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Luftkollektor

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Seite 1
Luftkollektoren
Inhaltsverzeichnis
Wo finde ich was
Luftkollektoren
Die nachfolgend zehn häufigsten Fragen von BauherrInnen und
ArchitektInnen bei der Planung von Luftsystemen sollen Ihnen mit
den Kapitelangaben als Inhaltsverzeichnis dienen.
Systeme
Seite 2
- Konvektive Systeme mir direkter Wärmeübertragung
- Konvektive Speichersysteme
- Weitere Systeme
Komponenten
- Kollektor
- Speicher
- Leitungen
- Antrieb
- Steuerung
-
Seite 2
Welche Möglichkeiten bieten Solarluftsysteme ?
Welches Energiekonzept oder welche Technologie eignet sich?
Seite 4
Abhängigkeiten
-
Kosten
Seite 7
- Investitionskosten
- Amortisationskosten
Erfahrungen
Seite 7
Checklisten
- Faustregeln
- Planungsregeln
Seite 8
Adressen
Seite 10
- für BauherrInnen
- für Architekten und Planer
Seite 11
Solargebäude
Beringen, Oettli
EFH
Horw, Stecher-Wyden
EFH
Oberdorf, Hollinger
MFH
Schwyz, Lenherr
EFH
St. Gallenkappel, Konrad EFH
Trun, Tamborino
EFH
Winterthur, Hunziker Rüegger
MFH
-
-
Seite 8
Welche Faustregeln gelten für die Planung?
Was muss ich bei der Ausführung beachten?
Adressen
-
Seite 7
Wie hoch sind die Investitionskosten?
Wie sieht die Amortisation aus?
Checklisten
-
Seite 6
Welche Abhängigkeiten existieren innerhalb des Systems?
Kosten
Abhängigkeiten
Seite 6
- Systemauslegung
- Heizsystem
- Warmwasser
- Kontrollierte Lüftung mit
Wärmerückgewinnung
Literatur
Systeme
Seite 10
Bekomme ich Fördergelder?
An wen kann ich mich als BauherrIn wenden?
(Adressen Planer, Architekten)
An wen kann ich mich als ArchitektIn wenden?
(Adressen Spezialisten, Hersteller)
Gebäude
Unter der Rubrik 'Solargebäude', siehe auch linke Spalte, finden Sie
die in diesem Kapitel behandelten Gebäude ausführlich dokumentiert.
Sie sind in der Web-Übersicht mit dem Kürzel 'LK' bezeichnet und
werden auf je sechs Seiten wie folgt beschrieben:
Seite 1 Kurzbeschrieb und wichtigste Kenndaten
Seite 2 Gebäudepläne und Gebäudebeschreibung
Seite 3 Energiekonzept und Systemdaten
Seite 4 Konstruktionsdetails
Seite 5 Mess- / Simulationsgrafiken und Systemkosten
Seite 6 Erfahrungsberichte und Adressen
Luftkollektoren
Seite 2
Luftkollektoren
Das Heizen via Luft unterscheidet sich im Prinzip nicht wesentlich
vom Heizen via Wasser. Die Solarstrahlung wird mittels einem Kollektor in Wärme umgewandelt und auf das Trägermedium Luft übertragen.
Die Wärme wird dann via Luft den Räumen zugeführt oder über Tauscherflächen an die Umgebung abgegeben.
In der Fachliteratur werden Luftkollektorsysteme oft als konvektive
Systeme bezeichnet, da die Wärme über bewegte Luft, d.h. Konvektion, an die Räume oder den Speicher übertragen wird.
Konvektives offenes Direktsystem
Systeme
Grundsätzlich lassen sich Luftkollektorsysteme in zwei Gruppen einteilen, konvektive Systeme mit direkter Wärmeübertragung und konvektive Speichersysteme.
Konvektive Systeme mit direkter Wärmeübertragung
Bei einem offenen konvektiven System mit direkter Wärmeübertragung
wird die Aussenluft über einen verglasten oder unverglasten Kollektor
erwärmt und den Räumen anschliessend direkt oder über einen Wärmetauscher zugeführt. Das Prinzip ist mit der Vorwärmung der Aussenluft durch ein Erdregister vergleichbar, nur dass hier die Erwärmung solar erfolgt. Eine allfällige Nacherwärmung wird über eine
konventionelle Heizung in den Räumen oder über ein Nachheizregister
in der Zuluft sichergestellt.
Die Erwärmung eines Gebäudes über ein konvektives direktes System ist im Wohnungsbau uninteressant, da hier genügend Wärme
über die Fenster gewonnen werden kann. Das System kommt daher
vor allem bei Werkhallen, Bürogebäuden, Schulen oder Verwaltungsbauten zum Einsatz, bei denen grosse verglaste Südflächen wegen
Blendungen unerwünscht sind. Die geschlossenen Fassadenflächen
können hier gut mit Luftkollektoren genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Produktions- und Verwaltungsgebäude der Firma Leister in
Sarnen, Schweiz. Ein unverglaster gelochter, 1'400 m2 grosser Blechabsorber bildet die Aussenhaut der Südostfassade. Die Aussenluft
wird am gelochten Absorber erwärmt und dahinter mit Ventilatoren
angesaugt, in einem Sammelkanal im Dach gefasst und dem Lüftungsgerät zugeführt, wo sie bei Bedarf nachgeheizt werden kann. Die bisher grösste Anlage Europas liefert ca. 85 kWh/m2a bei Wärmegestehungskosten von 4 Rp./kWh.
Konvektive Speichersysteme
Bei konvektiven Speichersystemen wird die im Kollektor erwärmte Luft
durch Decken und Wände oder eine Geröllpackung geführt. Dabei wird
die Wärme an den Massenspeicher und von ihm zeitverzögert an den
Raum abgegeben. Durch die Kombination mit dem Massenspeicher
Firma Leister in Sarnen, Solarwall, Göttingen, 1998
Gelochter schwarzer Absorber
aus Aluminiumtrapezblech
Seite 3
Luftkollektoren
Konvektives System mit Muround Hypokaustspeicher
Konvektives System mit Geröllspeicher
kann die Solarenergie viel besser genutzt werden, da nebst der Direktnutzung durch Fenster nun zusätzlich auch eine Wärmeabgabe nachts
oder während einiger Schlechtwettertage möglich ist. Jedoch erfordert die Speicherung vom Planer einiges an Know-How, damit die
Solarwärme wirklich effizient genutzt werden kann.
Wand- und Deckenspeicher werden auch als Muro- und Hypokausten
bezeichnet. Die Hohlräume für die Luftführung können entweder als in
Beton eingelegte Rohre oder mittels Hohlsteinen erstellt werden. Die
Wärmeabgabe erfolgt durch Wärmestrahlung an den Oberflächen.
Systeme mit Geröllspeichern weisen demgegenüber zwei getrennte
Luftkreisläufe auf, einen Kollektorkreislauf zum Laden des Speichers
und einen Gebäudekreislauf zum Entladen des Speichers. Es ist sinnvoll, den Speicher im Gebäudeinnern anzuordnen, da so zusätzlich
die Wärmeabgabe über Wärmeabstrahlung genutzt werden kann.
Geröllspeicher- und Hypokaustsysteme sind grundsätzlich als Lösung
gleichwertig. Der Entscheid für das eine oder andere ergibt sich aus
den jeweiligen baulichen Rahmenbedingungen. So steht bei einer Sanierung eine Lösung mit Hypokausten nur dann zur Diskussion, wenn
gleichzeitig Decken erneuert werden müssen, wie das beim Gebäudebeispiel Horw der Fall war. Vor allem im Vorarlberg wurden viele Gebäude mit Geröllspeichern realisiert, wie z.B. die Volksschule in Dafins
von Sture Larsen, oder das Einfamilienhaus Rauch von Georg Rauch
in Schlins. In der Schweiz wurden mehrheitlich Beispiele mit Hypokaustlösungen gebaut. Mehr dazu finden Sie unter dem Kapitel 'Komponenten'.
Weitere Systeme
Funktionsschema Winter,
Bara-Costantini-System
Funktionsschema Sommer,
Bara-Costantini-System
WW
Prinzip-Schema Horw
Als Mischung zwischen konvektiven Systemen mit direkter Wärmeübertragung und Speichersystemen wurde in Italien das nach dem
Erfinder benannte Bara-Costantini-System entwickelt, welches vor
allem im Wohnungsbau realisiert wurde. Die Raumluft fliesst hier via
Schwerkraft selbständig in den Kollektor, wird erwärmt und strömt über
eine Zwischendecke, welche gleichzeitig als Nachtspeicher funktioniert, wieder in den Raum. Nachts wird der Kreislauf mit Klappen unterbunden. Der Vorteil offenbart sich vor allem in südlichen Ländern
mit heissen Sommern. Der Raum kann über den Kollektor entlüftet
werden, wobei die Zuluft über nordseitige Fenster oder ein Erdregister
geführt wird. Dieses System vermeidet also grosse Überhitzungen im
Sommer und leistet einen Beitrag an die winterliche Wärmeleistung.
Natürlich lässt sich mit einem Luftkollektor in Kombination mit einem
Wärmetauscher auch Warmwasser erzeugen. Jedoch liegt es auf der
Hand, dass der Mediumswechsel von Luft zu Wasser nur dann Sinn
macht, wenn das Medium Luft zur Heizung genutzt wird. Daher wird
dieses Prinzip nicht als eigentliches System aufgeführt. Sie finden
bei den Gebäudebeispielen jedoch den Hinweis auf eine Warmwassernutzung im Prinzipschema. So wurden bei den Gebäuden Horw und
Rychenberg Luft-Wasser-Wärmetauscher realisiert.
Luftkollektoren
Seite 4
Komponenten
Kollektor
Für den Kollektor sind heute sowohl einfache Lösungen, die sich im
Selbstbau herstellen lassen oder vom Architekten entwickelt werden,
als auch Fertigprodukte ab Stange möglich.
Für grossflächige Anlagen besteht die kostengünstigste Variante aus
den eingangs erwähnten einfachen gelochten Absorberblechen, auch
Luftabsaugfassade genannt, wie bei der Firma Leister in Sarnen. Da
hier aber der Absorber durch Infrarotstrahlung und Konvektion (Wind)
unvermindert Wärme an die Umgebung abgibt, erreichen diese Systeme nur eine geringe Wärmeleistung pro installierte Kollektorfläche und
sind deswegen für kleinere Anlagen eher ungeeignet.
Eine äusserst kosteninteressante Kollektorvariante bildet die beim
Gebäudebeispiel Trun realisierte Lösung, bei der ein rahmenloses gehärtetes Glas mit einer einfachen Fixierung vor der normalen Fassadenoberfläche befestigt wird. Die Fassadenoberfläche dient hier gleichzeitig als Absorber. Attraktiv ist diese Lösung auch architektonisch, da
das optische Erscheinungsbild des Gebäudes kaum beeinflusst wird.
Diese Lösung eignet sich deshalb besonders auch für Sanierungen.
Die klassische Kollektorlösung besteht aus einer eisenarmen und deshalb lichtdurchlässigeren gehärteten Verglasung (Einfach- oder Doppelverglasung), welche luftdicht mit einem dunklen beschichteten Blechabsorber verbunden ist, wie sie bei dem Gebäudebeispiel Rychenberg
als Fassadenkollektor eingesetzt wurde. Mit dieser Konstruktion lässt
sich die Wärmeabstrahlung bei kalten Umgebungstemperaturen am
besten unterbinden und damit die Wärmeleistung pro installierte
Kollektorfläche erhöhen. Jedoch sind die Kosten für eine verbesserte
Verglasung, Beschichtung und Material des Absorbers sowie die luftdichte Konstruktion im Auge zu behalten, damit das Gesamtsystem
kosteneffizient bleibt.
Oftmals wird im Zusammenhang mit Luftkollektoren auch von hybriden Systemen gesprochen, d.h. es werden aktive Kollektorsysteme
und sogenannte passive Direktgewinnsysteme kombiniert. Der Fensterkollektor ist ein Beispiel für eine klassische hybride Nutzung. Die gleiche bauliche Komponente dient hier einerseits als aktiver Luftkollektor
und andererseits passiv als Fenster für die direkte Solarnutzung. Die
Regelung erfolgt über einen zwischen den beiden Gläsern liegenden
Lamellenstoren, welcher als Absorber dient. Für Fensterkollektorsysteme werden in der Regel 2-fach Verglasungen oder 2-fach
Wärmeschutzverglasungen verwendet, um den Wärmeverlustwert der
Gebäudehülle zu verbessern. Für die innere Verglasung ist dabei immer die bessere Verglasung zu wählen, um eine unerwünschte Überhitzung des angrenzenden Raumes durch den Kollektor zu verhindern.
Eine Speziallösung wurde beim Gebäudebeispiel Schwyz angewandt.
Hier wurde der Fensterkollektor vor einen Wintergarten gestellt, welcher die Kollektorabwärme saisonal nutzen kann, respektive über den
die überschüssige Kollektorabwärme wahlweise ins Hausinnere oder
nach aussen weggelüftet werden kann.
Unverglaster, gelochter Blechabsorber als Kollektor, Sarnen
Rahmenloser Kollektor mit
Fassade als Absorber, Trun,
Tarcisi Maissen SA, 1995
Kollektor mit Blechabsorber,
Winterthur, Bänninger & Partner,
2000
Fensterkollektorsystem mit
Hypo-/Murokauste
Fensterkollektorsystem mit
Wintergarten
Seite 5
Luftkollektoren
Speicher
Tonhourdiselemente für die
Deckenkonstruktion, Trun
Luftkanäle in der Schalung für
die Betonwand, St. Gallenkappel,
U. Schäfer, 1993
Als Speichermaterialien eignen sich für Decken und Wände Tonhohlsteine, wie sie im Gebäudebeispiel Trun verwendet wurden, oder Beton, in welchen die zur Luftführung notwendigen Rohre eingelassen
werden, wie dies beim Gebäudebeispiel Schwyz ausgeführt wurde.
Wichtig bei beiden Lösungen ist eine gute Isolation der Decken, so
dass die Wärmeabgabe der 25-40 °C warmen Luft in die gewünschte
Richtung erfolgt. Ausserdem muss man darauf achten, dass Speicherwände Wärmestrahlungsflächen sind und somit nicht als Stellflächen
zur Verfügung stehen.
Für vertikale Speicher eignet sich ebenfalls Geröll, d.h. gewaschener
Kies der Grösse 50/70, welcher eine gute Wärmespeicherfähigkeit und
eine verhältnismässig grosse Oberfläche für einen raschen Wärmeaustausch aufweist.
Bei der Auslegung des Geröllspeichers ist auf eine optimale Durchströmung aller Teile der Speichermasse zu achten.
Bei der Bestimmung der Lage des Speichers innerhalb des Gebäudes
muss der relativ hohe Platzbedarf eines vertikalen Geröllspeichers
gegenüber der ungenutzten Wärmeabstrahlung eines horizontal angeordneten Speichers im Keller abgewogen werden. Als Beispiele seien
hier das Gebäudebeispiel Beringen sowie die Volksschule Dafins von
den Architekten Larsen, Unterrainer und Kaufmann angeführt.
Leitungen
Vertikale Anordnung Geröllspeicher, Beringen,
Reich+Bächtold, 1993
Für die Luftführung eignen sich herkömmliche runde oder rechteckige
glatte Lüftungskanäle oder die vorab erwähnten Tonhohlelemente.
Grundsätzlich sollten Wärme- und Strömungsverluste weitgehend vermieden werden, d.h. es sollten möglichst kurze, gut isolierte Leitungen mit glatten Oberflächen und einfachen Verbindungen verlegt werden.
Antrieb
Volksschule Dafins, Larsen,
Unterrainer, Kaufmann, 1990
Der Antrieb des Kreislaufs kann entweder via Schwerkraft oder mittels eines Ventilators erfolgen. Der Schwerkraftantrieb basiert auf dem
einfachen physikalischen Gesetz, dass warme Luft leichter als kalte
ist und somit steigt. Für einen optimalen Betrieb sollte der Kollektor
also unten liegen und der Speicher oben.
Ein Betreiben des Luftsystems mit einem oder mehreren Ventilatoren
hat den Vorteil, relativ unabhängig von der Lage des Speichers und
Kollektors zu sein. Es lassen sich aber auch mehrere Speicherflächen
besser bewirtschaften und die Strömungsrichtung kann umgekehrt
werden. Letzteres führt meist wie im Beispiel Trun zu kürzeren Leitungen vom Kollektor zum Speicher.
Steuerung
Horizontaler Geröllspeicher,
Volksschule Dafins, Vorarlberg
Die Steuerung des Systems erfolgt via Klappen und allenfalls auch
noch Ventilatoren. Um eine Auskühlung des Systems durch Schwerkraftzirkulation über den Kollektor bei kalten Umgebungstemperaturen
zu verhindern, werden sogenannte Rückschlagklappen in das Luft-
Luftkollektoren
Seite 6
system eingebaut. Die früher oftmals eingesetzten Polyäthylenfolien
haben sich als zuwenig dicht erwiesen. In der Praxis bewährt haben
sich motorische Klappen.
Abhängigkeiten
Systemauslegung
Mit einem Luftkollektorsystem kann ca. 65 % des Warmwasserbedarfes
und je nach gewähltem System und geografischer Lage 15-55 % des
Heizenergiebedarfes gedeckt werden. Dies bedeutet, dass der verbleibende Restbedarf mit einem Zusatzheizsystem gedeckt werden
muss. Als Zusatzheizsysteme eignen sich schnell reagierende Systeme z.B. mit Radiatoren oder eine Bedarfsheizung, z.B. ein Holzofen, wie im Beispiel Horw oder Beringen.
Eine Verknüpfung von Luft- und Zusatzheizsystem, d.h. die Nutzung
des gleichen Verteil- und Speichernetzes ist grundsätzlich möglich.
Jedoch zeigt das Gebäudebeispiel St. Gallenkappel, dass eine solche
Verknüpfung nicht ganz unproblematisch ist. Bei einer Direkteinspeisung in das Verteilsystem konkurrenzieren sich Zusatzheizung
und Solarkollektor, denn ein Holzofen erwärmt den Speicher weit über
die Kollektortemperatur, so dass während des Heizbetriebes eine solare Wärmeaufnahme blockiert wird.
Warmwasser
Eine Verknüpfung des Luftsystems mit der Warmwasseraufbereitung
ist sinnvoll und relativ einfach realisierbar. Wie in den Beispielen Horw
und Winterthur gezeigt wurde, lassen sich mit dieser Variante auch die
sommerlichen Erträge des Kollektors nutzen, was wiederum die Amortisation der Anlage verbessert.
Kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung
Bei einer kontrollierten Lüftung wird das Gebäudeinnere während der
Heizperiode über eine Lüftung kontrolliert be- und entlüftet. Die beiden
Luftstränge können in einem speziellen Gerät aneinander vorbeigeführt werden, so dass sich die Wärme der Abluft auf die kältere Zuluft
überträgt. Dieses Gerät wird als Wärmetauscher bezeichnet. Als Wärmetauscher werden auch Erdregister bezeichnet. Hier werden die Luft-
Prinzip der Nachtauskühlung
ohne Rückschlagklappen
Rychenberg Warmwasser
Solar-WW
kWh
Pellets-WW
1200
1000
800
600
400
200
0
Apr 00 Mai 00 Jun 00 Jul 00 Aug 00 Sep 00 Okt 00 Nov 00 Dez 00 Jan 01 Feb 01 Mrz 01
Verknüpfung Warmwasser mit
Solarsystem, Beitrag solar und
Pellets, Solargebäude Winterthur
Solar WW
Elektro WW
Dummy
140
1400
120
1200
100
1000
80
800
60
600
40
400
20
200
0
0
Okt Nov Dez Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep
1998/99
OktApr
Verknüpfung Warmwasser mit
Solarsystem, Beitrag solar und
Strom, Solargebäude Horw,
B. Küng, 1997
kWh / Okt-Apr
Heizsystem
Prinzip Schwerkraftantrieb
kWh / Monat
Wichtig bei der Auslegung des Systems ist die richtige Dimensionierung
der Einzelkomponenten, also die Optimierung des Gesamtsystems
vor der Perfektionierung einzelner Aspekte. Stimmen Kollektorgrösse
und Speichermasse oder Verteilflächen nicht, oder wird das Angebot
an Sonnenstrahlung überschätzt, bleibt der gewünschte Deckungsgrad unerreichbar. Werden Strömungswiderstände von Leitungen oder
thermische Bewegungen beim Stillstand zu wenig berücksichtigt, sind
die Verluste gross. Hier zahlt sich eine sorgfältige Planung und/oder
Beratung durch einen Spezialisten mehrfach aus.
Seite 7
Luftkollektoren
Anteil Kosten für Solarsystem %
6%
Schwyz
10%
3%
Investitionskosten für Solarluftsystem und m3-Kosten SIA
Heizung
W arm wasser
500
400
300
200
100
Trun
Schwyz
Winterthur
Horw
Oberdorf
St. Gallenkappel
Beringen
Minergie
0
SIA Zielwert
Kosten
Investitionskosten
Strom
600
MJ/m2a
ströme durch im Erdreich verlegte Rohre geführt. Die Wärme wird im
umliegenden Erdreich zwischengespeichert.
Luftsysteme funktionieren grundsätzlich ohne kontrollierte Lüftung und
Wärmerückgewinnung. Die vorgestellten Luftsysteme lassen sich aber
relativ einfach mit einer kontrollierten Lüftung mit Wärmerückgewinnung
kombinieren.
Trun
4%
Winterthur
St.
Gallenkappel
10%
Oberdorf
3%
6%
Horw
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Beringen
Fr./m3 (SIA)
m3 Kosten SIA
Energiekennzahlen der vorgestellten Gebäudebeispiele
Die Investitionskosten betragen für einfache rahmenlose verglaste
Kollektorsysteme wie im Beispiel Trun oder Horw 350-550 Fr./m2
Kollektorfläche. Wie das Beispiel Winterthur zeigt, kann der Preis für
einen aufwendigeren Kollektor und die gesamte Luftführung jedoch
auch auf über 1'100 Fr./m2 Kollektorfläche steigen. Hier haben Grundkonzeption des Solarsystems, Konstruktion und Bauablauf einen wesentlichen Einfluss auf die Endkosten und sind dementsprechend sorgfältig zu planen. Die Investitionsmehrkosten der vorgestellten
Gebäudebeispiele liegen zwischen 3 und 10 %. Im Vergleich dazu
liegen die Kosten für gängige solare Warmwassersysteme zur Heizungsunterstützung bei ca. 1'300 Fr./m2 Kollektorfläche. Der Flächenbedarf
liegt hier aber bei ca. 50% gegenüber einem solaren Luftsystem.
Amortisationskosten
Ob eine finanzielle Amortisation der Mehrkosten z.B. gegenüber einer
konventionellen Ölheizung überhaupt möglich ist, hängt stark vom gewählten System und den Kosten für Verteilung, Speicherung, usw. ab.
Nicht zuletzt ist auch der angenommene Preis für Öl in den nächsten
20 Jahren bei dieser Rechnung relevant. In Horw liegen die Mehrkosten gegenüber einer konventionellen Ölheizung bei Fr. 5'000, die Amortisation über die Differenz der Heizkosten beträgt ca. Fr. 190 jährlich,
was ca. 3.8% der Mehrinvestitionen entspricht.
Erfahrungen
Die Erfahrungen mit den vorgestellten Gebäudebeispielen zeigen, dass
Luftsysteme durchaus konkurrenzfähige Lösungen darstellen. Die
Entwicklungstendenzen zeigen klar in Richtung entweder einfache,
kostengünstige Systemlösungen wie das Beispiel Horw oder Trun oder
dann in Richtung komplexe Gesamtlösungen, bei denen das Luftsystem Teil eines ganzen Massnahmenpaketes ist wie im Beispiel
Winterthur.
Die Energiekennzahlen der Beispielgebäude liegen deutlich unter den
Zielwerten der SIA. Fast alle erfüllen den Minergiestandard. Die Gebäude weisen also alle eine sehr gute Wärmedämmung auf. Es wurde
ausserdem überall auf Energiesparsamkeit bei installierten Geräten
geachtet, weshalb auch der Warmwasser- und der Stromverbrauch
Seite 8
Luftkollektoren
100
90
80
70
Direkte Gewinne
60
Interne Gewinne
%
50
40
System-Gewinne
30
Heizung
20
10
0
Oberdorf
Prozentualer Anteil der Nutzenergien am Heizenergiebedarf,
Solargebäude Oberdorf, F. Meier,
1994
H eizenergiebedarf
A ktiver K ol.beitrag
P uffereffekt
2500
2000
kW h /M o n a t
tief liegen.
Der Beitrag des Luftkollektorsystems am Heizenergiebedarf beträgt
am Gebäudebeispiel Oberdorf 43% im Verhältnis zu einem solaren
Direktbeitrag durch Fenster von 28%.
Der zusätzliche Puffereffekt durch den Kollektor wurde durch Simulation beim Gebäudebeispiel Trun mit ca. 25% über die Heizperiode beziffert.
Grundsätzlich besteht nur geringfügig Konkurrenz zwischen konvektiven Luftspeichersystemen und einer kontrollierten Lüftung mit Wärmerückgewinnung, da die beiden Systeme getrennt operieren. Am
Gebäudebeispiel Oberdorf simuliert, wurde der Beitrag beider Systeme auf 62% beziffert. Der Einsatz von nur einer kontrollierten Lüftung
mit Wärmerückgewinnung lag bei 22%, der von nur dem Kollektorsystem bei 42%.
Einen detaillierten Erfahrungsbericht zu den einzelnen Systemen lesen Sie bitte jeweils auf Seite 6 der Gebäudebeispiele.
1500
1000
500
0
O kt
Checklisten
Faustregeln
-
Orientierung: Abweichung ± 30° von Süden möglich.
Geneigte Fläche: Fassadenkollektor für Wintererträge, Dachkollektor
für Sommererträge und Verkürzung der Heizperiode.
Systemauslegung für Schlechtwetterperioden von 3-4 Tagen und
Aussentemperaturen von 0-5 °C.
Verhältnis Kollektorfläche / Energiebezugsfläche: 0.25 / 1.
Verhältnis Speichermasse / Kollektorfläche (= Glasanteil ca. 70%
der Bruttofläche: 0.8 m3/m2 KFgl.
N ov
D ez
Jan
F eb
M rz
A pr
58% Deckung des
Heizenergiebedarfs durch die
Kollektorfassade in Trun, davon
1/3 passiv als Pufferzone, 2/3
aktiv als Kollektor
Qh total
Einsparung
100
90
80
70
60
22
42
60
% 50
40
30
20
10
0
ohne Kollektor und
nur
Erdregister/WRG Erdregister/WRG
nur Kollektoren
Kollektoren und
Erdregister/WRG
Planungsregeln
Konkurrenz von kontrollierter
Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) und Luftkollektorsystem simuliert am
Solargebäude Oberdorf
Einsparung
32
42
Dach- und
Fensterkollektor
ohne Kollektor
18
nur
Fensterkollektor
Qh OG
nur
Dachkollektor
Qh EG
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Heizenergiebedarf (kWh)
Kollektor
- Der Flächenanteil der Direktverglasung sollte 30% der Fassade
nicht unterschreiten.
- Bei Kombination von Fensterkollektor und Luftkollektor sollte die
Flächenaufteilung etwa 40% : 60% betragen.
- Temperaturen im Kollektorinnern sollten >30 °C sein, da sonst nur
eine Pufferwirkung und kein aktiver Solarertrag erzielt werden kann.
- Bei Kombination von Dachluftkollektoren mit Fensterkollektoren sind
auf Grund der stärkeren Wärmeverluste Dachluftkollektoren im Kreislauf vor Fensterkollektoren anzuordnen.
- Werden Fensterkollektoren mit Luftkollektoren kombiniert, sollte
der Fensteranteil der Fassade ca. 50% betragen, der Anteil der
Lüftungsfenster ca. 6% der Fassade.
- Beidseitige Reinigung der Verglasung einplanen oder gute Filter vor
der Luftfassung vorsehen.
- Fensterkollektoren sollten beidseitig eine 2-fach Verglasung aufweisen, wobei allenfalls für die innere Verglasung bessere Konstruktionen zu verwenden sind. Die Beeinträchtigung durch einen
Simulation des Beitrags von
Fassadenfensterkollektor mit
zusätzlicher Pufferfunktion für die
Gebäudehülle und Dachkollektor
in Oberdorf
Luftkollektoren
Seite 9
-
-
schlechteren g-Werte spielt wegen des in der Regel grösseren
Fensterflächenanteils der Fassade keine Rolle.
Fensterkollektoren sollten im Sommer entlüftet werden, da sonst
die Wärmeabstrahlung nach innen zu gross wird. Die innere Beschattung leistet auch bei Reflexionsbeschichtungen keinen Beitrag gegen die Überhitzung des Innenraumes. Luftkollektoren müssen im Sommer nicht entlüftet werden, sofern sie teilweise beschattet
und gut wärmegedämmt sind.
Keine Kunststoffprofile für Rahmen verwenden, da Temperaturausdehnung zu gross ist.
Strömungsquerschnitt Kollektor 0,03 m2/m2 Kollektorglas.
Luftführung
- Luftmenge ca. 50-70 m3/hm2 Kollektorfläche.
- Luftgeschwindigkeiten im Kollektor < 1 m/s (Fensterkollektor
< 0,6 m/s), in Kanälen < 1.5 m/s.
- Kanalquerschnitt ca. 200 cm2/m2 Kollektorfläche oder 1 cm2/m3h.
- Luftwiderstände klein halten, d.h. glatte Rohre und möglichst runde
Übergänge, denn die Ventilatorleistung beträgt 8-15 W/m2 Kollektorfläche oder 5-20 % vom Nettoenergieertrag.
- Kurze, gut isolierte Leitungen zum Speicher.
Steuerung
- Betrieb Ventilator via Temperaturdifferenzschalter bei Temperaturdifferenzen von 15 K - 5 K zwischen Kollektor und Speicher. Eine
alternative Steuerung über ein Fotovoltaikpanel (0,06 m2 Fotovoltaikpanel/m2 Luftkollektorfläche) ist sinnvoll, da die solaren Stromgewinne mit dem Bedarf an Ventilationsenergie parallel verlaufen.
Jedoch ist diese Lösung teurer.
- Bedienung der Lamellen des Fensterkollektors via Bewohner ermöglichen.
- Unterbindung einer Auskühlung des Systems durch unerwünschte
Eigenzirkulation innerhalb der Kanäle oder des ganzen Systems
mit motorisch betriebenen dicht schliessenden Rückschlagklappen.
- Be- und Entlüftung des Kollektors im Sommer vorsehen.
Speicher
- Für eine optimale Speicherbewirtschaftung bei der Variante mit eingelegten Rohren sollte die Ummantelung mit Beton 10-15 cm pro
Rohr betragen.
- Wärmverluste möglichst in Räume mit wenig Direktgewinn und Abwärme leiten.
- Wärmedämmung Geröllspeicher gegen Aussen oder Erdreich
15 cm.
- Speicherdämmung ca. 0,8 - 1,0 W/m2K für Situation im März auslegen.
- Geröllspeicher ohne Wärmebrücken realisieren, unkontrollierte Luftströme vermeiden, auf gute Durchströmung, d.h. Ladefähigkeit achten.
Luftkollektoren
-
Wärmekapazität Speichermasse pro m2 verglaste Luftkollektorfläche 1,4 - 2,2 MJ/K oder 1 - 1,5 m3 Geröllspeicher.
Wärmekapazität Speichermasse pro m2 verglaste Fensterkollektorfläche 0,8 - 1,1 MJ/K oder 0,5- 0,75 m3 Geröllspeicher.
Adressen
für BauherrInnen
Die Adressen der ArchitektInnen und PlanerInnen, welche an der Realisierung der vorgestellten Beispiele beteiligt waren, finden Sie auf Seite
6 der jeweiligen Gebäude oder als Excel-Datei 'Adressen' unter 'Vademekum' zum Herunterladen. Gute Suchmasken finden Sie auch im
Internet:
Schweiz
- Solarprofis der SWISSOLAR, www.swissolar.ch
Deutschland
- Solarserver, www.solarserver.de
Österreich
- www.eva.wsr.ac.at
Über die Beantragung öffentlicher Fördermittel informiert Sie:
Schweiz/Liechtenstein
- Swissolar, www.swissolar.ch/deutsch/bau_foerder.html
- Bundesamt für Energie, www.energie-schweiz.ch
Deutschland
- Deutscher Fachverband Solarenergie, Freiburg,
www.dfs.solarfirmen.de
Österreich
- Landesweite Förderungen, www.eva.wsr.ac.at
- Regionale Förderungen, www.eva.wsr.ac.at
für ArchitektInnen und PlanerInnen
Die gleichen Adresshinweise gelten für Solarluftkollektor-SpezialistInnen und HerstellerInnen von Komponenten, d.h. Seite 6 der jeweiligen Gebäude oder als Excel-Datei 'Adressen' unter 'Vademekum' zum
Herunterladen. Als weitere Anlaufstelle für Beratung sind auch die folgenden SolarluftexpertInnen der IEA (Internationale Energieagentur)
zu empfehlen:
Schweiz
- K. Fort, Ing. Büro, Weiherweg 19, 8604 Volketswil,
k_fort@compuserve. com
- Ch. Filleux, Basler & Hofmann AG, Forchstrasse 395, PF,
8029 Zürich, chfilleux@bhz.ch
- A. Gütermann, Amena, Tösstalstr. 12, 8400 Winterthur,
amena.ag@energienetz.ch
- S.R. Hastings, AEU, Kirchstr. 1, 8304 Wallisellen,
robert.hastings@freesurf.ch
- G. Zweifel, Abt. HLK, ZTL, 6048 Horw, gzweifel@ztl.ch
- U. Schäfer, Zollikonstr. 20, 8122 Binz
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Luftkollektoren
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Deutschland
- H. Erhorn, Fraunhofer Institut für Bauphysik, Nobelstr. 12,
70569 Stuttgart, erh@ibp.fhg.de
- J. Morhenne, Ing.büro Morhenne GbR, Schülkestr. 10,
42277 Wuppertal, IBMorhenne@t-online.de
- F. Heidt, Fachbereich Physik & Solar, Uni GH Siegen, Adolf
Reichweinstr., 57068 Siegen, heidt@physik.uni-siegen.de
- M. Schuler, Helmut Meyer Ing. GmbH, Nobelstar. 15,
70569 Stuttgart, schuler@transsolar.com
- S. Schröpf, Solar Env. Tech., Grammer KG, Wernher v. Braunstr. 6, 92224 Amberg
Österreich
- H. Fechner, Fach 8, Oest. Forschungszentrum, Faradygasse 3,
1031 Wien, fechner@email.arsenal.ac.at
- S. Larsen, Architekt, Lindauerstr. 33, 6912 Hörbranz,
solarsen@comuterhaus.at
- Th. Zelger & M. Bruck, Kanzlei Dr. Bruck, Prinz-Eugen-Str. 66,
1040 Wien, bruck@magnet.at
Literatur
Zimmermann M., Handbuch der passiven Sonnenenergienutzung, SIA
D010, Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Postfach,
8039 Zürich, 167 Seiten, 1986
Hastings S. R., Røstvik H. N., Solar Air Systems - Product Catalogue,
James & James Ltd., London, 32 Seiten, £15.00, 1998, ISBN 1-87393684-2, www.jxj.com
Hastings S. R., Solar Air Systems - Built Examples, James & James
Ltd., London, 224 Seiten, £45.00, 1999, ISBN 1-873936-85-0,
www.jxj.com
Hastings S. R. Mørck O., A Design Handboock, James & James Ltd.,
London, 286 Seiten, £50.00, 2001, ISBN 1-873936-8-9, www.jxj.com
Ebenfalls in Bearbeitung ist ein deutschsprachiges Planungshandbuch
zu Solarluftsystemen für Architekten und Spezialisten von den Autoren Gütermann A. (AMENA AG, Winterthur) und Filleux Ch. (Basler &
Hoffmann, Esslingen) welches Ende 2002 erscheinen soll. Detailliertere Informationen entnehmen Sie der Fachpresse.
Gütermann A., Krüsi P., Solarhaus Lenherr, Schwyz - Wintergarten,
Fensterkollektor, Kombination mit Boden-/Wandspeicher, S. 77, (mit
Auslegungsbeispiel für ein solares Luftsystem), Forschungsstelle
Solararchitektur ETHZ, 1992, Bezug: EMPA ZEN, 8600 Dübendorf
Luftkollektoren
Gütermann A., Solarhaus Tamborino, Trun - Wirtschaftliche und gesamtökologische Optimierung eines konvektiven Luftsystems, 71 Seiten,
Forschungsstelle Solararchitektur ETHZ, 1998, Bezug: EMPA ZEN,
8600 Dübendorf
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Bildnachweis
Solarwall, Göttingen
- Seite 2: Nr. 2
AMENA, Winterthur
- Seite 5: Nr. 1
- Seite 6: Nr. 3, 4
- Seite 8: Nr. 2
D. Brühwiler, Volketswil
- Seite 5: Nr. 2
Reich+Bächthold,
Schaffhausen
- Seite 5: Nr. 3
S. Larsen, Hörbranz
- Seite 5: Nr. 4, 5
F. Meier, Lausen
- Seite 8: Nr. 1, 3, 4
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Technik
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