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Hallo, interessierter Leser !

Inhalt:
Auslegung
Flachkollektor <-> Röhrenkollektor
Thermosifon
Theorie
Solarkreis
Speicher
Regelung
Schwimmbaderwärmung
Solares Kühlen
Glycolfreie Solaranlage

Es ist mein Wunsch, günstige Heatpipe Sonnen Röhren Kollektoren anzubieten, weil es keinen besseren und günstigeren Weg gibt, die Sonne effektiv zu nutzen !
Ich werde Ihnen das passende System besorgen

Sparen Sie weder an der Fläche noch an der Speichergröße, denn damit können Sie Ihren Nutzen noch vergrössern !
Warmwasserbereitung:    empfohlene Kollektorfläche ca. 1 m2 pro Person

    empfohlene Speichergröße ca. 85 l pro Person
Beispiel für einen 4 Personen Haushalt: Kollektorfläche ca. 4 m2 / Speicherinhalt ca. 350 l

Einsparung: ca. 60% des Energiebedarfs für Brauchwasser pro Jahr
Heizungsunterstützung:    empfohlene Kollektorfläche ca. 0,8 m2 pro 10 m2 Wohnfläche
    empfohlene Speichergrößen Heizungspufferspeichers mindestens 50 l pro m2 Kollektorfläche + ca. 85 l pro Person Brauchwasserspeicher (siehe auch BAFA Förderbestimmungen !).
Beispiel für einen 4 Personen Haushalt mit 160 m2 Wohnfläche:
Kollektorfläche ca. 12 m2 / Heizungspufferspeicher ca. 600 l – 1.000 l / Brauchwasserspeicher ca. 300 l Einsparung: ca. 25 - 30% des Energiebedarfs für Heizen und ca. 60% des Energiebedarfs für Brauchwasser pro Jahr.
Dies sind ungefähre Werte, die Sie durchaus an Ihre persönlichen Rahmenbedingungen anpassen können !

Umfassende Auslegungsberechnung vom Fachmann:
Ingenieurbüro Marcus Buck

Lassen Sie sich nicht von dem klassischen deutschen Handwerker verunsichern - diese Anlagen sind sehr beständig und bringen einen hohen Ertrag, jede kann völlig unproblematisch an bestehende Heizsysteme gekoppelt werden ! Allerdings wird dann nur an der Arbeit verdient und nicht am Systempreis und
das mögen nicht alle !
Die Garantien werden von den Produzenten gegeben und sind meist umfangreicher, als das gesetzlich geforderte Minimum.

Vakuum-Röhrenkollektor mit modernster Heatpipe – Technologie
Das solare Kraftwerk auf Ihrem Dach !


Der große Vorteil von Röhrenkollektoren gegenüber Flachkollektoren besteht in einem erheblich besseren Wirkungsgrad. Sogar bei leichter Bewölkung oder diffusem Licht erzeugt diese Solaranlage noch Wärme. Außerdem ist die Montage auf Grund der geringen Abmessungen und des Aufbaus aus Einzelteilen weitaus einfacher als die Montage der großflächigen Flachkollektoren. Mit maximal zwei Personen lässt sich in relativ kurzer Zeit eine komplette Zelle zusammenbauen und auf dem Dach montieren. Die Montage ist auf einem Schrägdach als auch einem Flachdach ohne Probleme möglich.


Spitzenkollektor mit überdurchschnittlichem Wirkungsgrad
- voll Förderfähig (von 60,-€ bis zu 105,-€ pro m² Brutto-Kollektorfläche)
- Keine billige PU- Isolierung
- kein entleeren der Anlage bei einem Röhrenwechsel- kein Kran zur Installation nötig
- keine schweren Befestigungen, da kaum Windwiderstand


Röhrenkollektoren arbeiten mit einem Wärmetauscher im Vakuum-Röhrensystem, das auch bei niedriger Sonneneinstrahlung hohe Absorbertemperaturen und enorme Wirkungsgrade erzielt. Speziell in den Übergangszeiten Frühjahr und Herbst können so Solarerträge geerntet werden, die neben der Warmwasseraufbereitung auch zur Unterstützung der Raumheizung beitragen können. Neben ästhetischem Design überzeugen die Serien vor allem auch durch geringen Montage- und Wartungsaufwand. Denn er ist trotz der relativ vielen Röhren, sehr leicht und wird zerlegt geliefert. Erwähnenswert sind außerdem die Einbaulage sowie die wartungsfreie, extrem dauerhafte Vakuumabdichtung durch Hüll- und Absorberrohr. Absorber und Spiegelflächen sind dabei im Vakuum optimal vor Alterung und Schmutz geschützt und somit äußerst langlebig.Der Beweis für die außerordentliche Qualität sind die 10 Jahre Garantie auf die Röhren. 
Mit den unterschiedlichen Modellen sind Brutto-Kollektorflächen von 1,5m² bis zu 5m² realisierbar!

Vakuum-Röhrenkollektoren Heatpipe-Prinzip
haben deutlich bessere Ertragswerte besonders in den Übergangszeiten ( Frühling/Herbst ) im Vergleich zu konventionellen Flachkollektoren.

           

Extrem hoher Wirkungsgrad durch speziell beschichtete Absorber. Durch Vakuumröhren hat der Kollektor fast keine thermischen Verluste und kann bis -30° Celsius noch Wärme produzieren.


Wärmebild Flach- bzw. Röhrenkollektor

Bei bedecktem Himmel lassen Wolken noch diffuse Strahlung durch, die bis zu 80% in Wärme umgewandelt werden. 30% mehr Absorber-Fläche auf den m² als Flachkollektoren. Und genau darauf kommt es an.



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Diese mehrfach optimierte Thermosiphonanlage 4,1 qm, deckt den Brauchwasserbedarf für 5-8 Personnen, Durchlauferhitzerprinzip, deshalb keine Legionelloseproblematik, keine Frostprobleme, stark isolierter Speicher, optional: mit Boilerheizstab, ausserdem Zweitkreislauf zur Heizungsunterstützung anschliessbar. kostet komplett, inklusive Lieferung zu Ihnen nach Hause nur 1200€ !


1 Solarthermische Anlagen

Solarthermische Anlagen gibt es in vielen Ausführungen; von einfachen Absorbern über Thermosiphon-Anlagen bis zu den leistungsfähigen Vakuumröhren-Kollektoren. Die Einsatzgebiete für solarthermische Anlagen liegen in der Regel in der Erwärmung von Schwimmbädern, in der Brauchwassererwärmung, der Heizungsunterstützung und in der solaren Kühlung, die hier nur am Rande erwähnt sei. Dieses Kapitel soll die Einzelkomponenten solarthermischer Anlagen mit Schwerpunkt auf dem Kollektor beschreiben, einige Systeme vorstellen und gewisse Punkte der Wirtschaftlichkeit aufgreifen.

Allgemeine Funktionsweise einer thermischen Solaranlage:

Es werden im folgenden Systeme im Niedrigtemperaturbereich betrachtet, d.h. Systeme für die Bereitstellung von Nutzwärme bis 100°C.

Ein Sonnenkollektor wandelt die elektromagnetische Strahlung der Sonne in Wärme um, um damit letztendlich Wasser zu erwärmen. Die kurzwellige Strahlung der Sonne wird dabei von einem Absorber absorbiert, der seinerseits langwelligere Wärmestrahlung emittiert, vergleichbar mit einer dunklen Oberfläche, die sich in der Sonne aufheizt. Die vom Absorber aufgenommene Wärme wird an eine zirkulierende Flüssigkeit weitergegeben, welche die gewonnene Wärme in einen Speicher abtransportiert. Im einfachsten Fall ist dies das zu erwärmende Wasser selbst (sog. offene Systeme). In unseren Breiten ist dies nicht möglich, da im Winter die Zirkulation und damit der Wärmetransport durch das Einfrieren der Flüssigkeit gestoppt und der Kollektor durch die Kraft des sich ausdehnenden Eises geschädigt würde. Die Wärme wird daher zuerst an ein Wärmeträgermedium (üblicherweise Wasser mit Frostschutzmittel) abgegeben, welches dann erst im Speicher über einen Wärmetauscher die Wärme an das Brauchwasser abgibt (sog. geschlossene Systeme).

Eine solarthermische Anlage besteht also aus vier Hauptbestandteilen: Dem Sonnenkollektor, dem Solarkreis, dem Speicher, und in geschlossenen Systemen die Solarregelung.

Der Sonnenkollektor

Abbildung 1.1 zeigt einen Sonnenkollektor:[1]


1
transparente Abdeckung     2 Gehäuse mit Isolierung     3 Absorber mit Leitungssystem

Herzstück des Kollektors ist der Solarabsorber, der üblicherweise aus Kupfer, seltener aus Aluminium oder Edelstahl besteht. Er absorbiert die kurzwellige Strahlung der Sonne und ist so gebaut, daß er möglichst wenig langwellige Wärmestrahlung emittiert. Dies wird durch eine selektive Beschichtung erreicht, die galvanisch oder im sogenannten Vakuumverfahren aufgetragen wird. Dadurch werden etwa 90% der einfallenden kurzwelligen Strahlung absorbiert, aber nur 7-15% der langwelligen Wärmestrahlung emittiert. Absorber mit der neuesten Beschichtung TiNOX (Tiatannitrit und Titanoxid) weisen schon Werte von 95% für die Absorption und 5% für die Emission auf.

Der Absorber wird in der Regel in einen zu den Seiten hin wärmegedämmten und nach oben hin verglasten Kollektorkasten eingebaut, damit möglichst wenig Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Um die Verluste im Kollektor weiter zu minimieren, wird der Innenraum des Kollektorkastens oft evakuiert (Flachvakuum-Kollektoren). Um ein Implodieren des Kastens zu vermeiden, wird die Glasabdeckung des Kollektors durch zahlreiche Stege auf dem Gehäuseboden abgestützt. Eleganter läßt sich das Vakuum mit Vakuumröhren-Kollektoren verwirklichen. Wie in einer Thermoskanne ist der Absorber von einer evakuierten Röhre umgeben. Die Röhrenstruktur ist von Natur aus stabil genug, um dem Druck von außen standzuhalten.

Um möglichst jeden Sonnenstrahl verwerten zu können, sind zwischen den Absorbern auf dem Gehäuseboden Spiegel angebracht, die das Licht zurück auf den Absorber lenken. Vakuumröhren-Kollektoren galten in der Anfangszeit ihrer Entwicklung als kostspielige Exoten, erreichen aber durch Fertigungsfortschritte gegenwärtig vergleichbare Preis/Leistungs-Verhältnisse wie Flachkollektoren. Durch ihre meist bessere thermische Isolation sind mit ihnen bei den niedrigen Umgebungstemperaturen des Winterhalbjahres größere Energiegewinne zu erzielen.

Trotz weitgehend ausgereifter Technik sind Energieverluste im Kollektorsystem nicht zu vermeiden. Ein Teil der Strahlung wird schon vor Eintreten in den Kollektor von der Abdeckung reflektiert; dies sind die optischen Verluste. Im Kollektorkasten kommt es zu weiteren thermischen Verlusten: Ein geringer Teil der Strahlung wird von der Glasscheibe absorbiert, ein anderer Teil geht durch Konvektion im Kollektorkasten verloren, weitere Verluste entstehen durch Reflexion am Absorber, durch dessen Wärmeabstrahlung und durch die nicht verlustfreie Wärmeleitung. Ein wichtiger Punkt dabei ist die Verbindung von der Absorberoberfläche zum Leitungssystem. Wärmetechnisch optimal sind stoffschlüssige Verbindungen über einen Großteil des Rohrumfanges bei Querschnittszunahme des Absorberblechs in Richtung Rohr.

Integriert man die Effekte über alle Eigenschaften der Kollektorkomponenten, so ist das Resultat eine Wirkungsgradkennlinie. Bei einem Kollektor kann nicht von einem konkreten Kollektorwirkungsgrad gesprochen werden, da immer ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Betriebsbedingungen und einem momentanen Wirkungsgrad existiert. Um einen konkreten Wirkungsgradfaktor festzulegen, müssen die Betriebsbedingungen daher festgelegt sein. Dieses bietet sich für den Vergleich verschiedener Kollektoren an und wird beispielsweise an der Ingenieurschule Rapperswil in der Schweiz durchgeführt. Der Kollektorwirkungsgradfaktor F´ wird dort folgendermaßen definiert:

"An einer beliebigen Position des Absorbers ist F´ das Verhältnis des momentan nutzbaren Energiegewinns zu dem nutzbaren Energiegewinn, der auftreten würde, wenn die Absorberplattentemperatur identisch der lokalen Fluidtemperatur wäre." Einfacher ausgedrückt heißt dies: Der Kollektorwirkungsgrad gibt das Verhältnis des momentan nutzbaren Energiegewinns zu dem im Absorber höchst möglichen Energiegewinn an. Er ist am größten, wenn keine Nutzleistung entnommen wird und die Kollektor- gleich der Umgebungstemperatur ist. In Abbildung 4.1.2 ist dies der Schnittpunkt der einzelnen Kurven mit der y-Achse. Detaillierte Informationen zu der Bestimmung der Kollektorwirkungsgrade und über den Vergleich verschiedener Kollektortypen können von der Ingenieurschule Rapperswil über das Internet unter der Seite http://www.solarenergy.ch/SPF bezogen werden.

Abbildung 1.2 zeigt Wirkungsgradkennlinien bei unterschiedlichen Einstrahlungen:

Der Wirkungsgrad eines Kollektors ist also um so höher, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Kollektor- und der Umgebungstemperatur und um so höher die Einstrahlung ist. Mit zunehmender Temperaturdifferenz nehmen die Wärmeverluste zu, bis irgendwann dieser Temperaturverlust gleich dem Energiegewinn ist. Dieser Punkt wird Stagnationspunkt genannt. Aus ihm läßt sich auch die Stillstandstemperatur des Kollektors entnehmen. Ohne Zirkulation würde bei dem Flachkollektor aus Abbildung 3.1.2 bei einer Einstrahlung 1000 W/m² eine Stillstandstemperatur von etwa 130°C auftreten. Bei Vakuumröhren-Kollektoren können diese bei einer Einstrahlung von 1000 W/m² Stillstandstemeperaturen von über 200°C erreichen. Die Kollektormaterialien müssen für diese Temperaturen konzipiert sein, damit der Kollektor nicht durch Überhitzung zerstört wird.

Der Solarkreis

Der Solarkreis sorgt für den Transport der Sonnenwärme in den Speicher. Dazu gehören sowohl die Leitungen als auch die Wärmeübertragung in den Speicher. Wie oben erwähnt, erfolgt diese in unseren Breiten über ein frostsicheres Wärmeträgermedium. Auch wenn die hier besprochenen Anlagetypen im Niedertemperaturbereich arbeiten, kann sich das Wärmeträgermedium im Solarkreislauf durch die hohen Temperaturen, die im Kollektor auftreten können, auf weit über hundert Grad Celsius erwärmen und würde verdampfen. Dies wird verhindert, indem der Solarkreis unter Druck gehalten wird; üblich sind hierbei etwa 6 bar. Der Rohrdurchmesser sollte auf die Kollektorfläche und die nötige Rohrlänge bis zum Speicher abgestimmt sein. Der Durchfluß sollte so geregelt sein, daß auf der einen Seite die Temperatur im Kollektor nicht zu hoch wird – damit würden die Wärmeverluste steigen – und daß auf der anderen Seite durch einen zu großen Durchfluß nicht unnötig viel Pumpenergie verschwendet wird. Der Solarkreis muß auch auf das Wärmeträgermedium selbst abgestimmt sein. Denn unterschiedliche Wärmeträgermedien (in der Regel eine Mischung aus Wasser und Glykol) bedingen auch unterschiedliche Stoffwerte (größere Dichte, höhere Viskosität, geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit). Es wird hier schon deutlich, wie groß der Einfluß einer intelligenten Solarregelung (s.u.) auf die Effizienz einer Solaranlage ist. Mit der Erwärmung des Wärmeträgermediums ist auch eine Ausdehnung desselben verbunden; um die Solaranlage vor Beschädigungen zu schützen, ist daher ein Ausdehnungsgefäß nötig.

Der Speicher

Im Speicher angekommen, muß die Wärme des Wärmeträgermediums über einen Wärmetauscher an das Brauchwasser abgegeben werden. Um auch die Versorgung an Tagen mit schlechter Witterung sicherzustellen, sollte der Speicher in der Regel den zwei- bis dreifachen Tagesbedarf an Warmwasser fassen. In der Regel befindet sich im unteren Speicherbereich der Wärmetauscher für den Solarkreis und im oberen Bereich der Wärmetauscher für die Nachheizung. So kann auch bei schlechter Witterung der Solarkreis das Wasser auf eine bestimmte Temperatur bringen; die Nachheizung übernimmt den Rest. Wird das warme Wasser in den unteren Speicherbereich mit den niedrigen Temperaturen zugeführt, so kommt es durch das aufsteigende warme Wasser zu Verwirbelungen. Dies ist unerwünscht, da nicht vorrangig das gesamte Speichervolumen erhitzt werden soll, sondern zuerst einmal ein Teil, der möglichst schnell warm werden und zur Verfügung stehen soll. Im Idealfall soll also die Temperatur im Speicher von oben – wo das Brauchwasser entnommen wird – nach unten abnehmen. Die Verwirbelung kann vermieden werden, indem das vom Kollektor zur Verfügung gestellte Wasser durch mehrere Auslässe direkt in die Schicht des Speichers eingeführt wird, die auf dem selben Temperaturniveau liegt.

Die Solarregelung

Befindet sich der Speicher nicht oberhalb der Kollektorfläche, wie bei Thermosiphon-Anlagen, dann stellt sich kein natürlicher Kreislauf vom Kollektor in den Speicher ein. Dieser Kreislauf muß daher künstlich durch eine Umwälzpumpe eingeleitet werden. Ein ständiger Kreislauf wäre allerdings nicht sinnvoll, insbesondere wenn die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher negativ ausfällt. Die Umwälzpumpe wird daher von einer elektronischen Regelung gesteuert, welche diese Temperaturdifferenz mißt und entsprechend den Kreislauf in Gang bringt. Wie oben schon erwähnt, sind neben der Temperaturdifferenz die Dimensionen der Rohrleitung und die physikalischen Eigenschaften des Wärmeträgermediums von Bedeutung.

Um optimale Erträge zu erzielen, müssen die einzelnen Komponenten gut aufeinander abgestimmt werden. Weiterhelfen können hier Simulationsprogramme, die alle oben beschriebenen Faktoren berücksichtigen. Informationen zu diesen Programmen sind im Internet erhältlich. Dem Buch von Quaschning liegt eine CD mit diversen Demoprogrammen bei. In bezug auf solarthermische Anlagen sind dies z.B.: GetSolar, GOMBIS, Polysun, SolarSizer, T*Solund viele mehr. Natürlich sind die Programme nur so gut wie ihre Algorithmen. In jedem Fall sollte dem Kauf einer Solaranlage eine möglichst genaue Ermittlung des Warmwasserbedarfs vorausgehen. Je nach Gewohnheiten können hier relativ große Unterschiede vorliegen.

Es gibt viele Möglichkeiten, die einzelnen Komponenten zu koppeln; es ist nicht möglich, hier die Vielfalt der Komponenten und Kombinationen aufzuzählen. Dies soll aber auch nicht Ziel dieser Arbeit sein. Was im Rahmen dieser Arbeit von Interesse ist, ist die Frage nach der richtigen Solaranlage für einen bestimmten Einsatzfall. Für den Anwender im Niedrigtemperaturbereich kommen dabei in erster Linie in Frage:

  • Schwimmbaderwärmung
  • Warmwasserbereitung
  • Heizungsunterstützung
  • Prozeßwärmeerzeugung

Um diese Entscheidung zu treffen, ist ein weiterer Blick auf die Kollektorwirkungsgrade der verschiedenen Kollektortypen notwendig:

Abbildung 1.3 zeigt Wirkungsgradkennlinien und Arbeitsbereiche verschiedener Kollektortypen bei einer Einstrahlung von 1000 W/m²:

                                   

Für die Schwimmbaderwärmung zeigen sich einfache Absorber als am besten geeignet. Eine Umwälzpumpe ist ohnehin Bestandteil eines jeden größeren Freibades, aber auch im privaten Bereich lohnt sich der Betrieb einer Pumpe, um eine Anlage zur Schwimmbaderwärmung zu betreiben. Im Prinzip muß das Wasser nur durch einen langen, schwarzen Schlauch gepumpt werden, wo sich das Wasser schneller erwärmt, als es im Schwimmbad selbst der Fall wäre. Das Wasser muß nur geringfügig erwärmt werden, so daß kleine Temperaturunterschiede zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur völlig ausreichend sind. Wie Abbildung 1.3 zeigt, ist in diesem Fall der Kollektorwirkungsgrad sogar höher als der von Flachkollektoren oder Vakuumröhren-Kollektoren. Dies ist auch einsichtig, denn ein Absorber, der nicht mit Glas abgedeckt ist, erleidet auch weniger optische Verluste. Für die Erwärmung eines Hallenbades wären dagegen einfache Absorber ungeeignet. Hier wäre ein Betrieb bei höheren Temperaturdifferenzen notwendig, womit eine entsprechend höhere Energieabgabe des Absorbers an die Umwelt verbunden wäre. Die Energie ginge zum einen durch Konvektion an die Umluft, zum anderen durch Rückstrahlung verloren. Dasselbe gilt natürlich auch in höherem Maße für die Brauchwassererwärmung. Quaschning zeigt, daß der Heizenergiebedarf eines Schwimmbades, welches in der Saison ohne Abdeckung auf 23°C gehalten wird, vollständig durch eine Solaranlage gedeckt werden kann. Dazu wäre eine Absorberoberfläche von 50-80% der Beckenoberfläche notwendig. Es steht heute außer Frage, daß solche Systeme wirtschaftlich arbeiten; viele Betreiber von Freibädern scheuen allerdings die Investitionskosten und lassen sich die nicht unerhebliche langfristige Kostenersparnis entgehen. In der Schweiz sind die Betreiber von Swimmingpools seit 1992 verpflichtet, bei Neubau oder Renovierung der Heizungsanlage ihres Freibades zu gewährleisten, daß mindestens 50% der Wärme für die Freibadbeheizung aus regenerativen Energien stammen.

 

Für die Erwärmung von Brauchwasser kommen verschiedene Anlagetypen in Frage. Der einfachste Typ ist die Thermosiphon-Anlage.

Abbildung 1.4 zeigt den Aufbau einer Thermosiphon-Anlage:

Bei diesem System wird die Zirkulation des Wärmeträgermediums durch die Schwerkraft ausgelöst. Durch die Erwärmung im Kollektor verringert sich dessen Dichte und erfährt gegenüber dem kalten Medium einen Auftrieb, wie ein Heißluftballon in der Luft; das warme Medium ist "leichter" als das kalte Medium und steigt nach oben (Vorlauf). Das warme Wärmeträgermedium steigt also in den Speicher auf, wo es die Wärme abgibt, dadurch an Temperatur verliert, absinkt und zurück zum Kollektor fließt (Rücklauf). Dieses System macht es nötig, daß der Speicher sich oberhalb des Kollektors befindet, damit der Kreislauf überhaupt erst in Gang kommen kann. Thermosiphon-Anlagen sind sehr preiswert, da eine komplexe Regelung entfällt. Sie sind daher auch in unseren Breiten Konkurrenz für die teueren Flach- und Vakuumröhren-Kollektoren, die jedoch einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Ein weiteres Problem bei Thermosiphon-Anlagen ist räumlicher Natur. Der Speicher muß sich ja oberhalb des Kollektors befinden, was beim Bau nicht immer machbar ist.

Anlagen mit Flachkollektoren, Vakuumflachkollektoren und Vakuumröhren-Kollektoren sind sich bei Betrachtung des Gesamtsystems sehr ähnlich. Unterschiede liegen hier lediglich im Kollektortyp und dessen Leistungsfähigkeit. Vakuumröhren-Kollektoren weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, Flachkollektoren den niedrigsten. Mit dem Preis verhält es sich ebenso. Man kann daher nicht im voraus sagen, ob der Kollektor mit dem höchsten Wirkungsgrad auch die beste Lösung ist; wie schon erwähnt, darf hier die Eignung von Thermosiphon-Anlagen keineswegs unterschätzt werden. Es sollte daher mit Hilfe von Berechnungen oder Simulationsprogrammen geklärt werden, welche Anlage die sinnvollste Lösung ist.

Abbildung 1.5 zeigt den Aufbau einer Solaranlage mit Zwangsumlauf:             

Bei der Heizungsunterstützung kommt es schon eher auf den Wirkungsgrad an; Thermosiphon-Anlagen haben sich auf diesem Gebiet nicht als brauchbar erwiesen. Bei selektiven Flachkollektoren und Vakuumröhren-Kollektoren gleichen die Preisunterschiede in der Regel den niedrigeren Wirkungsgrad aus; Vakuumröhren-Kollektoren haben hier den Vorteil des geringeren Platzbedarfs. Der Beitrag, den die Anlage zur Heizungsunterstützung beitragen soll, ist höchstgradig von der Wärmedämmung des Hauses abhängig. PESAG setzt sich der Energieverbrauch im Haushalt etwa zu 75% aus Heizung, zu 12% aus Warmwasser und zu nur 10% aus Strom für Haushaltsgeräte zusammen. In Neubauten mit erhöhtem Wärmedämmstandard nach Wärmeschutzverordnung von 1995 oder nach Niedrigenergiehausstandard nimmt der Energiebedarf für die Heizung im Verhältnis zum Energiebedarf für die Wassererwärmung ab. Auch bei großen Kollektorflächen reicht die durch Sonnenkollektoren gewinnbare Energie nicht zur Deckung des gesamten Heizbedarfs aus; die Heizung wird also vornehmlich in der Übergangszeit unterstützt. Neben einer größeren Kollektorfläche ist bei Anlagen zur Heizungsunterstützung ein größerer Speicher notwendig. Es empfiehlt sich hier ein Kombispeicher, bei dem der Brauchwasserspeicher im Inneren des Heizwasserspeichers liegt. Der Bund der Energieverbraucher bietet beispielsweise mit PHÖNIX C plus´99 eine Anlage mit 13,8 m² Flachkollektoren und einem Kombispeicher mit einem Volumen von 750 Litern an. Andere Anbieter schlagen pro m² Kollektorfläche 100 Liter Speichervolumen vor.

Abbildung 1.6: VollkombiAnlage

Glykolfreie Solaranlage (nach Wolfgang Felzen)

Thermische Solaranlagen für die Erwärmung von Brauchwasser und Heizungsunterstützung rechnen sich finanziell für den Anwender trotz staatlichem Zuschuss häufig nicht. Unter anderem liegt dies auch daran, dass diese Anlagen von den marktrelevanten Anbietern mit großem Aufwand zu hohen Preisen vertrieben werden.

 

Die Volkssolaranlage wird mit normalem Heizungswasser betrieben.

Diese Solaranlage hat keinen eigenen Kreislauf, sondern wird hydraulisch wie ein Heizkreis betrieben, lediglich mit dem Unterschied, dass  hier keine Energie verbraucht, sondern diese abgegeben wird. Heizungswasser hat neben einer bedeutend höheren Wärmespeicherkapazität; auch eine bessere Wärmeabgabe, als ein Glykolgemisch und schon dadurch kann ein höherer Solarertrag erzielt werden.

Weiterhin ist Wasser dünnflüssiger und kann somit  mit geringerem elektrischen Aufwand durch dünnere Leitungen gepumpt werden. Auch die Kosten für aufwändige Wärmetauscherkonstruktionen (intern im Puffer oder extern), sowie auch das Solar Ausdehnungsgefäß entfallen ganz.

Alleine durch den Verzicht auf Glykol und somit auf jegliche Wärmetauscher wird ein höherer Ertrag erzielt.

Einer der Hauptvorteile aber ist, dass neben der Kosteneinsparung bei der Investition, bei diesem System die Stagnation im Sommer keine große Rolle spielt und von der Anlage „eigensicher“ beherrscht wird. Da kein Glykol durch Übertemperatur zerstört werden kann, schadet diese auch nicht der Solarflüssigkeit. Wenn die Temperatur im Puffer  über z.B. 95 Grad steigt, schaltet der Solarregler die Solarpumpe ab, um Speicher und alle Heizungskomponenten vor Übertemperatur zu schützen. In den Sammelrohren der Kollektoren steigt dann die Temperatur schnell an und der erste Wassertropfen, der verdampft, dehnt sich um den Faktor 1500 aus und wird zu Nassdampf. Dadurch wird das restliche Wasser aus dem Kollektor nach unten in den Puffer befördert. Dort wird diese Wassermenge vom Ausdehnungsgefäß aufgenommen und bei Abkühlung der Kollektoren in der Nacht automatisch wieder vom Ausdehnungsgefäß in die Kollektoren zurückgedrückt.

Da Übertemperatur im Sommer bei diesem Konzept nicht schädlich ist, kann die Solaranlage bei Bedarf (auch später) sehr leicht durch zusätzliche Kollektoren weiter aufgerüstet werden, ohne den Rest der Anlage vergrößern zu müssen und ohne vor der Frage zu stehen, was mit der Wärmeüberschuss im Sommer passiert.

Allerdings funktioniert dieses System nur mit Vakuum-Röhrenkollektoren, da hier nur wenige Liter Wasser in einem geraden Sammelrohr vollständig durch Dampfüberdruck in den Puffer zurückgedrückt werden, ohne dass Restwasser im Kollektor übrig bleibt und zu Dampfschlägen führen kann, wenn der Trockendampf im Kollektor dann später bei längerem Stillstand eine Endtemperatur von über 200 Grad erreichen kann.

Um den Kollektor im Winter frostfrei zu halten und um somit Frostschäden zu verhindern, startet der Solarregler die Solarpumpe immer dann, sobald die Kollektortemperatur unter einen bestimmten Wert fällt und stoppt die Pumpe, wenn ein etwas höherer Wert erreicht ist.

Allerdings ist der Auskühleffekt der Kollektoren gering, da das Sammelrohr im Kollektor und die auf dem Dach liegenden Leitungen sehr gut isoliert sind. Sowohl der Energieaufwand aus dem Puffer als auch der elektrische Aufwand für die Pumpe beim Frostschutz sind so gering, dass sie in der Energiebilanz der Anlage kaum in Erscheinung treten.

Pufferspeicher  und Heizungswasserbehandlung

 Generell sollte der Puffer und somit Heizung und Solaranlage  nicht mit unbehandeltem Leitungswasser befüllt werden. Trotzdem wird auch in der heutigen Zeit selbst von Fachleuten noch gegen dieses Prinzip verstossen. Dadurch entstehen Schäden durch Versteinung (Kalk) Korrossion und Verschlammung durch Bakterienkulturen, die in warmem Leitungswasser sehr gut gedeihen. Die chemische Industrie bietet hier hochwirksame Heizungswasserzusätze an, die diese Probleme weitgehend beheben.

Der Puffer wird bauseitig mit einem externen Einschichtungsrohr ausgestattet, welches senkrecht neben dem Puffer montiert wird. Dieses Rohr kann z.B. aus DN 38 Kupfer oder größer einfach weich gelötet werden und sollte idealerweise mindestens 2 Dimensionen über der Rohrstärke vom Heizungsrücklaufrohr  sein, damit sich die Fließgeschwindigkeit beim Eintritt in das Rohr reduziert und sich das Wasser somit selbständig temperaturmäßig in den jeweiligen Pufferbereich einschichten kann. Dieses Rohr muss sehr gut gedämmt werden. Laut einer Untersuchung der TU Dresden schichten Einschichtrohre gleich ob extern oder intern im Puffer besser und einfacher als Umschaltventil-Lösungen.

Um den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern, sollte der Puffer zusätzlich zur standardmässigen Isolierung  mit einer Lage alukaschierter Steinwolle umwickelt werden. Dabei müssen auch die Stösse der Isolierung mit z. B. Aluklebeband abgedichtet werden, um Kamineffekte unter der Isolierung zu vermeiden. Alle Abgänge vomPuffer sollten mit einem Thermosyphon (Leitung geht min.100mm nach unten) versehen werden, damit sich die Rohre nicht durch Mikrozirkulation erhitzen und somit unnötige Pufferwärmeverluste entstehen.

Zusätzliches Ausdehnungsgefäß für den Puffer

Dies wird benötigt, um die Wasserausdehnung zwischen kalt und heiß des Pufferinhalts aufzunehmen. Das Ausdehnungsgefäß muss auch die Wassermenge der Sammelrohre des Kollektors und eines Teils der oberen Leitung bei einem Stillstand (Stagnation) aufnehmen. Als Faustformel gilt, dass die Größe des  Ausdehnungsgefäßes ca. 20 %  des Pufferinhaltes sein sollte. Ein seperates Ausdehnungsgefäss für den Solarkreislauf entfällt.

Funktionsbeschreibung der Anlage im Detail:

Sobald die Temperatur am Sensor (1) am Kollektor um z. B. 8° über dem Sensor (2) im Puffer  ist, startet die Solarpumpe. Diese wird vom Solarregler „drehzahlgeregelt“ und versucht z.B. 60°  im oberen Teil des Puffers  zu erreichen. Das  Wasser vom Kollektor wird nach unten in das Einschichtungsrohr am Puffer geleitet. Jetzt kommt der erste Vorteil des Einschichtungsrohrs zum Tragen. Das kalte Wasser in der Leitung vom Kollektor bis zum Puffer, das beim Starten der Solarpumpe noch in der Leitung vorhanden ist, wird automatisch  in den unteren Teil im Puffer geleitet. Sobald die Temperatur aus dem Kollektor steigt, wird der Puffer über das Einschichtungsrohr automatisch immer  oben erwärmt.  Dies erfolgt ohne eine Regelung einfach nur durch die Physik, da warmes Wasser leichter als kaltes Wasser ist und somit im Schichtrohr automatisch nach oben steigt, da das Wasser wärmer als der obere Teil des Puffers ist.  Der untere Teil bleibt kalt und wird  erst geladen, wenn der obere Teil bereits warm ist. Dadurch  wird erstens früh eine nutzbare Temperatur im Puffer generiert und zusätzlich entsteht eine höhere Effizienz der Kollektoren, welches  den Gesamtertrag erhöht. Das Umschalten der Ladung auf den mittleren Pufferteil erfolgt dadurch, dass der Solarregler  die Pumpe gerade so schnell laufen lässt, dass die Temperatur des Sensors (3)  in der Puffermitte gerade um 8 Grad überschritten wird.,und somit das geförderte Wasser automatisch sich in der Puffermitte einschichtet.  Erst wenn der Puffer in der Mitte auch z.B. 60° erreicht,  vermindert sich die Drehzahl der Pumpe und das geförderte Wasser wird heisser und lädt den Puffer voll bis auf z.B. 95 Grad. Dann schaltet der Solarregler die Pumpe ab und die Anlage geht in Stillstand (Stagnation).

Anschluss der Heizung an den Puffer

Je nach bestehendem Heizungssystem und erforderlicher Vorlauftemperatur kann der Heizungsvorlauf entweder im oberen Teil des Puffers oder auch tiefer abgenommen werden.  Auch wird durch den Anschluss des Vorlaufs der Heizung in der Puffermitte der Bereitschaftsteil des Puffers für die Frischwasserbereitung geschont und von der Heizung nicht zwangsläufig abgekühlt. Der Rücklauf aus der Heizung kann unten in das Schichtrohr eingeleitet werden, um eine Einschichtung in temperaturgleiche Schichten zu unterstützen und eine Durchmischung der Pufferschichtung zu  vermeiden.

Anschluss der Wärmeerzeuger an den Puffer

Je nach Wärmeerzeuger (Gas/Heizöl/Holz/Wärmepumpe) muss entschieden werden, wo genau der heisse Vorlauf  in den Puffer eingeleitet wird. In der Regel ist dies im oberen Teil des Puffers. Bei Brennwert Anlagen kann es hilfreich sein, den Rücklauf aus dem unteren Bereich des Puffers zu entnehmen da dadurch der Wirkungsgrad des Brenners steigen kann. Bei Luft/Wasser Wärmepumpen kann es erforderlich sein,lediglich den Bereitschaftsteil auf z.B. 55 Grad zu laden und dann per Umschaltventil auf die Puffermitte zu schalten um den Vorlauf für z. B. eine Fussbodenheizung zu erwärmen.

Brauchwasser Aufbereitung

Das Brauchwasser kann mit einem Hygienespeicher oder mit einer Frischwasserstation erzeugt werden. Moderne elektronisch geregelte Frischwasserstationen können selbst mit 55 Grad warmen Pufferwasser ausreichend Brauchwasser mit 45 Grad erzeugen ohne den Puffer dabei zu durchmischen. Dadurch erhöht sich die Schüttleistung eines Puffers und  unnötige Brennerstarts können reduziert werden.

Frostschutzfunktion

Diese Funktion wird automatisch vom Solarregler übernommen. Wenn die Kollektortemperatur am Sensor (1) unter einen gewissen Sollwert fällt, startet der Solarregler die Frostschutzfunktion,  und die Solarpumpe läuft. Das dann sehr kalte Wasser vom Kollektor strömt durch das Einschichtungsrohr automatisch in den unteren Bereich vom Puffer und kühlt nicht die obere heiße Zone des Puffers ab. Der Rücklauf wird von ganz unten im Puffer entnommen. Diese vorhandene Energie reicht, um die Kollektoren frostfrei zu halten, da hier nur wenige Liter Wasser (z.B. typischerweise 2 Liter pro 5 Mtr². Solarkollektorfläche) frostfrei gehalten werden müssen. Die dabei aufgewandte Energie an Wärme und an elektrischer Energie für die Pumpe ist relativ gering.

Es ist wichtig, dass dieses kalte Wasser vom Kollektor nicht oben in den Puffer geleitet wird, da sonst der obere Bereich vom Puffer unnötigerweise abgekühlt wird und dann somit einen unnötigen Brennerstart verursachen kann.

Frostschutzmäßig ist die Schwachstelle des Systems  nicht der Kollektor, sondern die Verbindungsleitungen von der Dachdurchführung zu den Kollektoren und zwischen den Kollektoren.  Die Isolierung muss deshalb hier sehr sorgfältig durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang weisen wir auch  auf die neue Aerogel Isolierung der Solarleitung hin, die bei gleicher Dämmdicke der Rohre fast die vierfache Dämmwirkung konventioneller Dämmstoffe aufweist.

Frostschutz bei Stromausfall

Wenn im Winter bei tiefer Minustemperatur der Strom ausfallen sollte  und die Pumpe deshalb keinen Frostschutz sicherstellen kann, ist für diesen Fall das 2-Wege-Zonenventil (im Plan gelb gezeichnet) eingebaut. Wenn Spannung anliegt ist es ständig geschlossen und öffnet bei Stromausfall.

Fällt die Stromzufuhr der Regelung aus, z.B. Sicherung hat ausgelöst, öffnet die Rückholfeder das Zonenventil und es beginnt eine gewollte Schwerkraftzirkulation. Das warme Wasser vom Einschichtungsrohr oben wird oberhalb der Solarstation automatisch in den Solarrücklauf geleitet. Somit wird die Schwerkraftbremse der Solarpumpe umgangen. Das kalte Wasser vom Solar-Vorlauf strömt wieder in den kalten Puffer unten.

Das 2-Wege-Zonenventil wird parallel mit der Regelung strommäßig versorgt. In die Stromversorgungsleitung sollte ein Schalter (Lichtschalter) eingebaut werden, damit das Zonenventil bei Plus-Außentemperaturen z.B. im Sommer vom Stromnetz getrennt ist. Es soll möglichst wenig elektrische Energie verschwendet werden. Wird dieses Zonenventil im Sommer vom Stromnetz getrennt, muss der Kugelhahn oberhalb vom Zonenventil geschlossen werden um ungewollte Schwerkraftzirkulation zu vermeiden.

Mit Stromausfall ist hier hauptsächlich der Fall gemeint, wo bei tiefen Temperaturen z.B. in Abwesenheit des Hausherren der FI Schutzschalter auslöst und die Anlage dadurch ohne Spannung ist.

Die Hydraulik für dieses  System ist lediglich ein Beispiel und wurde von  erfahrenen Solarspezialisten  erstellt.

Die Puffergröße wie auch die Kollektorfläche können je nach Anforderung dimensioniert werden.

Achtung!
Beim Ausfall (z.B. Defekt der Solar-Pumpe) ist keine Frostschutzfunktion aktiv. In diesem Fall muss das Zonenventil durch den Schalter per Hand vom Stromnetz getrennt werden, damit die Schwerkraftzirkulation entsteht.

 

Solares Kühlen

Die solare Klimatisierung von Gebäuden ist ein hochinteressantes Thema, welches erst in jüngster Zeit an Bedeutung gewinnt. Ein Vorteil dieser Technik ist die Parallelität von solarem Energieangebot und Kältebedarf. Die Zeitschrift "SONNENENERGIE" der DSG beschäftigt sich mit diesem Thema ausführlich in der Ausgabe 1/99. Folgende Abbildung zeigt Verfahren zur Gebäudeklimatisierung.

Abbildung 1.7 zeigt Verfahren zur Kälteerzeugung aus Solarstrahlung:

Bei diesen Anlagen wird im Prinzip dem Medium (z.B. Wasser), welches zur Kühlung verwendet werden soll, soviel Energie – also Temperatur – entzogen, daß damit Räume, bzw. Gebäude klimatisiert werden können. Dies geschieht durch das Verdampfen einer Flüssigkeit, die sich die dazu nötige Energie eben aus dem zur Kühlung verwendeten Wasser nimmt. Die Technik im einzelnen ist zu kompliziert, um sie hier in Kürze abzuhandeln.

Bei allen Anlagen muß vor einer zu großen Dimensionierung gewarnt werden. Betriebswirtschaftlich gesehen ist es günstiger, auch in den Sommermonaten nachzuheizen, als zuviel Energie zu produzieren, die ungenutzt bleibt. Die Größe der Solaranlage hängt selbstverständlich von dem Beitrag ab, den sie zur Wärmeversorgung liefern soll. Unabhängig davon gilt jedoch, daß alle Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein müssen, um optimale Erträge zu erzielen.

Je nach Anwendung gibt es grobe Richtwerte, die eine erste Orientierung bringen: Bei Anlagen zur Brauchwassererwärmung sollte die Kollektorfläche etwa 1,2 bis 1,5 m² bei Flachkollektoren, bzw. 1 bis 1,2 m² bei Vakuumröhren-Kollektoren betragen. Das Volumen des Speichers sollte etwa das 1,5 bis 2fache des täglichen Warmwasserbedarfs pro Person umfassen, d.h. 80 bis 100 l pro Person. Bei der Rohrleitung reichen für Anlagen im Ein- bis Zweifamilienhaus in der Regel Kupferleitungen mit einem Durchmesser von 15 bis 18 mm aus, um einen optimalen Wärmetransport zu gewährleisten.

Bis hierher konnten nicht alle Anlagetypen betrachtet werden. Der Vollständigkeit halber sollen hier noch die Luftkollektoren zur Raumheizung und die noch relativ neuen Low-Flow-Systeme erwähnt werden. Bei Luftkollektoren wird als Wärmeträgermedium die Luft selbst benutzt und z.B. zur Erwärmung von Räumen, ganzen Gebäuden, Schwimmbädern oder Hallen genutzt. Low-Flow-Anlagen sind Anlagen zur Warmwasserbereitung. Low-Flow-Systeme zeichnen sich durch einen geringen Kollektordurchfluß aus. Während bei oben beschriebenen Kollektoren mit Umwälz-Mengen von ca. 60 Litern pro Stunde und Quadratmeter zirkuliert wurde, sind es bei Low-Flow-Systemen nur 25 Liter. Dies setzt extrem geringe Wärmeverluste voraus, denn diese würden bei einem normalen System mit derselben Durchflußrate aufgrund des großen Unterschiedes zwischen Kollektortemperatur und Umwelt groß werden (siehe Abb.1.2). Können die Verluste minimiert werden, genießt man dagegen die Kostenvorteile, die aufgrund dünnerer Steigleitungen und geringerer Füllinhalte der Anlage entstehen.

 

http://www.haustechnikdialog.de/Forum/9/Solarenergie

 

 

 


Kollektoren:

AT:

AT 10R  (1,72m² BKF)    559 €
AT 15R  (2,55m² BKF)    829 €
 AT 20R  (3,51m² BKF)   1149 €
 AT 25R  (4,46m² BKF)   1469 €
  AT 30R  (4,91m² BKF)   1598 € 

Sunpower:

SPA-58/1800-24  (4,16 m² BKF)    659 €
SPA-58/1800-30  (5,20 m² BKF)    759 €

AL-Sun:

AL58/1800-10R  (1,72 m² BKF)   289 €
AL58/1800-15R  (2,52 m² BKF)   399 €
AL58/1800-20R  (3,53 m² BKF)   499 €
AL58/1800-25R  (4,40 m² BKF)   649 €
AL58/1800-30R  (4, 90 m² BKF)  799 €

 

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