Solar-Flachkollektoren für solare Warmwasserbereitung

Ein Flachkollektor ist ein Wärmetauscher, der die Sonnenstrahlung der Sonne mithilfe des bekannten Treibhauseffekts in Wärmeenergie umwandelt. Es sammelt oder fängt Sonnenenergie ein und verwendet diese Energie, um Wasser im Haus zum Baden, Waschen und Heizen zu erhitzen, und kann sogar zum Heizen von Außenpools und Whirlpools verwendet werden.

Für die meisten privaten und kleinen gewerblichen Warmwasseranwendungen sind Solar-Flachkollektoren aufgrund ihres einfachen Designs, der geringen Kosten und der relativ einfacheren Installation im Vergleich zu anderen Arten von Warmwasserheizsystemen tendenziell kostengünstiger. Auch Solar-Flachkollektoren sind mehr als in der Lage, die erforderliche Menge an Warmwasser mit der erforderlichen Temperatur zu liefern.

Solar-Flachkollektor auf dem Dach

Ein Solar-Flachkollektor besteht normalerweise aus einer großen wärmeabsorbierenden Platte, normalerweise einer großen Kupferplatte oder Aluminium, da sie beide gute Wärmeleiter sind, die schwarz lackiert oder chemisch geätzt sind, um für maximale Effizienz so viel Sonnenstrahlung wie möglich zu absorbieren.

Diese geschwärzte wärmeabsorbierende Oberfläche hat mehrere parallele Kupferrohre oder -röhren, sogenannte Riser, die der Länge nach über die Platte verlaufen und die Wärmeübertragungsflüssigkeit, typischerweise Wasser, enthalten.

Diese Kupferrohre sind direkt mit der Platte verbunden, gelötet oder hartgelötet Absorberplatte, um maximalen Oberflächenkontakt und Wärmeübertragung zu gewährleisten. Sonnenlicht erwärmt die absorbierende Oberfläche, deren Temperatur zunimmt. Wenn die Platte heißer wird, wird diese Wärme durch die Steigrohre geleitet und von der Flüssigkeit absorbiert, die in den Kupferrohren fließt, die dann vom Haushalt verwendet wird.

Die Rohre und die Absorberplatte sind in einer isolierten Metall- oder Holzkiste mit einer Platte aus Verglasungsmaterial, entweder Glas oder Kunststoff, auf der Vorderseite eingeschlossen, um die eingeschlossene Absorberplatte zu schützen und einen isolierenden Luftraum zu schaffen. Dieses Verglasungsmaterial absorbiert die Wärmeenergie der Sonne nicht in nennenswertem Umfang und daher wird der größte Teil der einfallenden Strahlung vom geschwärzten Absorber empfangen.

Der Luftspalt zwischen der Platte und dem Verglasungsmaterial fängt diese Wärme ein und verhindert, dass sie wieder in die Atmosphäre entweicht. Wenn sich die Absorberplatte erwärmt, überträgt sie Wärme an die Flüssigkeit im Kollektor, gibt aber auch Wärme an ihre Umgebung ab. Um diesen Wärmeverlust zu minimieren, werden der Boden und die Seiten eines Flachkollektors wie abgebildet mit Hochtemperatur-Hartschaum oder Aluminiumfolie isoliert.

Typischer Flachkollektor

Flachkollektoren können die Flüssigkeit im Inneren entweder durch direktes oder indirektes Sonnenlicht aus einer Vielzahl von verschiedenen Winkeln erwärmen. Sie funktionieren auch bei diffusem Licht, das an bewölkten Tagen vorherrscht, da im Gegensatz zu Photovoltaikzellen die Umgebungswärme absorbiert wird und nicht das Licht. Wie heiß das zirkulierende Wasser wird, hängt hauptsächlich von der Jahreszeit ab, wie klar der Himmel ist und wie langsam das Wasser durch die Kollektorrohre fließt.

Direkte und indirekte solarthermische Systeme

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Wasser für den Hausgebrauch zu erhitzen. Solare Warmwasserbereitungssysteme, die Flachkollektoren zur Erfassung der Sonnenenergie verwenden, können aufgrund der Art und Weise, wie sie die Wärme um das System herum übertragen, entweder als direkte oder indirekte Systeme eingestuft werden. Um Ihr Wasser erfolgreich zu erhitzen und es sowohl tagsüber als auch nachts zu nutzen, benötigen Sie sowohl einen Sonnenkollektor, um die Wärme einzufangen und an das Wasser zu übertragen, als auch einen Warmwasserspeicher, um dieses heiße Wasser für den Gebrauch zu speichern nach Bedarf.

Direktes thermisches Solarsystem

Ein direktes solares Warmwasserbereitungssystem, auch als aktives Open-Loop-System bekannt, verwendet eine Pumpe, um das Wasser im System zu zirkulieren. Das kühlere Wasser wird direkt vom Haus zu einem zentralen Wasserspeicher oder Tauchtank gepumpt und durch den Solarkollektor zum Heizen geleitet. Das heiße Wasser verlässt den Flachkollektor und fließt in einem kontinuierlichen Kreislauf zurück in den Tank. Von dort wird das Wasser als warmes Nutzwasser zurück ins Haus gepumpt.

Es kann eine 12-Volt-Niederspannungspumpe verwendet werden, die von einer kleinen Photovoltaikzelle oder einer elektronischen Steuerung gespeist werden kann, wodurch das System umweltfreundlicher wird. Direkte Systeme werden normalerweise in wärmeren Klimazonen mit wenigen kalten Tagen verwendet oder im Winter entleert, um das Gefrieren des Wassers in den Rohren zu verhindern. Dem Wasser können zum Schutz keine Chemikalien zugesetzt werden, da das gleiche Wasser, das durch den Flachkollektor zirkuliert, im Haushalt verwendet wird.

In einem passiven direkten Warmwassersystem verwendet das System keine Pumpen oder Steuermechanismen, um die erzeugte Wärme zum Speichertank zu übertragen. Stattdessen sind passive Systeme sogenannte "Open-Loop-Systeme" die die natürliche Schwerkraft nutzen, um das Wasser im System zirkulieren zu lassen. Diese Art von System verwendet einen Solar-Flachkollektor in Kombination mit einem horizontal montierten Speicher, der sich direkt über dem Kollektor befindet.

Das von der Sonne erwärmte Wasser steigt auf natürliche Weise durch Konvektion durch die Rohre der Sonnenkollektoren und gelangt in den darüber liegenden Speichertank. Wenn das erwärmte Wasser oben in den Speichertank eintritt, wird das kühlere Wasser herausgedrückt und fließt mithilfe der Schwerkraft zum Boden der Kollektoren, da kaltes Wasser dichter ist als heißes Wasser. Dieser Kreislauf von steigendem heißem Wasser und fallendem kühlerem Wasser ist als „Thermosyphonfluss“ bekannt. und wiederholt sich ohne fremde Hilfe kontinuierlich, während die Sonne scheint.

Thermosyphon-Heißwassersystem

Das Thermosiphonsystem ist die am weitesten verbreitete Art von solarbeheiztem Warmwassersystem auf dem Markt, und die meisten handelsüblichen passiven direkten solaren Warmwassersysteme verwenden diese Art von auf dem Dach montierter Flachkollektor- und Speicherkombination.

Allerdings Bei der Installation eines solchen Systems muss darauf geachtet werden, dass das Gesamtgewicht von Solarkollektor, Speichertank und Wasser selbst zu viel für die Konstruktion des tragenden Daches sein kann.

Bei passiven Solarwarmwassersystemen für größere Gebäude als für Häuser, Geschäfte oder Büros verwendet werden, gibt es oft mehr als einen Speichertank für das erwärmte Wasser.

Das sogenannte Remote-Thermosyphonsystem funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie das vorherige passive Direkt-Thermosyphonsystem, außer dass sich der Speicher im Dachraum befindet oder das Gewicht über eine größere Fläche verteilt und den Speicher auch vor Kälte und Temperaturen schützt . Damit der Thermosyphoning-Prozess jedoch korrekt funktioniert, muss sich der Boden des Wasserspeichers mindestens 300 bis 500 mm (1 bis 2 Fuß) über der Oberseite der Flachkollektoren befinden. Dieser Abstand wird auch als „Kopfhöhe“ des Systems bezeichnet.

Indirektes Solarthermiesystem

Ein indirektes Warmwassersystem, das ebenfalls sogenannte Kreislaufsysteme, unterscheidet sich vom bisherigen Thermosyphonsystem dadurch, dass ein vom Solar-Flachkollektor getrennter Wärmetauscher das Wasser im Speicher erwärmt.

Indirekte Warmwassersysteme sind aktive Systeme und erfordern Pumpen, um die Wärmeträgerflüssigkeit im geschlossenen Kreislauf vom Kollektor zum Wärmetauscher im Tank zu zirkulieren. Das System enthält eine Frostschutzlösung, typischerweise eine Mischung aus 50 % Glykol und Wasser, im primären geschlossenen Kreislauf anstelle von nur Wasser, das erhitzt und von der Hauptwarmwasserversorgung getrennt gehalten wird.

Indirekte Solarenergie Thermisches System

Der Wärmetauscher überträgt die Wärme von der Frostschutzlösung des Kollektors auf das im Wasserspeicher befindliche Wasser. Der Wärmetauscher kann entweder eine Kupferschlange im unteren Teil des Speichers oder ein Flachplattenwärmetauscher außerhalb des Speichers sein.

Einer der Hauptvorteile dieses indirekten Heizsystems mit geschlossenem Kreislauf besteht darin, dass die Frostschutzlösung das ganze Jahr über in Gebieten funktioniert, in denen die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt, und das System vor Korrosion der Kollektoren durch unbehandeltes gashaltiges Leitungswasser schützt verschiedene gelöste Salze.

Der Hauptvorteil eines indirekten Warmwassersystems mit Zwangsumlauf besteht darin, dass ein vorhandenes Brauchwassererwärmungssystem einfach durch Hinzufügen eines Flachkollektors und eines Einzelkollektors auf solare Erwärmung des Wassers umgestellt werden kann Pumpe, da die meisten Haushalte gas- oder ölbefeuerte Boiler sowie einen Warmwasserspeicher mit eingebauter Wärmetauscherschlange verwenden.

Das System dürfte auch effizienter sein und der Warmwasserspeicher kann überall im Haus platziert werden, da er nicht höher sein muss als die Kollektoren wie beim bisherigen Passiv- oder Thermosyphonsystem.

Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass das System mit geschlossenem Kreislauf von Elektrizität für die Umwälzpumpe abhängig ist, die teuer oder unzuverlässig sein kann. Einige Designs verwenden neben dem Kollektor eine kleine Niederspannungspumpe und ein Photovoltaikmodul, wodurch das System effizienter und umweltfreundlicher wird. Bei größeren Installationen und in kühleren Klimazonen sind die Warmwasserspeicher unterhalb des Daches in Gebäuden integriert, daher ist die indirekte solare Warmwasserbereitung mit Zwangsumlauf die Norm.

Dimensionierung eines Solar-Flachkollektors

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Dimensionierung eines Solar-Flachkollektorsfür den Einsatz in einem solaren Warmwasser- oder Heizsystem hängt vom Warmwasserbedarf ab. Wenn der Warmwasserverbrauch des Hauses oder die maximale Wassertemperatur sinken, kann der Warmwasserbedarf durch eine kleinere Solaranlage gedeckt werden, die einfach auf dem Dach zu installieren ist. Außerdem sind kleinere thermische Systeme billiger zu installieren und amortisieren sich schneller durch Energieeinsparungen.

Die Dimensionierung eines solarthermischen Energiesystems hängt natürlich von Ihrem Warmwasserbedarf, der Temperatur und dem Verbrauch ab, aber allgemeine Faustregeln können es verwendet werden, um eine Vorstellung von der Systemgröße zu geben.

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Solar-Flachkollektoren haben normalerweise eine Größe von etwa 32 Quadratfuß (4 x 8 Fuß) oder 3 Quadratmeter und können jeweils mehr als 200 Pfund oder 100 Kilogramm wiegen. Ein Quadratfuß (1000 cm2) erhitzt ungefähr zwei Gallonen oder 10 Liter Wasser pro Tag auf weit über 70 °C. Daher erwärmt eine einzelne Platte von 20 bis 30 Quadratfuß etwa 60 Gallonen (300 Liter) Wasser, was etwa der Größe eines Standard-Warmwasserspeichers entspricht.

Im Allgemeinen benötigen Sie etwa 10 bis 16 ft2 Flachkollektorfläche pro Person und etwa 1,5 bis 2,0 Gallonen Warmwasserspeicher pro Quadratfuß Kollektorfläche. Für eine vierköpfige Familie bedeutet dies also 40 bis 60 Quadratfuß Kollektorplattenfläche und 60 bis 120 Gallonen Lagerraum. Dann würde ein Solar-Warmwasser-Heizsystem für eine vierköpfige Familie mindestens zwei Standard-Solar-Flachkollektoren von jeweils etwa 32 Quadratfuß (4 x 8 Fuß) benötigen.

Flachkollektor-Zusammenfassung

Während sich Flachkollektoren dadurch auszeichnen, dass sie den Solarstrom effektiver sammeln, können handelsübliche Warmwasserkollektoren manchmal teuer sein. Einfache und billigere Flachplatten können aus alten, schwarz lackierten Heizkörpern von Zentralheizungen oder sogar einer auf einem Dach verlegten Spule aus Kunststoffschlauch oder Wasserrohr hergestellt werden, aber die Systemeffizienz wäre sehr gering.

Ordnungsgemäß installierte Solaranlagen zur Warmwasserbereitung sind effizient und zuverlässig. Systemkonfigurationen können von einfachen Thermosyphonsystemen, die auf Schwerkraft beruhen, bis hin zu komplexeren Zwangsumlaufsystemen reichen, die Pumpen, Steuerungen und Wärmetauscher erfordern.

Obwohl sie höhere Anschaffungskosten haben als herkömmliches Gas, Öl und elektrisches Wasser Heizungen, Solarthermie wird den Kraftstoffverbrauch drastisch reduzieren und kann eine Amortisationszeit von weniger als 10 Jahren haben. Es gibt mehrere Konstruktionstypen und Pläne für Solarwarmwasserbereiter, die derzeit von Lieferanten hergestellt werden. Welche Warmwasserbereitungssysteme und -ausführungen für Ihr Zuhause oder Ihr Unternehmen geeignet sind, hängt stark vom regionalen Klima ab.

Im nächsten Tutorial über Solarheizung und Solarwarmwasser werden wir uns ein weiteres ansehen Eine effizientere Art, Wasser auf eine viel höhere Temperatur zu erhitzen, indem kleine einzelne Kupferkollektoren vakuumversiegelt in einem Glasrohr verwendet werden. Diese Arten von Kollektoren sind allgemein als Vakuumröhrenkollektoren bekannt, die gegenüber Flachplattenkollektoren zur bevorzugten Wahl werden.