mm) Steinwolle 3; d = 40 mm Abbildung 5: Gemessene Wirkungsgradkennlinien eines hocheffizienten Flachkollektors (HFK) mit spektral selektiver Doppelverglasung und unterschiedlichen Rückseitendämmungen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten zum hocheffizienten Flachkollektor mit Low-e Doppelverglasung haben wir ein stationäres Kollektormodell entwickelt, mit dem anhand der Konstruktionsparameter des Kollektors, der optischen Eigenschaften von Verglasung und Absorber, sowie der meteorologischen und klimatischen Umgebungsbedingungen die Wirkungsgradparameter entsprechend der EN 12975-2 bestimmt werden können. Für weitere Details zum Modellaufbau wird auf [5] verwiesen. Ein Vergleich der gemessenen und simulierten Wirkungsgradkennlinien der beiden Kollektorkonfigurationen HFK 1 und HFK 3 zeigt Abbildung 6. Die Abweichung der gemessenen und simulierten Wirkungsgradkennlinien beträgt für beide Kollektoren im gesamten Messbereich weniger als 2%. Somit wird es möglich, das Modell für die Extrapolation der Ergebnisse im Rahmen einer Simulationsstudie zu verwenden. 0.8 Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) Kollektorwirkungsgrad 0.6 0.4 0.2 HFK 1 Mess Sim 0 a 1 a 2 a 60 - Wm -2 K -1 Wm -2 K -2 Wm -2 K -1 0.747 2.24 0.0080 2.73 0.761 2.22 0.0085 2.73 Mess 0.747 2.46 0.0085 2.97 E g = 950 W/m² HFK 3 Sim 0.758 2.48 0.0087 3.00 = 45 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 T f /E g in Km²/W Abbildung 6: Gemessene Wirkungsgradkennlinien eines hocheffizienten Flachkollektors (HFK) mit spektral selektiver Doppelverglasung und unterschiedlichen Rückseitendämmungen.

Simulation von Wirkungsgraden und Kollektorerträgen Kollektorwirkungsgrad Um den Einfluss der Dämmstärke auf den Wirkungsgrad und auf die zu erwartenden Kollektorerträge zu untersuchen, werden in diesem Abschnitt simulierte Wirkungsgradparameter und Bruttowärmeerträge für einen hocheffizienten Flachkollektor mit Low-e Doppelverglasung und einen einfachverglasten Flachkollektor, jeweils ausgestattet mit unterschiedlichen Dämmstärken, vorgestellt und bewertet. Der schematische Aufbau der Varianten ist in Abbildung 7 dargestellt. Der hocheffiziente Flachkollektor (HFK) ist anstelle der ITO-Prototypscheibe mit einer Low-e Glasscheibe, die mit einem Schichtsystem auf Basis von AZO (Aluminium dotiertes Zinkoxid, ZnO:Al) auf Position 3 und einer zusätzlichen Antireflexbeschichtung auf Position 4 versehen ist, ausgestattet. Die AZO-Beschichtung mit den für die Simulation verwendeten Eigenschaften wurde bisher nur im Labormaßstab hergestellt. AZO kann wie ITO großtechnisch durch Sputtern aufgebracht werden und hat gegenüber ITO den Vorteil, dass die Schichtmaterialien deutlich kostengünstiger und langfristig verfügbar sind. Eine ausreichende Beständigkeit konnte im Labor bereits nachgewiesen werden [3, 5]. Nachteilig dabei ist die etwas höhere Emissivität bei vergleichbarer solarer Transmission. Beide Schichtaufbauten werden im Projekt weiterentwickelt und untersucht. Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen wird aber AZO als Schichtmaterial für den Einsatz im HFK gegenüber ITO bevorzugt. Der Flachkollektor (FK) ist identisch aufgebaut, verwendet jedoch anstelle der Low-e Doppelverglasung eine einfache Solarglasscheibe. Für beide Kollektoren wird in der Simulation Steinwolle 2 verwendet, da diese nach den gewonnen Erkenntnissen bezüglich Ausgasungsverhalten und Wirtschaftlichkeit das sinnvollste Dämmmaterial für den HFK darstellt. Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) einfachverglaster Flachkollektor (FK) Antireflexbeschichtung Antireflexbeschichtung Argon Low-e Beschichtung (AZO) Antireflexbeschichtung Luft 1 2 3 4 solar = 0.96, 1,2 = 0.89 solar = 0.88, 3 = 0.31 Luft 1 2 solar = 0.90, 1,2 = 0.84 Low-e Absorberbeschichtung abs solar = 0.94, abs = 0.06 Low-e Absorberbeschichtung abs solar = 0.94, abs = 0.06 Steinwolle 2 (d = 30, 50, 80, 120 mm) Steinwolle 2 (d = 30, 50, 80, 120 mm) Abbildung 7: Schematischer Darstellung vom Aufbaus des Hocheffizienten Flachkollektors (HFK) und des einfachverglasten Flachkollektors (FK). Der HFK ist im Unterschied zu Abbildung 4 mit einer Low- Beschichtung (Pos. 3) auf Basis von Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al, kurz AZO) und einer zusätzlichen Antireflexbeschichtung auf Position 4 ausgestattet. Der einfachverglaste Flachkollektor ist anstelle der Low-e Doppelverglasung mit einer einfachen Solarglasscheibe ausgestattet.

Aus den simulierten Wirkungsgradparametern des HFK und des FK (Abbildungen 8 und 9) lässt sich entnehmen, dass mit steigender Dämmstärke der Verlustkoeffizient a60 nicht linear abnimmt, sondern mit steigender Dämmstärke eine immer geringere Abnahme des Verlustkoeffizienten erreicht wird. Bei Dämmstärken über 80 mm werden nur noch sehr geringe Verbesserungen erreicht. Dies ist physikalisch mit der Antiproportionalität zwischen dem Verlustwärmestrom über die Dämmung und der Dämmstoffstärke begründbar (Q ~ /d). Die Steigerung der Dämmstärke wirkt sich auf den Absolutwert des Verlustkoeffizienten a60 des HFK und des FK in etwa im gleichen Maße aus. Bei einer Steigerung der Dämmstärke von 30 mm auf 80 mm senkt sich der a60 in beiden Fällen um ca. 0,55 W/m²K. Relativ betrachtet wirkt sich eine Änderung der Dämmstärke deutlich stärker auf den Verlustkoeffizienten des HFK im Vergleich zum FK aus. Kollektorwirkungsgrad 0.8 Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) mit Low-e Doppelverglasung 0.6 0.4 0 a 1 a 2 a 60 - Wm -2 K -1 Wm -2 K -2 Wm -2 K -1 0.2 HFK 120 mm 0.780 1.98 0.0089 2.51 HFK 80 mm 0.779 2.08 0.0090 2.62 HFK 50 mm 0.777 2.24 0.0098 2.83 E g = 950 W/m² HFK 30 mm 0.771 2.58 0.0104 3.20 = 45 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 T f /E g in Km²/W Abbildung 8: Simulierte Wirkungsgradkennlinien eines hocheffizienten Flachkollektors (HFK) mit spektral selektiver Doppelverglasung und unterschiedlichen Rückseitendämmstärken (d = 30, 50, 80, 120 mm). 0.8 Flachkollektor einfachverglast (FK) mit Solarglas Kollektorwirkungsgrad 0.6 0.4 0 a 1 a 2 a 60 - Wm -2 K -1 Wm -2 K -2 Wm -2 K -1 0.2 FK 120 mm 0.795 3.85 0.0085 4.35 FK 80 mm 0.793 3.93 0.0087 4.45 FK 50 mm 0.791 4.10 0.0092 4.65 FK 30 mm 0.785 4.38 0.0101 4.99 0.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 T f /E g in Km²/W E g = 950 W/m² = 45 Abbildung 9: Simulierte Wirkungsgradkennlinien eines einfachverglasten Flachkollektors (FK) mit unterschiedlichen Rückseitendämmstärken (d = 30, 50, 80, 120 mm).

Bruttowärmeertrag Anhand von Systemsimulationen (TRNSYS) soll ermittelt werden, wie sich unterschiedliche Dämmstärken auf den zu erwartenden Jahresertrag der beiden Kollektoren auswirken. Mit Hilfe der Bruttowärmeertragssimulation wird in TRNSYS ermittelt, welche Erträge der Kollektor bei einer bestimmten konstanten Eintrittstemperatur in einem Jahr liefern würde. Die Simulationen wurden unter den folgenden Randbedingungen durchgeführt: Standort Zürich (Wetterdaten Meteonorm) Kollektorneigungswinkel 45, Ausrichtung Süd Einschalttemperaturschwelle 0,5 K Ausschalttemperaturschwelle 0,25 K Spezifischer Fluidmassenstrom 50 kg/m²k (Bezug Apertur) Der Einstrahlwinkelkorrekturfaktor wird in der Simulation anhand der Gleichung von Souka und Safwat berechnet (vgl. EN 12975-2). Für den HFK wird ein Wert für den Koeffizienten b0 = 0,16 und für den FK b0 = 0,13 verwendet, der sich so auch in Messungen ergeben hat bzw. als typisch herausstellt. Die effektive Kollektorkapazität wurde nach dem in der EN 12975-2 angegebenen Berechnungsverfahren ermittelt. Bruttowärmeertrag in kwh/m²a 800 600 400 200 Hocheffizienter Flachkollektor (HFK) mit Low-e Doppelverglasung HFK 120 mm HFK 80 mm HFK 50 mm HFK 30 mm Wetterdaten Zürich Neigung 45 0 20 40 60 80 100 120 Kollektoreintrittstemperatur in C Bruttowärmeertrag in kwh/m²a 800 600 400 200 Flachkollektor einfachverglast (FK) FK 120 mm FK 80 mm FK 50 mm FK 30 mm Wetterdaten Zürich Neigung 45 0 20 40 60 80 100 120 Kollektoreintrittstemperatur in C Abbildung 10: Simulierte Bruttowärmeerträge des HFK im Vergleich zum FK bei unterschiedlichen Eintrittstemperaturen zwischen 20 C und 120 C, Wetterdaten Zürich. Die simulierten Bruttowärmeerträge für verschiedene konstante Fluideintrittstemperaturen zwischen 20 C und 120 C sind in Abbildung 9 dargestellt. Aufgrund der deutlich geringeren Wärmeverluste des HFK gegenüber dem FK liegen die erzielten Erträge des HFK über denen des FK. Mit steigender Eintrittstemperatur wächst dieser Unterschied. Der Einfluss der Dämmstärke auf den Ertrag ist beim HFK stärker ausgeprägt als beim FK, wie Abbildung 11 verdeutlicht. Dargestellt sind die Veränderungen des Ertrags der beiden Kollektoren in Abhängigkeit der Dämmstärke im Vergleich zu einer Referenzkonfiguration mit einer Dämmstärke von 50 mm, die bei Flachkollektoren üblich ist. Bei einer Eintrittstemperatur von 40 C kann durch eine Erhöhung der

Dämmstärke von 50 mm auf 80 mm bzw. von 50 mm auf 120 mm beim HFK eine Steigerung im Ertrag erreicht werden, die ca. 20 % über der entsprechenden Steigerung beim FK liegt. Bei einer Eintrittstemperatur von 80 C liegt diese Ertragssteigerung beim HFK etwa 55 % über der des FK. Anhand dieser Betrachtungen wird deutlich, dass sich beim herkömmlichen einfachverglasten Flachkollektor eine Erhöhung der Dämmstärke, ausgehend von 50 mm, auch bei höheren Betriebstemperaturen nur in geringem Maße auf den zu erwartenden Ertrag auswirkt. Beim HFK wirkt sich eine Erhöhung der Dämmstärke, vor allem bei hohen Betriebstemperaturen, deutlich stärker auf den Ertrag aus. Somit ist für den HFK eine Rückseitendämmstärke von z. B. 80 mm anstelle von 50 mm durchaus sinnvoll, wenn der Nachteil einer größeren Bauhöhe in Kauf genommen werden kann 4. Veränderung des Ertrags in kwh/m²a 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40-50 Kollektoreintrittstemperatur 40 C Kollektoreintrittstemperatur 80 C 30 mm Dämmung 50 mm Dämmung 80 mm Dämmung 120 mm Dämmung 20-24 0 0 FK 13-32 15 HFK 24 Veränderung des Ertrags in kwh/m²a 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40-50 30 mm Dämmung 50 mm Dämmung 80 mm Dämmung 120 mm Dämmung -26 16 24 0 0 Abbildung 11: Veränderung der Bruttowärmeerträge des FK und HFK bei unterschiedlichen Dämmstärken im Vergleich zur Referenzdämmstärke von 50 mm; links für eine Eintrittstemperatur von 40 C; rechts für eine Eintrittstemperatur von 80 C Zusammenfassung In dem vorliegenden Beitrag wird untersucht, wie sich unterschiedliche Rückseitendämmungen auf die Leistungsfähigkeit von hocheffizienten Flachkollektoren mit reduzierten Wärmeverlusten über die Apertur auswirken. Es werden zunächst Ergebnisse von Wärmeleitfähigkeitsmessungen an potentiell geeigneten herkömmlichen sowie innovativen Dämmstoffen in einem Temperaturbereich zwischen 10 C und 90 C präsentiert. Weiterhin werden Ausgasungsuntersuchungen an diesen Dämmstoffen bei einer Temperatur von 260 C durchgeführt und bewertet. Es wird bestätigt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit der Materialien bei Betriebstemperatur von den üblich verwendeten Nennwerten 10 unterscheidet. Je nach Dämmstoff werden z. B. bei einer Probentemperatur von 50 C Abweichungen von 10 % bis 22 % gemessen. Es zeigt sich, dass neuartige Aerogelvliese eine um etwa 50 % FK -43 25 HFK 37 4 Dies gilt auch für alle weiteren verbesserten Flachkollektorbauarten, die Verlustkoeffizienten im Bereich des HFK oder darunter aufweisen.

geringere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche Steinwolle-Produkte aufweisen und zum Teil auch ausreichend ausgasungsbeständig sind. Die etwa um den Faktor 30 höheren Kosten im Vergleich zu Steinwolle-Produkten beeinträchtigen jedoch eine wirtschaftliche Anwendung im Kollektor. Insgesamt konnte bisher keine in allen Belangen überzeugende Alternative zur üblicherweise eingesetzten bindemittelarmen Steinwolle gefunden werden. Unter den Steinwollen lassen sich außerdem Unterschiede sowohl bezüglich ihrer Leistung als auch ihrer Gebrauchstauglichkeit feststellen, Anhand von Leistungsmessungen an einem Musterkollektor mit Low-e Doppelverglasung wird untersucht, wie sich unterschiedliche Rückseitendämmungen auf die Wärmeverlustkoeffizienten auswirken. Durch Simulationen mit einem validierten Kollektormodell wird gezeigt, wie die Wirkungsgradparameter eines Flachkollektors mit Low-e Doppelverglasung (HFK) und die eines einfachverglasten Flachkollektors (FK) von der Rückseitendämmstärke anhängen. Weiterhin wurde der Einfluss der Dämmstärke auf den Bruttowärmeertrag bei unterschiedlichen Kollektoreintrittstemperaturen für beide genannten Kollektorbauarten untersucht. Der Ertrag des HFK ist im Vergleich zum FK deutlich stärker von der Dämmstärke abhängig. Dies gilt umso mehr, je höher die Betriebstemperatur ist. Durch den Einsatz von innovativen Dämmstoffen (Aerogelvliese) könnten zukünftig deutlich schlankere Kollektorkonstruktionen ohne Einbußen der Leistungsfähigkeit realisiert werden. Der sehr hohe Preis sowie zum Teil eine zu geringe Temperaturbeständigkeit lassen zum jetzigen Zeitpunkt jedoch eine markttaugliche Anwendung im Kollektor als fraglich erscheinen. Danksagung Die dieser Veröffentlichung zu Grunde liegenden Arbeiten werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Titel: Hocheffiziente Flachkollektoren mit selektiv beschichteten Zweischeibenverglasungen, Kurzbezeichnung: HFK Low-e, FKZ: 0325973). Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Weiterhin unterstützen die folgenden Industriepartner die Projektarbeiten: Auch hierfür sprechen die Autoren ihren Dank aus.

Literatur [1] Giovannetti, F.; Kirchner, M., Rockendorf, G., Kehl, O.: Cellulose Triacetate Honeycomb Compounds for Improved Flat-Plate Collectors: Performance and Reliability, Proceedings ISES Solar World Congress 2011, Kassel [2] Beikircher, T.: Hocheffizienter Flachkollektor mit Foliendämmung und Überhitzungsschutz für Temperaturen von 70-100 C, ZAE Bayern, Projektabschlussbericht BMU, Förderkennzeichen 0329280A, Garching 2010 [3] Föste, S., Ehrmann, N., Giovannetti, F., Rockendorf, G: Grundlagen zur Entwicklung eines hocheffizienten Flachkollektors mit selektiv beschichteter Doppelverglasung. Tagungsband 21. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein 2011 [4] Flückiger, Felix: Prüfvorschrift Ausgasung von Dämmmaterialien für thermische Flachkollektoren vom 31.05.2010, Institut für Solartechnik SPF, Rapperswil http://www.solarenergy.ch/fileadmin/user_upload/testing/komponenten/pruefv orschrift_ausgasungstest.pdf [5] Föste, S.; Ehrmann, N., Giovannetti, G., Rockendorf, G., Reineke-Koch, R.: Solarthermie2000plus: Grundlagen für selektiv beschichtete Hochleistungsverglasungen für Flachkollektoren, Projektabschlussbericht BMU, Förderkennzeichen 0329280D, Emmerthal 2011