Feldexperimentelle Untersuchung der Energie- und Exergieleistungen eines neuartigen solarthermischen Luftkollektors

Sonnenlicht in nützliche Warmluft verwandeln

Wohnräume warm zu halten, Lebensmittel zu trocknen oder Frischluft für Gebäude vorzuwärmen bedeutet meist, Brennstoffe zu verbrennen oder Strom zu nutzen. Diese Studie untersucht einen schlaueren Weg: einen neu gestalteten Solar-Luftheizer, der nur Sonnenlicht verwendet, um bewegte Luft effizienter zu erwärmen. Durch das gezielte Formen der Metallteile, die die Luft im Kollektor leiten, zeigen die Forschenden, wie sich aus derselben Sonneneinstrahlung mehr nutzbare Wärme gewinnen lässt – eine Idee, die Heizkosten und Emissionen in Häusern, auf Höfen und in Kleinbetrieben senken könnte.

Warum bessere Solarheizung zählt

Unser moderner Lebensstil ist stark von fossilen Brennstoffen für Heizung, Verkehr und Strom abhängig. Diese Brennstoffe sind endlich und eine Hauptquelle für klimawärmendes Kohlendioxid. Flachplatten-Solar-Luftkollektoren – im Wesentlichen flache Gehäuse, die Sonnenlicht einfangen, um Luft zu erwärmen – bieten eine saubere Alternative für Aufgaben wie Trocknung von Agrarprodukten, Raumheizung und Vorwärmung von Lüftungsluft. Sie sind einfach und vergleichsweise günstig, doch eine große Schwäche bremst sie aus: die heiße Metallplatte im Inneren gibt ihre Wärme nicht so wirkungsvoll an die strömende Luft ab, wie es möglich wäre, sodass viel der eingefangenen Solarenergie verloren geht. Die Verbesserung dieses Wärmeaustauschs steht im Mittelpunkt dieser Arbeit.

Ein neues Innenraumdesign für Solarkollektoren

Das Team baute ein großmaßstäbliches Außentestsystem in Malaysia auf, basierend auf einem Flachplatten-Solar-Luftkollektor. Im Inneren fügten sie Reihen neuartiger hohler „Semi‑Stadion“-Lamellen hinzu – Metallstücke in Form eines abgerundeten Bogens mit innenem Hohlraum – angeordnet in mehreren versetzten Ebenen. In der Nähe des Lufteinlasses installierten sie kleine Umlenkbleche, ähnlich winzigen Wänden, um die einströmende Luft zu verwirbeln und so umzulenken, dass sie die heißen Oberflächen intensiver streift. Die Luft durchläuft einen Doppelpass: Zuerst strömt sie entlang eines Kanals, biegt um eine U‑Kurve und kehrt dann durch einen anderen Kanal zurück und nimmt dabei jeweils zusätzliche Wärme auf. Diese Kombination aus speziellen Lamellen, Umlenkblechen und Doppelpass-Anordnung ist darauf ausgelegt, den Kontakt zwischen Luft und heißem Metall zu erhöhen, ohne das System unnötig komplex zu machen.

Messung von Wärmegewinn und nutzbarer Arbeit

Über drei sonnige Tage betrieben die Forschenden den Kollektor bei drei unterschiedlichen Volumenströmen – langsam, mittel und schnell – und maßen Temperaturen an zahlreichen Punkten sowie die Sonneneinstrahlung und Wetterbedingungen. Anschließend berechneten sie zwei Leistungskennzahlen. Die erste, die Energieeffizienz genannt wird, beantwortet: „Welcher Anteil der einfallenden Sonnenleistung wird in von der Luft getragene Wärme umgewandelt?“ Die zweite, die Exergieeffizienz heißt, betrachtet, wie viel von dieser Wärme tatsächlich nützlich ist, um Arbeit zu leisten, etwa um eine hohe Temperaturdifferenz für Trocknung oder Heizung zu erzeugen. Zur Überprüfung ihrer Messungen erstellten sie außerdem ein detailliertes Computermodell von Strömung und Wärmeübertragung und verglichen dessen Vorhersagen mit den Outdoor-Daten.

Was die Experimente zeigten

Der umgestaltete Kollektor erreichte Energieeffizienzen zwischen etwa 13 % und 72 %, wobei der beste Wert – 71,91 % – bei starker Sonneneinstrahlung (etwa 800 Watt pro Quadratmeter) und dem höchsten Luftdurchsatz auftrat. Einfach ausgedrückt: Bei guter Sonne und schnellem Luftstrom wurde nahezu drei Viertel des auf das Gerät treffenden Sonnenlichts zu nutzbarer Wärme in der Abströmung. Anders sieht es bei der Exergie aus, dem Maß für den Wert dieser Wärme. Die höchste Exergieeffizienz, 17,06 %, trat beim niedrigsten Luftdurchsatz auf. Bei langsamer Strömung verweilt die Luft länger im Kollektor und verlässt ihn deutlich heißer, was besonders für Aufgaben wie Lebensmittel­trocknung oder Raumheizung vorteilhaft ist, auch wenn die gesamte Wärmeabgabe etwas geringer ist. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird zwar insgesamt mehr Wärme aufgenommen, doch wird jede Wärmeeinheit etwas weniger „hochwertig“ und die Exergieeffizienz sinkt.

Warum dieses Design vielversprechend ist

Für Nichtfachleute ist die Kernaussage klar: Durch das Umformen der Metalllamellen im Inneren eines Solar-Luftkollektors und das intelligentere Leiten der Luft holt dieses System deutlich mehr aus derselben Sonneneinstrahlung als frühere Konstruktionen. Bei hohem Luftdurchsatz ist es hervorragend darin, große Wärmemengen effizient zu ernten; bei niedrigem Durchsatz liefert es heißere Luft, die sich besonders zum Trocknen und Heizen eignet. Die Übereinstimmung von Außentests und Computersimulationen – und die bessere Leistung gegenüber mehreren früheren Studien – legt nahe, dass dieser Ansatz bereit ist für die Anpassung an reale Solartrockner, Gebäude­lüftungen und andere Niedertemperatur-Heizbedürfnisse und so den Alltagsenergieverbrauch in Richtung einer saubereren Zukunft bewegen kann.

Zitation: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

Schlüsselwörter: Solar-Luftkollektor, solarthermisch, erneuerbare Heizung, Energieeffizienz, Exergieanalyse