Vergleich der Kollektorkennlinie mit Kollektorkreisleistung

8. Januar 2021

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


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.

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.

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