Allgemeines zu Luftkollektoren

Laut Definition ist ein Solarkollektor ein Gerät, welches die Strahlungsenergie der Sonne absorbiert, in Wärme umwandelt und diese an einen den Kollektor durchströmenden Wärmeträger (in diesem Fall Luft) abgibt. Der grundsätzlichen Aufbau und die physikalischen Wärmetransporte eines Luftkollektors mit unterströmtem Absorber sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Energiebilanz eines Luftkollektors mit unterströmtem Absorber

Luftkollektoren lassen sich nach vier verschiedenen Kriterien in Gruppen einteilen:

• Kollektoren mit unter- oder durchströmten Absorbern
• Frischluft- oder Umluftkollektoren
• Klein- oder Großflächenkollektoren
• Abgedeckte und nicht abgedeckte Kollektoren

Eine Auflistung von Vor- und Nachteilen bei der Nutzung von Luftkollektoren gegenüber wasserführenden Kollektoren finden Sie am Ende dieser Seite.

 

Kollektoren mit über- oder durchströmtem Absorber

Aufgrund des geringeren Wärmeübergangs vom Absorber auf den Wärmeträger Luft gegenüber beispielsweise Wasser, kommt der Luftführung bei Luftkollektoren eine erhebliche Bedeutung zu. Denn durch diese können sowohl die Wärmeübertragung vom Absorber auf die Luft, als auch die Wärmeverluste an die Umgebung erheblich beeinflusst werden. Deshalb ist die Luftführung, bezogen auf den Absorber, neben anderem, ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von solaren Luftkollektoren.

Eine Auswahl der verschiedenen Bauarten von Luftkollektoren ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass zwischen Luftkollektoren mit überströmtem, unterströmtem, umströmtem und durchströmtem Absorber unterschieden wird.

Bauart von Luftkollektoren

Der Luftkollektor mit überströmtem Absorber hebt sich durch seinen sehr einfachen Aufbau hervor. Gegen diese Bauform sprechen die höheren frontseitigen Wärmeverluste, die Nachteile der Staubablagerung auf der Absorberoberfläche und die Gefahr der Kondensation der Luftfeuchte an der Unterseite der Abdeckung. Die großen Vorteile der Luftkollektoren mit unterströmten Absorber liegen darin, dass die Effekte des überströmten Absorbers zum Teil verschwinden (Staubablagerung), erheblich verkleinert werden (Kondensation) und die frontseitigen Wärmeverluste vermindert werden, da die bewegte warme Luft nicht mit der Abdeckung in Kontakt tritt. Aus diesen Gründen ist der Luftkollektor mit unterströmten Absorber auch die verbreitetste Kollektorbauweise.

Eine ganz andere Bauart stellt der Luftkollektor mit durchströmten Absorber dar. Beim Durchströmen des Absorbers wird ein sehr guter Wärmeübergang erreicht. Ein Nachteil dieser Kollektorvariante liegt in dem etwas höheren Strömungswiderstand beim Durchströmen des Absorbers.

Durch die Verwendung selektiver Beschichtungen werden die Verluste des Kollektors gegenüber der Umgebung verringert und dadurch der Wirkungsgrad des Luftkollektors erhöht.

Neu auf dem Markt ist ein Vakuum-Röhrenluftkollektor. Dieser kann Austrittstemperaturen von über 100 °C erreichen.

Neben den bisher beschriebenen so genannten abgedeckten Luftkollektoren - sie besitzen an der Oberseite eine transparente Abdeckung - gibt es auch nicht abgedeckte Luftkollektoren.

 

Bauart	Hersteller
Unterströmter Absorber	Cona, Grammer
Durchströmter Absorber	SolarVenti
Vakuum-Röhrenluftkollektor	airwasol
Nicht abgedeckter Kollektor	AIRSOL

 

Durchströmung der Kollektoren

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des passenden Luftkollektors ist die Luftführung im Kollektor. Bei den beiden Kollektoren oben links gibt es Bereich, die schlecht oder überhaupt nicht durchströmt werden (rote Bereiche). Dies gilt es - wenn möglich - zu vermeiden.

Der SolarVenti-Luftkollektor (Bild rechts oben) saugt die Luft gleichmäßig über die gesamte Rückseite an.

Eine relativ gleichmäßige Durchströmung erreicht man trotz punktueller Lufteinblasung bzw. -absaugung, wenn die Querschnitte des Verteil- und des Sammelkanals kleiner sind als der Querschnitt des Luftkanals im Kollektor. Dies kann man durch das Einbringen von Luftkanälen auch erzwingen (Bild unten mitte,z.B. die Luftkollektoren von GRAMMER Solar). Eine weitere Alternative ist eine meanderförmige Luftführung (Bild unten rechts). Diese Variante wird oft bei Selbstbaukollektoren genutzt.

 

Frisch- oder Umluftkollektoren

Luftkollektoren können im so genannten Frischluft- oder Umluftbetrieb genutzt werden.

Beim Frischluftbetrieb wird Umgebungsluft angesaugt, im Kollektor erwärmt und der Nutzung zugeführt. Das bedeutet, dass die Temperatur der nutzbaren Warmluft von der Außentemperatur abhängt. Frischluftkollektoren werden bevorzugt zur Belüftung von nicht dauerhaft genutzten Ferienhäusern, Berghütten, etc., zur Entfeuchtung von Kellern oder zur Heizungsunterstützung eingesetzt.

Schematische Darstellung eines Luftkollektorsystems mit Frischluftkollektor

Anders verhält es sich beim Umluftkollektor. Hier wird die Luft dem Raum entnommen, ebenfalls im Kollektor erwärmt und anschließend in den Raum zurückgeführt. In diesem Fall findet bei Sonneneinstrahlung auf alle Fälle eine Erwärmung des Raums statt. Nachteilig ist, dass keine Frischluft in den Raum gelangt.

Schematische Darstellung eines Luftkollektorsystems mit Umluftkollektor

Gelegentlich werden Luftkollektoren mit großen Flächen benötigt. Diese werden oft individuell entworfen und gebaut.

 

Klein oder Großflächenkollektoren

Die meisten Hersteller bieten Kollektoren mit einer Fläche zwischen 0,5 und 5 m² an. Für etwas größere Kollektorflächen können einzelne Kollektoren parallel oder in Reihe verschaltet werden. Da der Aufwand, die Kollektoren zu verbinden, mit der Größe des Kollektorfelds zunimmt, eignen sich die so genannten Kleinflächenkollektoren nur für Flächen bis maximal 20 m².

Verschaltungsvarianten von Kollektoren

Besonderes Augenmerk ist auf die Verschaltung der Kollektoren zu legen. Der Vorteil der Reihenschaltung ist die größere Temperaturerhöhung, der Nachteil der höhere Druckverlust. Bei der Parallelschaltung sind sowohl die Temperaturerhöhung als auch der Druckverlust geringer.

Bei größeren Flächen sollte auf Großflächenkollektoren umgestiegen werden. Diese lassen sich ohne viel Aufwand untereinander verbinden.

 

 

Abgedeckte und nicht abgedeckte Kollektoren

Bisher wurden nur abgedeckte Kollektoren besprochen. Es gibt aber auch nicht abgedeckte Kollektoren - man spricht auch von Absorbern.

Luft strömt entlang (unter) einem schwarzen Blech oder durchströmt ein Blech mit vielen sehr kleinen Löchern. Es handelt sich um eine besondere Bauart von Frischluftkollektoren. Genutzt werden diese Kollektoren zum Belüften und Temperieren von großen Treppenhäusern, Hallen, Turnhallen, Schwimmbädern, etc.. Nicht abgedeckte Kollektoren - oft auch als Solarfassade bezeichnet - kommen oft in Verbindung mit einer kontrollierten Lüftung zum Einsatz.

Bestechend an dieser Systemvariante sind der einfache Aufbau und die niedrigen Kosten. Der Wirkungsgrad ist - insbesondere bei stärkerem Wind - geringer als der von abgedeckten Kollektoren.

 

Vor- und Nachteile von Luftkollektoren gegenüber wasserführenden Kollektoren

Vorteile:

• Luft friert nicht ein, daher ist kein Frostschutzmittel notwendig.
• Luft ist kostenlos.
• Undichtigkeiten im Kollektor oder in den Rohren verursachen keine Bauschäden durch austretende Flüssigkeiten.
• Einfacher Aufbau.
• Wird Wärme in Form warmer Luft benötigt, erfolgt die Bereitstellung ohne Übertragungsverluste.
• Luft als Wärmeträger gewährleistet einen störungsfreien Anlagenbetrieb. Das heißt, keine Stillstandsproblematik (auch nicht bei großen Kollektorfeldern), keine Degradation des Wärmeträgermediums, keine "Entlüftungsprobleme".
• Auch bei großen Solarluftkollektoranlagen werden z.B. keine redundanten Pumpen, teure Sicherheitsventile, große Ausdehnungsgefäße oder Konzepte für Nachtrückkühlungen benötigt.

Nachteile:

• Aufgrund der geringeren Wärmekapazität und Dichte von Luft im Vergleich zu Wasser werden für den Wärmetransport größere Volumenströme (größere Rohrleitungsquerschnitte) benötigt.
• Größere Antriebsleistungen der Ventilatoren im Gegensatz zu Pumpen müssen in der Energiebilanz der Heizungsanlage mit berücksichtigt werden.

 

Definition verschiedener Flächen bei Luftkollektoren

Kenngrößen von Luftkollektoren können sich auf verschiedene Flächen beziehen. Nachfolgend werden die drei benutzten Flächendefinitionen kurz vorgestellt:

• Bruttofläche: Gesamte Oberfläche des Kollektors (betrachtet werden die Kanten).

                            Bei Röhrenkollektoren ist die Bruttofläche die Umschließungsfläche.

• Aperturfläche: Die Fläche der Glasscheibe.

                            Bei Röhrenkollektoren handelt es sich um die Summe der Projektionsflächen der Röhren

• Absorberfläche: Die Fläche des Absorbers.

                            Bei Röhrenkollektoren versteht man unter der Absorberfläche die Summe aller Teilabsorberflächen

 

Definition der Flächen von Luftkollektoren