Wärmeverluste des Kollektors

Wärmeverlust eines Kollektors

Als ich mich neulich mit dem Themen Wärmeertrag und Absorber beschäftigte, fand ich auch ganz spannende Informationen zum typischen Energieverlust des Kollektors. Wo’s und warum’s leckt, wenn’s im Kollektor leckt, und ob ein Pflaster dagegen hilft – das habe ich hier ebenso zusammengetragen wie die Auswirkungen der verlorenen Wärme auf den nutzbaren Wärmeertrag.

In ihrem gerade erschienenen Buch „Solarthermie. Wie Sonne zu Wärme wird“ haben die Autoren Thomas Schabbach und Pascal Leibbrandt am Beispiel eines Flachkollektors erklärt, wie dieser die einfallende Sonnenenergie in Wärme umwandelt – und dabei so manches Watt Wärme verliert.

Wie viel Sonne kommt tatsächlich noch beim Absorber an?

Die beiden Autoren schreiben unter anderem, dass von den direkten und diffusen Sonnenstrahlen, die auf den Kollektor treffen, der Großteil (rund 90 Prozent) transmittiert würde. Dazu muss man wissen, dass das Glas, durch das die Strahlen dringen, ein ganz besonderes ist. Im Vergleich zu normalem Fensterglas hat es zum Beispiel weniger Eisenanteile. Laut Schabbach/Leibbrandt würde nur ein geringer Anteil der Strahlen vom Glas reflektiert (8 Prozent) beziehungsweise absorbiert (2 Prozent). Der Rest dränge demnach tatsächlich bis zum Absorber vor.

Wie viele der angekommenen Sonnenstrahlen absorbiert der Absorber und wie viele davon wandelt er tatsächlich in Wärme um?

95 Prozent der durchgelassenen Strahlen absorbiere der Absorber. 80 bis 85 Prozent davon wiederum vermag er in Wärme umzuwandeln, heißt es bei Schabbach/Leibbrandt weiter.  Die Solarthermie-Experten sprechen bei dieser Menge vom sogenannten Wärmestrom Qabs. Doch den vom Absorber tatsächlich umgewandelten Wärmestrom Qabs könne man nicht im vollen Umfang nutzen:

Warum ist die vom Absorber umgewandelte Wärme nicht komplett nutzbar?

Dadurch, dass sich der Absorber beim Absorbieren der Sonnenstrahlen und deren Umwandlung selbst auch aufheize, werde es im Innern des Kollektors warm. Wärmer als in seiner Umgebung. Es entstehe ein Temperaturgefälle. Und da klingelt‘s bei uns Thermikern: Denn Energie bewegt sich schließlich immer vom Wärmeren zum Kälteren hin, was im angenommen Beispielkollektor bedeutet, dass es einen Wärmestrom vom Absorber weg gibt, der nicht genutzt werden kann. Je größer das Temperaturgefälle, sprich: die Temperaturdifferenz sei, desto stärker sei auch der Wärmeverluststrom Qv des Absorbers. Und daraus ergibt sich dann natürlich auch, dass der nutzbare Wärmestrom Qnutz kleiner werde. Nämlich genau um die verlustige Menge Qv. Es gilt:

Qabs – Qv = Qnutz

Wo genau finden die Energieverluste des Kollektors statt?

Es gäbe laut Schabbach/Reibbrandt mehrere Wege, über die der Kollektor Energie verliere:

  • So verursache der Absorber beim Arbeiten eine Wärmestrahlung, die das Glas des Kollektors kaum zurückhalten könne.
  • Parallel dazu gäbe der Kollektor via Konvektion Energie an die Luft im Scheibenzwischenraum ab. Die erwärme das Glas zusätzlich.
  • Hinzu käme die Energie, die von der Außenseite des Glases, vom Kollektorrahmen und dessen Rückseite konvektiv an die Umgebungsluft abgegeben würde. Die Autoren weisen darauf hin, dass gerade dieser Energieverlust umso höher ausfalle, je stärker der Wind um den Kollektor wehe.

Kann man die Wärmeverluste des Kollektors eindämmen?

Gegen Energieverluste über den letztgenannten Weg helfe eine optimale Wärmedämmung auf der Absorberrückseite und zu den Seiten hin, schreiben Schabbach/Reibbrandt. Den Verlust durch das Glas oben könne und wolle man dagegen ja gar nicht wegdämmen, schließlich sei es ja der erwünschte Weg, den die Sonnenstrahlen zum Absorber hin möglichst ungehindert nehmen sollen.

Die Wärmeverluste über das Montagesystem des Kollektors hingegen beschreiben Schabbach/Leibbrandt als gering.

Was nützt das Wissen um die Wärmeverluste des Kollektors?

Aus der Energiebilanz des Kollektors, die sich ja aus der Gleichung Qnutz = Qabs – Qv ableiten lässt, wobei Qv der Gesamtwärmeverluststrom an die Umgebung ist, ergibt sich, dass die Kollektornutzleistung Qnutz offensichtlich von der Differenz der Temperatur im Innern des Kollektors und der der Umgebung abhängig ist.

Schabbach/Reibbrandt belegen das mit dem Hinweis auf den sogenannten Wirkungsgrad der Kollektoren. Angenommen, die Temperatur im Kollektor und die der Umgebung seien gleich. Dann betrüge die Temperaturdifferenz Null Kelvin. Der dabei erzielbare Wirkungsgrad ist laut den beiden Experten der sogenannte Konversionsfaktor. Er läge demnach für:

  • einfache Schwimmbadabsorber bei 0,85 und mehr
  • und CPC-Vakuumröhrenkollektoren nur bei 0,65 bis 0,70.

Zur besseren Veranschaulichung des Ganzen habe ich folgende Grafik für Euch:

kollektor-wirkungsgrad-neuUnd das, meine Lieben, sind Fakten, die bei der Wahl eines Kollektors – als Komponente einer Solarthermie-Anlage – von erheblicher Bedeutung sind.

Foto: pphoto76 / photocase.de (Titel); Grafik veröffentlicht nach CC-BY-SA www.paradigma.de

 

 

 

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