Welche Arten von Solarkollektoren und Wärmepumpenverdampfern werden normalerweise in solarbetriebenen Luft-Warmwasserbereitern verwendet?

Auswahl eines thermischen Solarkollektors: Ein Kompromiss zwischen Leistung und Szenario

Die Leistung eines Solar-Luft-Warmwasserbereiter (SAW)-System hängt weitgehend von der Art und Effizienz seiner Kernkomponente ab: dem solarthermischen Kollektor. In der professionellen Ingenieurspraxis werden zwei gängige Technologien berücksichtigt: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren.

1. Vakuumröhrenkollektor (ETC)

Die Vakuumröhrentechnologie spielt aufgrund ihrer hervorragenden Isolationsleistung eine Schlüsselrolle in SAW-Systemen.

Prinzipieller Vorteil: Vakuumröhren nutzen eine Hochvakuumschicht zwischen den Röhren, um den konvektiven und konduktiven Wärmeverlust deutlich zu reduzieren. Dies bedeutet, dass ETCs auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen oder geringer Sonneneinstrahlung (z. B. an bewölkten Tagen oder im Winter) eine hohe Sammeleffizienz aufrechterhalten und das Wasser auf ein höheres Niveau erhitzen können.

Anwendbare Szenarien: Aufgrund seiner hervorragenden Wärmesammelleistung bei niedrigen Temperaturen eignet sich der Vakuumrohrtyp besonders für Nordchina, kalte Klimazonen und kommerzielle Anwendungen, die höhere Auslasswassertemperaturen erfordern. Es sorgt für eine effizientere Hochtemperaturvorwärmung von Luftwärmepumpen, reduziert die Arbeitsbelastung der Wärmepumpe erheblich und verbessert so den saisonalen Leistungsfaktor (SPF) des Systems im Winter.

Technische Überlegungen: Moderne Vakuumröhrenkollektoren nutzen häufig die Wärmerohrtechnologie, die einen wasserlosen Betrieb und indirekten Wärmeaustausch ermöglicht. Dies vereinfacht den Frostschutz und verbessert die Systemzuverlässigkeit.

2. Flachkollektor (FPC)

Flachkollektoren werden in einigen Projekten aufgrund ihrer robusten Struktur und thermischen Stabilität bevorzugt.

Strukturelle Merkmale: Das FPC besteht aus einer wärmeabsorbierenden Platte, einer transparenten Abdeckung und einer Isolierschicht. Seine kompakte Bauweise erleichtert die Integration in Gebäude (BIPV, Building Integrated Photovoltaics/Thermal).

Leistungsaspekte: Flachkollektoren bieten einen hervorragenden Momentanwirkungsgrad bei hoher Einstrahlung und hohen Umgebungstemperaturen. Bei großen Temperaturschwankungen kommt es jedoch zu einem größeren Wärmeverlust im Vergleich zu Vakuumröhren.

Anwendungsszenarien: Flachkollektoren eignen sich besser für Südchina, Gebiete mit ganzjährig reichlich Sonnenschein oder als kostengünstige, groß angelegte Systemintegrationslösung.

Professionelle Integration: Bei solaren Luft-Warmwasserbereitern dienen Flachkollektoren häufig als Vorwärmequelle für den Wärmepumpenverdampfer. Das von ihnen erzeugte Warmwasser mittlerer und niedriger Temperatur erhöht die Verdampfungstemperatur und optimiert den COP (Leistungskoeffizient) der Wärmepumpe.

Design des Wärmepumpenverdampfers: Passender und effizienter Wärmeaustausch

In einem solaren Luft-Warmwasserbereitersystem ist der Verdampfer das Herzstück der Wärmepumpe, der minderwertige Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt. Um den Anforderungen eines komplexen Systems gerecht zu werden, muss der Verdampfer eine hohe Wärmeaustauscheffizienz und Multimode-Anpassbarkeit aufweisen.

1. Rohr-in-Rohr-/Rohrbündelverdampfer

Dieser Verdampfertyp wird typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die einen direkten oder indirekten Wärmeaustausch zwischen Wasser und Kältemittel beinhalten.

Funktionelle Positionierung: Im Standard-Luftwärmepumpenmodus (ASHP) absorbiert der Verdampfer Wärme aus der Luft. Im Solar-Hybrid-Modus kann der Verdampfer jedoch als multifunktionaler Wärmetauscher ausgelegt sein.

Spezialanwendung: Einige High-End-Solarluftquellensysteme verwenden ein Zwischenmedium (z. B. Frostschutzmittel oder zirkulierendes Wasser), das zunächst von Solarkollektoren erhitzt und dann zur Ergänzung des Kältemittels zum Verdampfer übertragen wird. Diese Konstruktion erfordert einen hervorragenden Strömungswiderstand und Wärmeübertragungskoeffizienten des Verdampfers.

2. Rippenrohrverdampfer

Dieser Verdampfer wird in Standard-Luftwärmepumpen-Außengeräten eingesetzt und nimmt die Wärme direkt aus der Umgebungsluft auf.

Kernfunktion: In der Nebensaison oder bei Zusatzheizungen ist das System hauptsächlich auf den Rippenrohrverdampfer angewiesen, um die Luftwärme zu absorbieren.

Überlegungen zum Abtauen: In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit besteht bei Rippenrohrverdampfern das Problem der Vereisung. Professionelle Solar-Luftquellen-Systeme nutzen überschüssige Wärme von Solarkollektoren, sogar als Abtauwärmequelle, wodurch die Abtaueffizienz verbessert und der Abtauenergieverbrauch sowie die Ausfallzeiten der Wärmepumpe reduziert werden.

Kombinierte Systemintegration und -optimierung

Das Know-how des Solar Air Source Warmwasserbereiters liegt in der optimierten Steuerlogik und dem thermodynamischen Zyklus zwischen Kollektor und Verdampfer.

Energiesynergie: Das System verwendet einen intelligenten Temperatursteuerungsalgorithmus, um genau zu bestimmen, wann die solare Vorwärmung (zur Erhöhung der Wassertanktemperatur oder der Verdampfungstemperatur der Wärmepumpe) verwendet werden soll und wann in den reinen Wärmepumpenmodus gewechselt werden muss. Diese dynamische Umschaltung gewährleistet Solarpriorität und maximiert die Nutzung erneuerbarer Energie.

Leistungsverbesserung: Die vom Kollektor bereitgestellte Vorwärmenergie erhöht den Ansaugdruck des Wärmepumpenkompressors erheblich und verringert das Kompressionsverhältnis, wodurch der COP des Systems im kombinierten Modus viel höher ist als der einer reinen Luftwärmepumpe, wodurch der Grenznutzen der Energie maximiert wird.