Pool-Solar-Heizung 2021 - Welfen-Gymnasium Ravensburg
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schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher schüler experimentieren 2021 Fachbereich Technik - Baden Württemberg Sophie Brucker (13, Welfen-Gymnasium Ravensburg) Polly Lonscher (12, Welfen-Gymnasium Ravensburg) Betreuer: Tobias Frick Pool-Solar-Heizung Abbildung 1: Pool-Solar-Heizung während eines Messvorgangs 1
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Kurzfassung Mit unserem Projekt wollen wir das Problem beheben, dass man im Sommer, wenn man im Pool badet, immer so schnell auskühlt. Dazu haben wir eine Heizanlage für Außenpools entwickelt, die das Wasser mit Hilfe der Sonne erwärmt. Im Detail funktioniert unsere Pool-Solar-Heizung so: Eine auf einer Holzplatte befestigte Schlauchschnecke wird von der Sonne erwärmt. Eine Pumpe transportiert das aufgewärmte Wasser ständig in den Pool und holt sich von dort neues Wasser zum Aufwärmen ab. In unserem Projekt untersuchen wir, wie schnell das Wasser erwärmen lässt und wie man diesen Vorgang noch optimieren kann. 2
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Vorgehensweise, Materialien und Methode 2.1 Theoretische Grundlagen 2.2 Grundplatte und Wasserkreislauf 2.3 Temperaturmessung 2.4 Optimierung 3. Ergebnisse 4. Zusammenfassung und Ausblick 5. Quellen und Unterstützungsleistungen 3
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 1. Einleitung Wir haben beide einen Pool zu Hause und kennen das Problem, dass man nach kurzer Zeit im Wasser schnell auskühlt, selbst wenn die Temperaturen draußen ziemlich hoch sind. Man würde zu gerne hineinspringen aber ist oft die Wassertemperatur einfach zu kalt. Im schlimmsten Fall holt man sich im Sommer eine Erkältung, weil man im kalten Poolwasser zu schnell auskühlt. Dieses Problem möchten wir mit Hilfe unserer Pool-Solar-Heizung lösen. Es gibt zwar fertige Poolsolarheizungen z.B. im Internet zu kaufen, doch dieses sind oft ziemlich teuer. Deswegen haben wir usn entschlossen, selbst eine bauen. In der Forscher-AG unserer Schule (Welfen-Gymnasium) haben wir dieses Projekt umgesetzt. Dank der Poolsolarheizung, die wir gebaut haben, steht einem langen Bade-Spaß im kommenden Sommer im heimischen Pool /Planchbecken nichts mehr im Wege – und uns erwischt hoffentlich nicht so schnell mehr eine Sommer-Pool-Erkältung. 4
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 2. Vorgehensweise, Materialien und Methode 2.1 Theoretische Grundlagen Die Sonne liefert im Jahr etwa das 10.000-fache des gesamten Energiebedarfs der Erde. Das ist mehr als alle verfügbaren Energiereserven (Öl, Gas, spaltbares radioaktives Material) zusammen. Voraussichtlich noch weitere 10 Milliarden Jahre wird uns die Sonne diese Energie in Form von Strahlungsenergie zur Verfügung stellen. Die maximalen möglichen solaren Erträge hängt dabei vom Ort und der Jahreszeit ab und wird oft in Form der Solarkonstante angegeben. Der Begriff „Konstante“ ist dabei etwas irreführend, da es sich nicht um eine Naturkonstante handelt. Die Solarkonstante gibt dabei die langjährig gemittelte Intensität der Sonne in Bezug auf die Erde an. Ihr Wert beträgt 1367 2 . Anschaulich kann man sich diese Zahl so vorstellen: Wenn die Sonne an einem Ort senkrecht auf die Erde, dann erhalten wir von ihr pro Sekunde 1367 an Energie (Umrechnung: 1 = 1 = 1 ). 1 Joule ist dabei eine Energieportion, mit der man 1 g Wasser um 1 °C erwärmen kann. Das bedeutet: Bei optimalster Energieausbeute könnte man pro Sekunde etwas mehr als 1 Liter (genauer: 1367 g) Wasser um 1 Grad Celsius erwärmen. Dabei handelt es sich aber nur um einen theoretischen Höchstwert. Da die Sonne in Europa nie senkrecht auf die Erde einstrahlt wird dieser Wert niemals erreicht. In Deutschland geht ist deshalb der Wert der Solarkonstante entsprechend geringer; Man geht hier von einem Maximalwert von ca. 1000 2 im Sommer und von ca. 500 2 im Winter aus. Weitere Gründe, die die Energieausbeute deutlich reduzieren, sind: Der Himmels ist oft mehr oder weniger stark bewölkt. Selbst bei blauestem Himmel wird ein Teil der Sonnenenergie von Schwebeteilchen (Staub, Wassertröpfchen, …) in der Luft absorbiert. Nur ein Teil der Energie des Lichts wird beim Auftreffen auf ein Objekt absorbiert, d.h. geschluckt, der Rest wird gestreut bzw. reflektiert und geht somit „verloren“. 5
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 2.2 Grundplatte und Wasserkreislauf Das Herzstück der Pool-Solar-Heizung stellt eine 120 cm x 80 cm große Siebdruckplatte dar. Auf ihr ist mit Hilfe von mehreren Metallschellen ein 10 m langer Gartenschlauch spiralförmig angebracht. Der Wasserzulauf und der Wasserablauf befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten. Abbildung 2: Grundplatte mit Schlauchspirale (bereits eingefärbt, vgl. Kapitel 2.4) Der Wasserkreislauf wird von einer Tauchwasserpumpe angetrieben, die pro Minute ca. 15 Liter Wasser durch die Schlauchspirale pumpt. Der Pool wird durch ein Kunststofffass simuliert. Um das Fass während der Messungen noch bewegen zu können, war es nur zur Hälfte mit Wasser gefüllt (das entspricht ca. 30 l Wasser). 6
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Abbildung 3: kompletter Messsaufbau (Wasserreservoir mit Pumpe, Grundplatte und Heizstrahlern) Abbildung 4 Blick ins Innere des Fasses mit Tauchpumpe 7
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Abbildung 5: Aufgeständerte Grundplatte während Messbetrieb 2.3 Temperaturmessung Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe eines Messwerterfassungssystems (Cassy mobile). Die Messzeit beträgt jeweils 15 Minuten. Die Temperatur wird dabei auf die erste Nachkommastelle genau gemessen und auf einer SD-Karte abgespeichert. Abbildung 6: Messwerterfassungssystem Cassy mobile (während Messung) 8
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Die Temperatur des Wassers soll direkt nach Durchlaufen der Heizsprirale erfolgen, da das Wasser zu diesem Zeitpunkt die höchste Temperatur besitzt. Aus diesem Grund befindet sich der Temperatursensor innerhalb eines kurzen Schlauchstückes, das mit Hilfe zweier Schlauchkupplungen in den Kreislauf abgeschlossen werden kann (siehe rot markierter Bereich in Abbildung 6). Abbildung 7: Roter Bereich: Schlauchkupplung mit Temperatursensor (Cassy) 9
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 2.4 Optimierung Bereits die ersten Messungen waren erfolgreich: Bereits nach kurzer Zeit war auf dem Display des Thermometers eine Erhöhung der Temperatur zu erkennen. Unser Ziel ist die bestmögliche Erwärmung des Poolwassers. Schwarze Oberflächen „schlucken“ mehr Licht als weiße. Dieses Phänoment wird Absorption genannt. Die Farbe Schwarz absorbiert nämlich mehr Licht als andere Farben, dadurch gibt es weniger Reflektionen und das Wasser in einem schwaren Wasserschlauch wird schneller warm als in einem roten – soweit unsere Idee. Deshalb haben den Schlauch schwarz angesprüht, um eine größere Energieausbeute zu erhalten. Abbildung 8: Schlauchspirale vor (links) und nach (rechts) der Schwarzfärbung 10
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 3. Ergebnisse Die Pool-Solar-Heizung funktioniert! In Abbildung 9 ist ein typischer Temperaturverlauf während der 15-minütigen Messungen abgebildet. Abbildung 9: Temperaturkurve bei 15-minütiger Messdauer Man erkennt, dass der Temperaturantieg (praktisch absolut) linear verläuft. Wir hätten eigentlich erwartet, dass mit zunehmender Zeit die Zeit-Temperatur-Kurve jedoch etwas flacher wird. Eine solche Kurve wird in der Mathematik als beschränktes Wachstum bezeichnet. Beschränkt bedeutet dabei, dass eine Größe (hier die Temperatur) nicht ins Unendliche ansteigen kann, sondern sich auf lange Sicht einem (Grenz-)Wert nähert. Vermutlich war bei uns die Messzeit einfach zu kurz und eine mögliche Abflachung der Kurve findet erst viel später statt. Die Strahler befanden sich bei allen Messungen jeweils im Abstand 40 cm von der Unterkante der Platte. Die Platte stand durch die Aufständerung nicht senkrecht auf dem Fußboden, sondern war gegenüber dem Boden um ca. 70° geneigt. In Abbildung 10 sind die Temperaturverläufe zweier weiterer 15-minütiger Messungen abgebildet, die direkt nacheinander erfolgt sind (der zeitliche Versatz beträgt nur ca. 15 s). Die Messung kann deshalb als 30-minütige Messung interpretiert werden. Die 11
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Starttemperatur betrug bei uns immer jeweils ca. 18°. Das war die Temperatur, die im Physik-Vorbereitungsraum unserer Schule herrschte. Dort ist die Heizung selten an. Der lineare Temperaturanstieg hier wie auch bei allen weiteren unseren Messungen beobachtet werden. Abbildung 10: Temperaturverlauf bei 30-minütiger Messdauer (2 x je 15 Minuten) 12
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher Im November und Dezember war leider während der Zeit der Forscher-AG an keinem Tag die Sonne stark genug, sodass eine Messung im kalten Außenbereich auf dem Schulhof für uns keinen Sinn machte. Deshalb wurde die Sonne mit Hilfe von drei Baustrahlern simuliert (vgl. Abbildungen 3, 4 und 6). Um verschiedene Messungen miteinander vergleichen zu können, berechnen wir jeweils wie lange es dauert um die Temperatur des Wassers im Fass (das sind ca. 30 Liter) um 1 °C Celsius zu erhöhen, also den Quotienten (Einheit: ) sowie den ° ° Quotienten (Einheit: ), der angibt, um wie viel Grad sich die Temperatur des Wassers pro Minute erhöht. Messung Nr. 1 2 3 4 Schlauch geschwärzt nein nein ja ja Starttemperatur in °C 19,0 21,9 18,0 21,0 Endtemperatur in °C 21,7 24,9 20,9 24,3 Temperaturdifferenz °C 2,7 3,0 2,9 3,3 5,56 5,00 5,17 4,55 Quotient in ° ° 0,18 0,20 0,19 0,22 Quotient in Vergleich vor – nach 0,190 0,205 Schwärzung (Mittelwerte) Durch die Schwärzung des Schlauches konnten wir eine geringere Steigerung der 0,205 Heizleistung feststellen. Sie betrug bei prozentual +7,9% (0,190 ≈ 1,079). Bei allen Energieumwandlungen kann es zu „Verlusten“ kommen. Bei der hier vorliegenden Energieumwandlung Strahlungsenergie Wärmeenergie ist es deshalb sinnvoll, den sog. Wirkungsgrad zu berechnen. Dieser gibt an, wie viel Prozent der ersten Energieform (hier, der Strahlungsenergie der Sonne) in die zweite Energieform umgewandelt wurde. Die drei Strahler haben jeweils eine Leistung von 2000 W, also 6000 = 6000 . 13
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher ° Die Erhöhung der Temperatur liegt bei uns in einer Größenordnung von ca. 0,2 = ° 0,0033 für 30 l (ca. 30000 g) Wasser. Insgesamt ergibt sich eine Erwärmungsleistung von 30000 0,0033 100 [ ] = 100 [ ] 100 Der Wirkungsgrad beträgt bei uns ca. ≈ 0,0167 = 16,7%. 6000 4. Zusammenfassung Unsere Pool-Solar-Heizung hat das erwünschte Ziel (dass das Wasser wärmer wird) erreicht. Für das Frühjahr haben wir uns vorgenommen, die Messungen im Realbetrieb (draußen & in der Sonne & mit einem größeren Wasservolumen) zu wiederholen. Bislang benutzen wir für den Wasserkreislauf eine Tauchpumpe aus dem Baumarkt. Diese benötigt zwar nicht allzu viel Energie im Betrieb, wir möchten sie dennoch durch eine solar-betriebene Pumpe ersetzen. Schließlich macht der Betrieb der Pool-Solar-Heizung auch nur dann Sinn, wenn die Sonne scheint. 14
schüler experimentieren 2021 – Sophie Brucker und Polly Lonscher 5. Quellen und Unterstützungsleistungen Internetquellen: https://www.leifiphysik.de/astronomie/sonne/grundwissen/solarkonstante-und-stra hlungsleistung (Abrufdatum: 18.10.2020) https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Solarkonstante (Abrufdatum: 20.12.2020) https://www.solaranlage.de/lexikon/solarkonstante (Abrufdatum: 20.12.2020) https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Solarkonstante (Abrufdatum: 20.12.2020) https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/solarenergie/solarstrahlun g/solarkonstante (Abrufdatum: 02.01.2021) https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/der-wirkungsgrad (Abrufdatum: 01.01.2021) Bildquellen: Alle Abbildung selbst angefertigt Unterstützer: • Herr Frick (Lehrer am Welfen-Gymnasium Ravensburg, Forscher-AG) 15
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