Projekt 22224/01

Unverglaste Metalldach-Kollektoren im geschlossenen Kühlkreislauf zur passiven Kühlung durch Konvektion und Strahlung

Projektträger

ZAE Bayern e. V.
Am Galgenberg 87
97074 Würzburg
Telefon: 0931/70564-41

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im vorausgegangenen DBU-Projekt Kühlkreislauf mit passiver Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung (Az. 14890) wurde ein offener Kühlkreislauf aufgebaut und vermessen. Dabei wird Zisternenwasser nachts auf das Gebäudedach geleitet, wo es sich durch Strahlung, Konvektion und Verdunstung abkühlt und in den Speicher zurückfließt. Bei diesem hydraulisch offenen System trägt Verdunstung zur Kühlleistung bei, führt aber auch zu Wasserverlusten. Im aktuellen Projekt wurden unverglaste Metalldach-Kollektoren, die für Solarthermie entwickelt wurden, auf ihre Eignung für die passive Kühlung untersucht. Da dies ein hydraulisch geschlossenes System ist, entfällt hierbei konstruktionsbedingt die Verdunstung des Zisternenwassers, somit reduziert sich die erreichbare Kühlleistung zwar etwas, jedoch leidet das System nicht unter Wasserverlust, was insbesondere in südlichen Ländern ein entscheidender Vorteil ist. Die Befüllung mit Glykolgemisch ermöglicht einen uneingeschränkten winterlichen Betrieb.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden mehrere unverglaste Metalldach-Kollektoren in zwei unterschiedlichen Ausführungen neben der bestehenden offenen passiven Kühlanlage auf dem Dach des ZAE Bayern installiert und mit Messtechnik versehen. In der ersten Phase des Projektes wurden die Kollektoren mit einem Thermostaten verschaltet, so dass Vorlauftemperatur und Volumenstrom frei wählbar waren. Mit diesem Aufbau konnten die Kühlleistung und die Effizienz der Kollektoren für unterschiedlichste Wetterbedingungen parameterabhängig charakterisiert werden (Bestimmung von Kennlinien in Anlehnung an DIN EN 12975-2). In einer zweiten Phase wurden die Kollektoren in das vorhandene Gebäude-Kühlsystem integriert und parallel zu den hydraulisch offenen Dachflächen mit dem Wasser der Speicherzisterne beschickt. Die Kollektoren wurden somit in einer echten Systemanwendung getestet und konnten mit dem vorhandenen offe-nen System verglichen werden. Ein vorhandenes Simulationsprogramm für das offene Dachsystem wur-de erweitert und auf die Kollektoren angewendet. Damit wurden Optimierungsmöglichkeiten für die Kollektoren aufgezeigt und Systemsimulationen durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Kühlleistungen des geschlossenen Systems konnten durch Messungen und Simulation konsistent quantifiziert werden. Es ergibt sich ein signifikanter Unterschied in der strahlungsdominierten Kühlleistung zwischen den beiden QUICK STEP Modultypen (dunkel, schiefergrau, ?~ 0,65 bzw. hell, blaugrau,
? ~ 0,25). Die Kühlleistung des hellen Systems ist, je nach Systemzustand, durchschnittlich etwa 40% geringer als die des dunklen. Die Leistungen des dunklen Systems sind etwas geringer als die des offenen Systems. Dies ist aufgrund fehlender Kühlleistung durch Verdunstung, gegenüber dem Blechdach niedri-gerem Emissionsgrad und zusätzlichem Wärmeleitwiderstand zu erwarten und prinzipbedingt. Ggf. liegen hier noch gewisse technische Optimierungspotenziale.
Der Kollektortyp hell, blaugrau kann für reine Kühlungsanwendung nicht empfohlen werden. Durch seine etwas bessere Strahlungsselektivität kann er im Fall kombinierter, bzw. alternierender Heiz- und Kühlungsanwendungen ggf. trotzdem eine gute Wahl sein, zumal sein solarer Absorptionsgrad nur wenig geringer ist als beim dunklen Typ (dunkel: ? ~ 0.9; hell: ? ~ 0.7).
Generell ist zu betonen, dass für die Kühlung wesentlich geringere Leistungsdichten erreichbar sind als bei solarthermischer Anwendung (stark situationsabhängig: Verhältnis1/20 bis 1/5). Damit kommt der Effizienz der Hilfsenergie (Pumpen) eine erhöhte Bedeutung zu. Bei den geschlossenen Kollektoren ist die optimierte hydraulische Auslegung auch deswegen besonders wichtig. Im Kühlungsfall erhöhte sich die Zähigkeit des Glykolgemischs, somit wird tendenziell eine höhere Pumpleistung nötig, deren Verlustanteil zudem als Erwärmung des Fluids auftritt. Der Volumenstrom sollte gegenüber dem für solarthermisch vorgeschlagenen Wert ( 50 l/(hm²) ) erniedrigt werden, entsprechend den geringere Kühlleistungsdichten. Dies spart Pumpenergie ein und erhöht die Temperaturspreizung, es können niedrigere Rücklauftemperaturen und somit i. a. eine höhere Verfügbarkeit der Anlage erreicht werden.
Die Leistungscharakteristik der QUICK STEP Kollektoren konnte für den Kühlfall durch linearisierte Kennlinien beschrieben werden. Dies ist eine Modifikation der in DIN EN 12975-2 für solarthermische Anwendungen beschriebenen Kollektorkennlinien. Hiermit steht nun auch für die Kühlungsanwendung ein vergleichbares, leicht zu bedienendes Planungswerkzeug zur Verfügung.
Die erweiterte Simulationssoftware ermöglicht auch detailliertere Analysen des untersuchten und vergleichbaren Kollektortypen. Abweichungen zwischen Messungen und Simulation sind geringer als 15%. Im Modus Systemsimulation können Energie- und Wasserbilanzen erstellt und daraus direkt Leistungszahl, Deckungsgrad und Nutzungsgrad bestimmt werden. Die geringere Kühlleistungsdichte des geschlossenen Systems macht sich bei hohen Kühllasten bemerkbar, dafür punktet es aufgrund der Frostsicherheit durch höhere Bereitschaft im Winter.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Kühlkreislauf mit passiver Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Protokollband Nr. 31, 2005, Passivhaus Institut
16. Symposium Thermische Solarenergie, 17. bis 19. Mai 2006, OTTI e. V.
Tätigkeitsbericht ZAE Bayern 2005, geplant: Tätigkeitsbericht ZAE Bayern 2007
Metal Solar Roof Collectors for Passive Cooling, Konferenzbeitrag und Posterpräsentation, EuroSun 2006, 27.-30.6.2006, Glasgow
Kühlkreislauf mit passiver Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung, 20.Bauphysikertreffen, Hochschule für Technik Stuttgart, 2006
geplant: 18. Symposium Thermische Solarenergie, 23.-25. April 2008, OTTI e. V. (in Absprache mit dem Kooperationspartner)


Fazit

Die Kühlkollektoren können mit modifizierten Solarthermie-Kollektorkennlinien beschrieben werden. Die erreichten Kühlleistungen, zumindest des schiefergrauen Typs, zusammen mit der Möglichkeit des Winterbetriebs eröffnen ein breites Anwendungsspektrum. Um die gute erreichbare Energieeffizienz nicht zu reduzieren, sollte stets eine hydraulische Optimierung erfolgen.
Eine Dachneigung, größer als die der Testanlage, verringert die Effizienz der Strahlungskühlung, da ein höherer Anteil der terrestrischen IR-Strahlung auf den Kollektor trifft. Dieser Effekt wurde hinsichtlich dieser Testanlage nicht behandelt, ist jedoch wichtig für die Planungen von Anlagen mit steileren Dächern.
Es sollte eine größere Pilotanlage installiert und getestet werden. Hier kommen vergleichbare Anlagen im Permanentbetrieb in Frage, darüber hinaus auch Kombinationen mit Wärmepumpen und/oder Bauteilaktivierung. Dabei ist eine starke, jedoch hier nicht im Einzelnen behandelte Abhängigkeit der Anlagenleistungszahl von der vorgesehenen Speichertemperatur zu beachten. Es sollten auch Messung und Bewertung der Witterungsdaten in angemessener Qualität eingeplant werden.