Heizen mit dem Solar - Luftkollektor - Energie Sparen mit der Sonnenheizung
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Kollektorauslegung
Heizen - Lüften - Trocknen
Häufig werde ich gefragt, wie groß der Kollektor für eine Wohnfläche von z.B. 80 m² sein muss.
Auf Basis dieser geringen Informationen eine Aussage zu treffen ist schier unmöglich. Eine Vielzahl von zusätzlichen Informationen wird benötigt, um eine sichere Abschätzung der notwendigen Kollektorgröße durchzuführen.
Ein kostenfreies und professionelles Planungsprogramm erhalten Sie unter meinem Link “RETScreen“ Als Planungshilfe soll der folgende Solarluftkollektor Leitfaden von mir dienen:
Einsatzzweck
Wie soll der Luftkollektor eingesetzt werden ?
Den Luftkollektor als reine Heizung zu nutzen liegt natürlich am nächsten, da die eingeblasene Lufttemperatur an sonnigen Tagen schnell Größenordnungen von bis zu 55 Grad Celsius erreichen kann. Weniger bekannt ist der Einsatzzweck als Belüftungsgerät: Gerade in Gartenhäusern oder selten genutzten Gebäuden ohne Heizung riecht es oft muffig, was bedingt durch die hohe Luftfeuchtigkeit und den geringen Raumluftaustausch resultiert. Ein Luftkollektor produziert sehr trockene und frische Luft, die gut geeignet ist, um in diesen Gebäuden ein angenehmes Grundklima zu erzeugen. Je wärmer die eingeblasene Luft ist, desto geringer ist die Luftfeuchtigkeit. 5-10 % Luftfeuchte bei hohen Einblastemperaturen sind keine Seltenheit, somit wird die Feuchtigkeit im Raum reduziert. Aus diesem Grund eignen sich die Anlagen auch zur Trocknung von feuchten Garagen und Kellerräumen. Ein weiteres Thema ist die Senkung des CO2 Gehaltes der Raumluft in Veranstaltungsräumen oder dichten Gebäuden, wo sich viele Personen aufhalten (z.B. Schulen, Wartesälen, Sporthallen, Niedrigenergiehäusern). Frische leicht erwärmte Zuluft trägt erheblich zur CO2 Reduzierung der Raumluft bei und steigert die Leistungsfähigkeit enorm. Siehe auch unter Wohnklima. Eher seltener wird der Luftkollektor als Trocknungsgerät für Teepflanzen oder Kräuter eingesetzt.
Je nach Einsatzzweck benötigen Sie entweder mehr Luftvolumen bei geringen Temperaturen (Belüftungstechnik) oder eine höhere Lufttemperatur bei geringerem Luftvolumen (Heizung & Trocknung). Eine grundsätzliche Aussage lautet: Je höher das Luftvolumen bei fester Kollektorgröße, umso mehr sinkt die Lufttemperatur, da der Kollektor mehr gekühlt wird.
Kollektor Auslegung
Rahmenbedingungen
Solare Luftkollektorsysteme eignen sich nach dem heutigen Stand der Technik nur als Zusatzheizung. Zwar gibt es Berechnungsprojekte für eine autarke Versorgung eines Einfamilienhauses nur mit einer Luftkollektorheizung, diese lassen sich aber unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht umsetzen. Die zu erreichende Energieeinsparung hängt von der Dämmung des jeweiligen Gebäudes ab und liegt zwischen 5 und 20 %.
Eine Speicherung der Wärmeenergie ist zwar möglich (siehe mein Projekt PCM Speicher) sollte aber für die Auslegung der Anlagengröße vorerst keine Rolle spielen.
Man kann mit Wärmeerträgen von ca. 200-350 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche und einer Einsatzdauer von ca. 700-800h bezogen auf die Heizperiode rechnen. Die zur Verfügung stehende Wärmeenergie im Sommer bleibt für unsere Auslegung vorerst unberücksichtigt.
In Einfamilienhäusern mit geregelter Zentralheizung werden einzelne Räume mittels Heizkörpern beheizt. Ein Einblasen von erwärmter Luft hat zur Folge, dass automatisch die Thermostate der Heizkörper ihre jeweilige Heizleistung begrenzen und somit Energie gespart wird. Aus diesem Grund kann der solare Luftkollektor vom jeweiligen Heizsystem autark betrieben werden.
Maximaler Leistungsertrag A: Netzteilbetrieb des Kollektorlüfters - Der Betrieb des Lüfters mit einem Netzteil scheint zwar auf den ersten Blick ökologisch ungünstiger, allerdings wird durch die dauerhafte Versorgung des Lüfters mit Strom die im Kollektor gespeicherte Wärme, auch wenn diese gering ist, zusätzlich mit abgerufen. Gerade an Tagen mit wechselnder Bewölkung werden somit die Lüfterstillstandzeiten, die beim Betrieb des Lüfters mit einem Solarmodul entstehen, überbrückt. Sobald die Sonne durch eine Wolke verdeckt wird reduziert sich die Lüfterleistung bei Solarbetrieb erheblich bzw. schaltet sich der Lüfter ganz aus. Der netzbetriebene Lüfter läuft weiter und nutzt die gespeicherte Restwärme des Kollektors, dies ist für gut 15-20 min der Fall. Kollektoren mit Solarmodul betriebenem Lüfter (z.B. Modulteq MT F 200) eignen sich gut für Ferienhäuser, Garagen und Kellerräumen, wo es nur auf die Lüftung ankommt. Will man dagegen jede kWh an Sonnenenergie zur Heizung nutzen, ist der Netzbetrieb die bessere Wahl.
Maximaler Leistungsertrag B: Verwendung eines Differenzreglers mit separat einstellbarer Abschalttemperatur - einfache Differenzregler lassen nur die Einstellung einer Schalttemperatur zu. Die Einschaltschwelle sollte bei ca. 6-8 Grad C Temperaturunterschied zwischen Kollektor/Raum liegen, d.h. aber im Umkehrschluss, dass der Lüfter auch bei Unterschreiten dieser Temperaturschwelle wieder abgeschaltet wird. Besser wäre es, wenn man von den 6-8 Grad C noch 5-7 Grad C nutzen könnte, der Lüfter also erst bei 1-2 Grad Temperaturunterschied wieder abschaltet. Hiermit lässt sich die gespeicherte Restenergie des Kollektors noch zusätzlich nutzen. Die beiden Full Gauge Regler Mircosol RiL und Micosol II Plus z.B. bieten diese Möglichkeit der unterschiedlichen Einstellung auch der neue AIR DTC von Sorel besitzt diesen fein einstellbaren Differenzregler.
Überschlägige Wärmeertragstabelle für Luftkollektoren im Raum Hannover basierend auf den Daten meiner Kollektoren:
Typ S-Line
Typ Fassadenkollektor
Erläuterungen: Bei größerer Kollektorfläche steigen die Betriebsstunden aufgrund der Tatsache, dass auch geringere Sonneneinträge nutzbar sind. Die Betriebsstunden beziehen sich auf die eigentliche Heizleistung, Betriebsstunden an denen der Kollektor als reines Belüftungsgerät arbeitet (bei geringen Temperaturerhöhungen von 1-2 Grad über Raumtemperatur) bleiben hier unberücksichtigt und erhöhen die Einsatzdauer deutlich. Die mittlere Heizleistung basiert auf Messwerten meiner Kollektoren. Die jeweilige Spitzenleistung liegt etwa um 70-110 % höher, ist aber nur bei voller Sonneneinstrahlung verfügbar.
Vorgehensweise für Heizbetrieb:
Als erstes sollten Sie sich über den Energieverbrauch Ihres Gebäudes im Klaren sein. Für die Ermittlung des Energieverbrauches und der Berechnung der Kennzahl gibt es zwei Vorgehensweisen:
Suchen Sie sich die letzte Jahresrechnung von Ihrem Gasenergieversorger heraus oder nehmen Sie Ihre letzte Heizölrechnung zur Hand. 1 Liter Öl und ein Kubikmeter Erdgas haben in etwa 10 kWh Energieinhalt. Bei z.B. 2.400 Liter Heizölverbrauch in einem Jahr entspricht das 24.000 kWh an Wärmeenergie. Da die Warmwasserversorgung ebenfalls in dieser Wärmenergie steckt, müssen Sie dies bei der Berechnung berücksichtigen. Als Schätzwert können Sie hier ca. 10 % (bei Altbauten) abziehen. D.h. Sie haben 21.600 kWh für die Beheizung Ihres Gebäudes in einem Jahr aufgewendet. Setzt man nun die Wohnfläche in Relation erhalten Sie die Energiekennzahl, womit sich verschiedene Gebäude vergleichen lassen. Der Wirkungsgrad der Zentralheizung bleibt bei diesem Beispiel unberücksichtigt, da dieser bei den heutigen Heizanlagen in der Regel größer 90 % liegt.
Für das Beispiel soll hier ein Gebäude mit 160 m² Nutzfläche gewählt werden (Energiekennzahl=21.600 KWh/160 m²). Die Energiekennzahl liegt bei 135 KWh/m². Wenn Sie nun mittels Luftkollektor Ihre Heizkosten um ca. 10 % reduzieren wollen benötigen Sie laut Tabelle einen Kollektor mit mindestens 6 m² Fläche (ca. 2100 kWh/a). Unser schwedisches Holzhaus besitzt die Kennwerte 70 kWh/m² bei einer Nutzfläche von 120 m². Mit dem 5 m² Fassadenkollektor reduzieren wir somit die Heizkosten um ca. 23%.
Diese Rechnung dient als einfache Überschlagsrechnung, deutlich genauer ist die Wärmeschutznachweisberechnung. Eine sehr gute Berechnungstabelle für den Wärmeschutznachweis finden Sie als Excel-File unter folgendem Link: http://www.uni-kassel.de/fb6/bpy/de/ im Bereich Downloads
Auslegung Luftkollektoren Erfahrungswerte
2 m² Kollektor Typ1 und Typ 2: Gartenhäuser, Kleingartengebäude, Kellerräume und Garagen mit ca. 25 m² Fläche zur Sicherung des Grundklimas, Heizung & Trocknung, sowie Verhinderung von Mief, Reduzierung der Luftfeuchtigkeit, eingeblasenes Luftvolumen ca. 80-100 m³/h.
Fensterkollektor: Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen mit bis zu 20 m² bei einem Luftdurchsatz von bis zu 50 m³/h Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes. Relativ geringer Wirkungsgrad von ca. 35-45%, dafür aber geringe Herstellungskosten.
(Beschrieben in der Bauanleitung -solarer Luftkollektor 2 Varianten & Fensterkollektor”)
5 m² Fassadenkollektor: Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen, Etagen oder Dachgeschossen mit bis zu 80 m² bei einem Luftdurchsatz von bis zu 250 m³/h. Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes. Trocknung von größeren Räumen (Kellern, Kirchen, Garagen, kleineren Hallen), deutliche CO2 Reduzierung in kleinen Veranstaltungsgebäuden/räumen (Vereinsheimen, Sporthallen, Tagungsräumen)
(Beschrieben in der Bauanleitung Der Fassadenkollektor”)
2 m² S-Line Luftkollektor: Leistungsfähiger Kollektor zur Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen, Etagen oder Dachgeschossen mit bis zu 60 m² bei einem Luftdurchsatz von ca. 130 m³/h. Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes.
(Beschrieben in der Bauanleitung -S-Line Kollektor”)
Die Bauanleitungen erhalten Sie im Trubadu-Shop
Auf Basis dieser geringen Informationen eine Aussage zu treffen ist schier unmöglich. Eine Vielzahl von zusätzlichen Informationen wird benötigt, um eine sichere Abschätzung der notwendigen Kollektorgröße durchzuführen.
Ein kostenfreies und professionelles Planungsprogramm erhalten Sie unter meinem Link “RETScreen“ Als Planungshilfe soll der folgende Solarluftkollektor Leitfaden von mir dienen:
Einsatzzweck
Wie soll der Luftkollektor eingesetzt werden ?
- Als zusätzliche Heizung für Wohnräume
- Als Belüftungsgerät für selten genutzte Gebäude z.B. Gartenhäuser oder Kleingartenlauben
- Als Entfeuchtungsgerät für Garagen oder Kellerräume
- Zur CO2 Reduzierung der Raumluft in Veranstaltungsräumen oder dichten Gebäudehüllen
- Als Trocknungsgerät
Den Luftkollektor als reine Heizung zu nutzen liegt natürlich am nächsten, da die eingeblasene Lufttemperatur an sonnigen Tagen schnell Größenordnungen von bis zu 55 Grad Celsius erreichen kann. Weniger bekannt ist der Einsatzzweck als Belüftungsgerät: Gerade in Gartenhäusern oder selten genutzten Gebäuden ohne Heizung riecht es oft muffig, was bedingt durch die hohe Luftfeuchtigkeit und den geringen Raumluftaustausch resultiert. Ein Luftkollektor produziert sehr trockene und frische Luft, die gut geeignet ist, um in diesen Gebäuden ein angenehmes Grundklima zu erzeugen. Je wärmer die eingeblasene Luft ist, desto geringer ist die Luftfeuchtigkeit. 5-10 % Luftfeuchte bei hohen Einblastemperaturen sind keine Seltenheit, somit wird die Feuchtigkeit im Raum reduziert. Aus diesem Grund eignen sich die Anlagen auch zur Trocknung von feuchten Garagen und Kellerräumen. Ein weiteres Thema ist die Senkung des CO2 Gehaltes der Raumluft in Veranstaltungsräumen oder dichten Gebäuden, wo sich viele Personen aufhalten (z.B. Schulen, Wartesälen, Sporthallen, Niedrigenergiehäusern). Frische leicht erwärmte Zuluft trägt erheblich zur CO2 Reduzierung der Raumluft bei und steigert die Leistungsfähigkeit enorm. Siehe auch unter Wohnklima. Eher seltener wird der Luftkollektor als Trocknungsgerät für Teepflanzen oder Kräuter eingesetzt.
Je nach Einsatzzweck benötigen Sie entweder mehr Luftvolumen bei geringen Temperaturen (Belüftungstechnik) oder eine höhere Lufttemperatur bei geringerem Luftvolumen (Heizung & Trocknung). Eine grundsätzliche Aussage lautet: Je höher das Luftvolumen bei fester Kollektorgröße, umso mehr sinkt die Lufttemperatur, da der Kollektor mehr gekühlt wird.
Kollektor Auslegung
Rahmenbedingungen
Solare Luftkollektorsysteme eignen sich nach dem heutigen Stand der Technik nur als Zusatzheizung. Zwar gibt es Berechnungsprojekte für eine autarke Versorgung eines Einfamilienhauses nur mit einer Luftkollektorheizung, diese lassen sich aber unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht umsetzen. Die zu erreichende Energieeinsparung hängt von der Dämmung des jeweiligen Gebäudes ab und liegt zwischen 5 und 20 %.
Eine Speicherung der Wärmeenergie ist zwar möglich (siehe mein Projekt PCM Speicher) sollte aber für die Auslegung der Anlagengröße vorerst keine Rolle spielen.
Man kann mit Wärmeerträgen von ca. 200-350 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche und einer Einsatzdauer von ca. 700-800h bezogen auf die Heizperiode rechnen. Die zur Verfügung stehende Wärmeenergie im Sommer bleibt für unsere Auslegung vorerst unberücksichtigt.
In Einfamilienhäusern mit geregelter Zentralheizung werden einzelne Räume mittels Heizkörpern beheizt. Ein Einblasen von erwärmter Luft hat zur Folge, dass automatisch die Thermostate der Heizkörper ihre jeweilige Heizleistung begrenzen und somit Energie gespart wird. Aus diesem Grund kann der solare Luftkollektor vom jeweiligen Heizsystem autark betrieben werden.
Maximaler Leistungsertrag A: Netzteilbetrieb des Kollektorlüfters - Der Betrieb des Lüfters mit einem Netzteil scheint zwar auf den ersten Blick ökologisch ungünstiger, allerdings wird durch die dauerhafte Versorgung des Lüfters mit Strom die im Kollektor gespeicherte Wärme, auch wenn diese gering ist, zusätzlich mit abgerufen. Gerade an Tagen mit wechselnder Bewölkung werden somit die Lüfterstillstandzeiten, die beim Betrieb des Lüfters mit einem Solarmodul entstehen, überbrückt. Sobald die Sonne durch eine Wolke verdeckt wird reduziert sich die Lüfterleistung bei Solarbetrieb erheblich bzw. schaltet sich der Lüfter ganz aus. Der netzbetriebene Lüfter läuft weiter und nutzt die gespeicherte Restwärme des Kollektors, dies ist für gut 15-20 min der Fall. Kollektoren mit Solarmodul betriebenem Lüfter (z.B. Modulteq MT F 200) eignen sich gut für Ferienhäuser, Garagen und Kellerräumen, wo es nur auf die Lüftung ankommt. Will man dagegen jede kWh an Sonnenenergie zur Heizung nutzen, ist der Netzbetrieb die bessere Wahl.
Maximaler Leistungsertrag B: Verwendung eines Differenzreglers mit separat einstellbarer Abschalttemperatur - einfache Differenzregler lassen nur die Einstellung einer Schalttemperatur zu. Die Einschaltschwelle sollte bei ca. 6-8 Grad C Temperaturunterschied zwischen Kollektor/Raum liegen, d.h. aber im Umkehrschluss, dass der Lüfter auch bei Unterschreiten dieser Temperaturschwelle wieder abgeschaltet wird. Besser wäre es, wenn man von den 6-8 Grad C noch 5-7 Grad C nutzen könnte, der Lüfter also erst bei 1-2 Grad Temperaturunterschied wieder abschaltet. Hiermit lässt sich die gespeicherte Restenergie des Kollektors noch zusätzlich nutzen. Die beiden Full Gauge Regler Mircosol RiL und Micosol II Plus z.B. bieten diese Möglichkeit der unterschiedlichen Einstellung auch der neue AIR DTC von Sorel besitzt diesen fein einstellbaren Differenzregler.
Überschlägige Wärmeertragstabelle für Luftkollektoren im Raum Hannover basierend auf den Daten meiner Kollektoren:
Typ S-Line
Kollektorgröße
2 m²
Betriebsstunden pro Heizsaison
700 h
mittlere Kollektorleistung
650 W (Spitzenleistung 1.500 Watt)
mögl. Energieerträge
750 kWh/a
Typ Fassadenkollektor
Kollektorgröße
5m²
Betriebsstunden pro Heizsaison
800 h
mittlere Kollektorleistung
2500 W (Spitzenleistung 5.000 Watt)
mögl. Energieerträge
2200 kWh/a
Erläuterungen: Bei größerer Kollektorfläche steigen die Betriebsstunden aufgrund der Tatsache, dass auch geringere Sonneneinträge nutzbar sind. Die Betriebsstunden beziehen sich auf die eigentliche Heizleistung, Betriebsstunden an denen der Kollektor als reines Belüftungsgerät arbeitet (bei geringen Temperaturerhöhungen von 1-2 Grad über Raumtemperatur) bleiben hier unberücksichtigt und erhöhen die Einsatzdauer deutlich. Die mittlere Heizleistung basiert auf Messwerten meiner Kollektoren. Die jeweilige Spitzenleistung liegt etwa um 70-110 % höher, ist aber nur bei voller Sonneneinstrahlung verfügbar.
Vorgehensweise für Heizbetrieb:
Als erstes sollten Sie sich über den Energieverbrauch Ihres Gebäudes im Klaren sein. Für die Ermittlung des Energieverbrauches und der Berechnung der Kennzahl gibt es zwei Vorgehensweisen:
- Direkt aus den Verbrauchswerten
- Mittels Wärmeschutznachweis
Suchen Sie sich die letzte Jahresrechnung von Ihrem Gasenergieversorger heraus oder nehmen Sie Ihre letzte Heizölrechnung zur Hand. 1 Liter Öl und ein Kubikmeter Erdgas haben in etwa 10 kWh Energieinhalt. Bei z.B. 2.400 Liter Heizölverbrauch in einem Jahr entspricht das 24.000 kWh an Wärmeenergie. Da die Warmwasserversorgung ebenfalls in dieser Wärmenergie steckt, müssen Sie dies bei der Berechnung berücksichtigen. Als Schätzwert können Sie hier ca. 10 % (bei Altbauten) abziehen. D.h. Sie haben 21.600 kWh für die Beheizung Ihres Gebäudes in einem Jahr aufgewendet. Setzt man nun die Wohnfläche in Relation erhalten Sie die Energiekennzahl, womit sich verschiedene Gebäude vergleichen lassen. Der Wirkungsgrad der Zentralheizung bleibt bei diesem Beispiel unberücksichtigt, da dieser bei den heutigen Heizanlagen in der Regel größer 90 % liegt.
Für das Beispiel soll hier ein Gebäude mit 160 m² Nutzfläche gewählt werden (Energiekennzahl=21.600 KWh/160 m²). Die Energiekennzahl liegt bei 135 KWh/m². Wenn Sie nun mittels Luftkollektor Ihre Heizkosten um ca. 10 % reduzieren wollen benötigen Sie laut Tabelle einen Kollektor mit mindestens 6 m² Fläche (ca. 2100 kWh/a). Unser schwedisches Holzhaus besitzt die Kennwerte 70 kWh/m² bei einer Nutzfläche von 120 m². Mit dem 5 m² Fassadenkollektor reduzieren wir somit die Heizkosten um ca. 23%.
Diese Rechnung dient als einfache Überschlagsrechnung, deutlich genauer ist die Wärmeschutznachweisberechnung. Eine sehr gute Berechnungstabelle für den Wärmeschutznachweis finden Sie als Excel-File unter folgendem Link: http://www.uni-kassel.de/fb6/bpy/de/ im Bereich Downloads
Auslegung Luftkollektoren Erfahrungswerte
2 m² Kollektor Typ1 und Typ 2: Gartenhäuser, Kleingartengebäude, Kellerräume und Garagen mit ca. 25 m² Fläche zur Sicherung des Grundklimas, Heizung & Trocknung, sowie Verhinderung von Mief, Reduzierung der Luftfeuchtigkeit, eingeblasenes Luftvolumen ca. 80-100 m³/h.
Fensterkollektor: Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen mit bis zu 20 m² bei einem Luftdurchsatz von bis zu 50 m³/h Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes. Relativ geringer Wirkungsgrad von ca. 35-45%, dafür aber geringe Herstellungskosten.
(Beschrieben in der Bauanleitung -solarer Luftkollektor 2 Varianten & Fensterkollektor”)
5 m² Fassadenkollektor: Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen, Etagen oder Dachgeschossen mit bis zu 80 m² bei einem Luftdurchsatz von bis zu 250 m³/h. Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes. Trocknung von größeren Räumen (Kellern, Kirchen, Garagen, kleineren Hallen), deutliche CO2 Reduzierung in kleinen Veranstaltungsgebäuden/räumen (Vereinsheimen, Sporthallen, Tagungsräumen)
(Beschrieben in der Bauanleitung Der Fassadenkollektor”)
2 m² S-Line Luftkollektor: Leistungsfähiger Kollektor zur Heizungsunterstützung von einzelnen Wohnräumen, Etagen oder Dachgeschossen mit bis zu 60 m² bei einem Luftdurchsatz von ca. 130 m³/h. Energieeinsparpotential ist abhängig von den Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes.
(Beschrieben in der Bauanleitung -S-Line Kollektor”)
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