(Solar)-Luft-Kollektor

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
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Luftkollektor
Luftkollektoren haben den selben Aufbau wie der von Flachkollektoren einer thermischen Solaranlage. Sie bestehen aus einem Kollektorgehäuse, einer transparenten Abdeckung, einem Absorber und einer rückseitigen Wärmedämmung. Bei der Auswahl der Materialien der Komponenten und die Witterungsbeständigkeit sind dieselben Grundregeln wie bei einem Flachkollektor zu beachten.
Solar-Luft-Kollektoren können zur Beheizung und/oder Belüftung von Gebäuden eingesetzt werden. Die vom Prinzip her einfachen Solar-Lüftungssysteme arbeiten nach dem "Wärmefallen-Prinzip" oder auch "Wintergarten-Prinzip". Komplette Gebäude oder Teilfassaden können mit einem Glasvorbau und integrierten Luftkollektoen versehen werden.

SolarLuftkollektor - Grammer Solar GmbH

Solar-Luftkollektor - Luftumleitung > Durchstromung
Quelle: Grammer Solar GmbH

Hybridkollektor / PVT-Kollektor
Als Hybridkollektor wird ein PVT-Kollektor (PV [Photovoltaik] und T [thermischer Kollektor - Flüssigkeit oder Luft]) oder ein Flüssigkeit/Luft-Kollektor bezeichnet. Mit dem PVT-Kollektor kann nicht nur elektrische Energie erzeugt, sondern auch Wärme produziert werden.
Durch die Kombination der PV-Module und thermischen Solarkkollektoren in einem Bauteil wird weniger Fläche bei gleicher Energieausbeute benötigt. Dies verursacht geringere Kosten bei der Produktion und Montage. Außerdem wird eine Dachfläche mit den PVT-Kollektoren optisch hinnehmbarer. > mehr

Kontrollierte Lüftung
Hypokausten-System
Diese Kollektoren gibt es aber auch als Kollektoren für die Aufdachmontage und als Kleinpaneele für die Hauswand.
Im Sommer wird die vertikale Luftbewegung im verglasten Bereich für den Luftaustausch genutzt. Die im Winter eingefangene Strahlungswärme unterstützt die Gebäudeheizung über die kontrollierte Wohnungslüftung. Die Einstrahlintensität wird durch automatische Jalousiensysteme geregelt.
Die solare Energie aus der Luft kann auch zur Kühlung über eine Adsorptionswärmepumpe genutzt werden. Die Effektivität der solaren Lüftung ist von der Strahlungsintensität, den Gebäudekonstruktion und der verwendeten Haustechnik abhängig.

Den Solar-Luft-Kollektor gibt es in verschiedenen Aufführungen, ja sogar viele Eigenbauten. Besonders hat sich speziell perforiertes schwarzes Aluminiumblech bewährt, das auch die diffuse Einstrahlung (bei bedecktem Himmel) in Wärme umgewandelt. Die Perforation lässt eine gute Zirkulation zu. Dadurch wird der Luftkollektor relativ gleichmäßig erhitzt.

Die seit 1992 in Deutschland entwickelten und gefertigten Absorberbleche erhöhen die Zulufttemperatur, abhängig von der Luftwechselrate, um bis zu 30 °C. und sind weltweit in verschiedensten Ausführungen (auch ohne Glasabdeckung) im Einsatz. Die Effizienz wurde bei vielen Mess-Studien nachgewiesen. Im Solarluftkollektor wurde, ohne Vorerwärmung, bereits im März 2006 eine Temperatur von über 70 °C. gemessen. Bei einmaligem Luftwechsel in der Minute, sank die Temperatur erst nach über 90 Minuten Ventilatorlaufzeit auf 55 °C. DRYTEC
Kontrollierte Lüftung 
Quelle: SolarVenti®
Ein solarer Luftkollektor kann auch in die Dämmung einer Fassade (WDVS) integriert werden und ist optisch einem Fenster gleichzusetzen oder farblich auf die Fassade abgestimmt. Da die Haushüllen durch die Wärmedämmsysteme sehr dicht sind und in den meisten Fällen sogar ein Dichtheitstest (Blower-Door-Messverfahren) durchgeführt wird, muss grundsätzlich ein Lüftungskonzept nach DIN 1946-6 erstellt werden. Hieraus ergibt sich in der Regel ein Lüftungssystem, das dem Haus bzw. der Wohnung einen Mindestluftwechsel zuführt.
So kann z. B. das solare Fassadensystem AirSun als Teil (Außenluftdurchlass) einer lüftungstechnischen Anlage (Abluftanlage) eingesetzt werden. Hier liegt der Vorteil darin, dass keine kalte Außenluft in die Räume gelangt.
SunAirSystem
Quelle: EnerSearch Solar GmbH
Das Prinzip des solaren Fassadensystems beruht darauf, dass Außenluft angesaugt wird, die sich im Inneren des Kollektors erwärmt. Die erwärmte und trockene Luft wird dann hinter dem Kollektor oder auch an jeder anderen beliebigen Stelle der Fassade dem Gebäudeinneren mittels eines herkömmlichen Ventilators zugeführt. Über die Einzelraumregelung wird diese Wärme erfasst und mindert die Heizleistung durch statische Heizflächen. Zusätzlich erwärmt die vorbeiströmende Luft die Gebäudewand durch eine patentierte Wärmeübertragungs-technologie, da die warme und trockene Luft hinter der Gebäudewand vorbei streichen muss. So kann die Wärme bis 24 Stunden gespeichert werden und auch bei schlechtem Wetter der Wohnung zugeführt werden.
Im solaren Fassadensystem selbst ist eine Dämmung integriert. Wenn das System nicht in Betrieb ist, z.B. in den Sommermonaten oder nach mehreren Tagen mit bewölktem Himmel, sorgt eine Sperrklappe dafür, dass das System getrennt von der Wand bleibt. Dann sorgt die integrierte Dämmung des Systems dafür, dass die Gebäudewand in den Sommermonaten nicht überhitzt wird. Im Winter sorgt die integrierte Dämmung dafür, dass die Wärme nicht aus dem Gebäude heraustritt.
Bei abgeschaltetem Solarkollektor muss die Außenluft am Kollektor vorbei durch einen Außenluftdurchlass den Räumen zugeführt werden, damit die Abluftanlage weiterhin funktioniert.
Sun-Storm - Vakuumröhren- Solarluftkollektor - Kollektorfabrik GmbH & Co. KG
Luftkollektortrocknung
Quelle: TFZ - Technologie- und Förderzentrum Bayern
Auch bei der Trocknung von Holzhackschnitzel werden Solarsysteme (Luftkollektoren), die auf dem Gewächshausprinzip basieren, angewendet. Hier wird die von einem Luftkollektor erwärmte Luft durch das Holzschnitzellager geleitet. Dadurch ist eine kostengünstige Hackschnitzelaufbereitung möglich.
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Warmluftkollektor - Fensterkollektor - Fassadenkollektor
Warmluftkollektor
Fassadenkollektor
Quelle: Trubadu.de

Warmluftheizungen sind an sich nichts Neues, schon die Römer beheizten hiermit Ihre Tempelanlagen, indem Sie heißen Rauch durch mit Hohlräumen versehene Fußböden leiteten - der Vorläufer der ersten Fußbodenheizung war geboren. Selbst in Walhalla im bayrischen Donaustauf integrierte der Architekt Leo von Klenze 1840 eine Warmluftheizung. Noch heute sind zwischen den ausgestellten Büsten die runden und mit Gittern versehenen Luftzuführungen zu erkennen. Viele Industrie- oder Veranstaltungsgebäude werden heutzutage mit Luftsystemen klimatisiert. Im Sommer dient die Anlage zur Kühlung im Winter zur Heizung. Die erste solare Warmluftheizung wurde um 1890 in den USA erfunden und nach dem 2. Weltkrieg als das Rohöl knapp war, vermehrt in Wohngebäude in den USA eingebaut. Mit dem Fall des Rohölpreises jedoch geriet der Luftkollektor nach und nach in Vergessenheit.

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PCM Warmluftspeicher
Zunehmend werde Energiespeicher (Latentspeicher) aus PCM Materialien hergestellt. In diesem wird die thermische Energie verborgen, verlustarm und mit vielen Wiederhohlzyklen über lange Zeit gespeichert.

 

Quelle: Trubadu.de
PCM Materialien haben festgelegte Temperaturgrenze an denen Sie schmelzen. Die Nutzung eines Phasenübergangs ist für die Energiespeicherung dabei wesentlich effektiver als das bloße Erwärmen eines Mediums. Die Zustandsänderung der Speichermaterials für die Energiespeicherung sollte im Bereich zwischen 25 - 35 °C liegen.

Der Speicher wird im Wohnraum (beheizte Gebäudehülle) betrieben, um unnötige Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Wenn wir uns nun unsere Wohnraumtemperatur ansehen, liegt diese zwischen 18 und 22 °C. Wenn der Speicher entladen wird, kühlt das geschmolzene PCM ab und gibt die Wärme an die durch den Speicher strömende Luft ab. Hierzu ist eine Temperaturdifferenz von einigen Grad (Kelvin) erforderlich. Wenn nun die Wohnraumtemperatur auf ca. 17 °C absinkt, so soll diese abgekühlte Raumluft automatisch durch den Speicher transportiert und wieder auf ca. 22 °C erwärmt werden.

Hierbei behält der Speicher solange seine Temperatur von z. B. 27 °C (gewählte Schmelztemperatur des PCM Materials) bis alle gespeicherte Energie an die Luft abgegeben das PCM wieder vollständig erstarrt ist – der Speicher ist entladen.
Eine elektronische Regelung sorgt dafür, dass der Speicherlüfter erst dann seinen Betrieb startet, wenn die Raumtemperatur unter eine voreingestellte Temperaturgrenze sinkt. Zur Ladezyklenoptimierung werden leise und leistungsfähige Walzenlüfter und eine elektronische Steuerung aus dem Solarbereich verbaut.
Bei diesen geringen Wärmeunterschieden von 5 - 7 K spielt auch die Eigenabkühlung des PCM keine wesentliche Rolle, zumal die Energie nicht verloren geht, sondern auch zur Raumerwärmung mit beiträgt. Die Eigenabkühlung ist aber so gering, dass am nächsten Morgen der Speicher noch immer eine Kapazität von ca. 80% hat, wenn die gespeicherte Wärme nicht abgerufen wurde. Quelle: Trubadu.de
Bauanleitung PCM Warmluftspeicher - Trubadu.de / Dipl. Ing. Stefan Brandt
 
Quelle: Schrag GmbH
Mit dieser Solar-Box und einem Solar-Luftkollektor kann die Solarenergie  ganzjährig genutzt werden. Im Winter und in der Übergangszeit wird sie zum Heizen und zur Belüftung und im Sommer unterstützt sie die Trinkwassererwärmung.
In dem Gehäuse ist neben dem Ventilator ein Wärmetauscher für die Trinkwassererwärmung und eine elektrisch geregelte Luftklappe integriert.

Die Regelung bzw. Umschaltung der Betriebszustände erfolgt über eine separate "Solar-Regeleinheit". Diese wählt je nach dem Temperatur- bzw. Anforderungsprofil zwischen den Betriebszuständen "Heizen/Lüften" und "Trinkwasser-erwärmung".

 

Einbindung eines Luftkollektors
Quelle: Schrag GmbH
Fassaden-Kollektor

Solar Air heater
Quelle: Richard Lewis
Eine andere Art von Luftkollektor ist ein "Luft-Heizer", der auch mit einen Luftbrunnen kombiniert werden könnte.
Dies ist ein solarer Lufterhitzer, der die Wärme der Sonne benutzt, um Luft vorgewärmt in ein Haus zu fördern. Dabei wird auch Wärme in einem Steinbett gespeichert. Auch nachdem die Sonne untergeht, wird die Wärme aus den Steinen nach dem Thermosiphoneffekt weiter arbeiten.
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VDI Richtlinie 6022notwendigen Arbeiten zur Wartung und Inspektion von Lüftungs- und Klimanalagen
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