Planungshinweise für thermische Solaranlagen

Kleinanlagen

Richtwerte zur Auslegung von  Kollektorfläche und Speichervolumen

1. Auslegung nach Anzahl der Personen

 !  Die groben unverbindlichen Richtwerte gelten für bis zu 4 Personen/EFH und ersetzen nicht eine Anlagenplanung, das gilt auch für für angebotene Komplettpakete.

Kollektorfläche

1. Trinkwassererwärmung

- Flachkollektoren (FK): max. 1,5 m² Kollektorfläche pro Pers.

- Vakuum-Röhrenkollektoren (VRK): max. 1,25 m² Kollektorfläche pro Pers.

2. Heizungsunterstützung

- Flachkollektoren: min. 2,25 m² Kollektorfläche pro Pers.

- Vakuum-Röhrenkollektoren: min. 1,75 m² Kollektorfläche pro Pers.

Größe Solarspeicher (Trinkwassererwärmung)

Speichervolumen (l) = WW-Tagesverbrauch (l/d) x f

Faktor f = 1,5 bis 2 (d^-1)

Die verfügbare kleinste Solar-Speichergröße liegt in d. R. bei 300 l.

Solarwärmetauscher

Optimales Verhältnis der Wärmetauscherfläche zur Kollektorfläche ca.:

Tauscherfläche (m²) : Kollektorfläche (m²) = 1 : 5

2. Auslegung nach der zu beheizenden Wohnfläche

Die Erfahrungswerte gelten für Altbau (AB) mit Flachkollektoren (FK)

Größe Pufferspeicher

ca. 50 l Puffervolumen je 10 m² beheizte Wohnfläche ->

Speichervolumen (l) = beheizte Fläche (m²) x (50 l/10 m²)

Kollektorfläche

ca. 1 m² Flachkollektor je 10 m² beheizte Wohnfläche ->

Kollektorfläche (m²) = beheizte Fläche (m²) x (1 m² FK/10 m²)

Bemerkungen zur Auslegung der Kollektorfläche

Um die Anforderungen des EEWärmeG zu erfüllen, ist z. B. bei einem Wohnhaus mit max 2 WE eine Kollektorfläche (Einstrahlfläche) von mindestens 0,04 m²/m² Gebäudenutzfläche erforderlich (Stand 2010).

Dafür gibt es auch noch mehr oder weniger Fördermittel.

Anforderungen an die Effizienz gibt es nicht, Unterschiede zwischen FK und VRK werden auch nicht gemacht.

Bei z. B. 150 m² Wohnfläche wäre demzufolge eine Kollektorfläche von 6 m² erforderlich. Wärme für die Heizung kann man damit kaum erzeugen, sondern nur das Trinkwasser erwärmen.

Checkliste zur Anlagenplanung

Notwendige Daten und Angaben

1. Bauherr

- Name, Adresse (Land, PLZ, Ort, Straße, Telefon)

- Landschaft/Region/Bundesland

2. Gebäude und Standort

- priv./öffentl. Alt- oder Neubau, Baujahr

- Heizraumhöhe (bzgl. max. Speicherhöhe)

- besteht Denkmalschutz

- Höhe über NN

- bei bestehenden Gebäude Angaben über vorhandene

  Heizungsanlage

2. Nutzung der Solarenergie

- Trinkwarmwasserbereitung

  (bestehen besondere Anforderungen an die Trinkwasser-Hygiene?)

- Schwimmbaderwärmung*

- Kombination Trinkwarmwasser/Schwimmbad

- Kombination Trinkwarmwasser/Heizungsunterstützung*

- Sonstiges (Prozesswärme*, Kühlung* etc.)

*) hierzu sind noch weitere, hier nicht aufgeführte Angaben notwendig

3. Angaben zur Dachfläche (oder auch anderen unverschatteten Aufstellflächen)

- Dacheindeckung (Dachziegel/Pfanne, Welldach etc.)

- Neigungswinkel der Dachfläche in Winkel-Grad (°)

  (Winkel von 0° bis ca. 15° = Flachdach; > 15 ° bis ca. 60° = Schrägdach)

- nutzbare Dachlänge und Breite (m)

  (keine Nordseite verwenden, Dachfenster etc. beachten!)

- Höhe Traufkante

  (vom Erdboden bis zur Regenrinne)

- Firsthöhe (m)

- Geländehöhe (m)

   (wenn z. B. eine Seite höher ist, Hanglage)

- Einbauhöhe des Kollektors

  (Differenz oberer Kollektorrand zum Geländeniveau)

- Einfache Leitungslänge vom Kollektor zum Speicher, WT,

  oder Schwimmbad

4. nutzbare Montagefläche für die Kollektoren

- Länge und Breite

5. Trinkwarmwasserverbrauch Schätzung oder Messwerte (in l/Tag)

- Anzahl der Personen im Haushalt

- niedriger (30 l), mittlerer (40 l) oder hoher (50 l) WW-Verbrauch

6. Temperaturangaben (°C)

- gewünschte WW-Temperatur (üblich: 45 bis 55 °C)

- vorhandene KW-Temperatur Sommer/Winter

- durchschnittliche Raumtemperatur im Aufstellungsraum des

  Speichers (Winter)

7. gewünschte jährliche solare Deckungsrate (%)

für Trinkwarmwasserbereitung

- z. B. durchschnittlich ca. 40%, 50% oder 60%

8. WW-Zirkulationsleitung/-Pumpe

- gewünscht mit oder ohne Zirkulation/oder schon vorhanden

- Max. Länge der Zirkulationsleitung (m)

  (Entfernung vom Speicher bis zur Zapfstelle)

9. Ausrichtung der Kollektoraufstellung (Himmelsrichtung), z. B.:

- nach Norden     =    0°

- nach Osten      =   90°

- nach Süd-Ost   = 135°

- nach Süden      = 180°

- nach Süd-West = 225°

- nach Westen    = 270°

oder die dazwischen liegenden Winkelmaße, etwa in 15°-Schritten.

Bei der Betrachtung der Himmelsrichtung geht man von der Achse des Dachfirstes (oberste Kante vom Dach) aus.

Da ein Dach aber in d. R. mindestens zwei Seiten hat, wählt man die geeignetere als Standort für die Kollektoren.

10. Montagesystem für:

- Inn- oder Aufdachmontage

- Flach- oder Schrägdach

- Freifläche zu ebener Erde (Garten etc.)

11. Sonstige Wünsche, z. B.:

- Fachberatung Solar

- Solaranalyse etc.

Für Angaben zum Pkt. 3 und 9 sind auch Skizzen sehr hilfreich.

Besonderheiten  bei Membran-Ausdehnungsgefäßen (MAG) in thermischen Solaranlagen

Eigensicherheit (EN 12977, DIN 4757 T1)

Anforderungen:

Auch bei stetiger Wärmezufuhr ohne Wärmeabnahme (z. B. Urlaub) darf kein Störfall auftreten.

Eine dauerhafte Temperaturbeständigkeit der Membran bis 110°C ist bei MAGs für Solaranlagen notwendig.

Die Voraussetzung ist die richtige Dimensionierung des MAG (Gefäßvolumen) und die Einbauposition*.

*) Bei kleinen (bis ca. 20 m²) bis mittleren (20-40 m²) Anlagen in Fließrichtung nach der Pumpe im Kollektorrücklauf (bei Heizungen vor der Pumpe).

Druckverhältnisse am MAG

Darunter versteht man den werkseitigen Vordruck des MAG und dem Fülldruck der Solaranlage.

Fülldruck

Maßgeblich für den Fülldruck ist die statische Höhe H (m) der Anlage bzw. die Höhe der Wassersäule (0,1 bar/m) zwischen MAG und Oberkante Kollektor.

Hinzu kommt ein Aufschlag von 0,5 bar, damit im kalten Zustand ein Überdruck anliegt sowie bei Neubefüllung eine Füllreserve von 0,1 bar.

Bei Anlagen mit H < 5 m sollte der Überdruck nach oben korrigiert werden (x), so daß

H + 0,5 + x = 1 bar ergeben,

damit der notwendige Zulaufdruck an der Solarpumpe sichergestellt ist.

 !  Durch eine Optimierung von Fülldruck und MAG-Inhalt lässt ein Verdampfen der Solarflüssigkeit im Kollektor weder verhindern noch verzögern!

Aus diesem Grund ist ein frühzeitiges Verdampfen im Stagnationsfall sogar gefordert, um ein vorzeitiges Altern der Solarflüssigkeit und damit Schäden an den Kollektoren zu vermeiden.

Wie bei einem Topf mit kochendem Wasser kommt die Dampfbildung bei schlecht entleerenden Kollektoren erst zum Stillstand, wenn der gesamte Inhalt verdampft ist.

Vordruck

Der Vordruck des MAG wird entsprechend dem Anlagenfülldruck abzüglich einer Wasservorlage von 0,3 bar eingestellt.

Wasservorlage im MAG

Bei Heizungsanlagen gleicht die Wasservorlage systembedingte Wasserverluste aus

und bei Solaranlagen kompensiert sie eine Verringerung des Volumens der Solarflüssigkeit im Winter.

Die Wasservorlage stellt sicher, dass auch bei Kälte am höchsten Punkt der Anlage ein Überdruck anliegt

(verhindert Einschnüffeln von Luft durch Unterdruck in der Anlage).

Das Volumen der im MAG zu bevorratenden Wasservorlage beträgt 3% vom gesamten Anlagenvolumen.

Bei Kleinanlagen können für die Wasservorlage pauschal 0,3 bar vom Vordruck gegenüber dem Anlagenfülldruck abgezogen werden.

Bei Großanlagen muss druckäquivalent umgerechnet werden.

Dampfvolumen bei Stagnation

Ein wesentlicher Faktor für das im Stagnationsfall entstehende Dampfvolumen ist die Kollektorbauart:

Leer kochende Kollektoren

Auf Grund der oben angeordneten Anschlüsse muss das gesamte Kollektorvolumen verdampft werden.

(aus 1 l Solarflüssigkeit können > 100 l Dampf entstehen)

Diese Bauart ist auf dem deutschen und €päischen Markt weit verbreitet.

Leer drückende Kollektoren

Durch die hier unten liegenden Anschlüsse ist das beim Leerkochen entstehende Dampfvolumen auf das Volumen des des Kollektorinhalts begrenzt.

Auch das von Dampf gefüllte Rohrvolumen muss bei der Ermittlung des Dampfvolumens berücksichtigt werden. Im Ungünstigsten Fall kann es bis zu 100 % verdampft werden.

Vorschaltgefäß

Bei  Anlagen mit einer gesamten Rohrleitungslänge < 20 m sollte ein Vorschaltgefäß (VSG) in der Stichleitung zum MAG installiert werden.

Richtig dimensioniert, bietet das VSG ausreichend Platz zur Dampfaufnahme und kühlt den Dampf gleichzeitig ab.

Das Volumen des VSG sollte 50 % des Nutzvolumens des MAG betragen.

Quelle: FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 9/2010; A. Backhaus, Flamco Wemefa GmbH

Dimensionierung des MAG

Erforderliches Nennvolumen V_n  (l)

V_n = (V_a + V_WW + V_D) x (p_e + 1 / p_e - p_a)

mit

V_a = Anlagenvolumen in l

V_e = Ausdehnungsvolumen in l

V_WW = Wasservorlage in l

V_D = Dampfvolumen in l

p_e = Anlagenenddruck in bar

p_a = Fülldruck in bar

Anlagenvolumen (V_a)

ergibt sich aus Anlagekomponenten (Kollektorinhalt, Speichervolumen etc.) und Inhalt der Verrohrung (Rohrfläche x Rohrlänge).

Ausdehnungsvolumen (V_e)

ergibt sich bei üblichen Temperaturannahmen zu knapp 10 % vom Anlagenvolumen.

Anlagenenddruck (p_e)

ist Öffnungsdruck des Sicherheitsventils unter Berücksichtigung der Arbeitsdifferenz von 10 % des Nennansprechdrucks (mindestens 0,5 bar).

Wasservorlage (V_WW)

Das Volumen der im MAG zu bevorratenden Wasservorlage beträgt 3% vom gesamten Anlagenvolumen (s. o.).

Fülldruck

Maßgeblich für den Fülldruck ist die statische Höhe H (m) der Anlage bzw. die Höhe der Wassersäule (0,1 bar/m) zwischen MAG und Oberkante Kollektor zzgl. ein Aufschlag von 0,5 bar, sowie bei Neubefüllung eine Füllreserve von 0,1 bar (s. o.).

Dampfvolumen (V_D)

einzige Größe, die deutlich vom Kollektortyp und -bauart sowie den Rohrleitungslängen abhängt.

Voraussetzung für die korrekte Dimensionierung von MAGs ist die richtige Beurteilung des im Stagnationsfall entstehenden Dampfvolumen.

Ausgangswert ist die Dampfproduktionsleistung:

Beispiel:

Kollektorfläche netto 12 m², 800 l-Kombispeicher, Rohrleitung

Cu 18 x 1 ->

Berechnungstool für die MAG-Größe

> www.flamco.de

Quelle: FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 9/2010; A. Backhaus, Flamco Wemefa GmbH

Großanlagen

Besonderheiten bei Großanlagen

Dimensionierung des Kollektorfeldes und der Speichergröße

Definition Großanlagen

Anlagen mit Kollektorflächen > 30 m² und gesamten Speichervolumen > 3 m³ zählen nach EN 12977 zu den Großanlagen und erfordern eine Fachplanung, die auch nicht durch angebotene standardisierte Paketlösungen zu ersetzen ist.

In d. R. werden diese Anlagen z. B. im Geschosswohnungsbau, Campingplätzen etc. zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung und zunehmend auch zur solaren Gebäudekühlung eingesetzt.

Planerische Besonderheiten

Wesentlich kritischer gegenüber Kleinanlagen (EFH, 2-FH) sind hier die folgende Punkte zu beachten:

- Dimensionierung des Kollektorfeldes

- Befestigungen der Kollektoren (bzgl. Gebäudehöhe)

- Druckverhältnisse im System

- Auslegung des Membran-AG

Sicherheitsventil, Wärmetauscher

Die maximale Globalstrahlung (z. B. ca. 1.000 W/m²) wird zur Auslegung des Sicherheitsventils

und die Auslegungsleistung (z. B. ca. 600 W/m²) zur Berechnung der Wärmetauscher herangezogen.

Für die Kollektordimensionierung sind dies jedoch irrelevante Werte, da es ausschließlich um spezifische Werte geht.

Energiemengen pro Zeiteinheit (kWh/Tag)

Die wichtigsten zu berechnenden Werte sind also zunächst:

1. Die für die Warmwasserbereitung benötigte Energiemenge  pro Zeiteinheit: Q_W = m_W  x c_pW x Δt_W (kWh/Tag)

2. Wie viel Energie kann die Kollektoranlage in dieser Zeiteinheit max. gewinnen (Q_Koll in kWh/Tag)

(z. B. spezifische Richtwerte im Sommer je nach Standort q_Koll ca. 4 bis 6 kWh/m²Tag)

Stimmen diese Werte in etwa überein, so ist die gewählte Anlagengröße rechnerisch stagnationsfrei, d. h. die erzeugte Energie kann immer sinnvoll in das System eingebracht werden.

Trinkwarmwasserverbrauch

Richtwerte für die durchschnittliche WW-Menge pro Person und Tag:

< 30 Pers.   -> ca. 25 l/Pers.Tag

30-50 Pers. -> ca. 23 l/Pers.Tag

> 50 Pers.   -> ca. 20 l/Pers.Tag

Speichergrößen

Aus den Differenzen zwischen Verbrauchs- und Erzeugungsprofil innerhalb der betrachteten Zeiteinheit berechnen sich die erforderlichen Speichergrößen.

Richtwerte in l Speichervolumen pro m² Kollektorfläche:

20 - 30 Pers.  -> 70 - 75 l/m² Koll.     51 -  70 Pers.   -> 80 -  85 l/m² Koll.

31 - 50 Pers.  -> 75 - 80 l/m² Koll.     71 - 100 Pers.  -> 85 - 100 l/m² Koll.

Thermische Belastung des Systems

Zwei Erwartungen, die sich widersprechen

Es gibt zwei Erwartungen an eine thermische Solaranlage, die sich grundsätzlich widersprechen und somit eine frühe planerische Grundsatzentscheidung erfordern:

1.  Möglichst viel fossile Brennstoffe einsparen (hoher Deckungsgrad)

2. Erwartung eines hohen spezifischen Ertrages (kWh/m² a) und damit günstiger Wärmepreis.

Eine thermische Solaranlage kann diese beiden Anforderungen nicht gleichzeitig erfüllen:

Steigt die solare Deckung, so steigt auch die mittlere Kollektortemperatur, wobei der Wirkungsgrad der Kollektoren sinkt.

Zusätzlich steigen auch die Zeiten, in denen die Solaranlage die am Kollektor anstehende Wärme nicht mehr an das System abführen kann. Die Anlage schaltet dann ab.

Die VDI 6002 Blatt 1 empfiehlt, die Anlage so zu dimensionieren, dass sie nicht geplant in Stagnation (Stillstand) geht.

Nicht ausschließbare kurzfristige Stillstände (z. B. Komponenten- oder Stromausfall) müssen technisch beherrscht werden.

Solarer Ertrag und Deckungsgrad

Die solaren Erträge sollten in Deutschland > 500 kWh/m²a liegen, die solare Deckung (Deckungsgrad) je nach Standort in der Größenordnung von max. 40% (bei Trinkwassererwärmung).

Wird die Anlage größer ausgelegt (z. B. Heizungsunterstützung), müssen die Konsequenzen längerer Stagnationen in die Planung mit einbezogen werden.

Stillstandstemperatur

Bei modernen Kollektoren liegt die Stillstandstemperatur zwischen 200°C (Flachkollektor) und 300°C (Vakuumröhren).

Verhinderung von Dampfbildung durch höheren Druck?

In diesem Temperaturbereich ist eine Vermeidung von Dampfbildung im Kollektor durch Erhöhung des Anlagendrucks (wie noch vor Jahren üblich) sinnvoll nicht mehr zu erreichen.

Eine sorgfältige Anlagenplanung muss also auch die Dampfbildung berücksichtigen.

Dampfbildung und Auswirkung auf Wärmeträger

Berücksichtigung der Dampfbildung

Zentrale Aspekte sind der Aufbau und die Anschluss-Verrohung der Kollektoren.

Hier entscheidet sich, ob das Wärmeträgermedium im Stillstand aus den Kollektoren herausgedrückt werden kann oder ob die Anlage leer kochen muss.

Bei ausdampffreundlichen Kollektoren und Rohrleitungsführungen ist die Dampfproduktionsleistung (DPL) und damit die thermische Systembelastung relativ gering.

(in Anlagen, die komplett auskochen müssen, sind unter optimalen Bedingungen Dampfreichweiten von 25 m gemessen worden)

Vorrangiges Planungsziel sollte also immer eine ausdampffreundliche Kollektoranlage sein, sofern die Einbaulage das erlaubt.

Für die Auslegung des MAG hat dies keine Konsequenzen.

Auslegung auf Basis der max. Dampfbildung im Kollektor und der Leitungshöhe.

Auswirkung auf Wärmeträger (Wasser/Glykol-Gemisch)

Glykol ist ein organisches Produkt und unterliegt einen Verschleiß (Alterung, Frostschutzwirkung geht verloren).

Bei Anlagen mit geringen thermischen Belastungen hält die Mischung ca. 5 bis 10 Jahre. Eine jährliche Überprüfung im Rahmen der Wartung ist zu empfehlen.

Größeren thermischen Belastungen ist das Glykol ausgesetzt, wenn die Anlage häufig stagniert und wenn dies unter Beisein von Sauerstoff geschieht.

(Bildung von organischen Säuren und Verkrustungen durch Oxydation)

Die ständige Zufuhr von Sauerstoff ist mit Abstand das größte Problem in den Anlagen.

Für die Anlagenplanung bedeutet dass:

- dichte Verbindungstechnik

- korrekter Betriebsdruck

- sichere Systementgasung

- keine Automatiklüfter auf dem Dach

Zusatzkosten für Wartung

Für den Anlagenbetrieb, besonders mit Heizungsunterstützung (= lange Stagnationszeiten!) empfiehlt sich eine jährliche Messung des Glykolgehaltes und des ph-Wertes des Wärmeträgers (evtl. Austausch).

Bzgl. der damit verbundenen Kosten muss der Anlagenbetreiber schon in der Planungsphase darauf aufmerksam gemacht werden.

Aufteilung der Kollektorfläche

Große Kollektoranlagen bestehen in d. R. aus mehreren und z. T. auch unterschiedlich großen Teilfeldern, deren Aufteilung und Anschluss sorgfältig geplant werden muss.

1. Gleich große Teilflächen

Die Anlagen sind problemlos und die Felder werden nach Tichelmann angeschlossen (keine Abgleichseinrichtungen erforderlich).

Dieser Aufbau ist bei der Planung immer anzustreben.

Sofern die Auslegung eine ungerade Zahl von Kollektoren ergibt (z. B. 21 Stck.) sollte eher auf 20 reduziert werden.

2. Ungleich große Teilflächen

Ist der Aufbau gleich großer Felder nicht möglich, müssen Abgleicheinrichtungen gewählt werden, die einer thermischen Belastung bis zur Stagnationstemperatur des Kollektors standhalten.

Diese Anlagen müssen bei der Inbetriebnahme und Wartung vermessen und protokolliert werden.

Die VDI 6002 Bl. 1 empfiehlt hier eine Abweichung des Durchflusses einzelner Felder von 10%. Die Überprüfung kann über eine Temperaturmessung erfolgen.

Dabei wird im Betrieb bei gutem Wetter der gemeinsame Rücklauf der Anlage mit den jeweiligen Vorläufen der Teilfelder verglichen und somit eine evtl. abweichende Durchströmung von einzelnen Teilfeldern festgestellt werden.

Durch alleinige Betrachtung der gemeinsamen Vor- und Rückläufe lassen sich keine Rückschlüsse auf die richtige Funktion der Anlage ziehen.

Verschattungen

Zur Vermeidung z. B. von Verschattungen durch Dachaufbauten und Gebäudevorsprünge, müssen  u. U. unterschiedliche Kollektorlängen in einem Kollektorfeld miteinander kombiniert werden.

Verschaltung

Um eine gleichmäßige Durchströmung der Kollektoren zu gewährleisten, können auch die Absorberstreifen innerhalb des Kollektors unterschiedlich verschaltet werden:

So sollte z. B. die Durchströmung der längeren Kollektoren parallel,

bei den kürzeren Kollektoren mäanderförmig erfolgen.

Bei den Mittellängen ist eine Kombination aus parallel und mäanderförmigen Schaltungen zu realisieren, sodass insgesamt gleichmäßige Druckverluste und damit eine gleichmäßige Durchströmung erreicht werden.

Entlüftungsproblematik, Rohrleitungen, Frostschutz

Entlüftungsproblematik

Je komplexer ein Kollektorfeld aufgebaut ist, desto anfälliger wird es gegen Störungen (Luftverschlüsse) sein.

Luft aus Wasser/Glykol-Gemischen lässt sich wesentlich schwerer abscheiden, als aus reinem Wasser.

Sammelt sich Luft in einem Teilfeld, so wird es nicht mehr durchströmt. Es kommt zu Teilstagnation (hohe Belastung des Wärmeträgers, Dampfschläge).

Eine dauerhafte Entlüftung an den Hochpunkten der Anlage (in d. R. am Kollektor) ist nicht möglich, da das Medium dampfförmig aus der Anlage austreten würde.

Auf dem Dach können nur Luftschrauben aus Metall als Befüllhilfe verwendet werden.

Die Entlüftung des Mediums findet im Vorlauf der Anlage vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager im Heizraum statt.

(die Luft muss also, gegen die Schwerkraft, vom Kollektor kommend mit dem Wärmeträger nach unten geführt werden)

Luftabscheider oder Vakuumentgasung

Die Abscheideleistung von Luftabscheidern für Wasser/Glykol-Gemische ist bei den Herstellern unter Beachtung auch der statischen Höhe abzufragen.

Möglich ist evtl. auch eine höhere Platzierung der Luftabscheider, um einen geringeren Druck zu erreichen.

Bei übliche Betriebsdrücken einer thermischen Solaranlage ab einer Anlagenhöhe von 25 m muss die Luft u. U. durch eine Vakuumentgasung entfernt werden!

Dimensionierung der Rohrleitungen

Die Rohrleitungsdimensionierung sollte Fließgeschwindigkeiten optimal zwischen 0,4 und 0,7 m/s ermöglichen.

(fließt das Medium langsamer, werden die Luftblasen nicht mehr zuverlässig mitgezogen)

Zusammenhang zwischen zeitbezogenen Volumenstrom, Rohrquerschnittsfläche und Fließgeschwindigkeit: V (m³/s) = F (m²) x w (m/s)

Frostschutz

Da bei Großanlagen die Rohrleitungen des Primärkreises auf dem Dach u. U. länger als die im Gebäude sind, ist der Einsatz einer Frostschutzeinrichtung für den externen WT sinnvoll.

Bei tiefen Außentemperaturen kann es vorkommen, dass das Wasser im Kollektor bereits wärmer als das im Speicher ist.

Läuft die Anlage dann an, kann es zu Frostschäden am Wärmetauscher (WT) kommen.

Ein im Primärkreis eingebautes Motorventil mit Thermostat, welches die Strecke zum WT erst bei >5 °C freigibt, vermeidet diese Frostschäden.

Quelle: IKZ FACHPLANER 11/2007

Frischwassersysteme

Frischwassersysteme bestehen aus einer Kombination von Frischwasser-Stationen und Pufferspeichern.

Sie vereinen damit die Hygienevorteile des Durchflussprinzips mit den energetischen Vorteilen der Speicherung.

Frischwasser-Erwärmer (Frischwasserstation)

Geräte, die sonst korrekter als Gegenstrom-Wasser/Wasser-Plattenwärmetauscher bezeichnet werden, mit denen das Trinkwasser im Durchfluss erwärmt werden kann.

Frischwassertechnik ist also ein System, dass die bedarfsgerechte Erwärmung des Trinkwassers bei Zapfung, auf die eingestellte Solltemperatur gewährleistet.

Kaskadierung für große Leistungsbereiche

Anlagen mit großem Leistungsbedarf müssen mit mehreren Frischwasser-Modulen ausgeführt werden.

Die Geräte werden dabei nach dem System „Tichelmann“ miteinander parallel verschaltet.

Bei geringem Bedarf arbeitet nur ein Gerät, mit steigendem Durchfluss werden weitere Geräte zugeschaltet.

Durch die Kaskadierung ist die hohe Regelgüte auch im unteren Teillastbereich gegeben und außerdem eine hohe Verfügbarkeit gesichert.

Eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Frischwasser-Erwärmer wird über eine Kaskaden-Rotation erreicht, d. h. nach einer bestimmten Durchflussmenge wird die Führungskaskade und die Schaltreihenfolge gewechselt.

Lernfähige Regelung für genau dosierte Leistungen

Schnell veränderbare Warmwasser-Zapfraten und nichtlineares Übertragungsverhalten des Wärmetauschers, bei unterschiedlichen Massenströmen und Temperaturen, sind die Hauptschwierigkeiten bei der Regelung der FWE-Ladepumpe, wenn gradgenaue Trinkwarmwassertemperaturen ermöglicht werden sollen.

Weil die konventionelle Regelungstechnik dabei an ihre Grenzen stößt (P-Regler, PID-Regler), kann z. B. eine „Impulspaketsteuerung“ verwendet verwendet werden.

Dieses  Regelungskonzept hat eine Strategie auf der Basis neuraler Netze, (sehr primitive Nachahmung des menschlichen Gehirns).

Dadurch wird der Regler „lernfähig“ und kann sein Verhalten durch ständige Lernprozesse an die individuellen Gegebenheiten der Anlage anpassen und optimieren.

So erfolgt die stufenlose Leistungsanpassung der FWE-Ladepumpe mit der so genannten „Impulspaketsteuerung“, d. h. durch Ein- und Ausschalten der Pumpe in einem bestimmten Zeitverhältnis.

Diese sehr motorschonende Strategie ermöglicht gegenüber Frequenzmodulation oder Phasenanschnittsteuerung den größtmöglichen Leistungsbereich von 1 bis 100 % der Maximalleistung.

Selbst im unteren Leistungsbereich ist so eine hohe Regelgüte erreichbar. Bei der zieltemperaturgeführten Pufferspeicherladung wird die Leistung der Speicherladepumpe ebenfalls mithilfe der Impulspaketsteuerung so dosiert, dass die Ladetemperatur oberhalb der programmierten Warmwassertemperatur (TWW-Temperatur plus einer einstellbaren Temperaturüberhöhung) liegt.

IKZ-FACHPLANER · Heft 10 /2008

Auslegung großer Solaranlagen speziell zur Trinkwassererwärmung

1. Kollektorfläche für max. Ertrag

Besonders im Geschosswohnungsbau (Mehrfamilienhaus) geht es aus wirtschaftlichen Gründen in d. R. um eine Optimierung des Ertrages, d. h. pro m² Kollektorfläche soll möglichst viel Solarwärme gewonnen werden.

Dafür muss die Kollektoranlage nur so groß ausgelegt werden, dass sie nicht stagniert (keine nicht nutzbaren Überschüsse produziert) und die erzeugte Energiemenge jederzeit vom Warmwassersystem aufgenommen werden kann.

Die Anlage wird somit ausgelegt für die Zeit mit dem niedrigsten zu erwarteten Trinkwarmwasserbedarf (Schwachlastphase) bei maximaler Sonneneinstrahlung.

Der so ermittelte Wert wird als spezifische Auslastung (Tagesverbrauch bei 60°C in l/m² Kollektorfläche) bezeichnet.

Bei Anlagen mit hohen spezifischen Erträgen sollte ein Wert für die Auslastung von 60 l WW-Verbrauch pro m² Kollektorfläche nicht unterschritten werden.

Auf dieser Grundlage wird die Kollektorfläche ermittelt.

2. Kollektorfläche für max. Auslastung

Hier ist der solare Deckungsanteil zwangsläufig auf ca. 35% begrenzt.

Eine Erhöhung des Deckungsanteils würde zu Überschüssen führen und somit den spezifischen Ertrag reduzieren.

Spezifische Richtwerte für die max. solare Nutzenergie pro m² Kollektorfläche und Tag

Bei nichtbewölkten Sommertag und Südausrichtung gilt bzgl. des Kollektorwirkungsgrades näherungsweise für:

- Flachkollektoren: q_Koll ca. 3,4 kWh/m²Tag

   (damit können ca. 60-70 l Warmwasser mit 60 °C erzeugt werden)

- Vakuum-Röhrenkollektoren: q_Koll ca. 4,3 kWh/m²Tag

Ermittlung Trinkwarmwasserverbrauch

Bei großen Anlagen sollte der Verbrauch gemessen werden.

Ansonsten können die Verbrauchswerte nach VDI 6002 Teil 1

mit 22 l/Pers. Tag bei 60°C angenommen werden.

Kollektorfläche

Für den ermittelten Auslegungsbedarf über die Verbrauchswerte wird die notwendige Energiemenge zur Erwärmung dieser Wassermenge von 10°C auf 60°C (Δt = 50 K) berechnet sowie die erforderliche Kollektorfläche zur Erzeugung dieser Energiemenge.

Quelle: Moderne Gebäudetechnik 11/2009, www.tga-praxis.de

Berechnungsbeispiel zur Auslegung der Kollektorfläche

Aufgabenstellung:

Anlage mit Flachkollektoren (Aperturfläche 2,25 m²/Stück),

q_Koll = 3,4 kWh/m² Tag bei Neigung 45°, Südausrichtung,

Trinkwarmwasser für 240 Personen,

ermittelter Verbrauch 25 l/Pers.Tag,

Wassererwärmung von t_W = 10 °C auf t_W = 60 °C (Δt_W = 50 K)

-> täglicher WW-Verbrauch

240 Pers. x 25 l/Pers.Tag = 6.000 l/Tag bzw. ca. 6.000 kg/Tag*

*) genaue Umrechnung von Masse in Volumen:

Masse m (kg) = V (m³) x ς (kg/m³), ς = f (t)

-> benötigte tägliche Energiemenge

Konzipierung der Wärmespeicheranlage

1. Anlagen mit Trinkwarmwasserspeicher und Vorspeicher

Je kleiner der solare Deckungsanteil, desto kürzer ist die Verweilzeit in der Speicheranlage und somit verringern sich auch die thermischen Verluste.

Bei dem im Geschossbau typischen Verbrauchsprofil mit einer Spitze morgens und abends müssen die Erträge der Mittagszeit (Ertragsmaximum) nur einige Stunden gespeichert werden, da sie abends oder spätestens am nächsten Morgen verbraucht werden.

Diese kurze Speicherzeit erhöht die Auslastung der Kollektoren und damit die nutzbaren solaren Erträge.

Da die in kleinen Anlagen verwendeten bivalenten Speicher-Wassererwärmer (mit zwei eingebauten Rohr-WT) in der hier geforderten Größe nicht verfügbar und auch nicht optimal sind, wird in d. R. dem nachgeheizten (mit Heizkessel verbunden, monovalenten) Speicher-Wassererwärmer ein solarbeheizter Speicher-Wassererwärmer als Vorspeicher in Reihe vorgeschaltet.

Der Vorspeicher wird von der Solaranlage über den eingebauten WT beladen oder alternativ über einen externen WT.

Das Trinkwarmwasser wird an der höchsten und wärmsten Stelle des Vorspeichers entnommen und an der tiefsten und kältesten Stelle dem Speicher-Wassererwärmer zugeführt und u. U. über den Heizkessel auf 60 °C nachgeheizt.

2. Anlagen mit Pufferspeicher und Vorspeicher

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

  Weiter/zurück zu Solarthermie/ Photovoltaik

> Solarthermie > Solarkollektoren > Solarspeicher > Solarsysteme > Hinweise & Kriterien > Planung > Solarthermische Kühlung > Neuheiten > PV-Anlagen

> Heizung > Grundlagen > Biomasse > Solar > Wärmepumpen > KWA / BHKW > Öl/Gas/E > Pilotanlagen > Wärmeabgabesysteme > Service