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Pubblicazioni

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

System-Jahresarbeitszahl grösser 4.0 mit Luft-Wasser Wärmepumpe kombiniert mit Solarwärme

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.