Systemuntersuchungen zur Nutzung der Sonnenenergie bei der Beheizung von Wohngebäuden mit Luft als Wärmeträger

Ausgehend von den Komponenten luftgekühlter Flachkollektoren und Gesteinsspeicher wurden Solaranlagen zur Beheizung von Wohngebäuden untersucht. Experimentell wurde das stationäre und instationäre thermische Verhalten dieser Komponenten sowie ihre Kopplung in einem Modellsystem ermittelt. Die Temperatur- und Wärmestromverteilung, der Wirkungsgrad, die Zeitkonstante sowie der Druckverlust eines Kollektors und eines Gesteinsspeichers wurden in Abhängigkeit vom Luftdurchsatz bestimmt. Zur Simulation von solaren Luftheizungsanlagen wurde das Rechenprogramm „SIMUL“ mit dem Ziel erstellt, die wesentlichsten Einflussparameter numerisch zu ermitteln und eine Optimierung von Heizsystemen damit herbeizuführen. Für die Systemkomponenten Kollektor, Gesteins- und Warmwasserspeicher, Wärmeüberträger sowie Rohrleitung wurden Rechenmodelle entwickelt. Berücksichtigt wurden dabei die Wärmekapazitäten der Komponenten, ein zweidimen-sionales Temperaturfeld im Kollektor und eine Temperaturschichtung in den Speichern. Der Vergleich zwischen den gemessenen und berechneten Ergebnissen für einen Luftkollektor, einen Gesteinsspeicher und ein Modellsystem führte zu guten Übereinstimmungen. Bei der Berechnung des Heizwärmeverbrauchs des Gebäudes wurden die Verteilung der Wärmekapazität (Außen-, Innenwände und Raumluft) und Wärmeverluste wie -gewinne durch unterschiedlich orientierte Fensterflächen berücksichtigt. Die Berechnungen erfolgten jeweils über ein Jahr auf der Basis stündlicher meteorolo-gischer Daten. Folgende Parameter wurden untersucht: Standort (Stuttgart, Hamburg, Hohenpeißenberg), Wärmedämmschichtdicke des Gebäudes, Systemkonfiguration, Kollektorfeldaufteilung, Luftdurchsatz, Ausrichtung des Kollektorfeldes, Kollektorparameter (Spaltweite des Strömungskanals, Selektivität und Wärmekapazität des Absorbers, Emissionsgrad der Abdeckung) und Speicherparameter (Wärmekapazität, Wärmedämmschichtdicke, Geometrie). Mit Solaranlagen ohne einen Wärmespeicher für die Raumheizung können maximal 10% des jährlichen Gesamtwärmeverbrauchs gedeckt werden. Durch den Einbau eines Gesteinsspeichers - der etwa eine Wärmekapazität von 0,25 MJ/K pro m2 Kollektor haben soll – werden die solaren Deckungsanteile je nach Kollektorfläche mehr als verdoppelt. Für Kollektorfeldflächen von 20 bis 60 m² liegt der optimale Luftdurchsatz zwischen 20 und 50 kg/(h*m²). Der Einfluß von Kollektorfeldaufteilung und Speichergeometrie auf den solaren Deckungsanteil ist im Vergleich zu den untersuchten Kollektorparametern gering.