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Vergleich der Kollektorkennlinie mit der Leistungsfähigkeit des Kollektorkreises

Die Kennlinie eines Kollektors gibt den Verlauf des Kollektorwirkungsgrades (Energieabgabe aus dem Kollektor bezogen auf die eingestrahlte Energie) wieder. In normierter Darstellung wird der Wirkungsgrad bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Kollektortemperatur (Mittelwert aus Ein- und Austrittstemperatur) und der Außentemperatur dividiert durch die Strahlungsleistung. Die Kennlinie und die dazugehörigen Kollektorkennwerte werden unter genormten Bedingungen in Prüfstandversuchen bei zertifizierten Instituten ermittelt. Die Kenntnis der Kollektorkennwerte ist notwendig, um eine thermische Solaranlage mit einem Simulationsprogramm berechnen zu können. Durch Vergleich von zeitlich hoch aufgelösten Messwerten mit der theoretischen Kennlinie kann man die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Kollektorfeldes bzw. des Kollektorkreises beurteilen – je nachdem welcher Ertrag gemessen wird (meistens der Kollektorkreisertrag auf der Wasserseite des Kollektorkreiswärmetauschers).

Kollektorkennlinie

ηtheor = η0 – (c1 · T) – (c2 · EI · T2)

wobei:

T = (ϑm – ϑa) / EI

ϑm = (ϑin + ϑout ) / 2

η0 [%] optischer Wirkungsgrad oder Konversionsfaktor  
c1 [W/(m2·K)] linearer Wärmedurchgangskoeffizient  
c2 [W/(m2·K2)] quadratischer Wärmedurchgangskoeffizient  
EI [W/m2] Einstrahlung in die Kollektorfläche  
ϑm [°C] mittlere Temperatur des Wärmeträgers  
ϑa [°C] Außentemperatur  
ϑin [°C] Temperatur des Wärmeträgers bei Eintritt in den Kollektor  
ϑout [°C] Temperatur des Wärmeträgers bei Austritt aus dem Kollektor  

Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Kollektorkreises dürfen nur Messdaten aus Zeiträumen herangezogen werden, in denen ein möglichst quasistationärer Betriebszustand vorlag (Dauerlauf der Pumpen auf beiden Seiten des Kollektorkreiswärmetauschers (WT), keine schwankende Einstrahlung) und bei denen ähnliche Betriebsbedingungen wie im Kollektortest vorlagen – z. B. nur Strahlungswerte bei möglichst senkrechter Einstrahlung (d. h. nur Werte um eine bestimmte Uhrzeit herum) verwenden. Die Prüfung erfordert, dass die Strahlungsenergie, die Übertragungsleistung, sowie die Ein- und Austrittstemperaturen am WT gemessen und die Daten entsprechend gefiltert werden.

Das Kontrollverfahren ist ausführlich in "ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Abschlussbericht zum Projekt 032 9601 L, Kapitel 10.2 und 10.3" beschrieben und wurde an zahlreichen Solaranlagen durchgeführt (siehe Literaturhinweise) .

Beispiel

Das Diagramm zeigt die im Labor ermittelte Kollektorkennlinie eines Flachkollektors für eine Einstrahlung bei 860 W/m² (mittl. Strahlung im Test, siehe ITW-Kollektortest 96COL53) sowie Messpunkte der Energieabgabe eines Kollektorkreises von einem 286 m² großen Kollektorfeld. Die Messpunkte sind 5-Minuten-Mittelwerte, die aus Messwerten im 2-Sekunden-Scan ermittelt wurden.

Kennnlinie eines Flachkollektors

Die senkrechte blaue Hilfslinie durch die Mitte des Punkthaufens schneidet die Kollektorkennlinie bei eta = 0,55 und einer normierten Temperaturdifferenz von ca. 0,057 (m2·K)/W, was bei einer Einstrahlung von 860 W/m2 und einer Außentemperatur von 20 bis 30 °C einer mittleren Kollektorkreistemperatur von etwa 70 bis 80 °C entspricht. Ein einzelner Kollektor würde bei diesen Bedingungen mit einem Wirkungsgrad von ca. 55 % arbeiten. Er hätte in diesem Betriebspunkt 18,5 Prozentpunkte optische Verluste (1–0,815) und 26,5 Prozentpunkte thermische Verluste. Für die Mitte des Punkthaufens der gemessenen Kollektorkreiswirkungsgrade ergibt sich dagegen ein Wirkungsgrad von ca. 48 %. Der Kollektorkreis hat also einen etwa um 7 Prozentpunkte niedrigeren Wirkungsgrad als der Einzelkollektor unter Laborbedingungen. Diese Abweichung ist begründet durch:

  • thermische Verluste der Rohrleitungen im Kollektorkreis und der Kollektorverrohrung
  • Serienstreuung der Kollektorgüte und Leistungsunterschiede zwischen dem getesteten Einzelkollektor und den Kollektorelementen
  • Verschmutzung der Kollektorverglasung
  • evtl. Durchströmungsabweichungen zwischen den Kollektorreihen
  • erhöhte Wärmeverluste durch Wind
  • keine vollständig senkrechte Einstrahlung auf die Kollektorfläche

Auch die unterschiedliche Geometrie und Größe der installierten Kollektoren (je 13,6 m2) gegenüber denen des getesteten Kollektors (8,9 m2) kann einen Einfluss (positiv oder negativ) haben. Die Streuung der Messpunkte ist durch Kapazitätseffekte, Strahlungsschwankungen (Wolken) sowie durch den Tagesverlauf der Strahlung bedingt. Berücksichtigt man alle Aspekte, so ist die Abweichung von ca. 7 Prozentpunkten zwischen den Messpunkten und dem theoretischen Betriebspunkt tolerierbar.

Literatur

  • Kapitel 10.2 und Kapitel 10.3
    in: ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Abschlussbericht zum Projekt 032 9601 L – Hauptteil (pdf, 4.94 MB)
    mit detaillierter Beschreibung des Verfahrens zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Kollektorkreisen anhand von Messdaten
  • ITW-Kollektortest 96COL53
    Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart (ITW): Prüfbericht Kollektortest 96COL53 Solar Roof (pdf, 591.32 kB)
    Beispielhaft gezeigter Prüfbericht zum Vergleich der im Labor ermittelten Kennlinie mit der gemessenen Kollektorkreis-Punkteschar

Abschlussberichte zu Solaranlagen aus Solarthermie-2000 und Solarthermie2000plus, in denen die Leistungsfähigkeit des Kollektorkreises untersucht wurde

  • ZfS-Bericht Speyer Normand
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Wohngebiet "Ehemalige Kaserne Normand", Speyer – Abschlussbericht (pdf, 591.78 kB)
  • ZfS-Bericht Speyer Schlachthof
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Wohngebiet "Ehemaliger Schlachthof", Speyer – 4. Zwischenbericht (pdf, 841.26 kB)
  • ZfS-Bericht Norderney
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Nahwärme "Gorch-Fock-Weg", Norderney – Abschlussbericht (pdf, 1.08 MB)
  • ZfS-Bericht Hennigsdorf
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: "Cohnsches Viertel", Hennigsdorf – Abschlussbericht (pdf, 3.96 MB)
  • ZfS-Bericht Heilbronn
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Neubaugebiet "Badener Hof", Heilbronn – Abschlussbericht (pdf, 3.57 MB)
  • ZfS-Bericht Hannover
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Wohngebäude "Magdeburger Straße", Hannover – Abschlussbericht (pdf, 1.37 MB)
  • ZfS-Bericht Stuttgart
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Wohnsiedlung "Burgholzhof", Stuttgart – Abschlussbericht (pdf, 2 MB)
  • ZfS-Bericht Muenchen HSH
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Altenheim "Hans-Sieber-Haus", Manzostraße, München – Abschlussbericht (pdf, 598.99 kB)
  • ZfS-Bericht Leipzig
    ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Solaranlage im Seniorenwohnheim "M. A. Nexö", Leipzig – Schlussbericht (pdf, 1.14 MB)
  • ZfS-Bericht Stralsund
    Fachhochschule Stralsund / ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH: Altenpflegeheim "Am Stadtwald", Stralsund – Zwischenbericht (pdf, 2.21 MB)

Die Inhalte dieser Seite sind im Rahmen der Projekte "Solarthermie-2000" und "Solarthermie2000plus" von der ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH erarbeitet worden.

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