2015
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Replacing traditional materials with polymeric materials - a total cost accounting approach
B. Carlsson, M. Meir, J. Rekstad, D. Preiß, T. Ramschak
Renewable Energy
[Abstract not available] -
Partly glazed solar collectors - new method for overheating protection
A. Dursun, M. Meir, J. Rekstad
Solar Energy
[Abstract not available] -
A comparison of the energy consumption in two passive houses, one with a solar heating system and one with an air-water heat pump
J. Rekstad, M. Meir, E. Murtens, A. Dursun
Energy and Buildings
Detailed measurements of the auxiliary energy consumption for space heating and domestic hot water preparation in two detached passive houses south of Oslo are reported for the full year 2013. The study compares two equal, new built houses heated with different technologies, one by solar thermal heating and the other with an air-to-water heat pump. The houses are built by central actors from the building industry with high potential of being representative for a sizable, new-built housing stock rather than with focus on system optimization. The results show that the need for additional energy, corrected for differences in domestic hot water consumption and indoor temperature, is 15-20% higher in the heat pump heated house than in the solar heated house. However the general energy consumption exceeds significantly the dimensioned figures for passive houses in Norway. The measurements demonstrate that solar thermal heating is competitive with heat pump technology even at high latitudes under Norwegian climate even in the case of a non-optimized system. With the available data potential heating system design improvements were pointed out.
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Speicherkollektor in Kunststoffbauweise
D. Preiß, T. Ramschak, K. Lutschounig, A. Müller, G. Wallner, T. Lüftinger
25. Symposium Thermische Solarenergie in Bad Staffelstein, Kloster Banz, Germany
Derzeitig am Markt verfügbare Kollektoren werden in einem aufwändigen mehrstufigen Prozess und unter Verwendung unterschiedlicher metallischer Halbzeuge und Werkstoffe hergestellt. Alternative kostengünstige Polymerwerkstoffe und deren Fertigungsverfahren, allen voran Spritzguss und Extrusion, haben großes Potential die Ziele der Solarindustrie wie ressourcenschonende Massenproduktion und Kosteneffizienz zu erreichen. Im Rahmen des Projekts “SCOOP” (Solar Collectors made Of Polymers) wurde der Einsatz von Polymermaterialien in Kernkomponenten von Speicherkollektoren untersucht. Basierend auf wärmetechnische Berechnungen, CFD-gestützten Simulationen und dem Know-how des Projektkonsortiums bezüglich Materialwahl und Verarbeitung wurden erste Funktionsmuster im Modellmaßstab in Kunststoffbauweise entwickelt und gefertigt. Ein direkter Vergleich im Labor mit einem Referenzmodell aus Metall zeigte gute Ergebnisse im Aufwärm- sowie Auskühlverhalten des auf Kunststoff basierenden Speicherkollektors womit die Funktionalität nachgewiesen wurde. Ein wesentlicher Bestandteil beim Einsatz von kostengünstigen Materialien (Polymere) ist die genaue Kenntnis über die thermischen Belastungen. Hierbei sind nicht nur die maximalen Belastungen entscheidend, sondern auch die Häufigkeiten der Belastungen von zentraler Bedeutung. Dieser Umstand erfordert ein messtechnisch validiertes Simulationsmodell des Speicherkollektors in Kunststoffbauweise um dynamische Jahressimulationen durchzuführen. Hierzu wurde ein 1:1 Prototyp des Speicherkollektors in Kunststoff gefertigt, mit Messtechnik bestückt um die Temperaturbelastungen im Kollektor zu ermitteln, sowie ein umfassender Leistungstest (ISO 9459-5) durchgeführt. Aufbauend auf den erlangten Erkenntnissen wurden das theoretische Speicherkollektormodel im Simulationsprogramm (Polysun) abgeglichen und Jahressimulationen durchgeführt. Die Ergebnisse bilden die Basis für Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit des eingesetzten Materials, eine umfassende Lebenszyklusanalyse und die Anwendung eines geeigneten Kunststoff-Fertigungsverfahrens.
2014
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Polyermic Solar Collectors or Heat Pump? - Lessons Learned from Passive Houses in Oslo
M. Meir, E. Murtens, A.M. Dursun, J. Rekstad
Energy Procedia 48 (2014), 914 - 923
Energy monitoring has been performed for two passive houses in Oslo during 2012-2013. One house is heated by a solar heating system, the other with an air-to-water heat pump. The objective has been to investigate the need for additional energy supply in order to provide the required indoor comfort and prepare domestic hot water. If corrected for differences in domestic hot water consumption and indoor temperature the two houses require almost equal amounts of auxiliary energy. The solar energy gain would increase significantly if the solar collectors were placed more appropriate, with less shading due to neighboring buildings and vegetation. Both heating technologies could improve performance with minor system adaptations. It was shown that solar thermal heating can compete with heat pump techology even for locations as far north as Oslo, Norway.
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Development of a Fully Polymeric Thermosiphon System - A Work in Progress Report of the ThermX
Andreas Piekarczyk, Nicolai Peglow, Matthias Volk, Karl-Anders Weiß, Michael Köhl
SolarTR 2014, Izmir, Turkey
Thermosiphon systems have the major market share in many countries with high insolation. Polymeric materials have been in the focus for the development of cost-efficient solar thermal collectors and systems for the last years. Studies have shown that the use of polymeric materials can help to reduce manufacturing costs up to 50%. In order to transfer this cost reduction to the customer, the system design and production steps need to be optimized. The presented work demonstrates the development of a novel system design for a thermosiphon system under the name ThermX, which is entirely made of extruded polymer twin wall sheets from polypropylene. Based on a concept study prototypes of polymeric absorbers have been developed and optimized. The possible thermal performance has been estimated based on experimental data. Allowing temperatures of over 65 °C and preventing overheating of the material at the same time, the system has all potential to fulfil the requirements of many markets while combining price reduction with an appreciable design. In the further progress prototypes have been constructed, further improved and tested according to collector test standards. Mechanical load for the supporting structure have been investigated and different possible modification are under investigation. For further improvement of the thermal performance CFD simulation of the storage tank geometry have been carried out using a basis of experimental data. The presented approach is a novel concept combining scientific experience and advanced investigative tool in order to produce and improve a low-cost product for the mass market. -
Polymer based solar thermal collectors - Collector designs, requirements for absorber materials and lifetime prediction
G.M. Wallner, R.W. Lang, M. Povacz, K.-J. Geretschläger, R. Hausner, A. Thür
SHC 2014, Beijing, China
[Abstract not available] -
Comparing the performance of polymeric collectors vs. heat pump - lessons learned from passive houses in Oslo
M. Meir
Gleisdorf Solar 2014, Gleisdorf, Austria
In Norway's first single family house field with passive house standard Rudshagen in Oslo, the performance of two identical residences, one heated by solar thermal collectors and one with an air-to-water heat pump are compared. The polymeric collectors are facade integrated and contribute to domestic hot water (DHW) preparation and space heating. The present passive house field was built by the largest Nordic cooperative building association OBOS (Oslo Housing and Savings Society). -
Partly glazed solar collectors - a new method for preventing overheating
A. Dursun, J. Rekstad, M. Meir
Gleisdorf Solar 2014, Gleisdorf, Austria
A new design is proposed to prevent overheating of all-polymeric, natural circulating solar collectors. Overheating is a challenge, which may cause loss of system durability for extended lifetimes (Resch et al., 2009). THe collector is partly glazed and only the upstream channels are insulated. The absorber consists of a twin-wall sheet. A simplified numerical model has been developed and was used to estimate the maximum temperature in the collector for different glazings and number of downstream channels in the collector. -
Practical Experiences With a New Polymeric Thermosiphon System
D. Preiß, T. Ramschak, A. Dursun, M. Meir, J. Rekstad
Gleisdorf Solar 2014, Gleisdorf, Austria
Conventional thermosiphon systems are made of metal based materials. Copper, aluminium and several versions of steel are used for manufacturing collectors, storage tanks, mounting racks, pipings and fittings. Alternative materials like plastics are currently applied in most cases only for solar swimming pool heating. Especially polymer-based solar domestic water heating has a large future potential because of innovative design possibilities that comes with the formable nature of polymers. This means freedom in structural and functional design. Other significant opportunities are the large cost-reduction potential due to mass production or the reduction in weight (IEA Task 29, 2014; SCOOP, 2014). This paper deals with the first results from outdoor experiments with a polymeric thermosiphon system prototype from the Norwegian company Aventa. Firstly the motivation via some current market figures is given. Secondly the functional principle of the polymeric thermosiphon prototype is explained. Thirdly comes the practical part where results from laboratory and outdoor measurements are summarized. These results are then compared to a state of the art metal based reference system. -
Kostenanalyse und Fertigungsoptimierung von Polymerkollektoren für den globalen Markt
Andreas Piekarczyk
Gleisdorf Solar 2014, Gleisdorf, Austria
Die Entwicklung des solarthermischen Marktes seit 2008 zeigt einen deutlichen Rückgang des globalen Marktwachstums auf rund 15%, wobei über 80% der jährlich neuinstallierten Kollektorfläche in China installiert wurde. Das Wachstum in Märkten wie Europa oder den USA stagniert hingegen, bei gleichzeitig stetig steigendem Anteil erneuerbarer Wärme am gesamten Energiebedarf. Hieraus folgt, dass Solarthermie für die Endkonsumenten deutlich an Attraktivität gegenüber anderen erneuerbaren Energien verloren hat. Der solarthermische Markt ist ein äußerst preissensibler und wettbewerbsintensiver Markt, in dem die Kosten für ein solarthermisches System von entscheidender Rolle sind. Betrachtet man jedoch die relative Kostenentwicklung solarthermischer Systeme, zeigt sich, dass die Kosten seit Mitte der 1990-er Jahre stagnieren. Als entscheidende Komponente eines solarthermischen Systems hat der solarthermische Kollektor einen großen Anteil an den Kosten für ein solarthermisches System. -
Development of fully polymeric thermosiphon systems based on extruded commodity plastic sheets
A. Piekarczyk, M. Volk, M. Meir, J. Rekstad, M. Koehl
Gleisdorf Solar 2014, Gleisdorf, Austria
In many countries of the world, to mention the countries of the MENA region among others, the by far dominant solar thermal systems on the market are thermosiphon systems. Especially in countries with a high solar irradiance and a low gross domestic product, cheaper low-tech products are preferred. The demand for domestic hot water in certain day times can easily be covered with a simple and cost-efficient thermosiphon system. Due to low wages and low production costs, the prices of metal based thermosiphon systems are in many countries strongly limited by the material costs. Therefore, a further cost reduction is only possible by a further reduction of the material costs by shifting towards other materials, like polymers, and even more by automatized mass production. For a highly automatized production, with a corresponding output of several ten thousand collectors, however, a collector concept needs to be market proof and allows little space for post-introduction modifications. In the following work, two different approaches for the development of two different concepts of polymeric thermosiphon systems are presented and some examples of the optimization of these concepts are given. Both concepts were developed in the EU founded project SCOOP and are subject to further investigations. The presented work is merely a selection of steps along the developing progress. -
Entwicklung neuer Prüfverfahren für die Alterungsbeständigkeit von Polymerwerkstoffen für solarthermische Kollektoren
A. Piekarczyk, T. Meier, T. Trötschler, M. Koehl, K.-A. Weiß
24. Symposium Thermische Solarenergie in Bad Staffelstein, Kloster Banz, Germany
Die Solarthermie muss sich auf dem deutschen Markt gegenüber alternativen Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien behaupten. Der Trend der letzten Jahre zeigt immer deutlicher, dass bei der Einsparung von Produktionskosten das Potential für die Solarthermie weitgehend ausgereizt ist, während andere Technologien durch Produktionsoptimierungen Wettbewerbsvorteile erzielen. Innovative Ansätze werden benötigt, um die Solarthermie nachhaltig zu etablieren. Neben neuen Produktionsmethoden und -materialien werden neue architektonische Integrationsmöglichkeiten für Kollektoren benötigt. Der vielversprechendste Ansatz der letzten Jahre ist hierbei die Entwicklung von polymerbasierten Kollektoren und Systemen. Für die Bereitung von Trinkwarmwasser können polymere Systeme sowohl in Deutschland, als auch in der Mittelmeer- und MENA-Region eine kosteneffektive Alternative zu metallbasierten Kollektoren darstellen. Niedrige Verarbeitungstemperaturen, geringere Material- und Transportkosten, aber auch Freiheit der Formgebung stellen die vordergründigen Vorteile von Polymermaterialien dar. Während die kunststoffverarbeitende Industrie sich diesem Thema der Solarthermischen Kollektoren auf Kunststoffbasis hinsichtlich der Verarbeitung und Formgebung noch annähern muss, besitzen polymere Werkstoffe bereits einen hohen Grad an Spezialisierung für die Solarthermische Anwendung.
2013
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Task 39 Exhibition – Assembly of Polymeric Components for a New Generation of Solar Thermal Energy Systems
Michael Koehl, Sandrin Saile, Andreas Piekarczyk, Stephan Fischer
SHC 2013, International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry September 23-25, 2013, Freiburg, Germany
IEA SHC Task 39 is dedicated to the development, optimization and deployment of materials and designs for polymer based solar thermal systems and components. To increase the confidence in polymeric solar thermal applications, Task 39 actively supports international research activities and seeks to promote successful applications and state-of-the-art products. For the SHC conference 2013, different polymeric components suitable for domestic hot water preparation and space heating were singled out for an exhibition. Promising polymeric collectors, air collectors, thermosiphons, storage tanks and other components from industrial partners all over the world were brought to Freiburg and assembled at the Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems ISE. The resulting SHC Task 39 Exhibition of polymeric components shows the feasibility of all-polymeric solar thermal systems and highlights their potential, especially as scalable and modular applications for building integration or as export products to sunny regions.
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Thermosiphonsysteme und Speicherkollektoren – Marktanalyse und aktuelle Systementwicklungen
D. Preiß, Ph. Ohnewein, M. Möhl, K.-A. Weiß, S. Brunold, G. Wallner, J. Rekstad, M. Meir, E. Hochreiter, T. Lüftinger, C. Fink
23. Symposium Thermische Solarenergie in Bad Staffelstein, Kloster Banz, Germany
Die Tatsache, dass weltweit 75 % der installierten Kollektorkapazität und 89 % der neu installierten Kollektorkapazität nach dem Thermosiphonprinzip arbeitet, ist Grund genug, sich mit dem Markt und den aktuellen technischen Entwicklungen von Schwerkraftanlagen genauer auseinanderzusetzen. Thermosiphonsysteme und Speicherkollektoren sind vergleichsweise einfache solarthermische Anlagen. Genau diese Einfachheit und die Unabhängigkeit von Hilfsenergie führen letztendlich zu deren weiten Verbreitung. Kundenwünsche in Bezug auf Komfort und Benutzerverhalten sind je nach Kultur und Land unterschiedlich und darauf ist bei der Di-mensionierung Rücksicht zu nehmen. Die Zahlen zeigen, dass speziell Länder aus dem weltweiten Sonnengürtel, wie Südamerika, Mexiko, Südafrika, aber auch Australien und Südeuropa ein stabiles Wachstum für den Thermosiphonmarkt bieten. [...]
Was sind nun die treibenden Kräfte, die die Verbreitung von Thermosiphonsystemen in den genannten Regionen fördern? Welche Rahmenbedingungen liegen dort vor? Wie sind die Umgebungs- und Betriebsbedingungen für die Anlagen? Und wie sieht das typische Benutzerverhalten aus?
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Kombinierte spektroskopische und mechanische Untersuchung der Auswirkung von Alterungsfaktoren bei der beschleunigten Alterung von Polymerwerkstoffen für die Solarthermie
A. Piekarczyk, M. Köhl, K.-A. Weiß
23. Symposium Thermische Solarenergie in Bad Staffelstein, Kloster Banz, Germany
Im Bereich der erneuerbaren Energie spielt die Solarthermie in Deutschland eine wichtige Rolle. In anderen Regionen, beispielsweise der MENA-Region, leistet die Solarthermie den größten Beitrag unter den erneuerbaren Energiequellen. Es dominiert die Niedertemperatur-Solarthermie, besonders mit kleinen Anlagen zur Trinkwarmwassergewinnung. Gerade in diesem Bereich bestehen große ökonomische Anreize, die teuer werdenden Metallwerkstoffe durch Kunststoffe zu ersetzen. Kunststoffe bergen neben der Verringerung der Materialkosten weitere Vorteile bei den Produktions- und Transportkosten. Die kunststoffverarbeitende Industrie bietet den Zugang zu einer Vielfalt an möglichen Kollektordesigns, die mit metallischen Werkstoffen nicht wirtschaftlich wären und eröffnen der Architektur neue Zugänge zum Thema Solarthermie. Für die Auswahl und Entwicklung geeigneter polymerer Werkstoffe ist die Untersuchung der Auswirkungen einzelner Umwelteinflüsse auf die Gebrauchsdauer unerlässlich. Die Exposition von Kunststoffen gegenüber Sonnenstrahlung stellt besondere Anforderungen an die UV-Resistenz und Temperaturstabilität der Werkstoffe. Im Rahmen des Projektes SCOOP (www.eu-scoop.org) werden mit umfassenden analytischen Messverfahren die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf polymere Werkstoffe untersucht. Durch die Korrelation von mechanischen Prüfverfahren mit spektroskopischen Daten lassen sich Aussagen darüber treffen, wie sich die Umwelteinflüsse auf molekularer Ebene auf die Werkstoffeigenschaften auswirken. Mit Hilfe moderner Klimakammern sollen hierbei natürliche Alterungsfaktoren stark beschleunigt simuliert werden.
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Innovative, zukunftsweisende Gestaltungselemente - Kunststoffe in der Solarthermie
M. Köhl, S. Saile
Erneuerbare Energie [1-2013]
Schwankende Rohmaterialpreise, aufwändige Produktionsverfahren und ein unvorhersehbares Marktwachstum verleihen solarthermischen Anlagen einen schweren Stand. Kaum eine Technologie für erneuerbare Energien ist derart abhängig von externen Gegebenheiten, kaum eine gleichzeitig so praktikabel und notwendig. Vor dem Hintergrund des stark wachsenden Bedarfs an solarthermischen Anlagen, vor allem in sonnenreichen Regionen, ist die einfache und günstige Installation von Systemen zur solaren Warmwasserbereitung unabdingbar.
2012
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Solarkollektoren aus Polymermaterialien
D. Preiß
Erneuerbare Energie [4-2012]
Ressourvenverfügbarkeit und ständig stiegende Einkaufspreise der in konventionellen Kollektoren verwendeten Materialien Kupfer und Aluminium erfordern den Einsatz von alternativen Werkstoffen. Können Polymermaterialien den Anforderungen Solarthermie gerecht werden?
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Solarkollektoren aus Polymeren: EU FP7 Projekt SCOOP
M. Köhl, S. Saile, K.-A. Weiß
22. Symposium Thermische Solarenergie in Bad Staffelstein, Kloster Banz, Germany
Wie kann das Potential von Kunststoffen für effiziente und wirtschaftliche Kollektoren genutzt und umgesetzt werden? Mit dieser Frage beschäftigt sich das Projekt Solar COllectors made Of Polymers (SCOOP) im Rahmen des FP 7 der EU. Das Ziel des Projekts ist die Auswahl von geeigneten Polymermaterialien und Kollektordesigns für Flachkollektoren, einerseits speziell zur Gebäudeintegration und andererseits optimiert für Thermo-Siphon Systeme. Der Arbeitsplan sieht eine umfassende Untersuchung der Märkte, Kosten und Skaleneffekte, die Auswahl und Optimierung von Kunststoffmaterialien und Produktionstechniken vor. Angedacht sind hierfür Extrusions- und Spritzgussverfahren zur Herstellung der Absorber und weiteren Komponenten bzw. zur Produktion von vollständigen Kollektoren. Mit Hilfe von Demonstrationsprojekten sollen die Produkte geprüft und hinsichtlich ihres Energieertrages mit konventionellen Systemen vergleichen werden. In dem Beitrag sollen der wissenschaftliche Ansatz des Projekts und erste Ergebnisse vorgestellt werden.
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Charakterisierung und Qualifizierung von Kunststoffmaterialien für solarthermische Anwendungen
C. Peike, M. falk, C. Stöver, T. Kaltenbach, K.-A. Weiß, M. Köhl, A. Piekarczyk
Gleisdorf Solar 2012, Gleisdorf, Austria
Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass Kunststoffe in vielen Bereichen in der Lage sind, etablierte Materialien nicht nur zu ersetzen, sondern auch neue Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen. Im Bereich der Produktion sind gerade auch die niedrigen Fertigungstemperaturen ausschlaggebend und führen im Allgemeinen zu einer, verglichen mit konventionellen Werkstoffen, positiveren Ökobilanz. Auf Grund des geringeren spezifischen Gewichts eröffnet die Verwendung von Kunstoffen im solarthermischen Bereich neue Möglichkeiten bezüglich Formgebung und Design. Darüber hinaus bieten die oft geringeren Materialkosten und etablierten Massenfertigungsverfahren die Möglichkeit einer konkurrenzfähigen Vermarktung. Die Vielfalt an unterschiedlichen Kunststoffen und ihre ständige Weiterentwicklung führen dazu, dass oft nur geringe Erfahrungen bezüglich der Veränderung von Materialeigenschaften bei Dauerexposition gegenüber Korrosions- und Umwelteinflüssen vorhanden sind, was die Auswahl geeigneter Materialien erschwert. In Anbetracht der angestrebten Anwendung im solarthermischen Bereich sind besonders die Einflüsse von hohen Temperaturen und UV-Strahlung, im Vergleich zu metallischen Werkstoffen, als die kritischen Einflüsse zu sehen. Um die Auswirkungen dieser Umwelteinflüsse auf die Materialeigenschaften abschätzen zu können, sind beschleunigte Alterungsprüfungen notwendig. Neben der Simulation der genannten Umwelteinflüsse unter Laborbedingungen, stellen Kunststoffe in ihrer chemischen Inhomogenität und Variationsfähigkeit auch besondere Anforderungen an die Charakterisierung der Auswirkung von Umwelteinflüssen. Die Analytik dieser komplexen Systeme erfordert die Kombination verschiedener Messverfahren, teils mit empirischem Ansatz. Hierfür wurden am Fraunhofer ISE unterschiedliche polymere Materialien, die auf Grund ihrer Temperaturbeständigkeit ausgewählt wurden, getestet.
