Luftkollektor

Ein Luftkollektor erhitzt Luft durch Sonneneinstrahlung. Hier folgen meine Berührungspunkte mit einem derartigem Solarkollektor.

Problem

In unserem Keller hatten wir immer Feuchtigkeitsprobleme. Durch die hauseigene Trinkwasseraufbereitung herrschte immer eine hohe Luftfeuchtigkeit. Das machte sich natürlich an den Wänden und vor allem hinter Schränken und sonstigem stark bemerkbar.

Also suchten wir nach einer Lösung für das Problem. Aber eine fertige energieeffiziente Lösung gab es nicht. Lüften allein hat auch nicht mehr ausgereicht. Mein Dad machte sich viele Gedanken über das Thema, bis er schlussendlich auf den Luftkollektor kam.

Lösungsansatz – ein Luftkollektor

Die Funktionsweise eines Luftkollektors entspricht in etwa der eines Solarkollektors. Nur das hier nicht Wasser als Wärmeträger verwendet wird, sondern Luft. In einem Kasten wird dazu ein Absorber montiert, welcher von der Sonneneinstrahlung aufgeheizt wird. Von einem Gebläse wird ein Luftstrom durch den Kollektor erzeugt. Dieser Luftstrom wird vom Absorber aufgeheizt. Letztlich gelangt diese heiße Luft mit der gespeicherten Energie nun zum gewünschten Ort.

Mit dieser Methode kann man also energieeffizient und kostengünstig heiße Luft produzieren. Wird diese in den Keller eingeleitet, erwärmt sich die Luft im Keller und physikalisch bedingt sinkt die relative Luftfeuchtigkeit bereits. Denn Luft kann nur eine bestimmte Menge Wasser in sich aufnehmen. Kann Luft keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen, ist der Sättigungsdampfdruck erreicht. Das entspricht einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 %. Jedoch ist der Sättigungsdampfdruck temperaturabhängig. Steigt die Temperatur, kann die Luft mehr Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Die Wassermenge in der Luft bleibt also immer die selbe (absolute Feuchte), da die maximale Aufnahmekapazität bei höheren Temperatur jedoch steigt, sinkt die relative Luftfeuchtigkeit (das Verhältnis zwischen Wasser in der Luft und der absoluten Feuchte sinkt).

Mechanischer Aufbau – Luftkollektor

Die Lösung war gefunden. Nach einige Recherchen und Berechnungen seitens meines Vaters, wollte er den Luftkollektor selbst bauen. Er hat sich das entsprechende Material bestellt und angefangen zu konstruieren. Nach ein paar Wochen war es dann auch so weit, dass der Luftkollektor vor uns stand. Beim ersten Test erreichte die Ausgangsluft bereits Temperaturen jenseits der 70 °C. Wow, wir waren beeindruckt!

Steuerung

Jetzt musste das ganze aber noch effizient und smart werden. Denn wir wollen ja nicht, dass der Kollektor im Winter bei wenig Sonne den Keller noch mehr auskühlt. Außerdem muss die Temperatur der Ausgangsluft geregelt werden, um den Luftkollektor immer im optimalen Wirkungsbereich zu betreiben. Habe ich zum Beispiel wenig Sonne, darf nur wenig Energie aus dem Kollektor entnommen werden, damit die Ausgangsluft trotzdem noch eine hohe Temperatur hat und nicht durch die Leitungsverluste zu kühl wird, um den Keller aufzuwärmen. Weniger ist eben manchmal mehr 😉

Also gut, schnell war ich beauftragt, eine Lösung für die Steuerung zu finden. Nach einigen Überlegungen hatte ich folgendes Setup:

• Luftkollektor montiert auf einer Palette
• RaspberryPi mit Node-Red
• Frequenzumrichter mit Analog-Eingang
• Seitenkanalverdichter (eine Bauart eines Hochdruckgebläses)
• Einige Rohre
• Temperaturfühler an Lufteinlass, Luftaustritt und Motorwicklung.

Nach der Verdrahtung ging es nun an die Programmierung. Ich habe mich hierbei für Node-Red entschieden, da es leicht verständlich ist und man schnell zu einer guten Lösung kommt, wenn es um Steuerungs- oder Regelaufgaben geht. Die Dashboards die man mittels NodeRed-Dashboard erstellen kann, sind außerdem schon recht spektakulär und eben einfach zu erzeugen.

Der Steuerungsablauf hier für ist:

1. Theoretisch müsste man prüfen, ob genug Strahlungsleistung von der Sonne vorhanden ist. Ohne Sensoren muss man hierfür aber zuerst mal den Luftkollektor laufen lassen, um die Ausgangstemperatur zu messen und somit die Strahlungsleistung der Sonne zu ermitteln. Da der Luftkollektor aber leider bis jetzt noch nicht in Betrieb ist, musste ich mir hier noch keine Gedanken machen.
2. Aktuelle Temperatur am Lufteinlass messen
3. Aktuelle Temperatur am Luftaustritt (Raumtemperatur, wenn Gebläse aus)
4. Vergleichen, ob es sich lohnt, den Lüfter einzuschalten
5. Falls ja, über den Frequenzumrichter das Gebläse einschalten. Nun beginnt der ständige Regelkreis
   1. Temperatur am Luftaustritt messen
   2. Totzeit beachten/warten
   3. Regeldifferenz ermitteln (Soll-Temperatur liegt bei 60 °C)
   4. Reaktion auf die Regelabweichung → Stellgrad an den Frequenzumrichters geben
   5. Der Regelkreis beginnt erneut.

Für die Regelung habe ich einen PID-Regler verwendet und zur Anzeige der Temperaturen ein Liniendiagramm. So konnte ich den PID-Regler gut einstellen. Anfangs hat er natürlich stark geschwungen, aber mit der Zeit habe ich eine sehr stabile Regelung zustande gebracht. Auch wenn Wolken kurzzeitig den Kollektor beschattet haben funktionierte die Reglung sehr gut.

Hier noch ein paar Eindrücke zum Aufbau