Solare Frischlufterwärmung - Solare Optimierung von Lüftungsanlagen

Bauart eines Solar-Luftkollektors
Ein Solar-Luftkollektor unterscheidet sich auf den ersten Blick unwesentlich von einem herkömmlichen, wassergeführten Solarkollektor. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass er keinen Kupferabsorber enthält, der das Wärmeträgermedium im geschlossenen System beinhaltet. Stattdessen besteht der Kern eines Luftkollektors aus tinoxbeschichteten  Aluminiumblechen, die als Luftführung ausgebildet sind und je nach Bauart etwaige Umlenkungen der Luftführung beinhalten. Wie bei wassergeführten Solarkollektoren befindet sich auf der Rückseite (hinter dem Absorber) eine konstruktive Wärmedämmung, um Wärmeverluste über das Kollektorgehäuse so gering wie möglich zu halten.
Diese Kollektoren können in standardisierten Rastern aneinander geflanscht werden, um die gewünschte Baugröße bzw. Wirkfläche zu erreichen. Für Fassadengestaltung ist auch eine individuelle Fertigung nach vorgegebenen Abmessungen möglich.
Die Fassadenlösung ist eine bevorzugte Anwendung von Solar-Luftkollektoren und bietet einige Vorteile, wie u.a. die Erhöhung des Wärmeschutzes an der Fassade sowie Optimierung des Solarertrages im Winter durch die nutzungsgerechte Ausrichtung gegen die Sonne unter Berücksichti­gung des winterlichen Sonnenstandes.

Energieautarke Solar-Luftkollektoren
Grundsätzlich bietet der Markt kleine Kompaktkollektoren mit integriertem Ventilator und Filterung zum Schutz vor Verunreinigung im Inneren des Kollektors. Der Ventilator wird dabei über ein PV-Modul versorgt, das gleichzeitig als Regelungseinheit fungiert. Denn nur wenn eine entsprechende Solareinstrahlung herrscht, schaltet das PV-Modul den Lüfter im Gehäuse.
Diese Bauarten von Solar-Luftkollektoren können bei kleinen Ferienhäusern oder Nebengebäuden eingesetzt werden und benötigen keine zusätzliche Spannungsversorgung. Ebenso kann ein solcher Solarluftkollektor dezentral an einer Fassade installiert werden, um im Winter für einen solaroptimierten Frischlufteintrag zu sorgen.
Im Winter wird der solare Deckungsanteil zur Wohnraumtemperierung aus einem Solar-Luftkollektor auf direktem Weg an die Raumluft übertragen, ohne erst in der Bereitstellungstechnik zwischengelagert zu werden. Dergestalt sind Kollektortemperaturen nutzbar, die über eine solegeführte Solarnutzung nur äußerst selten in der entsprechenden Bereitstellungstechnik unterzubringen sind. Auch geringe Kollektortemperaturen können also direkt genutzt werden, da sie die einströmende, im Winter durchaus kalte Außenluft solar vorerwärmt. Je nach Solareinstrahlung kann somit der Heizwärmebedarf unterstützt oder in manchen Fällen sogar vollständig solar abgedeckt werden. In jedem Fall aber ist stets eine solare Vorerwärmung der Frischluft realisierbar, was den Frostschutz der Lüftungsanlage entlastet. Denn auch bei geringer Solareinstrahlung herrschen in einem Luftkollektor meist deutlich höhere Temperaturen, als es in der reinen Außenluft der Fall ist.
Im Sommer unterstützt der Solar-Luftkollektor über einen zwischengeschalteten Luft-Wasser-Wärmetauscher die Trinkwassererwärmung.

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Auslegungsparameter von Solar-Luftkollektoren
Die Auslegung eines Solar-Luftkollektors erfolgt in der Priorität nach der solaren Heizungsunterstützung im Winter und fordert aus diesem Grund eine Neigung von mindestens 45°, um der im Winter und in der Übergangszeit niedriger stehenden Sonne entsprechen zu können. Schon Shakespeare hielt seine Schauspieler an, stets den Lauf der Sonne zu beachten, um sich auf jener Bühne, die die Welt bedeutet, stets ins rechte Licht zu setzen. Ein Solar-Luftkollektor eignet sich besonders für Fassadenlösungen, natürlich aber auch zur Indach- und Aufdachmontage sowie als Aufständerung auf einem Flachdach.
Die Größe des Kollektorfeldes wird durch die Fläche des Zuluft-Wohnraumes und dem daraus resultierenden Raumluftvolumen bestimmt. Pro 20?m³ Lüftungsvolumen empfiehlt sich mindestens 1 m² wirksame Kollektorfläche (Absorberfläche). Bei einem Einfamilienhaus mit etwa 160 m² Wohnfläche und einem daraus resultierenden Lüftungsvolumen von cirka 400 m³ beträgt die notwendige Fläche des Solar-Luftkollektors in Abhängigkeit der Zonierung der Lüftungsbereiche etwa 14 – 20 m².
Aufgrund der Tatsache, dass ein luftgeführter Solarkollektor kein Wasser enthält und somit nicht in einem geschlossenen System unter Druck steht, ist eine Überdimensionierung de facto kaum möglich, ja sogar erwünscht, um im Sommer eine möglichst hohe solare Deckungsrate erreichen zu können.
Die schlechtere Wärmeübertragung von Luft auf Wasser einschließlich der Wärmeübertragungsverluste wird durch das für die Trinkwassererwärmung „überdimensionierte“ Kollektorfeld kompensiert. Aus diesem Grund ist eine ausreichende solare Trinkwassererwärmung für einen Haushalt bis zu fünf Personen in den Sommermonaten gewährleistet. In den Übergangszeiten erfolgt die Umschaltung auf solare Zulufterwärmung, wenn der Wärmeerzeuger ohnehin nacherwärmen muss. Der Vorteil eines Solar-Luftkollektors liegt darin, dass keine hohen Stillstandstemperaturen im Sommer anfallen, der Solarertrag dadurch optimal genutzt werden kann und der Kollektor thermisch bei Weitem nicht so belastet wird wie so mancher solegeführte Kollektor. Überdies reduziert sich der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand, da es sich um ein Luftsystem handelt.
Lediglich für die solare Trinkwassererwärmung ist ein Solekreis notwendig, der die Wärme vom Luft-Wasserwärmetauscher über eine Solarstation an die Bereitstellungstechnik der Trinkwassererwärmung führt. Die Umschaltung und Steuerung erfolgt über einen Solarregler als Temperaturdifferenzregler, der sowohl die Lüftungsklappe zum Luft-Wasserwärmetauscher, als auch die Solar-Umwälzpumpe schaltet. Natürlich kann auch eine herkömmliche solare Heizungsunterstützung erfolgen, wenn beispielsweise tagsüber kein Wärme- oder Lüftungsbedarf besteht.
Die Solarwärme wird so über die Trinkwassererwärmung hinaus in den Heizungspufferspeicher gespeist, der beispielsweise bei Raumwärmebedarf in der Übergangszeit den eingespeisten Solarertrag nutzen kann, wenn eine solare Nacherwärmung der Zuluft nach Sonnenuntergang nicht mehr möglich ist. Somit besteht auch kein Grund, sich um hohe Stillstandstemperaturen zu sorgen, da jegliche Wärme des Kollektorfeldes genutzt werden kann. Erfahrungsgemäß kann man veranschlagen, dass ein Solar-Luftkollektor mit einer wirksamen Absorberfläche von 20 m² einem solegeführten Flachkollektorfeld mit etwa 10 m² Absorberfläche entspricht. Neben dem geringeren Wartungsaufwand verringern sich auch die Investitionskosten. Ein solarthermisches Luftkollektorfeld ist im Rahmen des Marktanreizprogramms durch die BAFA förderfähig.

Wartungs- und Inspektionsaufwendungen
Der Luftkollektor ist sauber zu halten, Kondensatbildungen sind zu vermeiden, sämtliche Filter sind mindestens halbjährlich zu warten. Bei Integration einer solaren Trinkwassererwärmung über einen geschlossenen Solarkreis ist dieser entsprechend den Wartungsanforderungen einer solarthermischen Anlage zu warten sowie das Solemedium regelmäßig (jährlich) zu prüfen.