Einbindung elektronischer Durchlauferhitzer in Solaranlagen

Dipl.-Ing. Christian Kluge*

Zur Nacherwärmung solar erwärmten Wassers gibt es eine Vielzahl konventioneller Möglichkeiten. Der folgende Beitrag geht auf die Einbindung von elektronischen Durchlauferhitzern am Beispiel des VED E solar von Vaillant ein.

1. Einleitung

Bei der Nutzung regenerativer Energien nimmt die Solarthermie eine bevorzugte Stellung ein. Bislang eher von Individualisten zur Wärmeerzeugung und Warmwasserbereitung eingesetzt, ist die Solartechnik durch ein breites Angebot der Hersteller und die staatliche Förderung mittlerweile für viele erschwinglich geworden. Zudem hat sie sich inzwischen als wichtiger Zukunftsmarkt für Industrie und Handwerk entwickelt. Auch die Umwelt wird geschont. Allein durch die bisher installierten Anlagen werden in Deutschland jährlich ca. 250000 t Kohlendioxid vermieden.

Bild 1: Der VED E solar von Vaillant, ein elektronischer Durchlauferhitzer für Solaranlagen.

An Tagen, an denen die Sonnenstrahlung nicht ausreicht, um warmes Wasser meist in der Übergangszeit im Frühjahr oder Herbst zu bereiten (im Jahresdurchschnitt etwa 30 bis 35%), muß die fehlende Energie durch konventionelle Nacherwärmung bereitgestellt werden. Dazu gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Im folgenden wird auf die Einbindung von elektronischen Durchlauferhitzern in eine Solaranlage eingegangen. Die Nacherwärmung des Wassers erfolgt bei Bedarf dezentral nahe der Zapfstelle. Das bietet gegenüber der ebenfalls möglichen zentralen Nacherwärmung im Solarspeicher einige Vorteile. Dazu gehören:

Entkopplung der Warmwasserbereitung von der Heizungsanlage,
maximale Nutzung des solar vorerwärmten Wassers, da keine Aufheizung des Solarspeichervolumens über einen zusätzlichen Wärmetauscher erfolgt,
kein bivalenter Solarspeicher mit einem zweiten Wärmetauscher erforderlich, ein (kleinerer) monovalenter Speicher ist ausreichend (wirkt sich auf die Investitionskosten aus),
warmes Wasser ohne lange Wartezeiten an der Zapfstelle verfügbar.

Bild 2: Funktionsschema des elektronischen Durchlauferhitzers VED E solar.

Die Möglichkeit, neben dem Erwärmen der benötigten Wassermenge auch die Temperatur gradgenau vorzuwählen, bieten derzeit nur elektronische Durchlauferhitzer (Bilder 1 und 2).

2. Funktion des elektronischen Durchlauferhitzers

Die elektronische Regelung des in Bild 1 schematisch dargestellten Durchlauferhitzers berechnet und dosiert die elektrische Leistung P, so daß die eingestellte Temperatur gradgenau erreicht wird. Um dies zu ermöglichen, ermittelt ein im Wasserweg liegendes Flügelrad die Durchflußgeschwindigkeit, während ein Einlauffühler die Temperatur des zuströmenden Wassers feststellt. Kontinuierlich berechnet die Elektronik daraufhin die notwendige elektrische Leistung und gibt sie für die Heizwendel frei. Im Anschluß daran wird die Auslauftemperatur nach der letzten Heizwendel gemessen und an die elektronische Regelung rückgekoppelt. Im Falle einer Temperaturabweichung erfolgt eine Korrektur der elektrischen Leistung.

Die Heizwendel sind Blankdrähte, die direkt vom Wasser umströmt werden. Das Blankdrahtprinzip hat sich durch gutes Reaktionsverhalten und geringe Verkalkungsneigung bewährt. Vor- und Nachlaufstrecken verhindern auch bei unterbrochenem Schutzleiter durch den natürlichen Wasserwiderstand, daß im Wasser Ableitströme von mehr als 5 mA (VDE 0700 Teil 35) auftreten können.

Da die elektrische Leistung durch die Nennleistung des Geräts (z.B. 24 kW) begrenzt ist, kann das Gerät bei großen Volumenströmen und ansteigender Solltemperatur an seine Leistungsgrenze stoßen. Um beim Zapfen von warmem Wasser immer ein Erreichen der Solltemperatur gradgenau zu gewährleisten, kann der Volumenstrom geregelt werden. Ein motorgetriebenes Ventil arbeitet dabei als Volumenstrombegrenzer.

Für die Einbindung des Durchlauferhitzers in eine Solaranlage ist das Sicherheitssystem von Bedeutung. Es arbeitet unabhängig von der Regelelektronik und trennt das Gerät im Fehlerfall allpolig vom Netz. Um die thermische Beanspruchung und Druckbeanspruchungen im Gerät gering zu halten, hat die Abschaltung sehr schnell zu erfolgen. Sie löst aus bei einer Überschreitung der Auslauftemperatur von über 85 °C.

Die volumen- und leistungsabhängige Abschaltung erfolgt, wenn unterhalb eines Mindestvolumenstroms Heizleistung eingeschaltet ist. Der Vorteil dieses Auslösemechanismusses ist, daß es zu keiner Druckerhöhung im Gerät kommt, da im Millisekundenbereich abgeschaltet wird. Das hat Vorteile bei der Materialauswahl. Warmwasserseitig lassen sich sämtliche Kunststoffrohrsysteme aus vernetztem Polyethylen nach DIN 19892 und DIN 19893 verwenden.

3. Unterschiede zum konventionellen elektrischen Durchlauferhitzer

Der elektronische Durchlauferhitzer VED E solar weist gegenüber dem konventionellen VED E exclusiv (VED EE) folgende Änderungen auf:

erhöhte Temperaturbeständigkeit der Werkstoffe,
geändertes Warmwasserrohr aus Kunststoff, das als zusätzliche Nachlaufstrecke dient (Wasser mit 60°C hat gegenüber Wasser mit 15°C nur den halben spezifischen Widerstand),
auf (solar) vorerwärmtes Wasser hin optimierte Elektronik,
Leistungssteuerung, sie kommt bei den 18-, 21- und 24 kW-Geräten vom 27 kW-Gerät.

Ansonsten ist der VED E solar praktisch mit dem konventionellen Durchlauferhitzer VED EE identisch. Das heißt, der VED E solar bietet die gleichen Gerätevorteile hinsichtlich Warmwasserkomfort und Installation. Maße, Design und Zubehöre sind die gleichen wie beim VED EE.

Der Austausch gegen ein Altgerät wird auch beim VED E solar durch die serienmäßige Universal-Montageplatte erleichtert. Soll eine Warmwasserversorgung für die spätere Einbindung einer Solaranlage ausgelegt werden, läßt sich schon jetzt der VED E solar einbauen. Die Leistung des Gerätes von 18, 21 oder 24 kW sorgt auch ohne vorgewärmtes Wasser für einen hohen Warmwasserkomfort. Die Temperaturkonstanz ist ebenso gradgenau wie beim VED E exclusiv. Die vom VED E exclusiv bereits bekannte Vorwandinstallation mit dem Geberit-System läßt sich auch beim VED E solar durchführen. Die Bedienung erfolgt dann - unabhängig vom Installationsort - per Fernsteuerung, die sich idealerweise in der Nähe der meistbenutzten Zapfstelle befindet.

4. Einbindung in die Solaranlage

Der VED E solar ist der erste Durchlauferhitzer, der in Solaranlagen mit bis zu 80°C Wassereintrittstemperatur ohne weitere Zubehöre eingebaut werden kann (Bild 3). Ein Herunterkühlen auf niedrige Einlauftemperaturen ist nicht notwendig. Es muß also keine Energie durch Herunterkühlen auf eine für den Durchlauferhitzer "verträgliche" Einlauftemperatur vernichtet werden, um dann per Durchlauferhitzer die an der Zapfstelle gewünschte höhere Wassertemperatur aufzuheizen.

Bild 3: Systemtechnik mit Elektrodurchlauferhitzer VED E solar.

1 = Elektro-Durchlauferhitzer VEDE solar, 5 = Warmwasserspeicher VH = 200 l, 25 = Regelsektor, 26 = Temperatur Differenz-Regler, 39 = Thertmostatmischer, 43 = Sicherheitsgruppe, 63 = Sonnenkollektor, * = Legionellen Schutzschaltung (Vaillant-Zubehör)

Der Durchlauferhitzer ist besonders für den Einsatz hinter einem Speicher geeignet. Auch wenn der Nenndruck durch die Sicherheitsgruppe des Speichers begrenzt wird, kann durch die geringen Druckverluste im Gerät die maximale Wassermenge bereitgestellt werden. Wenn die Einlauftemperatur größer als die Solltemperatur ist (beispielsweise t_soll = 37°C und t_ein = 42°C), heizt der VED E solar das Wasser nicht auf, es fließt also praktisch mit der im Solarspeicher vorhandenen Temperatur durch das Gerät.

Wegen der Temperaturschwankungen (je nach Speicherladung) und wegen höherer möglicher Einlauftemperaturen (bis 80°C) empfiehlt sich an Zapfstellen, die im wesentlichen der Körperpflege dienen, eine für Durchlauferhitzer geeignete thermostatische Mischbatterie. Eine solche Mischbatterie sorgt für eine entsprechende Beimischung von kaltem Wasser, gewährleistet einen ausreichenden Schutz gegen Verbrühen und stellt die Wunschtemperatur unter allen Umständen sicher.

* Dipl.-Ing. Christian Kluge ist in der Entwicklung Elektro-Warmwassergeräte der Joh. Vaillant GmbH u. Co. beschäftigt

B i l d e r : Vaillant, Remscheid

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