Wenn es in einer thermischen
Solaranlage zur Stagnation der Solarflüssigkeit
kommt, dann erwärmt dabei sich die Flüssigkeit sehr schnell.
Aber die sich ausdehnende Flüssigkeit kommt nicht sofort in das
Membranausdehnungsgefäß, sondern es handelt sich um ein länger
andauernden Verdampfungsprozess des Fluids (Solarflüssigkeit) im
Absorber. Wichtige Faktoren für diesen Vorgang sind die Kollektorverschaltungen,
die Rohrführung, die Armaturen- und Gefäßanordnung.
Sehr selten wird durch Ausfallen der Regelung oder der Pumpe ein Stagnationsfall
verursacht. Wenn es aber zur Stagnation kommt, dann muss die Anlage
richtig gebaut sein, damit sie eigensicher ist. |
Je höher der Deckungsanteil
der Anlage ist, desto größer ist das Überangebot an
Energie, was in den Sommermonaten zum Stillstand führt, weil die
Kollektorfläche für die Last im Sommer überdimensioniert
ist. Die Regelung schaltet die Pumpe aus. Um unerwünschte Effekte
(Temperaturbelastungen anderer Komponenten) durch Stagnation zu vermeiden,
muss die Restflüssigkeitsmenge reduziert werden. Das hängt
von der Konstruktion der Anlage ab. Dabei geht es z.B. um die Verschaltung
im Kollektorfeld (Einfluss auf das Entleerungsverhalten), die Position
der Anschlussleitungen am Kollektorfeld und die Positionierung des Rückschlagventils
relativ zum Anschluss des Membrandruckausdehnungsgefäßes
(MAG). |
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In letzter Zeit kommt
wieder immer mehr das Steamback-Verfahren
zum Einsatz, das lange Zeit in Vergessenheit geraten war, weil die "Hochdruckprediger"
in der Überzahl waren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser-Glykol-Gemisch
wenig beansprucht, weil die Verdampfung aufgrund des geringen Anlagendruckes
niedrig gehalten wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur
(ca. 110 °C) kann das Frostschutzmittel nicht auscracken.
Der Vordruck des MAG's ist 0.2 bar über dem statischen Druck und
der Fülldruck im kalten Zustand liegt 0.1 bar über dem Vordruck.
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Es gilt:
Einer der beiden Anschlüsse an das Kollektorfeld muss nach unten
weggeführt werden; für die interne Verschaltung muss mindestens
einer der beiden Kollektoranschlüsse auf der Unterseite des Kollektors
herausgeführt werden. |
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Plattenabsorber |
Das Entleerungsverhalten
der Plattenabsorber hat einen Entleerungsfaktor von 100 %. Fast
so gut ist der Entleerungsfaktor beim Fahnenabsorber mit vertikaler
Rohranordnung. Danach folgen Fahnenabsorber mit horizontalen
Absorberrohren und Vakuumröhrenkollektoren mit Kollektoranschlüssen
am oberen Ende des Kollektors. Im Fall eines ungünstigen
Entleerungsverhaltens kann die hohe thermische Belastung der
Solarflüssigkeit nicht vermindert werden. |
Fahnenabsorber |
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Bei den anderen Systemkomponenten
existieren zur Verminderung der thermischen Belastung
verschiedene Möglichkeiten, z. B.: |
- Leitungen: lange Leitungen
zum MAG, die auch größere Abkühlverluste haben, senken
die Temperaturbelastung
- MAG/Gefäßmembran:
"hängende" Anbringung des MAGs kann die Überhitzung
der Gefäßmembran reduzieren, besser immer ein Vor-bzw.
Zwischengefäß einbauen
- Betriebsdruck erhöhen:
um eine Verdampfung im Kollektorkreis zu vermeiden
- besser > Betriebsdruck so
niedrig wie möglich, um eine Verdampfung im Kollektorkreis
bei niedrigen Temperaturen zu erreichen
- gezielte Kondensation:
durch zusätzlich installierten Kühlkörper oder externe
Solarkreiswärmetauscher als Wärmesenke
- Drain-Back-System:
im Stillstand wird der Kollektor mit Luft gefüllt; geeignet für
kleinflächige Anlagen
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| Der Stagnationsvorgang läuft
in 5 Phasen ab |
| . |
| Phase 1 - Ausdehnung
der Wärmeträgerflüssigkeit |
Schneller Anstieg der
Kollektortemperatur und ein geringer Anstieg des Systemdruckes (der
aber unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventiles bleibt), der der
Volumenausdehnung der Flüssigkeit im System entspricht, aber ein
richtig ausgelegtes MAG und einen richtigen Vordruck des MAG's und Betriebsdruck
voraussetzt. |
Bei dem Überschreiten
der in der Regelung eingestellten max. Kollektortemperatur
schaltet die Umwälzpumpe ab, damit sie keine weitere
Flüssigkeit in die Kollektoren fördert bzw. im Dampf nicht
trocken läuft. |
| Phase 2
- Erste Dampfbildung |
Das
Wasser der Solarflüssigkeit beginnt zu verdampfen
und der Dampf breitet sich aus, wobei die Solarflüssigkeit
aus den Kollektoren geschoben wird und die Vor- und
Rücklaufleitungen mit Sattdampf gefüllt werden.
Die Flüssigkeitstemperatur erreicht fast die Siedetemperatur.
Der Systemdruck steigt rasch an. Die maximale Systembelastung
hängt von den verbleibenden Flüssigkeitsresten
im Kollektor am Ende der 2. Phase ab, was durch das
Entleerungsverhalten des Kollektors bzw. des Systems
während dieser Phase beeinflusst wird. Bei schlecht
entleerenden Kollektoren nehmen die Zeitdauer und die
Intensität der nächsten Phase zu. Das führt
zur höheren Druck- und Temperaturbelastung.
|
Wichtig
sind die Länge und die Abkühlungsverluste
der Leitungen, weil kurze Leitungen und niedrige Abkühlungsverluste
höhere Temperaturbelastungen am MAG und anderen
Komponenten verursachen. Deswegen sollte der Systemdruck
nicht zu hoch gewählt werden, damit das Verdampfen
nicht bei zu hohen Temperaturen beginnt.. Das MAG kann
zusätzlich durch ein Vor- bzw. Zwischengefäß
und eingeschränkt durch einem Wärmetauscher
(Stagnationskühler) geschützt werden.
.
.
.
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Vorschaltgefäß |
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Heizleistenkühler |
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Stagnationskühler (Luftkühler) |
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Wasserkühler mit thernischer Ablaufsicherung (TAS) |
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| Phase 3
- Leersieden des Kollektors |
Dies
ist die kritische Phase. Der Wasseranteil
der Solarflüssigkeit verdampft. Aus einem Liter
Wasser werden 1700 Liter Dampf. Durch die Volumensänderung
steigt der Anlagendruck und erreicht seinen Höchstwert.
Dabei sollte gewährleistet sein, dass die Solarflüssigkeit
vollständig aus den Kollektoren in das MAG
gedrückt wird. Die Restflüssigkeit, ein
konzentriertes Glykol am Ende der 2. Phase und während
der 3. Phase, ist für die Länge und Intensität
den beiden Phasen verantwortlich. Bei einem guten
Entleerungsverhalten der Anlage werden die Siedetemperaturen
(im Bereich 150-200 °C bei Flachkollektoren)
nur kurzfristig erreicht und belasten dadurch nur
eine kleine Menge der Flüssigkeit. |
Kann
die Flüssigkeit die Kollektoren nicht vollständig
über den Rücklauf verlassen, bzw. läuft
durch eine falsche Rohrleitungsführung Flüssigkeit
nach, so kommt es zu einer weiteren Dampfproduktion,
was zu Dampfschlägen in den Leitungen führen
kann. Können die Leitungen und das MAG diese
Energie nicht mehr aufnehmen, kommt es zu einer
weiteren Druckerhöhung und zum Ansprechen des
Sicherheitsventils.
Durch das Verkochen (Auscracken) des Glykols, bei
länger andauernder Verdampfung bei hohen Temperaturen,
kommt es zur Beschädigung der Anlage und zur
Bildung von festen Partikeln, die das Rohrnetz verstopfen
und zu Verkrustungen in den Kollektoren führen
können. |
Dieser
Punkt wird bei größeren Anlagen immer
mehr beachtet werden.
.
.
.
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 Quelle:
Viessmann Werke GmbH & Co. KG |
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| Beispiel |
Sind z. B.
8,8 l in den Kollektoren und 4,4 l in der Rohrleitung?
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In der Rohrleitung
ist bei guter Hydraulik kein Dampf! Wo soll der herkommen? |
Es verdampft
ein "Schnapsglas" voll Wasser zu Dampf. Volumenänderung
auf das 1700fache. Der drückt das Wasser in Richtung MAG. |
Dann kann kein
Wasser mehr Verdampfen, da es einfach nicht mehr vorhanden sein
sollte! |
Der aus dem
"Schnapsglas" entstanden Dampf wird jetzt nur noch
überhitzt, bis zur Stagnationstemperatur von 190 bis zu
230°C. |
Da passiert
nur noch eine maginale Volumenänderung. |
| Nach der allgemeinen
Gasgleichung und dem Gesetz von Gay-Lussac, das gilt in diesem
Fall für Druck konstant und keine Änderung der Massen,
also ein geschlossenes System: |
V /
T = const V1 / V2 = T1 / T2 |
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ergibt sich
für die Verdampfungstemperatur von 130°C und die Stagnationstemperatur
von 190°C bei einsetzten in obige Formel (Kelvin beachten) |
| |
Das sind dann
also 15% Volumenänderung auf das Kollektorvolumen. |
In diesem Fall 1,3 l
|
Diese 1,3 l
sind aber nur theoretisch da. Sobald diese dann in die isolierte
Rohrleitung kommen, erfolgt ja keine weitere Wärmezufuhr
mehr und der Dampf kühlt ab, zieht sich wieder auf das
Sattdampfvolumen zurück bzw. kondensiert ein geringer Teil. |
Demzufolge
ist nach einer gewissen Zeit nur noch im Kollektor der überhitzte
Dampf. |
Verdampft dagegen
noch ein Schnapsglas voll Wasser entstehen daraus 1262 Schnapsgläser
voll Dampf oder aus eben 0,04 werden 50 l Sattdampf. |
Diese Dampfmenge
findet dann keinen Platz mehr im System. Es kommt zur erheblichen
Drückerhöhung und zu Dampfschlägen in Richtung
MAG. Dauert dieser Vorgang länger an, also es wird mehr
Dampf produziert wie die Leitung durch Kondensation aufnehmen
kann, steigt der Druck weiter und es kommt zum Ansprechen des
Sicherheitsventils. Die Solaranlage bläst ab und kann auch
noch weitere Schäden nehmen. Quelle:
Busokunde |
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| Phase 4 - Sattdampf
und überhitzter Dampf |
Bei leergedrückten
Kollektoren und weiterer Energiezufuhr durch die Sonne, wird der Sattdampf
in den Kollektor überhitzt. Dieses führt dann nur noch zu
einem weiteren geringfügigem Druckanstieg. Der Kollektor wird während
dieser Phase zunehmend trocken und die Absorbertemperatur steigt. |
| Phase 5 - Wiederbefüllen |
Bei sinkender Sonneneinstrahlung
fällt die Temperatur wieder unter den Siedepunkt, der Dampf kondensiert,
der Druck sinkt ab und die im MAG „zwischengelagerte“ Flüssigkeit
wird wieder über den Rücklauf in die Kollektoren gefüllt.
Nach einem solchen Stagnationsfall schaltet die Umwälzpumpe, wenn
die eingstellten Temperaturdifferenz entsprechenden vorgeben, wieder
an. Wenn das bei hohen Temperaturen geschieht, können im Kollektorkreis
erneut Temperaturen bis zu 130 °C (bei höheren Drücken
auch darüber) auftreten. |
| . |
Fazit |
| Wenn folgende Punkte beachtet werden, dann
gibt es keine Stagnationsprobleme. |
- Die Kollektoren müssen
sich von der Bauart her nach unten entleeren können
- Die Kollektoren müssen
dann auch so eingebaut werden
- Die Rohrleitung darf
nur mit Gefälle nach unten verlegt werden
- Bei heizungsunterstützenden
Anlagen ist ein
Vorschaltgefäß bzw. Zwischengefäß
zwingend einzubauen.
- Das MAG ist großzügiger
gegen über der Berechnung zu bemessen, damit der Druck auch
während der Verdampfungsphase konstant bleibt.
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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.
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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) |
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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 |
| Sollte das Sicherheitsventil
(und/oder ein offener Entlüfter) im Stagnationsfall
angesprochen haben, muss evtl. Flüssigkeit nachgefüllt werden.
Ein Grund mehr, das MAG nicht zu klein auszulegen. Eigentlich sollte
das MAG nicht nur das durch Erwärmung entstehende Ausdehnungsvolumen
aufnehmen können, sondern auch den gesamten Inhalt der Kollektoren
und der Rohrleitungen. Außerdem sollte jede Anlage ein Vor-
bzw. Zwischengefäß haben. |
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Besonders in Anlagen,
die in Stagnation gehen können, sollten Sicherheitsventile
in Vollmetallausführung eingesetzt werden.
Bei diesen Ventilen ist der Einstelldruck durch eine Plombenkappe
gesichert. Der Kegel ist durch eine Rändelmutter anlüftbar
und das Oberteil ist abnehmbar, ohne dass der Einstelldruck verändert
wird. Eine eingebaute Membrane verhindert das Eindringen des Mediums
in den Federraum.
Alle Werkstoffe sind geeignet für
Spitzentemperaturen bis 160 °C.
Wartungs-
und Montageanleitung |
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Schäden
durch zu hoher Temperatur bzw. hohem Druck |
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Volumenstromregelung - Solarthermiekreislauf
Wichtig für die richtige Funktion einer thermischen Solaranlage ist der passende Volumenstrom für die jeweilige Betriebsart. Eine Möglichkeit ist es, die Strömungsgeschwindigkeit möglichst gering zu planen. Dabei verbleibt die Solarflüssigkeit länger in den Solarkollektoren und wird dadurch auf höhere Temperaturen erwärmt. Eine Alternative ist eine höhere Strömungsgeschwindigkeit. Dabei durchfließt die Solarflüssigkeit die Kollektoren in kürzerer Zeit und nimmt weniger Wärme auf. Auch eine Kombination beider Verfahren wird angewendet. Dabei wird der Volumenstrom der Solarflüssigkeit automatisch reguliert, um immer einen passenden Durchfluss zu erzielen. Jedes Prinzip hat Vor- und Nachteile um thermische Solaranlagen z. B. für die Warmwasser-Bereitung oder Heizungsunterstützung zu realisieren. Die Volumenströme zu den Speichern und an den Kollektoren werden mit Flowmeter und Taco-Setter eingestellt.
Volumenstrom-Regelungskonzepte: |
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Low Flow
Das Low-Flow-Prinzip arbeitet mit kleinen Volumenströmen (<25 Liter Solarflüssigkeit pro Stunde und pro m2 installierter Kollektorfläche [7 - 25 l/m² h]) und dadurch mit hohen nutzbaren Temperaturdifferenzen bzw. hoher thermischer Spreizung zwischen dem Wärmespeicher (Trinkwassererwärmer, Pufferspeicher) und den Solarkollektoren. Mit dem Low-Flow-Prinzip ist eine solare Heizungsunterstützung realisierbar. |
Vorteile |
- Langsame Zirkulation, daduruch große thermische Spreizung und höhere Temperaturen.
- Durch das geringe Solarflüssigkeitsvolumen ist eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit der Solaranlage möglich.
In kurzer Zeit kann viel nutzbare Solarwärme gewonnen werden.
- Durch die höheren Temperaturen innerhalb des Solarkreislaufes ist die Gefahr der thermischen Stagnation geringer.
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Nachteile |
Es ist ein komplexer Wärmespeicher notwendig, in dem die eingespeiste Solarwärme thermisch geschichtet werden muss. Ein Schichtenspeicher ist teuerer (Anschaffung und Regelungstechnik) als ein einfacher Pufferspeicher. |
High Flow
Das High-Flow-Prinzip arbeitet mit einem Volumenstrom zwischen 30 und 80 Liter pro Stunde und pro m2 Kollektorfläche. |
Vorteile |
- Die aufgenommene Wärme wird schnell abtransportiert.
- Geringe Wärmeverluste aufgrund eines niedrigen Temperaturniveaus in den Kollektoren.
- Hohe Wirkungsgrade, wenn die Kollektoren im optimalen Temperaturniveau arbeiten.
- Die Anlagen können mit einfachen Speichern betrieben werden, weil eine Schichtung nicht notwendig ist.
- Vermeidung bzw. Verringerung einer Stagnationsgefahr, was eine Alterung der Solarflüssigkeit ("Vercrackung") und die Belastung der Kollektoren und Anlagenteile verringert.
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Nachteile |
- Hoher Strombedarf bei den Umwälzpumpen durch die große Volumenströme
- Langsames Erwärmens des Speichers
- Häufiges Zuschalten eines anderen Wärmeerzeugers für Dusch-, Wasch- und Heizzwecke.
Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Gesamt-Systems.
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Matched Flow
Der Begriff "Matched-Flow" wird in der Solarthermie und dem Heizungsbau (hydraulischer Abgleich) für Anlagen verwendet, in denen der Volumenstrom den Verhältnissen angepasst wird. Innnerhalb des Solarkreislaufes wird der Volumenstrom der Solarflüssigkeit der jeweils einfallenden Solarenergie dynamisch geregelt. Bei dieser Betriebsart werden die Vorteile der Low-Flow- und High-Flow-Systeme verbunden (das hohe Temperaturniveau bei dem Low-Fow-Prinzip und die schnelle Einbringung der von der Sonne gewonnenen Wärme in den Wärmespeicher bei dem High-Flow-Prinzip).
Hier ist eine drehzahlgeregelte Solarpumpe, die den Volumenstrom dynamisch angepasst, notwendig, was höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu den anderen Betriebsarten zur Folge hat. |
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Drain-Back
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Die Regelung hat die Pumpe ausgeschaltet, wenn der Kollektor nicht wärmer
ist als der untere Speicherteil oder der Speicher zu überhitzen droht.
Das Solarkreiswasser läuft rückwärts durch die Pumpe in das Rücklaufgefäß,
so dass im Kollektor keine Frost- oder Überhitzungsgefahr besteht.
Die Sonne erwärmt den Kollektor, die Regelung schaltet die Pumpe auf hoher
Leistungsstufe ein. Damit verdrängt das Solarkreiswasser die Luft aus
dem Kollektor und drückt sie in das Rücklaufgefäß, dessen Inhalt größer
ist als der Gesamtinhalt von Verrohrung und Kollektor. Nach ca. 6 Minuten
wird die Pumpe auf eine niedrigere Leistung zurückgeschaltet, um Strom
zu sparen, denn nun ist die Luft in das Rücklaufgefäß verdrängt und
die Pumpe muss nur noch die Widerstände der Rohrleitungen, des
Kollektors und des Rücklaufgefässes überwinden. |
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Vorteile |
- Reines Wasser als Wärmeträgermedium
altert nicht und hat keine zusätzlichen Korrosionsprobleme
und Glykol kann nicht Auscracken
- Reines Wasser hat bessere
Wärmeübertragungseigenschaften als Wasser-Glykolgemische
(spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität)
- Wasser ist kostengünstiger
- Der Kollektorkreislauf
arbeitet mit niedrigen Drücken
- Der Wartungsaufwand ist
gering
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Nachteile |
- Die Auswahl der Kollektoren
ist begrenzt
- Die Planung und Installation
des Kollektorkreislaufes muss fachgerecht durchgeführt werden
- Die Installation erfordert
speziell geschultes Personal
- Das Befüllen heißer
Kollektoren können zu Dampfstößen führen
- Die speziellen Kollektorarten
haben anlagenbedingt kleine Strömungsgeschwindigkeiten und
ungünstige Wärmeübergänge, die den Vorteil der
besseren wärmetechnischen Eigenschaften von Wasser wieder aufheben
können
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Kühlfunktion / Rückkühlfunktion
Kühl- oder Rückkühlfunktionen sind regelungstechnische Einrichtungen,
die in thermischen Solaranlagen eingesetzt werden. Sie sind notwendig, wenn eine Anlage nicht nur zur
Trinkwassererwärmung, sondern auch zur Heizungsunterstützung ausgelegt wurde. Da solche
Anlagen im Sommerbetrieb zu viel Wärme erzeugen, gehen sie häufig aufgrund zu hoher
Temperaturen (>110 °C) in Stagnation.<br>
Fachlich gesehen ist die Stagnation ein geplanter Betriebszustand. Das setzt aber
voraus, dass die Anlage eigensicher konstruiert und ausgelegt wurde. Auch in Zeiträumen ohne
Wärmeverbrauch (längere Abwesenheit, z. B. Urlaub) geht eine Anlage in Stagnation. Wenn eine Stagnation aufgrund der
negativen Vorgänge (Vercrackung,
Verzunderung) nicht stattfinden soll oder für den
Stagnationsvorgang nicht geeignet ist (z. B. ungeeignete Rohrführung), dann ist eine Kühl- oder Rückkühlfunktion
die erste Wahl. Ausgereifte Beschattungssysteme
bietet der Markt zur Zeit nicht an.
Um eine Stagnation zu vermeiden muss eine passende Temperaturdifferenzregelung eingesetzt werden. Dabei wird die Aufnahmekapazität des
Pufferspeichers als Grundlage für die überschüssige Wärme genutzt. Wenn z. B. eine
Speichertemperatur von 70 °C voreingestellt ist, so kann im Fall einer drohenden thermischen Stagnation eine weitere Aufheizung erlaubt bzw. eingestellt werden. Diese zusätzlich aufgenommene Wärme wird nicht benötigt, aber im Fall einer Überhitzung
der Solarthermieanlage geht es primär darum, Schäden durch die überschüssige Wärme zu vermeiden. Diese Wärme kann
durch einen künstlichen Verbraucher (z. B. Heizkörper im Keller, Swimmingpool, Kühlschlangen im Erdreich) an die
Umgebung abgeführt werden. Neben dieser Kühlfunktion kann auch eine Rückkühlfunktion
eingesetzt werden. Durch die Kollektorkühlfunktion wird die Speichertemperatur erhöht. Dabei läuft die
Solarpumpe nach Sonnenuntergang weiter, um den Speicher mit der dann kühleren Solarflüssigkeit
wieder herunterzukühlen.
Kollektorkühlung
Wenn der Speicher bis zur "Begrenzungstemperatur, Speicher unten" beladen ist, wird die Solarkreispumpe abgeschaltet. Steigt die Kollektortemperatur auf den eingestellten Wert der Kollektorkühlung (z. B. 110 °C) an, wird die Solarkreispumpe wieder eingeschaltet, bis die Kollektortemperatur um 10 oder 15 K gesunken ist. Diese zusätzliche Intervallbeladung des Speichers sorgt dafür, dass der Kollektor nur selten oder gar nicht in Stagnation gelangt. Die Anlage schaltet ganz ab, wenn die "Begrenzungstemperatur, Speicher unten" um 5 K überschritten wird.
Der Grundeinstellwert der Kollektorkühlung ist 110 °C; die Starttemperatur kann zwischen 100 bis 150 °C eingestellt werden.
Speicherkühlung
Wenn die "Speicherkühlung" aktiviert ist, wird sie eingeschaltet, wenn die Kollektortemperatur um 2 K unter die eingestellte "Speichertemperatur, unten" sinkt. Die überschüssige Speicherenergie (Speicher kühlen) wird über den Kollektor abgegeben bis der eingestellte Sollwert der Speicherkühlung erreicht ist. Die "Speicherkühlung" kann nur bei eingeschalteter "Kollektorkühlung" aktiviert werden.
Die Grundeinstellwert der Speicherkühlung ist 60 °C; die Abschalttemperatur kann zwischen 30 bis 90 °C eingestellt werden.
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Temperaturdifferenzregelung
Die Temperaturdifferenzregelung (Delta-T-Regelung) wird hauptsächlich in thermischen Solaranlagen eingesetzt. Sie schaltet die Solarpumpe immer dann ein, wenn zwischen dem Ausgang des Solarkollektors und dem Solarspeicher (Pufferspeicher) unten am Kollektor-Rücklauf die eingestellte Temperaturdifferenz (5 bis 8 °C [5 bis 8 K]) überschritten wird. Das Einschalten der Pumpe ist nicht an eine bestimmte Temperatur im Kollektor gebunden, sondern an einen Temperaturunterschied
zwischen Kollektor und Speicher. So ist die Pumpe nur dann in Betrieb, wenn Wärme transportiert werden soll. |
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Anlagenschutz
bei Solarthermieanlagen
Priorität-Schutzfunktion
Der Anlagenschutz soll eine Überhitzung der im System verbauten Komponenten
durch Zwangsabschaltung der Solarpumpe verhindern. Wird der Wert "AS Tein" am
Kollektor überschritten, wird die Pumpe nach 60 Sekunden ausgeschaltet, um den Kollektor
z.B. vor Dampfschlägen zu schützen. Die Pumpe wird erst wieder eingeschaltet,
wenn der Wert "AS Taus" am Kollektor unterschritten wird.
Anlagenschutz-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: EIN
AS Tein - Einstellbereich: 60 °C bis 150 °C / Voreinstellung: 120 °C
AS Taus - Einstellbereich: 50 °C bis Tein minus 5 °C / Voreinstellung: 115 °C
Achtung: Bei Anlagenschutz (ein) kommt es zu erhöhten Stillstandstemperaturen im
Solarkollektor und somit erhöhtem Anlagendruck.
Unbedingt die Betriebsanleitungen der Anlagenkomponenten beachten.
Kollektorschutz
Der Kollektorschutz verhindert, das der Kollektor bei zu hohen Temperaturen überhitzt.
Eine Zwangseinschaltung der Pumpe sorgt dafür, das der Kollektor über den Speicher gekühlt wird.
Wird der Wert "KS Tein" am Kollektor überschritten, wird die Pumpe eingeschaltet, um
den Kollektor zu kühlen. Die Pumpe wird abgeschaltet, wenn der Wert "KS Taus" am
Kollektor unterschritten oder wenn die maximale Speichertemperatur KS Tmax Sp. erreicht wird.
Kollektorschutz-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
KS Tein - Einstellbereich: 60°C bis 150°C / Voreinstellung: 110°C
KS Taus - Einstellbereich: 50°C bis Tein minus 5°C / Voreinstellung: 100°C
KS Tmax Sp. - Einstellbereich: 0°C bis 140°C / Voreinstellung: 90°C
Gefahr:
Bei Kollektorschutz (ein) wird der Speicher über den eingestellten
Wert "Tmax S2" aufgeheizt, was zu Verbrühungen und Anlagenschäden
führen kann.
Gefahr.
In Systemen mit Pool ist der Kollektorschutz deaktiviert.
Kollektor-Alarm
Wenn diese Temperatur am Kollektorfühler bei eingeschalteter Solarpumpe überschritten
ist, wird nach einer Minute eine Warnung bzw. Fehlermeldung ausgelöst. In der
Anzeige erfolgt ein ensprechender Warnhinweis.
Kollektoralarm-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
Kol.Alarm - Einstellbereich: 60 °C bis 299 °C / Voreinstellung: 115 °C
Rückkühlung
In Anlagenhydrauliken mit Solar wird bei aktivierter Rückkühlfunktion überschüssige
Energie aus dem Speicher zurück zum Kollektor geführt. Das erfolgt nur, wenn die
Temperatur im Speicher größer als der Wert "Rückkühl Tsoll" und der Kollektor mindestens
20°C kälter als der Speicher ist und bis die Speichertemperatur auf den Wert
"Rückkühl Tsoll" gefallen ist.
Rückkühlung-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
RK Tsoll - Einstellbereich: 0°C bis 99°C / Voreinstellung: 70°C
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| Beschattungssysteme |
Besonders in thermischen
Solaranlagen für die Heizungsunterstützung, aber auch bei
überdimensionierten Anlagen, kommt es hauptsächlich in den
Sommermonaten zur Stagnation., die sich grundsätzlich negativ auf
die Bauteile und die Solarflüssigkeit auswirken. Auch wenn eine
Solaranlage in dieser Zeit keine Wärmeabnahme hat, so z. B. in
der Urlaubszeit, werden besondere Maßnahmen notwendig. |
Natürlich ist
eine Anlage, die nur zur Trinkwassererwärmung
verwendet werden soll, richtig auszulegen. Weniger ist hier
ein wenig mehr. Diese Anlagen werden nicht in Stagnation gehen.
Bei diesen Anlagen ist auch die Möglichkeit einer Rückkühlung
über die Kollektoren (Flachkollektoren) während der Nachtstunden
regelungstechnisch vorgesehen. Vakuumröhrenanlagen benötigen
besondere Kühlelemente (Heizkörper, Flächenheizung),
weil diese schlecht über die Wärmetauscher an den Kollektoren
kühlen können. |
Thermische Solaranlagen,
die zur Heizungsunterstützung ausgelegt werden,
sind in den Sommermonaten logischerweise immer zu groß
ausgelegt. Ein größerer Pufferspeicher oder eine Veränderung
der Steilheit der Kollektoren würde keinen nenneswerten Erfolg
bringen. Auch eine natürliche Beschattung durch Laubbäume
würde die Leistung während der Übergangszeiten mindern.
|
Wenn diese Anlagen
nicht geteilt werden können, so ist hier der Einsatz
eines Beschattungssystems notwendig. Diese Systeme sind in der Fenstertechnik
bekannt und müssten nur auf die Solartechnik (Flachkollektoren)
umgesetzt werden. Diese Rollos oder Jalousien
könnten automatisch betrieben werden. Vakuumröhren können
nur mit Außenelementen beschattet werden, was evtl. Probleme mit
der Windlast
bringen könnte. Ein automatisches Drehen der Röhren ist noch
nicht auf dem Markt. |
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Beschattungsmöglichkeiten |
Quelle:
LAMILUX Heinrich Strunz GmbH |
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Bei Vakuum-Röhrenkollektoren
ist jede Vakuum-Röhre über die Längsachse
drehbar. Dadurch können sie optimal zur Sonne
ausgerichtet werden. Aber auch das Drehen aus
der Sonne, was in Anlagen zur Heizungsunterstützung
im Sommerbetrieb ist möglich. Denn diese Anlagen sind nur für
die Trinkwassererwärmung im Sommerbetrieb immer
viel zu groß ausgelegt. Die Folge ist, dass diese
Anlagen mit hoher Temperatur in Stagnation
gehen. In vielen Fällen wird durch die Ausrichtung
der Röhren mit den Absorberflächen
eine unnötiges Abführen von überschüssiger
Wärme durch sinnfreie Lösungen (Pool,
Heizkörper an der Außenwand oder im Keller) oder eine Beschattung
unnötig. |
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Wenn jemand ein Beschattungssytem speziell für Solaranlagen kennt,
freue ich mich auf eine
E-Mail
Verschattungssysteme machen die Solarthermie unwirtschaftlich |
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Die Firma
Viessmann bietet schaltende Flach- und Röhrenkollektoren
an, die Solarthermie-Anlagen vor Überhitzung schützen
sollen. Die selbstregelnden Solar-Kollektoren verhindern
eine Überhitzung und Dampfbildung. Das Problem in der Praxis ist,
dass große Solar-Kollektorflächen im Sommer zu langen Stagnationszeiten
mit Dampfbildung führen, weil die zur Verfügung stehende Wärme
nicht genutzt werden kann.
Mit einer neuen Absorberbeschichtung im Flachkollektor
"Vitosol 200-F" steht jetzt neben der Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
im Vakuum-Röhrenkollektor "Vitosol 300-T" ein selbstregelnder
Solar-Kollektor zur Verfügung, der eine Überhitzung
und Dampfbildung zuverlässig verhindert.
Diese arbeiten unabhängig von Anlagengestaltung und der vorhandenen
Regelungseinstellungen. |
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Flachkollektor "Vitosol 200-F"
mit schaltender Absorberschicht
Vakuum-Röhrenkollektor „Vitosol
300-T“ mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co.
KG
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Der patentierte
Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit
schaltender Absorberschicht unterbindet bei Erreichen
einer bestimmten Temperatur die weitere Energieaufnahme. Das Prinzip
beruht auf einer Absorberbeschichtung mit schaltenden Schichten,
die abhängig von der Kollektortemperatur ihre Kristallstruktur
und damit ihren Absorptions- bzw. Reflexionsgrad
verändert.
Über einer Absorbertemperatur von ca. 75 °C
ändert sich die Kristallstruktur, wodurch sich die Reflexion
der auftreffende Solarstrahlung stark erhöht. So sinkt bei
steigenden Kollektortemperaturen die Leistung, die Stagnationstemperaturen
sind geringer und eine Stagnation
(Dampfbildung) wird unterbunden.
Der Vakuum-Röhrenkollektor
"Vitosol 300-T" mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
nutzt das Heatpipe-Technik.
Die solare Wärme verdampft die Flüssigkeit
innerhalb der Heatpipe und übergibt die Wärme nach der
anschließenden Verflüssigung im Kondensator
an den Pufferspeicher.
Der Dampf in der Heatpipe kann bei Temperaturen
über 145 °C nicht mehr kondensieren. Durch diese Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
wird die Wärmeübergabe unterbrochen
und die Anlage ist gegen zu hohe Stagnationstemperaturen geschützt.
Erst bei niedrigeren Kollektortemperaturen starte der Kreislauf
in der Heatpipe erneut. |
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Wenn eine Anlage
ohne Dampfbildung gewünscht wird, dann bietet sich das
Drain-Back-System
(DBS) an. Hier werden die Kollektoren vor dem Erreichen
der Verdampfungstemperatur entleert. Diese Anlagen kommen auch ohne
Frostschutzmittel aus. |
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| Alterung der Solarflüssigkeit |
Beim Normalbetrieb
und bei gutem Entleerungsverhalten des Kollektors treten keine sehr
hohen Temperaturen (max. bis 100 °C) auf bzw. ist die Einwirkung
auf das Medium kurzfristig und betrifft nur eine kleine Menge. In diesem
Fall findet nur das Verdampfen von Wasser statt. |
Beim Stagnationsfall
dagegen sind in Flachkollektoren Temperaturen von ca. 200 °C möglich
und bei den Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren können Temperaturen
von über 300 °C erreicht werden. Eine schlechte Entleerung
hat zur Folge, dass die Restflüssigkeit nicht mehr verdampft und
über sehr lange Zeit wesentlich höheren thermischen Belastungen
(höher als der Siedepunkt des reinen Glykols) ausgesetzt wird.
Die Alterung des Wärmeträgers zeichnet sich durch Dunkelfärbung
und eine Absenkung des pH-Wertes aus, die sich bei Stagnation in wenigen
Stunden bei den Vakuum-Röhrenkollektoren einstellt. Dabei können
sich vermehrt feste, nicht wieder auflösbare, dunkle Rückstände
bilden. |
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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. |
ausgecrackte Solarflüssigkeit
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