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Publications

PVT Wrap-Up: Energy Systems with Photovoltaic-Thermal Solar Collectors
D. Zenhäusern, E. Bamberger und A. Baggenstos / 2017 / DE
On behalf of EnergieSchweiz (a programme by the Swiss Federal Office of Energy), SPF has lead an overview study about PVT solar collectors. Key topics include: 1) PVT technology: different designs of PVT collectors, integration of PVT collectors into systems, energetic yields for different system configurations, 2) market overview: available products, main fields of application, size and structure of the current PVT market, 3) experiences made with PVT plants: seven publically co-financed pilot and demonstration plants, further realized PVT plants, points of view of different actors involved in PVT projects (manufacturers, system planners, installers)

Published by EnergieSchweiz
PDF (German)

Experimental investigations of heat exchangers in ice storages for combined solar and heat pump systems
D. Carbonell, M. Granzotto, M. Battaglia, D. Philippen, M.Y. Haller / 2016 / EN
In the present paper different heat exchangers designed to be installed into an ice storage for solar and heat pump heating applications are experimentally investigated. Analyzed heat exchangers are capillary mats and flat plate types. For each heat exchanger, different designs, materials and number of heat exchanger units are evaluated using two different mass flows.

EuroSun 2016
PDF

Seasonal Thermal Energy Storage with Aqueous Sodium Hydroxide – Experimental Methods for Increasing the Heat and Mass Transfer by Improving Surface Wetting
M. Dudita, X. Daguenet-Frick, P. Gantenbein / 2016 / EN
Using thermochemical storage based on water absorption/desorption in a fluid with high volumetric energy density like sodium hydroxide solution (NaOH-H2O) is an effective method for developing seasonal thermal energy storage. For the desorption process step which takes place in summer, a high renewable energy fraction can be reached by using solar thermal collectors. The system efficiency is influenced by the residence time of concentrated NaOH in the water vapor and the surface wetting behavior of the heat and mass transfer unit. This strongly depends on the solid surface characteristics and on the thermo-physical properties of sodium hydroxide, especially the high surface tension of the concentrated NaOH solution from the absorption process. An improved wetting of the concentrated NaOH was achieved by modifying liquid’s properties (e.g. surface tension) or by changing the solid surface structure and chemistry.

EuroSun 2016
PDF

Horizontal Inlets of Water Storage Tanks With Low Disturbance of Stratification
C. Gwerder, L. Lötscher, et al. / 2016 / EN
This work presents computational fluid dynamics (CFD) simulations of direct horizontal inlets at midheight of a typical solar combi-storage of about 800 L volume. Different inlet diffusor designs were simulated, and laboratory measurements were used to validate CFD experiments. Recommendations for the design and maximum fluid velocity of horizontal inlets are presented.

Published in "Journal of Solar Energy Engineering" #138 (pages 051011 – 051019)
Editor’s-Link
 
Simulation of a solar-ice system for heating applications. System validation with one-year of monitoring data
D. Carbonell, D. Philippen, M. Granzotto, M.Y. Haller / 2016 / EN
In the present paper a dynamic system simulation for a combined solar thermal and heat pump system including an ice storage is presented. The simulated system was validated with one-year measurements from a pilot plant situated in Rapperswil-Jona, Switzerland. The system is installed in an old kindergarten with a yearly heating demand of around 35 MWh and a high temperature hydronic heat distribution system (radiators). The pilot plant is composed of 50 m² of covered and 14 m² of uncovered collectors, both with selective coating; a heat pump of 17 kW, a sensible storage of 3.5 m³ and an ice storage of 75 m³. The monitored yearly system performance factor was 4.6.

Published in "Energy and Buildings" #127 (pages 846 – 858)
ScienceDirect-Link
 
Seasonal solar thermal energy absorption storage with aqueous sodium hydroxide sorbent and vapour sorbate
P. Gantenbein, X. Daguenet-Frick, M. Rommel, B. Fumey, R. Weber, K. Goonesekera, T. Williamson / 2016 / EN
The presented work focuses on the development of heat and mass exchangers from a sodium lye based TCM storage system. The key components for charging and discharging are the absorption-desorption unit and the required evaporation-condensation unit. In this paper, the development process, the set-up and measurement results are shown and an outlook for further work is given.

Gleisdorf SOLAR 2016
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Die thermische Schichtung von Kombi-Wärmespeichern ist messbar ‒ ein Weg zur Zertifizierung der Schichtungseffizienz
R. Haberl, R. Waser, M.Y. Haller / 2016 / DE
Am SPF wurde eine Methode zur Messung der Schichtungseffizienz von Kombispeichern entwickelt. Die mit dieser Methode erzielten Ergebnisse zeigen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Schichtungseffizienz und dem elektirschen Energiebedarf einer Wärmepumpe. Es zeigt sich, dass in der Kombination mit Wärmepumpen die Schichtungseffizienz deutlich entscheidender für den el. Energiebedarf ist als es die Wärmeverluste sind. Um den Herstellern einen unabhängigen Ausweis über die Schichtungseffizienz in die Hand zu geben werden die Resultate in sogenannten Factsheets veröffentlicht. Wegen der grossen Bedeutung schlägt das SPF desweiteren vor, die Methode in die Europäische Normierung mit aufzunehmen.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Geothermische Abkühlung in Städten ‒ verschiedene Regenerationsmethoden im Vergleich
P. Persdorf, F. Ruesch, M.Y. Haller / 2016 / DE
In der Simulationsstudie RegenOpt wurde die Langzeitauskühlung von Erdwärmesonden (EWS) im Kontext einer städtischen Geothermienutzung mit möglichen Varianten zur Regeneration untersucht. Bei den Berechnungen wurde eine stärkere Auskühlung, durch den Einfluss von Nachbarsonden, über eine neu eingeführte Nachbar G-Funktion berücksichtigt. Um eine zu starke Auskühlung zu kompensieren wurden die EWS mittels Geocooling, Luftwärmetauscher oder Solarkollektoren bzw. Absorbern regeneriert. Aber auch die einfache Verlängerung der EWS ohne aktive Regeneration wurde betrachtet. Das EWS-Feld wurde für jede Simulationsvariante so ausgelegt, dass der Betrieb über 50 Jahre ohne Vereisung gewährleistet werden kann. Der energetische und wirtschaftliche Vergleich, anhand der Systemsimulationen zeigt, dass Regeneration immer besser ist als nur längere Sonden zu bohren.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

P&D Projekt Oberfeld ‒ Monitoring einer PVT Grossanlage ‒ Ergebnisse aus dem ersten Betriebsjahr 2015
Baggenstos Aleksis / 2016 / DE
Die Energieanlage der Wohnsiedlung Oberfeld in Ostermundigen versorgt die Gebäude mit Strom und Wärme. Das Gesamtkonzept verbindet solare Gewinnung von Wärme und Strom mittels PVT Solarkollektoren mit der saisonalen Wärmespeicherung in Erdwärmesonden. Der Betrieb der Energieanlage Oberfeld wird mittels einer Messinstallation überwacht. Die Datenauswertung des ersten Betriebsjahres, August 2014 bis Juli 2015, zeigt dass die vollständige Regeneration des Erdwärmesonden Feldes durch die sommerliche Wärme der PVT Solaranlage möglich ist.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Evaluation Solarer Prozesswärmesysteme in der Schweiz
M.H. Rittmann-Frank, J. Möllenkamp, M. Caflisch, M. Rommel, M., S. Minder / 2016 / DE
Im Rahmen des vom Bundesamt für Energie finanzierten Projektes werden sechs in der Schweiz betriebene Anlagen zur Bereitstellung von Prozesswärme evaluiert. Dabei ist es wichtig, die bisherigen Erfahrungen in der Planungs- und Integrationsphase sowie im laufenden Betrieb zusammenzutragen um daraus Empfehlungen abzuleiten.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Methode zur Quantifizierung der Blendung durch Solaranlagen ‒ Vergleich mit anderen Materialien der Gebäudehülle
F. Ruesch, M. Battaglia, S. Brunold / 2016 / DE
Bei der Beurteilung von Blendung durch reflektiertes Licht an Solaranlagen wird die Streuung meist nicht oder nur stark vereinfacht berücksichtigt. In diesem Beitrag werden Messungen zur Streuung des reflektierten Lichtes an Solargläsern und anderen Materialien der Gebäudehülle vorgestellt. Diese werden zur Berechnung unterschiedlicher Indizes zur Beurteilung von Blendung verwendet und miteinander verglichen.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Vergleich der Testmethoden für Wärmespeicher
O. Türk, A. Brunner, A. Bohren, M.Y. Haller / 2016 / DE
Seit 26. Septermber 2015 gelten in der EU neue Verordnungen für die Kennzeichnung von Heizungen und Warmwassergeräten. Für das Energielabel eines Speichers werden nur die Wärmeverluste des Speicher benötigt. Zur Bestimmung der Wärmeverluste stehen verschiedene europäische Normen zur Verfügung. In diesem Beitrag untersuchen wir, wie die Resultate der Speicherwärmevermessung abhängig sind von der Wahl des Verfahrens, und ob die Resultate repräsantativ sind für die tatsächliche zu erwartenden Verluste von Kombispeicher im realitätnahen Betrieb.

26. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Modeling of an ice storage buried in the ground for solar heating applications. Validations with one year of monitored data from a pilot plant
D. Carbonell, D. Philippen, M.Y. Haller, S. Brunold / 2016 / EN
A mathematical model for an ice storage buried in the ground is presented and validated with experimental results of one full operation year of a pilot plant with a 75 m3 ice storage. The ice storage was designed with heat exchangers that can be de-iced and it was developed for heating applications using a combined solar thermal and heat pump system. Because of the inherent coupling between the ice storage and the ground, a ground model was developed and coupled with the ice storage for the validation.

Published in "Solar Energy" #125 (pages 398 – 414)
ScienceDirect-Link
 
Seasonal thermal energy storage with aqueous sodium hydroxide ‒ experimental assessments of the heat and mass exchanger unit
X. Daguenet-Frick, P. Gantenbein, E. Frank, B. Fumey, R. Weber, K. Goonesekera / 2015 / EN
Closed sorption heat storage based on water vapor sorption in aqueous sodium hydroxide (NaOH-H₂O) solution theoretically allows to reach a significantly higher volumetric energy density compared to sensible thermal storage systems. In the present work, the heat and mass exchangers of an absorption/desorption concept will be highlighted and investigated, focusing on the experimental assessment.

SHC 2015
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Seasonal Solar Thermal Absorption Energy Storage Development
X. Daguenet-Frick, P. Gantenbein, M. Rommel, B. Fumey, R. Weber, K. Goonesekera, T. Williamson / 2015 / EN
This article describes a thermochemical seasonal storage with emphasis on the development of a reaction zone for an absorption/desorption unit. The heat and mass exchanges are modelled and the design of a suitable reaction zone is explained. A tube bundle concept is retained for the heat and mass exchangers and the units are manufactured and commissioned. Furthermore, experimental results of both absorption and desorption processes are presented and the exchanged power is compared to the results of the simulations.

Published in "Chimia" #69 (pages 784 – 788)
Editor’s-Link
 
Development of a numerical model for the reaction zone design of an aqueous sodium hydroxide seasonal thermal energy storage
X. Daguenet-Frick, P. Gantenbein, E. Frank, B. Fumey, R. Weber / 2015 / EN
This paper describes a thermochemical seasonal storage with emphasis on the development of a reaction zone for an absorption/desorption unit. The heat and mass exchange is modelled and the design of a suitable reaction zone is explained. A tube bundle concept is presented for the heat and mass exchangers and the most demanding working conditions they should fulfil are modelled and discussed. To estimate the performance of such a reaction zone and to design it, numerical models were developed and are described in this paper. Several parameters influencing these models were tested such as the sensitivity of the models to the correlation used to calculate the heat and mass exchanges, the tube diameter and the tube pitch influence. The final contribution of the tube bundle modelling is to size and design the heat and mass exchanger constituting the reaction zone. This work will be used as a basis for the reaction zone construction of an aqueous sodium hydroxide seasonal thermal energy storage prototype.

Published in "Solar Energy" #121 (pages 17 – 30)
ScienceDirect-Link
 
Modeling of an ice storage based on a de-icing concept for solar heating applications
D. Carbonell, D. Philippen, M.Y. Haller, E. Frank / 2015 / EN
The development and validation of a mathematical model of an ice storage tank with heat exchangers that can be de-iced is presented. The ice storage tank model is developed for a solar-ice system, i.e. a system that combines solar thermal collectors with a heat pump to provide space heating and domestic hot water.

Published in "Solar Energy" #121 (pages 2 – 16)
ScienceDirect-Link
 
Durability of aluminium based solar selective absorbers under condensed water
M. Dudita, L. Omlin, F. Ruesch, P. Gantenbein, S. Brunold, A. Duta / 2015 / EN
The performance and durability of eight types of modern aluminum based solar selective absorber coatings was studied. The combined effect of high humidity (95 % RH), condensation and temperature (40 °C and 60 °C) was assessed. Optical, microstructural and elemental composition modifications after ageing were studied using FTIR spectrometry (Bruker IFS66), transmission electron microscopy (TEM, FEI Talos F200X) coupled with energy dispersive X-ray spectrometry. The study has shown that for the tested absorber surfaces, the predominant degradation process is not the formation of aluminum hydroxide, but the reduction of the antireflective layer thickness.

CISBAT 2015
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New Generation of a highly compact Solar Heat Pump System with boosted Energetic Efficiency
I. Mojic, M.Y. Haller, A. Heinz, F. Hengel, B. Thissen / 2015 / EN
In this work a new highly compact solar thermal heat pump system for space heating and domestic hot water preparation will be presented in detail. It was developed within the European project "MacSheep". The aim of the project is to build four different solar heat pump systems, which achieve 25 % electric energy savings compared to the state of the art solar heat pump heating systems, while still being cost-competitive.

CISBAT 2015
PDF

Pumping Power prediction in Low Temperaure District Heating Networks
F. Ruesch, M. Rommel, J. Scherer / 2015 / EN
Low temperature district heating networks connect residential buildings with heat demand to commercial buildings with elevated cooling demand. Energy is transported in water bearing pipes at a low temperature level and stored in seasonal borehole storages. The pumping effort was modelled and compared to measured data from a network in Zürich.

CISBAT 2015
PDF

Untersuchung und Evaluierung eines Parabolrinnenkollektorfeldes für Prozesswärme in einer Schweizer Molkerei
J. Möllenkamp, H. Marty, M. Rommel, E. Frank, M.H. Rittmann-Frank, S. Minder / 2015 / DE
Das SPF untersucht Betriebsverhalten von Prozesswärme-Solaranlagen, die in den letzten Jahren in der Schweiz installiert wurden. In diesem Beitrag werden neue Ergebnisse über die Erträge der Parabolrinnenkollektoranlage in Saignelégier eines gesamten Betriebsjahres anhand von Messdaten gezeigt. Insbesondere werden die Strahlungsverlustmechanismen durch Reihenverschattung, Endverluste und den Incident Angle Modifier ausführlich analysiert.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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P&D Projekt Oberfeld ‒ Monitoring einer PVT Grossanlage ‒ Ergebnisse aus der ersten Heizperiode
A. Baggenstos, M. Larcher, S. Brunold / 2015 / DE
Vorstellung des Pilot und Demonstrationsprojektes Oberfeld. In diesem Projekt wird die Wärmeversorgung der Überbauung Oberfeld mit einem Monitoringsystem ausgestattet und genau untersucht. Im Konferenz Paper werden die Untersuchungsschwerpunkte, die Tätigkeiten und erste Messergebnisse im Rahmen des Monitorings aufgezeigt.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Durability of solar selective absorbers under condensation test
M. Dudita, S. Brunold, F. Ruesch, L. Omlin, P. Gantenbein, L. Marot, A. Kaufmann / 2015 / EN
The paper focuses on the performance and durability of modern aluminium based solar thermal absorbers. The effect of high humidity and condensation was studied using optical and microstructure investigation (UV-Vis-IR spectroscopy and photo-electron spectroscopy, XPS) after different time intervals.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Thermische und elektrische Charakterisierung von unabgedeckten PVT-Kollektoren
D. Zenhäusern, A. Bohren, M. Rommel, S. Dittmann, T. Friesen, F. Frontini / 2015 / DE
In diesem Beitrag wird eine einfache Erweiterung des bei thermischen Kollektoren standardmässig angewandten Hottel-Whillier Modells für unabgedeckte PVTKollektoren präsentiert. Das Modell erlaubt die Identifizierung neuer PVT-spezifischer Parameter, welche eine gute Abbildung der PV-Zelltemperatur ermöglichen. Die Parameter können ohne grossen Mehraufwand durch Messung der Zelltemperatur (via Messung der Leerlaufspannung) während der thermischen Prüfung bestimmt werden. Zur Validierung des Modells und der Bestimmung der entsprechenden Parameter wurden Indoor- und Outdoormessungen an einem unabgedeckten PVT-Kollektor durchgeführt.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Experimentelle Untersuchung der Schichtungseffizienz ‒ Kombispeicher auf dem Prüfstand
R. Haberl, A. Reber, P. Persdorf, M.Y. Haller / 2015 / DE
Im Projekt StorEx wurden 6 verschiedene Kombispeicher unter verschiedenen Rahmenbedingungen auf deren Schichtunseffizienz hin geprüft. Die Messungen zeigen, dass die neue Methode verlässliche, reproduzierbare und aussagekräftige Resultate innerhalb kurzer Zeit liefert. Unter anderem konnte ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Schichtungseffizienz eines Kombispeichers und dem Berdarf an elektrischer Energie einer Wärmepumpe gezeigt werden.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Experimentelle Untersuchung der Schichtungseffizienz ‒ Entwicklung einer Testmethode
P. Persdorf, R. Haberl, A. Reber, M.Y. Haller / 2015 / DE
Im Rahmen des Projektes StorEx wurde ein Verfahren zur Beurteilung der Schichtungseffizienz von Kombispeichern entwickelt. Die Testmethode basiert auf der Auswertung der Entropieproduktion in einem 24-stündigen Prüfzyklus. Damit ist erstmals eine Bewertung von Speichern und deren hydraulischer Einbindung möglich. Im Beitrag wird das Testprofil sowie das Verfahren zur Simulation und Emulation der Wärmequellen und -senken vorgestellt.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
PDF

Blendung von Solaranlagen ‒ Übersicht zur aktuellen Rechtslage
A. Bohren / 2015 / DE
Übersicht über die aktuelle Rechtsprechung bezüglich der Blendung von Solaranlagen. Erste Ansätze zu einer neutralen Bewertung der Blendwirkung sind mittlerweile verfügbar. Der Vergleich mit ähnlichen Produkten zeigt allerdings, dass man bis auf weiteres von einer ungleichen Behandlung bei Solaranlagen ausgehen muss.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Systemauslegung und Ökobilanzierung von Solarthermie-Wärmepumpen-Heizungen mit Eisspeichern und Abwasser-Wärmerückgewinnung
D. Philippen, D. Zenhäusern, D. Carbonell, M. Granzotto, M. Haller, S. Brunold / 2015 / DE
Anhand eines spezifischen Heizungskonzepts wird untersucht, wie die Systemeffizienz von solarthermischen Wärmepumpenheizungen mit Eisspeicher und optional mit Abwasser-Wärmerückgewinnung von den Komponentengrößen abhängt. Als Effizienzziel werden die System-Jahresarbeitszahl und die Minimierung der Umweltwirkung über die gesamte Lebensdauer der Heizung betrachtet.

25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie
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Seasonal Thermal Energy Storage with Aqueous Sodium Hydroxide ‒ Reaction Zone Development, Manufacturing and First Experimental Assessments
X. Daguenet-Frick, P. Gantenbein, E. Frank, B. Fumey, R. Weber, T. Williamson / 2014 / EN
Seasonal storage using sensible thermal energy in materials (usually water) has two main disadvantages: comparably high thermal losses and a low volumetric energy density. A process involving absorption and desorption could be a solution to improve both aspects. In this paper, the theoretical and experimental investigation of the reaction zone construction of an absorption/desorption concept with sodium hydroxide (NaOH) and water is described. Both heat and mass exchangers constituting this reaction zone are falling film tube bundles working under reduced pressure (evacuated container). Preliminary experimental assessments showing the proper working of the reaction zone are presented.

EuroSun 2014
PDF

Impact of Small Weather Data Time Steps on the Simulation of Solar and Heat Pump Systems
M. Granzotto, D. Chèze, M.Y. Haller / 2014 / EN
For the simulation of solar thermal systems mainly hourly based weather data are used today. The question arises whether short term fluctuations of e.g. solar irradiation that may be present in measured weather data with smaller time resolution has an impact on the result of solar thermal system simulations. To study the influence of weather data time resolutions, different systems that combine solar collectors and heat pumps were simulated with different weathr data time resolution in TRNSYS17.

EuroSun 2014
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Simulation of Combined Solar Thermal, Heat Pump, Ice Storage and Waste Water Heat Recovery Systems. Design Criteria and Parametric Studies
D. Carbonell, D. Philippen, M. Granzotto, M.Y. Haller, E. Frank / 2014 / EN
The combination of solar thermal systems with heat pumps, ice storage and waste water heat recovery is analysed by means of transient system simulations. Simulations presented here show that uncovered collectors perform better than covered collectors except for large sized systems where auxiliary electrical back-up is not necessary. Waste water heat recovery systems are found to significantly increase the system performance.

EuroSun 2014
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Disturbance of Stratification Caused by Direct Horizontal Inlets into a Water Storage Tank
M.Y. Haller, I. Mojic, et al. / 2014 / EN
The stratification efficiency of direct combi-storage inlets has a decisive influence on the energetic efficiency of solar thermal systems and even more of heat pumps that are connected to combi-storages. In this work, the effect of different geometrical designs and mass flow rates on stratification of the storage is studied for direct storage inlets with computational fluid dynamics. Selected experiments are validated with laboratory tests.

EuroSun 2014
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Hardware in the Loop Tests on Eleven Solar and Heat Pump Heating Systems
R. Haberl, M.Y. Haller, E. Frank / 2014 / EN
Eleven heating systems that combine combistores with solar thermal collectors and heat pumps have been tested and evaluated as a whole by detailed measurements in the laboratory with the Concise Cycle Test (CCT). The tests gave important insights into the behavior and the performance of these heating systems under transient operating conditions. One of the core findings is that the hydraulics and control strategy have a big influence on the temperature level of the heat pump condenser – and therefore also on the exergetic performance and the performance factor of the systems.

EuroSun 2014
PDF

Potential Benefit of Combining Heat Pumps with Solar Thermal for Heating and Domestic Hot Water Preparation
D. Carbonell, M.Y. Haller, E. Frank / 2014 / EN
In this work, the combination of solar thermal systems with heat pumps has been numerically analyzed. Potential benefits have been studied by comparing systems that use only a heat pump with combined systems. All simulations were carried out with Polysun-6® for several climates around Europe. The simulated systems are designed to provide space heat and domestic hot water for single family houses. Results presented in this work show that the seasonal performance factor of the overall heating system increases when a solar thermal system is added for both air source and ground source heat pumps. In terms of absolute electricity savings, the benefit of adding solar thermal to a heat pump system is usually higher for air source compared to ground source based systems despite of the lower fractional electricity savings of air source based systems.

Energy Procedia
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Development and Validation of a Mathematical Model for Ice Storages with Heat Exchangers that can be De-iced
D. Carbonell, D. Philippen, M.Y. Haller, E. Frank / 2014 / EN
The development and validation of a mathematical model of an ice storage tank with heat exchangers that can be de-iced is presented. The ice storage model was developed for heating applications using combined solar thermal and heat pump systems. Experiments were conducted with a laboratory scale ice storage of 1 m3. The model predicted successfully most of the operating modes for the main variables such as heat exchanger outlet temperature and energy transferred, mass of ice produced and melted, and time of ice formation.

Energy Procedia
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PVT-Kollektoren für die Brauchwarmwasser-Vorwärmung ‒ Mess- und Simulationsresultate einer Testanlage
D. Zenhäusern, A. Baggenstos, O. Türk, S. Brunold, M. Rommel / 2014 / DE
Um das Potenzial von unverglasten PVT-Kollektoren für die Brauchwarmwasser-Vorwärmung zu untersuchen, wurde am SPF in Rapperswil eine Testanlage gebaut und während einem kompletten Jahr betrieben und vermessen. Parallel dazu wurde das System detailgetreu mit der Simulationssoftware Polysun abgebildet. Wir präsentieren in diesem Beitrag die Messresultate des einjährigen Betriebs, insbesondere die thermischen und elektrischen Solarenergieerträge sowie den durch die Modulkühlung erreichten elektrischen Mehrertrag der PVT-Kollektoren gegenüber reinen PV-Modulen. Zusätzlich zeigen wir den Vergleich zwischen Mess- und Simulationsresultaten und Simulationsresultate für unterschiedliche Systemdimensionierungen.

18. Brenet Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt»
PDF

Evaluation of Measurements on Parabolic Trough Collector Fields for Process Heat Integration in Swiss Dairies
E. Frank (SPF), H. Marty (SPF), L. Hangarten (SPF), S. Minder (NEP) / 2014 / EN
Measurements from two solar process heat plants in Switzerland have been evaluated, both equipped with similar types of parabolic trough collectors. The analysis focusses on the description of the plants and the presentation of the performance of the collector fields. For this, both a daily evaluation of selected days is presented as well as a monthly evaluation is introduced where the energy delivery of the collector field is cumulated for each day and plotted against the cumulated direct irradiation on the one-axis tracked collector field aperture area.
SWC2013 - Publikation
Schneelastprüfung von thermischen Kollektoren, neues Prüfverfahren für alpine Verhältnisse
A. Bohren (SPF), T. Tschan (Ernst Schweizer AG, Metallbau) / 2014 / DE
Die Schadenssummen durch Schneelastschäden an Solaranlagen sind nicht mehr vernachlässigbar. Es ist darum wichtig, dass Kollektoren, PV Module und Montagesysteme verfügbar sind, die auch in alpinen Regionen den zu erwartenden Schneelasten standhalten können. Die in den Produktenormen vorgesehenen Prüflasten und Prüfmethoden ergeben allerdings keine ausreichende Aussage zur Schneelastbeständigkeit. In dem vorgestellten Projekt wurde eine neuartige Anlage realisiert die verschiedene Schwachpunkte der Normprüfungen eliminiert. Neu können Schneelasten bis etwa 20 kN/m², unter beliebiger Dachneigung und für Grossflächenkollektoren bis zu einer Grösse von etwa 12 m² simuliert werden.
Otti2014 - Publikation
Solar and Heat Pump Systems – Summary of Simulation - Results of the IEA SHC Task 44 / HPP ANNEX 38
M.Y. Haller, D. Carbonell, I. Mojic, et al. / 2014 / EN
Solar and heat pump heating systems have been simulated and analyzed by experts from different countries in Subtask C of the IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 "Solar and Heat Pump Systems" from 2010 to 2014. A summary of these simulation results is presented, compared and analyzed in this work, comprising systems where solar collectors provide heat in parallel to a heat pump, systems where solar heat is also or exclusively used for the evaporator of the heat pump, systems with ice storages, and systems with active solar regeneration of the ground source of the heat pump.
IEA HPC 2014 - Paper
Solare Wärmepumpensysteme auf dem Prüfstand - Systemtests von 11 verschiedenen Systemen
R. Haberl, M. Haller, E. Frank / 2014 / DE
Der Concise Cycle Test (CCT) ist eine Testmethode, mit der unter realitätsnahen Bedingungen das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten getestet werden kann. Die Methode wurde bereits erfolgreich bei Systemen angewandt die thermische Kollektoren mit Öl-, Gas- und Pelletkesseln kombinieren. Innerhalb des Projektes Sol-HEAP, dessen Resultate in den IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 "Solar and Heat Pump Systems" einfliessen, wurde die Methode erweitert um auch Anlagen mit Wärmepumpen testen zu können. Dieser Beitrag zeigt die Resultate von Messungen an 11 verschiedenen Systemen von 6 verschiedenen Herstellern, deren Gemeinsamkeit sich darauf beschränkt, dass sie thermische Kollektoren, eine Wärmepumpe und einen Kombispeicher enthalten. Ansonsten unterscheiden sich die Konzepte deutlich.
Otti2014 - Publikation
Solarwärme & Wärmepumpen – Interpretation der Simulationen des IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38
M. Haller, E. Frank / 2014 / DE
In diesem Beitrag werden Resultate präsentiert und analysiert, welche im Rahmen des Subtask C "Modeling and Simulation" des IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 (T44A38) "Solar and Heat Pump Systems" von verschiedenen Teilnehmern des Tasks erarbeitet wurden.
Otti2014 - Publikation
Untersuchungen zu kostengünstigeren Alternativen der Direktstrahlungsmessung anstelle eines Pyrheliometers und zweiachsiger Nachführvorrichtung
M. Larcher, M. Rommel / 2014 / DE
Industrielle Prozesse werden immer öfter von solarthermischen Kollektoren unterstützt. Bei industriellen Prozessen in einem Temperaturbereich von 100°C bis 200°C spricht man von Prozesswärme. Bei den dabei verwendeten Kollektoren handelt es sich oftmals um konzentrierende Kollektoren, wie Fresnel – und Parabolrinnenkollektoren, sogenannten Prozesswärmekollektoren. Diese müssen aufgrund ihrer Konzentration der Sonnen nachgeführt werden und können im Wesentlichen nur die Direktstrahlung in Wärme umwandeln. Für die Bewertung dieser Kollektoren beziehungsweise der ganzen Anlagen muss somit die Direktstrahlung bestimmt werden. Die herkömmliche und kostenintensive Variante ist die Verwendung eines Pyrheliometers montiert auf einem zweiachsig nachgeführten Trackingsystem. Die Kosten belaufen sich auf ca. 15‘000 Euro. Aus eigenen Erfahrungen wissen wir, dass diese Kosten den Rahmen eines Feldmonitoring – Projektes oftmals übersteigen. Daher haben wir zwei kostengünstigere Alternativen angeschaut. Die erste Variante ist die Bestimmung der Direktstrahlung mittels zwei horizontal montierten Pyranometern, wobei das eine mit einem Schattenring versehen ist und somit die Diffusstrahlung (unkorrigiert) misst, während das andere ohne Schattenring die Globalstrahlung misst. Bei der zweiten Variante handelt es sich um ein innovatives Strahlungsmessgerät das über mehrere Sensoren die Strahlung misst und daraus die Global- und die Diffusstrahlung berechnet. Im Paper werden die Direktstrahlungmessungen der herkömmlichen und der beiden Alternativen einander gegenübergestellt und die Abweichungen bewertet.
Otti2014 - Publikation
Unverglaste PVT-Kollektoren für die Brauchwarmwasser-Vorwärmung - Messresultate einer Testanlage
D. Zenhäusern, A. Baggenstos, O. Türk, S. Brunold, M. Rommel / 2014 / DE
PVT-Kollektoren kombinieren Photovoltaik und Solarthermie in einer Baueinheit. Diese Kombination hat gegenüber reinen PV-Modulen zwei Vorteile: 1) Höherer flächenspezifischer Solarertrag (elektrisch plus thermisch), 2) höherer Solarstromertrag dank tieferen Zelltemperaturen. Wir präsentieren Messresultate einer Testanlage am SPF in Rapperswil. Dimensionierung und Betriebsweise der Anlage wurden so gewählt, dass diese als Modell einer Warmwasser-Vorwärmanlage für Mehrfamilienhäuser dienen kann.
Otti2014 - Publikation
Reaction zone development for an aqueous sodium hydroxide seasonal thermal energy storage
X. Daguenet-Frick (SPF), P. Gantenbein (SPF), E. Frank (SPF), B. Fumey (EMPA),
R. Weber (EMPA), T. Williamson (Kingspan Environmental Ltd) / 2013 / EN
This paper focuses on the development of a reaction zone dedicated to an absorption/desorption seasonal thermal energy storage. The modelling of the tube bundle constituting the reaction zone is described as well as the boundary conditions in worst working conditions and some modelling results are presented for the desorber/absorber. In parallel to this sizing work, investigations were lead on the tube bundle optimisation by studying the wetting and fluid distribution. A specific developed experimental set up based on imaging enabled to quantify the influence of tube texturing and to improve the manifold design. This work will lead to the reaction zone construction for an aqueous sodium hydroxide seasonal thermal energy storage prototype.
ISES Solar World Congress 2013 − Paper
Simulations of combined solar thermal and heat pump systems for domestic hot water and space heating
D. Carbonell, M. Haller, D. Philippen, E. Frank / 2013 / EN
The system combination of solar thermal collectors and heat pumps is a very attractive option for increasing the renewable energy usage at worldwide level for heating and domestic hot water preparation. In this work parallel and series combined solar and heat pump systems are analyzed within the IEA SHC Task44/ HPP Annex38 reference conditions for different buildings and a typical Central European climate. Three combined systems have been studied in detail: solar and air source heat pump, solar and ground source heat pump, and exclusively solar source heat pump in combination with an ice storage. Numerical calculations have been performed using two simulation platforms: TRNSYS-17 and Polysun-6®. Comparisons between the two simulation environments have been also provided. Moreover, a reference case without solar has been used to determine the potential efficiency benefits of using solar collectors compared to a system with a heat pump alone in the specified climate and for covering the specified heat load. Simulations presented in this work show that differences in system performance up to 4% can be expected between TRNSYS-17 and Polysun-6® for air source based systems, and higher discrepancies, up to 14% are obtained for ground source based systems. Comparisons between combined solar thermal and heat pump systems with their respective "heat pump only" reference solutions show that the absolute electricity savings of air source are usually higher compared to ground source based systems. Systems using large ice storages are able to reach seasonal performance factors in the range of 5, which is of the order of performance of combined solar and ground source heat pump systems.

SHC2013 - Energy Procedia, 48, p.524–534, ScienceDirect-Link

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Heat pump system with uncovered and free ventilated covered collectors in combination with a small ice storage
I. Mojic (SPF), M. Haller (SPF), B. Thissen (Energie Solaire S.A.), E. Frank (SPF) / 2013 / EN
In the past years research and development for heat pumps in combination with solar thermal collectors increased. In this work it is analyzed how low solar irradiation and ambient air can be used as heat sources. Three different systems were modelled and simulated in TRNSYS. The simulation results show that unglazed collectors and a brine heat pump in combination with a 400 liter ice storage can reach a better performance than a reference system (air source heat pump with covered collectors).

SHC2013 - Energy Procedia, 48, p.608–617, ScienceDirect-Link

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Combining heat pumps with combistores: Detailed measurements reveal demand for optimization
R. Haberl, M. Haller, A. Reber, E. Frank / 2013 / EN
A heating system that combines a ground source heat pump and solar collectors with a combistore was measured in detail in the laboratory by means of "whole system testing". The test rig thereby emulated a building with floor heating, hot water tappings, flat plate solar thermal collectors and a ground source heat exchanger. The tested heating system covered the heat demand for space heating and domestic hot water preparation in a reliable way with a good annual system performance factor of 4.5 that was determined after the physical test by means of test-calibrated simulation models. Nevertheless the measurements revealed that there is still room for improvements. It was found that the heat pump operates in space heating mode in an oscillating on/off behavior with short runtimes and respectively with a high number of starts and in addition with a supply temperature that is in average 8 K above the temperature that is needed in the heat distribution. Furthermore a significant transport of energy, from the upper part of the store that is reserved for domestic hot water preparation to the lower part, reserved for space heating, was detected.

SHC2013 - Energy Procedia, 48, p.361–369, ScienceDirect-Link

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Solare Kombispeicher mit Wärmepumpen: Labormessungen der Jahresleistung zeigen Optimierungspotential
R. Haberl, M.Y. Haller, A. Reber, E. Frank / 2013 / DE
Ein Heizsystem, das einen solaren Kombispeicher mit einer Wärmepumpe kombiniert, wurde detailliert im dynamischen Betrieb untersucht. Dazu wurde die am SPF entwickelte „Concise Cycle Test“ (CCT) Methode verwendet. Die Prüfung zeigt ein System, das den Wärmebedarf sicher deckt und dabei eine gute Jahresarbeitszahl von 4.5 erreicht, wobei die Systemgrenze um alle im Technikraum befindlichen Komponenten (inklusive des Speichers) gezogen wurde. Dennoch besteht noch Verbesserungspotential. Unter anderem konnte durch die Messungen eine signifikante Verfrachtung von Energie aus der Warmwasserzone des Speichers in die Raumheizungszone nachgewiesen werden.
Otti13 - Publikation
Hydraulic integration and control of heat pump and combi-storage: Same components, big differences.
M.Y. Haller, R. Haberl, I. Mojic, E. Frank / 2014 / EN
Different options for hydraulic integration and control of a heat pump connected to a solar combi-storage are investigated by means of annual system simulations. The results show that unfavorable hydraulic integration can lead to additional electric energy demand of the system of up to 45% (>1000 kWh electric energy per year) compared to a - well designed - reference solution with the same components. Based on the system performance analysis, recommendations are given for the hydraulic integration of heat pumps into systems with combi-storages.

SHC2013 - Energy Procedia, 48, p.571–580, ScienceDirect-Link

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Monthly Balanced Production and Consumption of Heat and Electricity with Low Non-Renewable Primary Energy Input at District Level (CISBAT 2013 International Conference, EPFL, Lausanne, 775–780).
M.Y. Haller (Institut für Solartechnik SPF), T. Selm (Selm Heizsysteme AG,), E. Frank (Institut für Solartechnik SPF) / 2014 / DE
The proposed concept reduces the yearly non-renewable primary energy consumption for heating and power supply by 53% if natural gas is used for the combined heat and power plant, and by 81% if biogas is used. This overall concept has thus a higher chance for unlimited reproduction than a net-zero-energy concept alone, reducing the non-renewable primary energy demand substantially compared to standard solutions for supplying heat and electricity. ISBN: 978-2-8399-1280-8
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Dynamic whole system testing of combined renewable heating systems – The current state of the art
M.Y. Haller (Institut für Solartechnik SPF), R. Haberl (Institut für Solartechnik SPF), T. Persson (SERC, Sweden), C. Bales (SERC, Sweden), P. Kovacs (SP, Sweden), D. Chèze (CEA LITEN, INES, France), P. Papillon (CEA LITEN, INES, France) / 2014 / EN
The state of the art for dynamic whole system test methods using “hardware in the loop” concepts is described based on three different approaches that are currently used at four different test institutes. The methods were applied for testing solar thermal systems in combination with fossil fuel boilers (heating oil and natural gas), biomass boilers, and/or heat pumps. All three methods were able to show the performance of combined heating systems under transient operating conditions. The methods often detected unexpected behaviour of the tested system that cannot be detected based on steady state performance tests that are usually applied to single components. A harmonized approach for whole system tests may lead to new test standards and improve the accuracy of performance prediction as well as reduce the need for field tests.

Energy and Buildings, 66, p. 667-677, ScienceDirect-link

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Solare Kombispeicher mit Wärmepumpen: Scheinbare Details entscheiden über die Performance!
M.Y. Haller, R. Haberl, I. Mojic, E. Frank / 2014 / DE
Verschiedene Möglichkeiten zur hydraulischen Integration und Regelung von Wärmepumpen mit solaren Kombispeichern wurden mit TRNSYS-Simulationen untersucht. Die Resultate zeigen, dass ungünstige hydraulische Integration und Regelung im Vergleich zu einer optimalen Lösung mit denselben Komponenten bis zu 45% höheren elektrischen Bedarf (>1000 kWh/a) für die Wärmepumpe zur Folge haben kann. Auf Grund der Simulationsresultate werden konkrete Empfehlungen abgegeben für die hydraulische und regeltechnische Kombination von Wärmepumpen und Kombispeicher.
Otti13 - Publikation
Wärmepumpen-Systeme mit selektiven unabgedeckten und frei belüftbaren abgedeckten Kollektoren als einzige Wärmequelle
I. Mojic (SPF Institut für Solartechnik), M. Haller (SPF Institut für Solartechnik), B. Thiessen (Energie Solaire S.A.), E. Frank (SPF Institut für Solartechnik) / 2013 / DE
Nowadays air source heat pumps and ground source heat pumps are often a favored choice in new buildings or for exchanging old heating systems. However, not for all cases they are suitable: an air-source system may be undesired because of noise or because of esthetic reasons. A solution for such problems may be a heat pump system which uses uncovered selective collectors and an ice storage as heat sources. In this work, a collector-design is investigated which combines the advantages of uncovered and covered collectors. This can be reached with a new type of covered collector with controllable free ventilation. In this article a reference solar and heat pump system was compared with two alternative heat pump systems involving an ice storage and different collector concepts.
Otti13 - Publikation
Parabolrinnenkollektoren für Prozesswärme in Schweizer Molkereien
E. Frank (SPF Institut für Solartechnik), M. Feuerstein (Elektrizitätswerke der Stadt Zürich, ewz), S. Minder (NEP Solar AG) / 2013 / DE
Im Jahr 2012 wurde in Bever eine Parabolrinnen-Anlage in Betrieb genommen. Die Anlage liefert Dampf über einen neuen Dampferzeuger der ausschliesslich mit Wärme von der Solaranlage funktioniert. In diesem Beitrag werden am Beispiel der Solaranlage in Bever die Interessen und Erfahrungen der Betreiberin ewz und des Kollektorherstellers NEP Solar während der Planungs-, Realisierungs- und Betriebsphase aufgezeigt. Anhand der Messdaten von acht Monaten wird der Betrieb der Anlage durch das SPF ausgewertet und erste Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.
Otti13 - Publikation
Development of a defrostable heat exchanger for ice storages in solar thermal heat pump systems
D. Philippen, M. Y. Haller, W. Logie, M. Thalmann, S. Brunold, E. Frank / 2012 / EN
To improve the system’s efficiency of heating installations that combine solar collectors and heat pumps ice storages can be used. A possible disadvantage when using ice storages is that growing ice layers on the heat exchanger’s surfaces in the ice storage increase the heat transfer resistance which leads to lower COP of the heat pumps during periods with high heat demand due to lower source temperatures. To improve the heat transfer across the heat exchangers in the ice storage during these periods a periodical defrosting of the heat exchangers is proposed and presented in this paper.
Eurosun12 - Paper
Entwicklung einer hocheffizienten Solarthermie-Wärmepumpen-Heizung mit Eisspeicher
D. Philippen, M. Y. Haller, S. Brunold, E. Frank / 2012 / DE
Mit dem Beitrag werden die Zwischenergebnisse eines Forschungsprojekts vorgestellt, in dessen Rahmen eine Pilotanlage einer Wärmeerzeugungsanlage für Heizung und Warmwasser in einem Gebäude konzipiert und erstellt wird. Die Pilotanlage kombiniert Solarthermie mit einer Wärmepumpe und soll eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von mindestens 6 erreichen. Eine für die Zielerreichung wichtige Systemkomponente ist ein Latentwärmespeicher (Eisspeicher).
Brenet12 - Beitrag
Ausgeglichene Strom- und Wärmebilanz für die Versorgung eines Neubaugebietes
M. Y. Haller, E. Frank, T. Selm (Selm Heizsysteme AG) / 2012 / DE
Im Rahmen eines Überbauungsplans wurde ein Konzept erarbeitet für die möglichst nachhaltige und multiplizierbare Energieversorgung (Strom und Wärme) einer Neubau-Siedlung mit nicht nur jährlich, sondern auch monatlich ausgeglichener Strom- und Wärmebilanz. Dies wurde erreicht durch eine geschickte Kombination aus Nahwärmenetz (Blockheizkraftwerk und Solarwärme) für einen Teil der Siedlung, sowie Erdsonden-Wärmepumpen für einen zweiten Teil der Siedlung mit geringerem spezifischem Wärmebedarf. Photovoltaikanlagen ergänzen die Stromproduktion des BHKW. Im Vergleich zu einer Erdgasheizung und «Normalstrom» ab Netz kann der nicht erneuerbare Primärenergieeinsatz für die kombinierte Strom- und Wärmeversorgung bei Verwendung von Erdgas für das BHKW um 53% gesenkt werden, bei Verwendung von Biogas sogar um 81%.
Brenet-Statusseminar - Beitrag
Review of component models for the simulation of combined solar and heat pump heating systems
M. Y. Haller (SPF), E. Bertram (ISFH), R. Dott (FHNW), T. Afjei (FHNW), F. Ochs (Universität Innsbruck), J-C. Hadorn (Base Consultants SA) / 2012 / EN
A review of component models for the simulation of combined solar and heat pump heating systems has been carried out with a special focus on the particularities of the combination of solar thermal collectors with heat pumps. Some of these particularities are effects of water vapor condensation on the surface of collector absorbers operated below the dew point, refrigeration cycles using more than one heat exchanger for the evaporator in order to use solar heat in addition to a conventional heat source, the effect of higher source temperature for the heat pump when solar heat is used, or the regeneration of ground heat sources with heat from solar collectors.
SHC 2012 - Publication
System-Jahresarbeitszahl grösser 4.0 mit Luft-Wasser Wärmepumpe kombiniert mit Solarwärme
M. Y. Haller, E. Frank / 2012 / DE
Einfamilienhaus in Rapperswil-Jona (Schweizer Mittelland) ausgemessen. Für das Jahr 2011 konnte eine System-Jahresarbeitszahl von 4.4 ermittelt werden basierend auf dem gesamten gemessenen Stromverbrauch einerseits und der ab Speicher gelieferten Nutzwärme andererseits. Die für dieses System ermittelte Jahres-arbeitszahl ist im Vergleich mit den Ergebnissen verschiedener Feldstudien sehr gut. Dadurch ist belegt, dass es durchaus möglich ist, auch mit einem Kombispeicher mit und rein parallel arbeitenden Wärmeerzeugern Solar-Luft-Wärmepumpe-Systeme mit hohen System-Jahresarbeitszahlen zu realisieren, wie man sie sonst nur von Erdsonden-Wärmepumpen-Systemen kennt.
OTTI - Publikation
Experimental Investigations on Charging and Discharging Strategies of Thermal Energy Stores and Their Effect on System Efficiency
R. Haberl, E. Frank / 2011 / en
A combisystem with four different storage and storage integration concepts was tested under realistic load conditions, using the Concise Cycle Test (CCT) method. The common features of all tested systems are the auxiliary heater and the solar collectors as well as the storage volume. The experiments revealed a considerable range of annual fuel consumption to cover an identical load.
ISES SWC Paper
On the Potential of using Heat from Solar Thermal Collectors for Heat Pump Evaporators
M. Haller, E. Frank / 2011 / en
In this paper a general mathematical relationship is derived for determining whether using heat from solar collectors for the evaporator of the heat pump instead of using it directly is beneficial for the energetic performance of these systems. It is shown that there is a limit for the solar irradiation on the collector field above which using collector heat for the evaporator of the heat pump instead of using it directly is not advantageous.
ISES SWC Paper
A Computational Fluid Dynamics Study on the Accuracy of Heat Transfer from a Horizontal Cylinder into Quiescent Water
W. Logie, E. Frank / 2011 / en
The discipline of prototyping and designing parts or components via direct numerical simulation offers engineers today a powerful tool in the understanding of physical problems. The manipulation and operation of numerical fields representing the conditions we wish to consider (for example by way of Newtonian fluid physics) provides insight and comparative confidence in decisions otherwise grounded on experience or experimental data. To gain this confidence however - that the model parameters and numerical solver are realistic - we must be stringent in their validation for any given problem. Illustrated in this paper is such a validation for free convective heat transfer (Nusselt number) from a horizontal cylinder into quiescent water. The fluid properties and free convective range of application reflect those occurring within Solar Domestic Hot Water (SDHW) storages with helically coiled Immersed Heat Exchangers (IHX).
ISES SWC Paper
Investigations on Solar Thermal Process Heat Integration with Parabolic Trough Collectors
H. Marty, E. Frank / 2011 / en
The calculations presented in this paper may serve as a first indicator for planning decisions regarding the orientation of parabolic trough collector fields for latitudes in central Europe. For supplying solar process heat, not only the yearly specific or total energy yields but also the course of direct irradiance and peak power over a day and the distribution over months can help to optimize the cost-benefit ratio of the solar heat plant.
ISES SWC Paper
Solar & Pellet Heating: Specifications for High Efficiency System Design
R. Haberl, M. Haller, L. Konersmann, E. Frank / 2011 / en
The combination of biomass boilers and solar collectors involves special requirements in view of a good system solution. To analyze the proper combination of both technologies three separate projects on the topic of pellet and solar heating were carried out at SPF. This paper summarizes the main features, results and insights gained from this work and gives specifications for high efficiency system design.
ISES SWC Paper
Einfluss der Neigung auf den äusseren konvektiven Wärmeübergang unabgedeckter Absorber
D. Philippen, M. Haller, E. Frank / 2011 /de
Für die Erzeugung von Brauchwarmwasser und Raumwärme in Gebäuden können Sonnenkollektoren mit Wärmepumpen kombiniert werden. Bei Verwendung unabgedeckter Kollektoren kann der Kollektorkreis dabei auch mit Temperaturen unter Umgebungstemperatur betrieben werden, bspw. bei bedecktem Himmel oder nachts, und die gewonnene Wärme dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt werden. Bei der Wärmeübertragung am Absorber müssen dann Prozesse berücksichtigt werden, welche bei abgedeckten Kollektoren und hoher Solareinstrahlung vernachlässigt oder stark vereinfacht werden können. Diese Prozesse sind der langwellige Strahlungsaustausch und die Wärmeübertragung durch Kondensation, Niederschlag und Konvektion. In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Messungen an unabgedeckten Kollektoren mit Kissenabsorbern vorgestellt, mit denen die Abhängigkeit des äusseren konvektiven Wärmeübergangs von der Kollektorneigung bei unterschiedlichen Wetterbedingungen (insbesondere Windgeschwindigkeiten) untersucht wurde.
Otti Publikation
Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Speicherschichtung auf den Anlagennutzungsgrad
R. Haberl, E. Frank / 2011 / de
In dynamischen Systemtests wurde experimentell der Einfluss von Schichtladeeinrichtungen und hydraulischer Verschaltungen auf den jährlichen Nutzungsgrad von Gesamtsystemen ermittelt. Dazu wurde zunächst ein Kombisysteme getestet, das als zentrales Element einen vermeintlich annähernd perfekt schichtenden Pufferspeicher hat, der durch 15 m2 Flachkollektoren und einen Öl-Brennwertkessel beladen wird. In weiteren Tests wurde zum einen das Kombisystem hydraulisch optimiert und zum anderen ohne die Schichtladeeinrichtung getestet.
Otti Publikation
Einfluss von Rohrleitungen auf die Veränderung propagierender Temperaturprofile
F. Ruesch, E. Frank / 2011 / de
Bei umfangreichen Tests an handelsüblichen Frischwassermodulen am SPF hat sich gezeigt, dass Betriebsbedingungen mit grösseren Temperaturschwankungen des Trinkwarmwassers am Modulausgang auftreten können. Als kritisch wurden sehr kleine Durchflüsse und Leistungswechsel bei hohen Primärvorlauftemperaturen identifiziert. Weitgehend unklar ist jedoch, wie stark sich Schwankungen, welche direkt am Modulausgang detektiert werden, auf den Komfort an der Zapfstelle auswirken. Besonders entscheidend hierbei ist der dämpfende Einfluss der Rohrleitung zwischen Modul und Zapfstelle. Am SPF wurden dazu theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Darauf basierend wird eine Methode vorgeschlagen, welche das Klassifizieren von Temperaturschwankungen in Komfortkategorien erlaubt.
Otti Publikation
Steigert die Nutzung von Solarkollektoren als Wärmequelle für Wärmepumpen die System-Arbeitszahl?
M. Haller, E. Frank / 2011 / de
Für Systeme, welche die Kollektorwärme einerseits direkt zur Warmwasserbereitung oder Raumheizung in einen Pufferspeicher leiten können, andererseits aber auch die Möglichkeit haben, Kollektorwärme für den Verdampfer einer Wärmepumpe zu nutzen, stellt sich die Frage, wann welche Art der Kollektorwärmenutzung für den Systemwirkungsgrad am sinnvollsten ist. Diese Frage ist Gegenstand dieses Beitrages.
Otti Publikation
Solar process heat – a technology overview
M. Rommel /2011/ en
Presentation at the International Conference Solar Process Heat, 3.-4. Feb 2011 in Wels, Austria.
Presentation as PDF
Systematic Classification of Combined Solar Thermal and Heat Pump Systems
E. Frank, M. Haller, S. Herkel, J. Ruschenburg / 2010 / en
In this paper an approach to describe and systematically classify combined solar thermal and heat pump systems is presented. The approach consists of three elements: A visualization scheme to systematically represent concepts of combined solar thermal and heat pump systems, a notation scheme providing the same information in letter combinations, and a simplified notation restricted to the most important parameters. The classification schemes are illustrated with examples.
Eurosun Paper
Investigation of Immersed Coil Heat Exchangers in regard to Heat Transfer and Storage Stratification
W. Logie, E. Frank, M. Haller, M. Rommel / 2010 / EN
Current implementation of Immersed Coil Heat Exchangers (IHX) into Solar Domestic Hot Water (SDHW) systems use simple guidelines for dimensioning their surface area based on an intended solar collector area - or range thereof. The literature from whence these guidelines come (1970s and 80s) are based on experiments with different types of IHX (copper, flange-retrofitted) to those used today and are evaluated solely on the performance of heat transfer, thus a re-evaluation of these guidelines is considered necessary. The investigations presented attempt to combine an evaluation of the heat transfer performance and stratification together based on measurements from three IHX samples with varying material and geometrical arrangement. Preliminary analysis suggests a correlation between high convective heat transfer coefficients and low stratification efficiencies.
Eurosun Paper
Development of a Test Procedure for External Domestic Hot Water Modules
F. Ruesch, E. Frank / 2010 / EN
The market of domestic hot water modules (DHWM) is growing fast, but the absence of a standardized testing procedure makes comparison of the products and quality assessment difficult. Therefore a project is being carried out at SPF aiming at the definition of a test procedure for DHWM. In the first phase a suitable test rig has been set up and six commercially available modules where tested extensively. In this paper, an overview over the results of the first testing phase is given, focusing on three main performance indicators: power, comfort and efficiency.
Eurosun Paper
Entwicklung von Kunststoffkollektoren: Grundlegende Fragestellungen und Ergebnisse eines Forschungsprojektes
S. Brunold / 2010 / de
Die Fertigung heutiger Flachkollektoren ist noch immer vergleichsweise wenig automatisiert. Die verwendeten Materialien sind vorwiegend Kupfer, Aluminium und Glas, welche insbesondere in jüngster Vergangenheit einer massiven Preissteigerung unterlegen sind. Beide Aspekte, sowohl Materialwahl als auch Fertigungsprozess, bergen daher noch erhebliches Potenzial zur Kostenreduktion. Eine Umstellung auf Kunststoffe als Hauptbestandteil von Kollektoren, würde diese beiden Aspekte radikal ändern. Da aber Polymere nicht von vornherein kostengünstige Materialien sind, muss deren Einsatz, insbesondere unter Berücksichtigung der speziellen Produktionstechniken, sorgfältig geplant werden. Aufgrund der - in der Regel - hohen Werkzeugkosten in der Kunststoffverarbeitungstechnik, muss das Kollektordesign für eine Massenfertigung ausgelegt werden. Der Materialeinsatz muss, unter Berücksichtigung der spezifischen Kosten, minimiert werden.
Otti Publikation
Wärmeabwurf aus einer solarthermisch getriebenen LiBr-H2O Absorptionskältemaschine durch gepulstes Besprühen eines Trockenkühlers mit Wasser
P. Gantenbein, R. Helfenberger, E. Frank / 2010 / de
In einem offenen Kühlturm ist der Kühleffekt hauptsächlich durch die Verdampfung von Wasser aus dem Kühlfluid des Maschinekühlkreislaufes in den Luftstrom bestimmt und das Kühlwasser kann theoretisch bis auf den Kühlgrenzabstand die Kühlgrenztemperatur des Umgebungsklimas erreichen. Der sich anreichernde Kalk und die Ansammlung von Schmutz müssen über regelmässige Ausschwemmung abgeführt werden. In einem zum Hybrid-Kühler ausgebauten Trockenkühler wird der effiziente Kühleffekt der Wasserverdampfung genutzt und bei entsprechender Dosierung kann gleichzeitig der Wasserverbrauch reduziert werden. Ein Trockenkühler wurde dazu mit einem Düsen-Sprühsystem ausgerüstet. Ein gepulstes Besprühen der Wärmetauscher-Lamellen wurde realisiert. Die Kühlmittel-Rücklauftemperatur zur Absorber- Kondensatoreinheit der Absorptionskühlmaschine wird jener aus dem offenen Kühlturm angenähert.
Otti Publikation
Entwicklung einer Testprozedur zum systematischen Vergleich von Frischwassermodulen
F. Ruesch, E. Frank / 2010 / de
In den letzten Jahren hat die Marktpräsenz von Frischwassermodulen insbesondere in Deutschland stark zugenommen. Ein Vergleich der angebotenen Produkte ist aber schwierig, da es sowohl an einheitlichen Referenzbedingungen zur Charakterisierung von Frischwassermodulen als auch an einer unabhängigen Testinstanz fehlt. Am SPF wird daher eine Testprozedur zum systematischen Vergleich von Frischwassermodulen entwickelt. In diesem Papier werden sowohl der installierte Teststand als auch erste Messungen an handelsüblichen Modulen vorgestellt.
Otti Publikation
Systematische Gliederung der Systemkombination von solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen
M. Haller, E. Frank, C. Trinkl, W. Zörner / 2010 / de
Im Anfang 2010 gestarteten Task 44 des Solar Heating and Cooling Programmes der Internationalen Energieagentur IEA werden kombinierte Solarthermie-Wärmepumpen-Systeme eingehend untersucht und weiter entwickelt. Um einerseits einen systematischen Überblick über die vielfältigen Variationen der Kombination zu geben und andererseits eine Grundlage für die Abwägung von Vor- und Nachteilen der verschiedenen Lösungen aus technischer Sicht zu ermöglichen, bedarf es eines systematischen Gliederungskonzeptes. In dieser Arbeit wird, ausgehend von einem Überblick über bisherige Einteilungen, ein weiterführender Ansatz für die systematische Gliederung und Darstellung solcher Systeme präsentiert.
Otti Publikation
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingetauchten Wärmeübertragern zur Be- und Entladung von Warmwasserspeichern
W. Logie, A. Reber, E. Frank, M. Y. Haller / 2010 / de
Die Wahl der richtigen Konstruktions- und Dimensionierungsparameter für eingetauchte Wärmeüberträger (engl. Immersed Heat Exchanger - IHX) ist von zentraler Bedeutung für die Be- und Entladung von Warmwasserspeichern (engl. Thermal Energy Storages - TES). Vor allem bei der Beladung mittels solarthermischen Kollektoren treten stark variierende Beladezustände auf, welche die Bestimmung der optimalen Geometrie und Dimensionierung des IHX zu einem komplexen Problem machen. Üblicherweise werden hierzu semi-empirische Auslegungsformeln verwendet, die auf ältere Untersuchungen an horizontal gewickelten IHX zurückgehen. Die hier vorgestellten Arbeiten bieten die Grundlage zu Untersuchungen welche zeigen sollen, inwiefern diese Faustformeln auf die inzwischen weiterentwickelten Modelle und Betriebsbedingungen von Warmwasserspeichern noch zutreffen.
Otti Publikation
Erweiterte Systembewertung mit dem Concise Cycle Test am Beispiel von PelletSolar
R. Haberl, L. Konersmann, E. Frank / 2010 / de
Der am SPF entwickelte Concise Cycle Test ist eine dynamische Methode zur Prüfung solarunterstützter Heizungssysteme. Diese Methode wurde erweitert, um neben den energetischen auch die emissionstechnischen Kennwerte des Systems zu ermitteln. In diesem Beitrag wird die Vorgehensweise zur Prüfung am Beispiel einer Heizungsanlage gezeigt, die einen Pelletkessel als Nachheizung enthält. Dabei wird gezeigt, dass die Emissionen eines Pelletkessels von dessen Einbindung in das Gesamtsystem abhängen und durch verschiedene Betriebsweisen stark variieren können. Die Methode ist auch auf Systeme mit anderen Energieträgern wir Gas oder Öl anwendbar und bietet die Möglichkeit der ganzheitlichen Betrachtung und Bewertung von Heizsystemen.
Otti Publikation
Holistic System Testing – 10 Years of Concise Cycle Testing
R. Haberl, E. Frank / 2009 / en
Das SPF berichtet über die Erfahrungen von 10 Jahre Systemtest. Die ganzheitliche Betrachtung eines Heizsystems ist in der Art wie es das SPF macht einzigartig. Es zeigt auf wie gut die einzelnen Komponenten eines Systems aufeinander abgestimmt sind und wie effizient das ganze System ist.
Paper
Potential Improvement in the Design of Immersed Coil Heat Exchangers
W. Logie, E. Frank / 2009 / en
Die Wahl der richtigen Konstruktions- und Dimensionierungsparameter für eingetauchte Wärmeübertrager ist von zentraler Bedeutung für die Be- und Entladung von Warmwasserspeichern. Die vor allem bei der Beladung mittels solarthermischer Kollektoren auftretenden variierenden Bedingungen (Volumenströme, Temperaturen) haben bislang die Verwendung semi-empirischer Funktionen für Konstruktion und Auslegung induziert. Diese Erfahrungswerte sind für die inzwischen weiterentwickelten Varianten und Dimensionen der Be- und Entladung von Warmwasserspeichern nur noch bedingt verwendbar. Das SPF Paper enthält eine Marktanalyse mit Erläuterungen des heutigen Trends bei Auslegungen von eingetauchten Wärmeüberträgern und diskutiert ein Vorgehen zur Erweiterung des heutigen Wissenstands.
Paper
Solar Water Disinfection (Sowadis)
L. Konersmann, E. Frank / 2009 / en
Weltweit sterben jährlich 5 Millionen Menschen an den Folgen von verunreinigtem Trinkwasser (WHO 2008). Vor diesem Hintergrund hat sich das SPF das Ziel gesetzt, eine solarthermisch betriebene Anlage zur Wasserdesinfektion zu entwickeln. Mittlerweile wurde ein langzeit-getesteter und funktionsfähiger Prototyp fertiggestellt. Aktuell wird die Wasserdesinfektions-Anlage an ausgewählten Standorten in Entwicklungsländern implementiert. Neben der technischen Funktionsfähigkeit werden dabei in Zusammenarbeit mit den lokalen Organisationen auch soziale Aspekte mitberücksichtigt.
Paper / Factsheet
Energy Efficiency of Combined Pellets and Solar Heating Systems for Single Family Houses
M. Haller, L. Konersmann / 2008 / en
The potential for combined biomass and solar heating systems for domestic hot water preparation and room heating is large. The energetic performance of these systems is largely influenced by hydraulic setup and control. The effect of these interactions has been evaluated with dynamic system tests in the laboratory. Simulations were performed with a measurement-validated model to assess the annual performance of different system-setups. Based on results obtained from pellet boiler measurements a new model for the boiler was elaborated, taking into account reduced efficiency under part load operation and increased electricity use in on/off cycling operation. System tests and simulation results have shown that the use of solar thermal energy in combination with a pellet heating system reduces burner starts, fuel use and electricity consumption considerably. The combined system was synergetic because solar gains reduced inefficient boiler operation during spring, summer and autumn.
PDF
Wärmeverluste durch Rohrinterne Gegenstromzirkulation
H. Marty, P. Vogelsanger, M. Kölbli / 2008 / de
Durch Einsetzen von Thermosiphons lassen sich Wärmeverluste im Warmwassernetz senken. Aufmerksamkeit ist vor allem dem Anschluss an Speicher, Ausstossleitungen und Verteilerbalken zu widmen. Die Präsentation enthält Grundlegendes zur rohrinternen Gegenstromzirkulation, welche Wärmeverluste verschiedene Anschlussarten aufweisen, Empfehlungen wie diese Teile anzuschliessen sind und Verweise auf Literatur dieser Thematik.
PDF
Dimensionierung solarer Kombisysteme
R. Haberl, P. Vogelsanger, E. Frank, S. Brunold / 2008 / de
Um sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Gesichtspunkte bei der Dimiensionierung eines solaren Kombisystems zu berücksichtigen, wurde eine neue Bewertungsgrundlage entwickelt und am Beispiel zweier Systeme zur Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung, die im Rahmen des Task 32 (Advanced storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings) des Solarthermieprogramms der IEA modelliert wurden, exemplarisch angewendet.
PDF
Preiswerte und kontinuierliche Schichtladeeinrichtung für Solar- und Pufferspeicher
E. Frank, P. Vogelsanger, H. Marty / 2008 / de
In diesem Beitrag werden Experimente vorgestellt und ausgewertet, die am SPF mit dem Ziel durchgeführt wurden, eine kontinuierliche Einschichtung des einströmenden Fluids in den Speicher mit einem möglichst einfachen und günstigen Konzept zu ermöglichen.
PDF
Überhitzungsschutz mit thermochromen Solarabsorberschichten
H. Marty, S. Brunold, P. Vogelsanger / 2008 / de
Bei thermischen Solarsystemen mit vor allem hoher solarer Deckung besteht oft die Frage was mit überschüssiger Energie an bedarfsarmen Zeiten gemacht wird. Verschiedene Massnahmen stehen zur Diskussion.
Kompensationsgefäss, Drain-Back, Nachtauskühlung, Energiesenke oder eben auch einen thermochrom beschichteten Solarabsorber der in Abhängigkeit der Temperatur seine absorbierenden und emittierenden Eigenschaften ändert. Wie der funktionieren müsste ist in der Simulationsstudie unten zu lesen.
PDF
Langzeit Alterungsuntersuchung an Abdeckungsmaterialien für thermische Sonnenkollektoren
F. Ruesch, S. Brunold / Forschungsbericht / 2008 / de
Der Einsatz von Kunststoffen bietet ein grosses Potenzial zur Kosteneinsparung bei Solarkollektoren. Daten zu deren Langzeitstabilität sind aber nur mangelhaft vorhanden. In dieser Studie wurde die Eignung von Kollektorabdeckungsmaterialien im Freibewitterungsversuch während einer Dauer von über 20 Jahren untersucht. 58 Abdeckungs-Typen bestehend aus Glas und verschiedenen Kunststoffen wurden in die Untersuchung miteinbezogen.
PDF
Pelletsolar - Leistungsanalyse und Optimierung eines Pellet-solarkombinierten Systems für Heizung und Warmwasser - Schlussbericht
L. Konersmann, M. Haller, P. Vogelsanger / 2007 / de
Sowohl Pelletheizungen wie auch solarthermische Systeme befinden sich aktuell auf einer starken Wachstumskurve. Die Kombination dieser beiden Technologien in einem Pellet-Solar-System für die Raumheizung und Warmwasseraufbereitung bietet grosses Potential für die Einsparung von fossilen Energieträgern, die verbesserte Ausnutzung der Biomasse und die Reduktion von Emissionen. Ziel des vorliegenden Projektes ist die energetische Optimierung eines Pellet-Solar-Systems.
BFE Bericht / Publikation (Otti 2008)
List of solar thermal engineering guidelines
P. Vogelsanger, L. Konersmann / 2007 / en
The "list of solar thermal engineering guidelines" is an extensive list with literature-references in the field of solar thermal engineering. It has been compiled in the context of the European Project NEGST - New Generation of Thermal Systems (sixth frameworkprogramme priority 6-1Sustainable energy systems). Further information on the project and the original version of the list is available on the project website: http://www.swt-technologie.de/html/negst.html.
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Warmwasserzirkulation mit Solaranlagen
P. Vogelsanger / 2007 / de
Das SPF empfiehlt Warmwasserverteilsysteme, die sich für den Einsatz von Sonnenenergie eignen und darum im Falle von warm gehaltenen Teilen des Verteilnetzes Warmwasserzirkulation statt elektrischer Rohrbegleitheizung.
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Simulation Kollektororientierung und -neigung
H. Marty, P. Vogelsanger, S. Geisshüsler / 2007 / de
In diesem Dokument wird aufgezeigt wie viel sich der Energieertrag bezogen auf die Kollektororientierung und -neigung ändert.
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Messungen-Waermeverluste durch rohrinterne Gengenstromzirkulation
A. Lauber / 2006 / de
Adrian Lauber führte im Rahmen seiner Diplomarbeit am Institut für Solartechnik SPF der HSR Hochschule für Technik Rapperswil im Jahr 2006 Versuche mit verschiedenen Rohrtypen durch. Die Rohrtypen unterschieden sich hinsichtlich Durchmesser, Material und Wärmedämmung. Die Rohre wurden in unterschiedliche Längen und Konfigurationen (Geometrie, Orientierung) an einen beheizbaren, würfelförmigen Versuchsspeicher mit 16 Liter Inhalt angeschlossen, um die Wärmeverluste zu bestimmen.
Die Rohrtypen waren:
  • 1 ¼ Zoll Stahlrohr mit Wärmedämmung
  • 28 mm Edelstahlrohr mit Wärmedämmung
  • 16 mm Kunststoffrohr ohne Wärmedämmung
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Direct Feed Flow Controlled solar combisystem with non-pressurized storage - a simulation case
Martino Poretti / 2006 / en
A solar combisystem concept which is reduced for low material and manufacturing cost was studied. Except for the preparation of domestic hot water, all charging and discharging of energy from and to the store is done directly without any heat exchanger. The store could be non-pressurized. In addition, the space heating supply was operated with a variable (controlled) flow rate, rather the usual the usual variable supply temperature. The results of this concentrated simulation effort show that a Direct Feed Flow Controlled combisystem has a good potential of efficiency improvement compared to a standard solar combisystem. Through the special space heating controls the return temperature to the store can by significantly lowered, thus increasing the solar gain and the efficiency of the auxiliary heater. A novel simulation model of a condensing gas boiler was used for the TRNSYS simulations. The results also demonstrate the higher overall system efficiency compared to a concept with heat exchangers. The report is the unchanged Diploma Thesis by Martino Poretti.
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Präsentation: Kompakte Kombisysteme auf dem Prüfstand unter Einbezug der Zusatzheizung
P. Vogelsanger, M. Haller / Ein Beitrag zum 15. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 27. April 2005 / de
Ergebnisse des Projekts Kombi-Kompakt+, der Prüfung von solaren Kombisystemen: Projekt, untersuchte Systeme, Erkenntnisse zur Prüfung von Kombisystemen.
Präsentation ohne erklärenden Text
Kompakte Kombisysteme auf dem Prüfstand unter Einbezug der Zusatzheizung
P. Vogelsanger, M. Haller / Ein Beitrag zum 15. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 27. April 2005 / de
Ergebnisse des Projekts Kombi-Kompakt+, der Prüfung von solaren Kombisystemen: Projekt, untersuchte Systeme, Erkenntnisse zur Prüfung von Kombisystemen.
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Sorptionsspeicher
P. Gantenbein, S. Brunold, U. Frei / Bericht März 03 / de
Aufbau und Inbetriebnahme der Laborapparatur.
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Test und Optimierung von Kombisystemen
P. Vogelsanger / Ein Beitrag zur Tagung Solarthermie von der Forschung in die Praxis, Rapperswil, 29. November 2002 / de
Übersicht über erste bei der Prüfung von solaren Kombisystemen gewonnene Ergebnisse.
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The SPF test facility for solar combisystems and storage tanks
P. Vogelsanger / A technical report of IEA SHC Task 26 (exctract), 2002 / en
Kurzbeschrieb des Laborprüfstandes für Solarsysteme am SPF.
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The concise cycle test method - A twelve day system test
P. Vogelsanger / A technical report of IEA SHC Task 26, 2002 / en
Kurzbeschrieb der Prüfmethode und der Prüfeinrichtung für solare Kombisysteme am SPF.
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Qu' est-ce le vitrage solaire?
S. Brunold / OTTI / 2002 / de
Über die Zertifizierung von Solarglas.
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