SEA 2 – Entwicklung und Vermessung neuartiger Solarluftkollektoren sowie Untersuchung geeigneter Energienutzungskonzepte

Laufzeit: Juli 2014 - Juni 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)
Kooperationspartner: Engineering R. Koschade
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Beispielhafte Ergebnisse von FEM-Simulationen des Kollektors SEA 2.3.

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Schnittansicht des Kollektors SEA 2.3.

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Kollektor SEA 2.3 im Solarsimulator des TestLab Solar Thermal Systems.

Das Projekt »SEA 2« setzt das FOSTA-Projekt »Entwicklung eines Sandwichelements mit Energie-Akkumulation, Energieverteilung und Dämmung (SEA)« fort. Das Konzept sieht die Konstruktion von Solarluftkollektoren für Fassaden und Dächer - z. B. von Hallen - auf Basis marktverfügbarer Sandwichelemente und Stahlprofile sowie transparenter Abdeckungen vor. Im ersten Projekt konnte die Machbarkeit bereits gezeigt werden. Im neuen Projekt sollten hinsichtlich Ertrag und praktischer Anwendbarkeit optimierte Kollektoren entwickelt und normgerecht vermessen werden. Dabei war vorgesehen, konstruktive Parameter sowie Betriebsbedingungen zu variieren. Ein weiteres Projektziel bestand außerdem darin, die Möglichkeiten für Heiz- bzw. Kühlkonzepte auf Basis der SEA-Elemente quantitativ zu untersuchen.

Zunächst wählten die beiden Forschungsstellen Fraunhofer ISE und Engineering R. Koschade prinzipiell vielversprechende Konzepte aus einer größeren Anzahl möglicher SEA-Konstruktionen auf Basis marktverfügbarer Kompontenten aus. Dazu flossen die langjährigen Erfahrungen des Fraunhofer ISE im Bereich Solarthermie, speziell der Luftkollektortechnologie, sowie des Ingenieurbüros Koschade im Bereich Sandwichtechnologie ein. Darüber hinaus wurden Berechnungen und Simulationen unter Berücksichtigung des Systems durchgeführt. Dabei konnte beispielsweise für die jeweilige Anwendung auch der hinsichtlich maximaler Primärenergieeinsparung optimale Massenstrom MMP (mass flow per row of maximum net primary power saving) ermittelt werden. Als Referenz wurde der Kollektor aus dem vorangegangenen Projekt SEA 1 – bestehend aus Sandwichelementen und aufgeklebten Trapezprofilen – nachgebaut und im TestLab Solar Thermal Systems des Fraunhofer ISE normgerecht vermessen (Kollektor SEA 2.1). Ein zweiter Kollektor (SEA 2.2) wurde mit einer zusätzlichen Polycarbonat-Abdeckung versehen, um deren deutliche Auswirkung auf den Kollektorertrag aufzeigen zu können. Schließlich wurde ein dritter Kollektor (SEA 2.3) konstruiert, gebaut und vermessen. Dabei wurde eine Variante mit Wellprofil gewählt, wodurch auch die Temperaturen am Sandwichelement reduziert werden konnten. Zuvor waren u.a. FEM-Simulationen zur Durchströmung und Temperaturverteilung durchgeführt worden.

Zur Untersuchung möglicher Energienutzungskonzepte wurde auf Basis des bisher genutzten Tools »ScenoCalc« ein neues Werkzeug erstellt, mit dem Jahreserträge auf Basis von Zeitreihen berechnet werden können. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass mit SEA 2.3 gegenüber dem Referenzkollektor deutlich höhere Erträge erzielt werden können. Außerdem wurde mit dem neuen Tool eine praxisorientierte Möglichkeit geschaffen, unterschiedliche Systemkonfigurationen mit verschiedenen Kollektoren in Bezug auf ihr Energieeinsparungspotenzial bzw. ihre solare Deckungsrate bei der Beheizung oder Kühlung eines Gebäudes, z.B. einer ECB-Musterhalle (ECB = EcoCommercial Building), einschätzen zu können.

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Wärmebilanz für die betrachtete ECB-Musterhalle. Der Heizwärmebedarf wird in dem Auslegungsbeispiel zu 65% über den Luftkollektor bereitgestellt.