Einfaches Wasser eignet sich hervorragend für den Wärmetransport. Da aber in Mittel- und Nordeuropa im Winter die Gefahr besteht, dass der Solarkreis einfriert und dass durch die dabei auftretende Ausdehnung des Eises die Rohre und die Kollektoren beschädigt werden, wird das Wasser mit speziellen Frostschutzmitteln angereichert. Diese Frostschutzmittel müssen auch im Sommer chemisch stabil bleiben, wenn die Solarflüssigkeit im Extremfall in den Kollektoren in einen dampfförmigen Aggregatzustand übergeht (Stagnationszustand); nach Möglichkeit sollen sie den Siedepunkt heraufsetzen auch bei hohen Temperaturen nicht auscracken. Die Dauertemperatur sollte mindestens 170 °C aushalten können. Stillstandstemperaturen können bis 320 °C erreicht werden.
Die Zusätze dürfen nach DIN 4757 Teil 1 nicht giftig, ätzend oder reizend sein; heute werden meist biologisch abbaubare Propylenglykol-Gemische verwendet. Je höher die Glykol-Konzentration in der Solarflüssigkeit, desto extremere Temperaturen kann die Anlage ohne Schaden überstehen, desto schlechter aber auch die Wärmeträger-Eigenschaften der Solarflüssigkeit. Also ist das Mischungsverhältnis für die Gegend so niedrig wie möglich auszulegen. Eine Solarflüssigkeit sollte auch korrosionsmindernde Stoffe beinhalten.

Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von 4,18 kJ/(kg·K) und reines Glykol ca. 2,5 kJ/(kg·K). Damit möglichst viel Wärme aufgenommen und abtransportiert werden kann, sollte der Wasseranteil in der Mischung möglichst groß sein. Deswegen muss das Mischungsverhältnis möglichst genau an den Verwendungszweck (thermische Solaranlagen, Wasser[Sole]-Wasser-Wärmepumpe) angepasst werden.
 

Frostschutz

°C

spezifische
Wärme-kapazität
kJ / (kg · K) bei 20 °C
Wasser
-
4,18
1,2-Propylenglykol
-
2,5
20 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-6
4.10
27 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-10
3.99
33 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-15
3.90
39 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-20
3.79
43 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-25
3.72
47 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-30
3.64
54 % Frostschutzmittel in Mischung mit Wasser
-40
3.50

Frostschutzmittel sollen eine physiologisch unbedenkliche, eingefärbte, klare Flüssigkeit auf Basis einer wässerigen Lösung von 1,2-Propylenglykol und höheren Glykolen, die als Wärmeträger in Solaranlagen, speziell bei höherer thermischer Belastung, Verwendung findet. Das Produkt soll mit entionisiertem (vollentsalztem) Wasser (VE-Wasser) auf eine Frostsicherheit von ca. -27 °C eingestellt. Die Anforderungen der DIN 4757, Teil 3, für solarthermische Anlagen werden dann erfüllt.

Es wurden spezielle Frostschutzmittel für den Einsatz in Solarkollektoren als Wärmeübertragungsmedium (Solarflüssigkeit) entwickelt. Sie sind gesundheitsunschädlich und haben eine doppelte Aufgabe zu erfüllen: Bei tiefen Temperaturen im Winter muß die Sole flüssig bleiben und gleichzeitig die Metalle der Solaranlage vor Korrosion schützen. Auch darf sich das Fluid nicht entmischen, damit die Frostsicherheit bestehen bleibt.
Auch im Primärkreis von Sole/Wasser-Wärmepumpen werden Frostschutzmittel auf Glykol-Basis eingesetzt. Diese müssen einen Frostschutz bis mindestens -15 °C sicherstellen und geeignete Inhibitoren für den Korrosionsschutz beinhalten. Fertiggemische gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration. Hier wird z. B. Wärmeträgermedium "Tyfocor" auf Basis von Ethylenglycol (Fertiggemisch bis -15 °C, grün) empfohlen. Wichtig ist eine genaue Dosierung, da besonders dieses Sole/Wasser-Gemisch zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) führen kann.

Da Wasser-Frostschutzmittel eine höhere Viskosität und Dichte besitzen, muß mit einem höheren Druckabfall beim Durchströmen der Anlage gerechnet werden. Zum Berechnen der Zuschläge gibt es Diagramme für die Wärmeübergangszahl und den relativen Druckverlust – im Vergleich mit reinem Wasser. Diese Kurven sowie weitere physikalische Daten befinden sich in den technischen Unterlagen der Hersteller. Außerdem hat ein Wasser-Glykol-Gemisch einen höheren Ausdehnungskoeffizient.

  
Kubischer Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen und Pekasol L-Wasser-Gemische
Quelle: pro Kühlsole


Frostschutzmittel enthalten Korrosionsinhibitoren, die die Metalle der Solaranlage, auch bei Mischinstallation, vor Korrosion dauerhaft schützen Zur Prüfung der Wirksamkeit der Inhibitorenkombination sollte die in Fachkreisen bekannte Korrosionsprüfmethode ASTM D 1384 (American Society for Testing and Materials) zur Anwendung kommen. Glykol-Wassergemische ohne Zusatz von Inhibitoren können wegen der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei Wasser allein sind, nicht verwendet werden.
Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.
Unterhalb einer vom Hersteller festgelegten Konzentration kann es zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) in der Sole kommen, welche zu organischen Ablagerungen führen können. Die Frostsicherheit sollte auf einen Stockpunkt* von -34 °C (entsprechender Eisflockenpunkt: -27 °C) eingestellt werden. Wie Versuche ergaben, übt diese Einstellung unter mitteleuropäischen Winterbedingungen keine Sprengwirkung auf metallische Anlagenbauteile aus, da sich beim Abkühlen unterhalb des Kristallisationspunktes ein Eisbrei bildet. Bei Wasserzusätzen verringert sich natürlich die Frostsicherheit.
* Temperatur, bei der eine Flüssigkeit so zähflüssig wird, dass sie nicht mehr fließen kann.


Solarfluid: Ausgangszustand (pH 8,2)
und stark gealtert (pH 6,8) - Zerstörtes Solarfluid mit unlöslichen Zersetzungsprodukten

Quelle: BDH


Erscheinungsbild temperaturbelasteter
Solarfluide

Quelle: Clariant International Ltd.

Verzunderung
In einer thermischen Solaranlage kann es zu einer Sauerstoffbildung durch Zunder in den Kollektoren und an den Rohrwandungen der Kupferleitungen kommen. Zunder entsteht auf der einen Seite durch das Hartlöten der Kupfer-, Messing- und Rotgussteile und auf der anderen Seite auch durch die Sonneneinstrahlung auf die leeren Kollektoren. Das ist dann der Fall, wenn die unbefüllten Kollektoren ungeschützt, also ohne Abdeckung über längere Zeit der Einstrahlung ausgesetzt sind. Die Gründe für entleerte Kollektoren können ein Flüssigkeitsverlust sein oder sie sind durch eine Stagnation leergedrückt. Hier sollte auf jeden Fall jede Anlage schon vor der Befüllung fachgerecht gespült und gereinigt werden. Außerdem ist die Solarflüssigkeit regelmäßig überprüft werden, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Vercrackung
Eine Vercrackung (Spaltung) ist eine thermische Zersetzung  von organischen Stoffen, die zu nieder- und höhermolekularen Verbindungen und zu Kohlenstoff führen kann.
In thermischen Solaranlagen treten im Stagnationsfall hohe Temperaturen auf. So können in Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren Temperaturen von über 300 °C und mit Flachkollektoren von ca. 200 °C auftreten. Die Folgen sind ein Verstopfen der Kollektoren und Leitungen. Außerdem ist der Korrosionsschutz des Wärmeträgers aufgehoben.
In Anlagen, die auf eine Stagnation ausgelegt werden, sollten höhersiedende Glykole (z. B. Antifrogen® SOL HT ) eingesetzt werden.

Durch eine Verzunderung (Oxidation) und einer Vercrackung (Überhitzung) können die schützenden Bestandteile der Solarflüssigkeit sehr schnell verbraucht werden crackt aus. Die Übersäuerung der Flüssigkeit ist korrosiv und führt zur Bildung von teerartigen Zersetzungsprodukten, die nicht mehr löslich sind und zu Verklebungen innerhalb des Solarkreises bis hin zur Zerstörung der Solaranlage führen können. Diese Gesichtspunkte werden bei Stagnationsanlagen viel zu wenig beachtet.

Vercracktes Glykol – ein unterschätztes Phänomen - Dr. Achim Stankowiak,  Leitung Anwendungstechnik  Clariant (Deutschland)

Reinigung vercrackter Solaranlagen
Wenn die Solarflüssigkeit in einer thermischen Solaranlage vercrackt wurde und dadurch teerartigen Zersetzungsprodukten vorhanden sind, dann müssen diesie mit einem geeigneten Reinigungsmittel (z. B. Solarclin®) beseitigt werden.
Bei dem Reinigungsvorgang muss die überhitzte Solarflüssigkeit möglichst vollständig aus der Solaranlage entfernt werden. Nur dann ist einen optimaler Reinigungseffekt möglich, denn eine Verdünnung durch die noch vorhandene vercrackte Solarflüssigkeit oder Wasser, das noch durch einen erfolglosen Spülversuch vorhanden ist, verringern die Wirkung der Reinigungsflüssigkeit.

Vor dem Spülvorgang müssen die Kollektoren abgedeckt werden. Danach wird das System mit einer neutralen, farblosen, schwach hygroskopischen, leicht beweglichen, hochsiedenden Reinigungsflüssigkeit befüllt und einige Stunden mit 50 bis 60 °C umgewälzt. Höhere Temperaturen sollten vermieden werden, um die Dichtungswerkstoffe der Solaranlage zu schonen. Die Dauer des Spülvorganges hängt vom Grad der Verschmutzung ab. Nach beendeter Reinigung ist die Reinigungsflüsssigkeit vollständig abzulassen. Verbliebene Reste können durch Klarspülen mit Wasser und nachfolgendem Ausblasen durch Druckluft entfernt werden.
Danach kann die Anlage wieder mit einer möglichst vollständig verdampfbare Solarflüssigkeit befüllt werden.
Beim Umgang mit der Reinigungsflüssigkeit sind die für brennbare Flüssigkeiten üblichen und bei der Handhabung von Chemikalien notwendigen Vorsichts- und arbeitshygienischen Schutzmaßnahmen sowie die im Sicherheitsdatenblatt enthaltenen Angaben sorgfältig zu beachten.
Außerdem muss die Flüssigkeit unter Beachtung der Sonderabfallvorschriften einer hierfür zugelassenen Sonderabfallverbrennungsanlage zugeführt werden. Verschüttete oder ausgelaufene Flüssigkeit mit z. B. Sand, Kieselgur, Säurebinder, Universalbinder oder Sägemehl aufnehmen und vorschriftsmäßig beseitigen.

SOLARCLIN® - Reinigungsmedium für thermische Solaranlage
TYFOCOR® LS® - nahezu vollständig verdampfbare Spezial-Wärmeträgerflüssigkeit - TYFOROP Chemie GmbH

Damit die Betriebssicherheit und der Wirkungsgrades einer thermischen Solaranlage auf Dauer gewährleistet ist, ist sie regelmäßig zu überprüfen. Eine Inspektion sollte jährlich und eine Wartung alle 3 bis 5 Jahre durchgeführt werden. Der Abschluss eines Inspektions- und Wartungsvertrags ist für alle thermischen Solaranlagen daher sehr empfehlenswert.
Zusätzlich ist nach den ersten Betriebswochen eine erste Inspektion mit der Kontrolle aller wesentlichen Funktionen der Anlage durchzuführen. Diese Nachkontrolle sollte aber noch Bestandteil des gesamten Auftrages sein oder sollte im Angebot besonders aufgeführt werden.

In einem Inspektions- oder Wartungsprotokoll werden die wesentlichen Anlagenparameter festgehalten, um Veränderungen (z. B. Anlagenbetriebsdruck, MAG-Vordruck, pH-Wert) erkennen zu können.

Für die Erstinspektion ist auf Daten (Fülldruck, Anlagenbetriebsdruck, Regler- und Pumpeneinstellungen, usw. ) der Anlagendokumentation der Inbetriebnahme zurückzugreifen.

Wenn die Flüssigkeit in Erdwärmetauschern und Erdsonden auf der Kalt- oder Kühlwasserseite die Temperatur von +2 bis +3 °C unterschreiten, dann muss dem Wasser ein Frostschutzmittel beigemischt werden. Damit auch der Korrosionsschutz gewährleistet ist, werden Mischungen aus Wasser und Alkoholen (Glykole) verwendet. Diese haben unterschiedliche toxische und thermodynamische Eigenschaften. Heute wird immer noch der Begriff "Sole" verwendet, obwohl es sich nicht um Wasser-Salz-Gemische handelt und somit falsch ist.
Glykole gibt es mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Art des Mittels und das Mischungsverhältnis wird von den Geräteherstellern vorgegeben. Auch darf später keine eine andere Glykolart nachgefüllt werden.
Bei der Anwendung von Glykolen als Frostschutz sind folgende Punkte zu beachten:
  •  Glykolzumischung ergibt eine Erhöhung der Viskosität im Vergleich zu Wasser
  •  Wasser-Glykol-Gemische haben eine schlechtere Wäremübergangszahl als Wasser
  •  Glykole verdunsten leichter als Wasser. Im Laufe der Zeit ändert sich der Glykolanteil in der Mischung
  •  Glykole sind (mehr oder weniger) toxisch
  •  Wasser-Glykolgemische dürfen nicht in die Kanalisation abgeführt werden
  •  Zur Verringerung der Korrosionsgefahr müssen Wasser-Glykolgemischen Inhibitoren zugesetzt werden
  •  Angaben des BAG () auf den Gebinden zu berücksichtigen
  •  Verschiedene Glykolarten dürfen nicht vermischt werden
  •  Die Konzentration ist deshalb jährlich zu kontrollieren


Handrefraktometer
Quelle: Wagner & Co

Glykomat
Quelle: Georg Pforr GmbH & Co. KG

Handfüll- und Impfpumpe
Druckerhöhung und Nachfüllen - Solar- und Kühlflüssigkeiten

Quelle: RESOL - Elektronische Regelungen GmbH Handfüll- und Druckprüfpumpe
Druckprüfung, Druckerhöhung und Nachfüllen
Messinstrumente und nützliches Werkzeug
Diese Messinstrumente gehören zur Grundausstattung für die Wartung thermischer Solaranlagen und Kühlflüssigkeiten.

Frostsicherheit - Handrefraktometer
Das Handrefraktometer bestimmt die Frostsicherheit von Wasser-Propylen-glykol-, Wasser-Ethylenglykolgemischen und die Dichte von Wasser-Batterie-säuregemischen.

Messbereiche:

  • Propylenglykol 0 bis -50 °C
  • Ethylenglykol 0 bis -50 °C
  • Batteriesäure 1,15-1,30 g/cm³

Die Messung ist zwar weitgehend temperaturunabhängig, jedoch erzielen Sie den exaktesten Wert bei einer Mediumtemperatur von 20 °C.
Zur Schnellmessung kann auch ein "Glycomat" oder ein Aräometer eingesetzt werden.

Außerdem sind Messgeräte für den pH-Wert unf den Härtegrad der Flüssigkeit notwendig.

Eine Handfüll- und Impfpumpe mit Absperrkugelhahn wird zur Druckerhöhung und zum Nachfüllen von Kühlflüssigkeiten eingesetzt. Die Pumpleistung beträgt 2 l/min und baut einen Druck von max. 4,5 bar auf.

Eine Hand-Druckprüfpumpe wird zur exakten und schnellen Dichtigkeitsprüfung bzw. Druckprüfung von Rohrleitungssystemen und Behältern in der Sanitär- und Heizungstechnik, bei Pressluftanlagen und im Kessel- und Druckbehälterbau eingesetzt.
Der Prüf- und Druckbereich beträgt je nach Ausführung bis 60 bar und der Behälter hat ein Volumen (Wasser, Öl, Glycol, pH-Wert der Flüssigkeiten 7 - 12, Temperatur der Flüssigkeiten bis 60 °C) von 12 l.
Druckprüfpumpe soll nicht zum Füllen leerer Rohrleitungen und Behälter als Förderpumpe missbraucht werden.

Zum Füllen und Spülen ist der Einsatz einer Füll- und Spülstation sinnvoll.


Hinweis! Schutzrechtsverletzung: Falls Sie meinen, dass von meiner Website aus Ihre Schutzrechte verletzt werden, bitte ich Sie, zur Vermeidung eines unnötigen Rechtsstreites, mich umgehend bereits im Vorfeld zu kontaktieren, damit zügig Abhilfe geschaffen werden kann. Bitte nehmen Sie zur Kenntnis: Das zeitaufwändigere Einschalten eines Anwaltes zur Erstellung einer für den Diensteanbieter kostenpflichtigen Abmahnung entspricht nicht dessen wirklichen oder mutmaßlichen Willen. Die Kostennote einer anwaltlichen Abmahnung ohne vorhergehende Kontaktaufnahme mit mir wird daher im Sinne der Schadensminderungspflicht als unbegründet zurückgewiesen.
das neue Videoportal von HaustechnikDialog mit vielen interessanten Informationen und Anleitungen aus der Haustechnik
Videos aus der SHK-Branche
SHK-Lexikon