IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/1996, Seite 35 ff.
ENERGIESYSTEME
Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung
Anlagenkomponenten, Installation, Inbetriebnahme, Betriebsverhalten
Klaus-Henning Terschüren Teil 1
Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung haben mittlerweile ein hohes Maß an technischer Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit erreicht. Für alle Komponenten gibt es technisch ausgereifte Ausführungen am Markt. Jedoch ist das noch kein Garant für eine gut funktionierende Anlage. Vielmehr ist eine gute Abstimmung der Komponenten untereinander sowie die Installation und Inbetriebnahme durch geschultes, zuverlässiges Personal notwendig. Der vorliegende Beitrag soll mehr die Praxis für Planer, Installateure und Betreiber aufzeigen. Dabei werden geschlossene Anlagen mit Zwangsumlauf besprochen.
Das Prinzip einer solchen Anlage ist denkbar einfach: Strahlung wird im Kollektor in Wärme umgewandelt, über Rohrleitungen mit entsprechenden Pump-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen und Wärmetauschern dem Speicher zugeführt und dort für den Nutzer bereitgehalten (Bild 1).
| Bild 1: Prinzipskizze einer Brauchwasser-Solaranlage. |
Speicher
An den Speicher einer Solaranlage werden höhere Anforderungen gestellt als an den Brauchwasserspeicher einer konventionellen Heizungsanlage. Das wird deutlich, wenn man sich klarmacht, daß
- das Energieangebot (einfallende Solarstrahlung) in seiner zeitlichen Verfügbarkeit nicht beeinflußbar ist und phasenverschoben zur Nachfrage (Warmwasserbedarf) zur Verfügung steht,
- die Energiedichte (Einstrahlung) mit max. 1000 bis 1100 W/m2 gering ist,
- die Temperaturschichtung im Speicher einen wesentlichen Einfluß auf den Kollektorwirkungsgrad hat.
Behälter mit Wärmedämmung
Solarspeicher werden in der Regel als Standspeicher mit 300 bis 1500 l Inhalt ausgeführt. Als Materialien kommen Stahlbehälter emailliert mit kathodischem Korrosionsschutz vorzugsweise durch Fremdstromanoden sowie Edelstahlbehälter (V4A) zum Einsatz.
Beide Materialien bieten einen sicheren Korrosionsschutz über lange Jahre sowie hygienisch einwandfreie Bedingungen und sind in der Regel für 95°C und 6 bis 10 bar Betriebsdruck zugelassen. Die stahlemaillierte Ausführung ist dabei preiswerter, die Edelstahlausführung dagegen bei Transport und Installation leichter zu handhaben (geringes Gewicht, unempfindlich gegen Transportschäden). Seit einiger Zeit sind auch kunststoffbeschichtete Behälter am Markt. Diese Beschichtung stellt hohe Anforderungen an die Herstellung, da die Schicht porenfrei geschlossen sein muß. Zudem liegt die Temperaturgrenze mit 65 bis 80°C relativ niedrig.
Die Speicherform sollte möglichst schlank und hoch sein, um eine gute Schichtstabilität, d.h. geringen Temperaturausgleich zwischen kalten und warmen Schichten, zu erreichen. Der Einlauf des Kaltwassers sollte so angeordnet sein, daß sich bei der Entladung kaltes Wasser ohne Turbulenzen streng unter bereits erwärmtes Wasser einschichtet.
Damit wird der Solarrücklauf auf niedrigem Temperaturniveau gehalten. Einem Abfall des Kollektorwirkungsgrades aufgrund steigender Absorbertemperatur wird entgegengewirkt.
Der Wärmedämmung des Solarspeichers kommt besondere Bedeutung zu. Bei einem konventionell beheizten Brauchwasserspeicher fällt der Mehrverbrauch durch eine schlechte Wärmedämmung kaum auf. Bei einer Solaranlage kann jedoch der erhöhte Speicherverlust eine zu niedrige Wassertemperatur zur Folge haben, möglicher Komfortverlust müßte über die konventionelle Heizung ausgeglichen werden.
Die Speicherdämmung ist üblicherweise als PU-Weichschaumdämmung, seltener als Hartschaumdämmung ausgeführt. Sie sollte als Weichschaumdämmung eine Dicke von 100 mm nicht unterschreiten. Bedingt durch Wärmebrücken an Flanschen, Anschlußleitungen, Standfüßen oder schlecht sitzenden Wärmedämmungen steigt der Wärmeverlust oft auf das Doppelte des theoretisch erwarteten Wertes.
So kann z.B. eine schlecht gedämmte Anschlußmuffe im Speichermantel einen ähnlich hohen Wärmeverlust aufweisen wie der gesamte Mantel. Ebenso kann eine nach oben herausgeführte Anschlußleitung eine erhebliche Verlustquelle darstellen.
Darum sind bei modernen Solarspeichern sämtliche Anschlüsse in den unteren, kalten Bereich verlegt worden, die Wärmedämmung schützt den Speicher ohne jeglichen Durchbruch vor Wärmeverlusten und ist so konfektioniert, daß sie eng an dem Speicher anliegt (Bild 2).
| Bild 2: Aufbau Solarspeicher. |
Wärmetauscher
Solarkreislauf und Brauchwassersystem müssen in unseren Breitengraden hydraulisch getrennt ausgebildet werden, um den Solarkreislauf mit einem Wasser-Frostschutzgemisch gegen Frostschäden zu schützen.
Bei kleinen Anlagen (< 15 bis 30 m2) kommen innenliegende Wärmetauscher zum Einsatz, bei größeren Anlagen (> 15 bis 30 m2) externe Wärmetauscher. Innenliegende Wärmetauscher haben den Vorteil, daß keine Wärmeverluste am Speicher auftreten und die Sekundärseite (Brauchwasser) mittels Schwerkraft angetrieben wird. Nachteilig ist die Abhängigkeit der Übertragungsleistung von der Temperaturdifferenz zwischen Solarkreis und Speicherwasser.
Als Werkstoff kommen Kupfer (meist als Rippenrohr ausgebildet, verzinnt bei nachgeschalteten verzinkten Stahlrohren), emailliertes Stahlrohr und Edelstahlrohr zum Einsatz.
Der Einfluß der Einbaulage eines Wärmetauschers (Achse waagerecht oder senkrecht) auf den Wärmeübergang ist gering (< 5%) [1]. Die senkrechte Einbaulage ist jedoch vorzuziehen, da ausfallender Kalk von den WT-Rohren abplatzt und bei senkrechter Einbaulage auf den Speicherboden fallen kann. Bei waagerechter Einbaulage würde sich das Innere der Wärmetauscherwendel allmählich zusetzen.
Die Anordnung des Solarwärmetauschers sollte möglichst tief im Speicher sein. Die entstehende Konvektionswalze im Speicher entsteht an der Unterkante des Wärmetauschers und bildet sich von dort über die gesamte Speicherhöhe aus. Unterhalb des Wärmetauschers gelangt Wärme nur äußerst langsam durch die Wärmeleitung. Damit ist dieser Raum für die Speicherung von Solarenergie verloren (Totvolumen).
Externe Wärmetauscher kommen zum Einsatz, wenn die Übertragungsleistung innenliegender Wärmetauscher nicht mehr ausreicht (bei vielen Speichertypen sind die möglichen Wärmetauscher-Flächen begrenzt) oder mehrere Speicher von einem Wärmetauscher bedient werden sollen. Verbreitet sind Platten- und Rohrbündelwärmetauscher mit einem großen Angebot an Wärmetauscher-Fläche. Externe Wärmetauscher haben geringe Wärmeverluste. Ihr Sekundärkreislauf wird über eine Speicherladepumpe mit dem Speicherinhalt verbunden. Damit sind die Wärmeübertragungsbedingungen annähernd konstant, Installationsaufwand und Kosten bei Einspeicheranlagen etwas höher.
Wärmetauscherauslegung
Die Größe der in der Solaranlage vorgesehenen Wärmetauscher muß auf die Kollektorleistung abgestimmt werden. Ein zu klein ausgelegter Wärmetauscher wäre nicht in der Lage, die vom Kollektor kommende Energie zu übertragen. Die Folge wäre ein Temperaturanstieg im Kollektorkreis und hätte damit negative Auswirkungen auf den Kollektorwirkungsgrad. Ein zu groß ausgelegter Wärmetauscher würde die Investitionskosten unnötigerweise erhöhen.
Als Faustwert für die Dimensionierung von innenliegenden Wärmetauschern gilt [2]:
Cu-Rippenrohr-WT = 0,3 bis 0,4 m2 pro m2 Kollektorfläche
Glattrohr-WT = 0,2 m2 pro m2 Kollektorfläche
Einbindung in die Nachheizung
Schwankungen im Strahlungsangebot und strahlungsarme Zeiten erfordern den Einsatz konventioneller Energie, wenn immer warmes Wasser vorhanden sein soll. Die Regel ist die Einbindung des konventionellen Heizkessels über einen zweiten Wärmetauscher im Solarspeicher. Moderne Heizkessel können die notwendige Nachheizenergie auch im Sommer (während kein Heizbedarf besteht, also der Kessel nur zur Nachheizung des Brauchwassers in Betrieb geht) wirtschaftlicher liefern als z.B. ein Elektroheizstab.
Dieser Nachheizwärmetauscher ist im oberen Drittel des Speichers angeordnet (Bild 2). Das Nachheizvolumen sollte nicht größer als unbedingt notwendig angesetzt werden, da es das Speichervolumen für die Solaranlage verkleinert. Über die konventionelle Heizung eingebrachte Energie kann nicht mehr von der Solaranlage geliefert werden!
Auch hier entsteht eine Konvektionswalze von der Unterkante des Wärmetauschers über die verbleibende Speicherhöhe. Die Lage der Unterkante des Wärmetauschers bestimmt also das Volumen der Nachheizzone.
Die Größe des Wärmetauschers wird abgestimmt auf die Kesselleistung und den Spitzenbedarf für Warmwasser. Bei manchen Kesseln können zu kleine Wärmetauscherflächen zu einem häufigeren Takten führen, das wiederum Störungen im Kesselbetrieb zur Folge haben kann. Es ist unbedingt sinnvoll, über eine Brauchwasservorrangschaltung des Kessels hohe Vorlauftemperaturen und damit hohe Nachheizleistungen zu erreichen.
Rohrleitungen
Querschnitt und Dämmung der Rohrleitungen bestimmen Druckabfall, Trägheit und Wärmeverluste des Solarkreislaufes. Während zu geringe Rohrquerschnitte zu hohe Pumpenleistung erfordern, führen zu große Rohrquerschnitte zu großer Trägheit des Solarkreislaufes und zu erhöhten Wärmeverlusten. Als Faustwert für die Rohrdimensionierung kann die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr mit ca. 0,5 max. 1 m/s angenommen werden. Die hydraulische Rohrnetzberechnung erfolgt wie in Heizungsanlagen üblich, hier jedoch mit Zuschlägen für den erhöhten Widerstand des Wasser-Frostschutzgemisches.
Wie bei den Speichern ist auch bei den Rohrleitungen besonderer Wert auf eine gute Dämmung zu legen. Die Dämmungsdicke sollte 100% (Heizanlagenverordnung) nicht unterschreiten. Unbedingt muß die Temperaturbeständigkeit des Dämmungsmaterials beachtet werden.
Temperaturbeständigkeit
- Mineralfaserdämmstoff 150°C und mehr
- PU-Schaumstoff 105 bis 130°C
- Schaumstoff aus synth. Kautschuk 105°C
- PE-Schaumstoff 80 bis 110°C
| Bild 3: Stillstandstemperaturen für verschiedene Kollektoren. |
Mineralfaserdämmstoffe und PU-Schaum werden wegen ihrer geringen Festigkeit mit Alu- oder Stahlblechen ummantelt. Auf eine PVC-Ummantelung sollte aus ökologischen Gründen verzichtet werden. Im Außenbereich muß diese Ummantelung wasserdicht ausgeführt sein.
Schaumstoff aus synthetischem Kautschuk ist geschlossenzellig. Er muß im Außenbereich vor UV-Strahlung geschützt werden.
Beide Schäume werden bei Erreichen der angegebenen Maximaltemperaturen hart und spröde und verlieren ihre Festigkeit.
PE-Schäume werden bei Erreichen der Maximaltemperatur weich und fließen bei weiter steigender Temperatur vom Rohr.
Als maximale Rohrtemperatur kann die Siedetemperatur des Frostschutzmittels angenommen werden (z.B. 40% Tyfocor L, 4 bar: 145°C, Bild 3).
Die Rohrleitungen müssen sauerstoffdiffusionsdicht sein; als flexible Leitungen sind sauerstoffdiffusionsarme Schläuche, möglichst Metallschläuche vorzusehen. (Fortsetzung folgt)
B i l d e r : Solvis Energiesysteme GmbH + Co. KG
L i t e r a t u r :
[1] R. Kübler: Warmwasserspeicher, Wärmezufuhr und Gütekriterien; Abschlußbericht BMFT-Projekt 03E8021A, Oktober 1988.
[2] F.A. Preuser; R. Croy: Erfahrungen mit Solaranlagen zur Warmwasserbereitung. ZFSHilden, April 1991.
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