Projekt 26956/01

Feldtest mit hocheffizienten Vakuumröhren-Luftkollektoren zur solaren Heizungsunterstützung – HoVaLuko

Projektträger

Kurt Schüle & Thorsten Siems OHG Kollektorfabrik
Waidmattenstr. 6
79232 March
Telefon: 07665 / 9471521

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die globale Klimaerwärmung ist weltweit grenzenlos bemerkbar. Dagegen zu wirken und dem Wunsch der Politik nachkommen zu können, dass mehr größere thermische Solaranlagen mit einem hohen solaren Deckungsanteil installiert werden müssen, hat die Kollektorfabrik einen Vakuumröhren-Solarluftkollektor entwickelt. Einer der größten Vorteile dieser Kollektoren ist der stillstandsichere Betrieb. Ziel ist, mit Hilfe von Feldtestanlagen, welche messtechnisch erfasst und ausgewertet werden, der Öffentlichkeit z. B. auf Tagungen zu zeigen, dass es einfach, sicher und problemlos möglich ist, Solaranlagen mit Hilfe der Kollektorfabrik-Luftkollektoren für die Jahresübergangszeiten Frühling und Herbst auszulegen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm die Anlagen auszulegen, wurde der Stand der infrage kommenden Gebäude erfasst. Vorherige Energiebilanzen wurden berücksichtigt. Durch das Fraunhofer ISE wurden die Anlagen mit vorab am Institut untersuchter low-cost-Messtechnik ausgestattet um die Wärmeströme innerhalb der Anlagen zu bestimmen. Die low-cost-Messtechnik umfasst vor allem kostengünstige Volumenstromsensoren und Einstrahlungssensoren.
Um die Wärmemenge im Luftkreis bestimmen zu können, wurden Untersuchungen am Luft-Wasser-Wärmeübertrager durchgeführt.
Durch die Fertigung der ersten größeren Anzahl von Kollektoren für den Feldtest wurden Optimierungen im Materialverbrauch, Zeitaufwand und in der technischen Gestaltung umgesetzt. Optimierungen, welche während der Installationsphasen gefunden wurden, wurden bei nachfolgenden Anlageninstallationen umgesetzt. Die Systeme sollten benutzerfreundlich ausgelegt werden und eine einfache Montage gewährleisten. Ferner wurde das Optimierungspotential der Ventilator-Wärmeübertrager-Einheit (L.A.-Box) ausgeschöpft. Die erfassten Messdaten wurden in kurzen Abständen von 1-2 Wochen auf Vollständigkeit hin überprüft, um lang anhaltende Datenausfälle zu vermeiden. Anhand der Messdaten wurde bei diesen Kontrollen auch der Anlagenbetrieb überwacht. In regelmäßigen Abständen wurden die gesammelten Messdaten ausgewertet, um bestehendes Verbesserungspotential aufzuzeigen.


Ergebnisse und Diskussion

Für die Installation der Feldtestanlagen wurden 7 Gebäude ausgewählt, in denen verschiedene Systemzusammenstellungen realisiert wurden.
Der Produktionsprozess der Kollektoren wurde zumindest teilweise automatisiert, was die Produktion der Kollektorkomponenten beschleunigt. Erfahrungen aus dem Montageablauf vor Ort, die ein Optimie-rungspotential aufweisen, fließen in konstruktive Änderungen der Bauteile und in das Montageverfahren ein.
Neben dem Kollektor wurde außerdem die Ventilator-Wärmeübertrager-Einheit - die sogenannte Liquid-Air-Box (L.A.-Box) stetig weiterentwickelt und verbessert.
Durch die erfolgreiche Verbesserung beider Komponenten können fortan einfach aufgebaute Systeme angeboten werden. Zu den Systemen gehören Sensoren, die sich im Betrieb der Feldtestanlagen zur Systemsteuerung durchgesetzt haben. Die Erfahrungen aus dem Feldtest fließen ferner in die Auswahl der Systemkomponenten (z. B. Pumpenstation und Speicher) und den Systemaufbau ein.
Zur Steuerung der Anlagen im Feldtest wurde ein frei programmierbarer Regler ausgewählt, der neben der Solaranlage z. B. auch zur Heizkreissteuerung verwendet werden kann. Dieser Regler wird auch weiterhin in komplexen Systemen eingesetzt werden. Die Verwendung eines handelsüblichen Solarreglers war zu Projektbeginn nicht möglich. Zu Projektende auf dem Markt verfügbare Produkte erfüllen zwar die technischen Anforderungen, sind für die Steueraufgaben dieser Anlagen ohne eine Softwareänderung jedoch nicht einsetzbar. Aufgrund der erarbeiteten und getesteten Regelstrategien kann die Software eines auf dem Markt verfügbaren Solarreglers an den Betrieb von Vakuumröhren-Solarluftkollektoren angepasst werden.
Die ausgewählte low-cost-Messtechnik, insbesondere Wirbelstromdurchflusssensoren, wurde aufgrund zufriedenstellender Ergebnisse in ihrer Testumgebung am Fraunhofer ISE konsequent im Feld eingesetzt. Beim realen Einsatz in den verschiedenen Systemen und mit dem verwendeten Solarregler haben sich diese Sensoren jedoch als unzuverlässig erwiesen. Strahlungssensoren haben zum Teil auch in den Nachtstunden ungewöhnlich hohe Messwerte ausgegeben oder sind nach einiger Zeit ab einer Globalstrahlung > 200 W/m² ausgefallen, was z. B. eine strahlungsabhängige Anlagensteuerung, die bis dahin noch genutzt wurde, ausschließt. Wirbelstromdurchflusssensoren, die letztlich auch zur Erfassung der Wärmemengen genutzt wurden, sind häufig ausgefallen. Zum einen lag das an Schäden am Sensor, zum anderen an der fehlerhaften Kommunikation zwischen den Sensoren und der Steuerung, bzw. dem Speichergerät. Aufgrund dieser zahlreichen Ausfälle haben sich die verwendeten Sensoren, die zwi-schenzeitlich häufig in Solarwärmeanwendungen verwendet werden, zur Bestimmung von Wärmeströmen innerhalb der Feldtestanlagen und im Rahmen eines Monitorings als ungeeignet erwiesen.
Aufgrund der Sensorausfälle konnten die Daten aus den Feldtestanlagen nicht umfassend ausgewertet werden. Daher wurde eine Projektverlängerung bewilligt, die den Einsatz von Wärmemengenzählern in zwei der Anlagen ermöglichte. Da das Messjahr noch nicht abgeschlossen ist, können hierfür noch keine Ergebnisse vorgelegt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen der jährlichen Veranstaltung Symposium Thermische Solarenergie wurden das Projekt und Ergebnisse daraus in den Jahren 2009 und 2010 dem Fachpublikum vorgestellt.
Ein kurzer Bericht wird im Jahresbericht 2011 des Fraunhofer ISE veröffentlicht.
Für Kunden der Kollektorfabrik kann ein Flyer nach Abschluss des Messjahres in der Anlage Graben0001 erstellt werden. Einzelne Anlagen können künftig als Referenz geführt werden.


Fazit

Im durchgeführten Feldtest hat sich trotz der fehlerhaften Messdaten gezeigt, dass der Vakuumröhren-Solarluftkollektor zusammen mit der L.A.-Box in Anlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung eingesetzt werden und mit Flüssigkeitskollektoren konkurrieren kann.
Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem Feldtest gehen bei der Kollektorfabrik vor allem in die Systemeinbindung des Kollektors und in Regelstrategien, aber auch in die Beschreibung des Montageablaufs, in die Konstruktion der Komponenten und in die Betriebsbestimmungen der Systeme ein.
Die eingesetzten Volumenstromsensoren sind für eine grobe Erfassung des Solarertrags für den Anlagenbetreiber, aber nicht für die Bestimmung von Anlagenkennzahlen und ein umfassendes Monitoring geeignet. Der Hersteller dieser Sensoren betreibt inzwischen aktiv Untersuchungen zur Weiterentwicklung und Verbesserung, die bereits bei neueren Serien berücksichtigt werden.