Ja, ich habe Ihnen bereits verschiedene Systeme
solarthermischer Anlagen vorgestellt:
Sicherlich berits die wichtigsten Systeme
aber nicht alles.
Es gibt am Markt noch viele weitere Varianten,
aber mit diesen Grundkenntnissen
können Sie die alle sehr gut herleiten.
Ich möchte jetzt noch
auf zwei Sonderaspekte eingehen,
nämlich zunächst auf den Aspekt der
Temperaturschichtung in Speichern,
insbesondere in Solarspeichern.
Temperaturschichtungen in solchen
Wasserbehältern stellen sich eigentlich
ganz automatisch ein,
denn warmes Wasser ist leichter als kaltes,
daher ist warmes Wasser oben und kaltes ist unten.
In Solaranlagen können Sie diese Temperaturschichtung
unterstützen und erhalten,
Das macht auch sehr viel Sinn.
Das erfolgt in den einzelnen Kreisen,
die wir vorhin angesprochen haben.
Ich beginne mit der Einbringung der Solarenergie.
Wenn Sie die Solarenergie einfach
in einem internen Wärmeübertrager
unten im Speicher einbringen,
dann würde dieser Speicher kontinuierlich aufgewärmt:
wenn z.B morgens der Speicher 20 °C kalt ist,
und die Sonne geht auf,
so würde der Speicher in Summe (in ganzer Höhe)
zunächst auf 25 °C, dann auf 30 °C und so weiter
immer stärker aufgewärmt werden.
Und dann ist der Speicher vielleicht nachmittags
40°C bis 60 °C warm.
Wenn Sie aber diesen Wärmeübertrager
stattdessen mit einer solchen Ladelanze verbinden,
dann funktioniert das besser.
Ladelanze heißt,
Sie umhüllen den Wärmeübertrager hier mit so einer Glocke,
die ist unten offen natürlich,
sodass Wasser einströmen kann
und oben an dieser Umhüllung
schließen Sie ein solches Steigrohr an, eine Ladelanze,
die auf den verschiedenen Höhen Auslässe hat,
sodass das erwärmte aufsteigende Wasser
in genau der Schicht nach außen strömt,
die die gleiche Dichte hat.
Also ganz automatisch wird das erwärmte Wasser
dann dort eingespeist im Speicher, wo es gleich warm ist.
Dann können im besten Falle
schon morgens bald nach Sonnenaufgang
hier unten im Wärmetauscher
40 bis 60°C Wassertemperatur vorliegen, also "Nutztemperatur",
denn 40 bis 60°C reichen ja zum Duschen aus.
Dieses hier erwärmte Wasser
kann dann direkt ganz nach oben transportiert werden
und Sie könnten direkt duschen - mit Solarenergie.
Die Nutzung der Solarenergie muß so nicht warten,
bis irgendwann nachmittags
der Speicher insgesamt erwärmt ist.
Das ist ein sehr großer Vorteil.
Als Alternative zu dieser Ladelanzenkonstruktion
kann man das auch anders lösen.
Sie könnten hier diesen Wärmeübertrager
nicht intern bauen, sondern extern,
mit einem Plattenübertrager,
wie wir ihn bei den vorherigen Systemen
schon gesehen haben.
Und dann kann man die
Sekundärseite des Plattenwärmeübertragers
am Speicher auf verschiedenen Höhen anschliessen,
nämlich hier, wenn das Wasser
sehr heiß temperiert werden kann und hier
in der Mitte vielleicht, wenn das Wasser
nicht ganz so stark aufgewärmt werden kann.
Dazu braucht es je Anschluss am Speicher ein Ventil
und das wird dann von der Regelung gesteuert.
Das ist hier diese Variante.
Und was ich Ihnen gerade beschrieben habe,
funktioniert natürlich umso besser,
je heißer das Wasser hier oben aus dem Kollektor herauskommt.
Und dafür steuern die Solaranlagenregler
in der Regel
eine drehzahlgeregelte Pumpe an:
wenn die Sonne nicht so stark scheint,
wird die Drehzahl heruntergeregelt
und es strömt weniger Fluid
hier durch den Kollektor.
Das Fluid kann sich deshalb sehr stark erwärmen
auf diese Solltemperatur und
dann hier hohe Temperaturen erzeugen,
die dann möglichst weit im Speicher nach oben steigen.
Und wenn die Sonne stärker scheint,
kann die Drehzahl der Pumpe größer sein und
es wird dann trotz größerer Fluid-Menge,
die durch den Kollektor strömt,
trotz größerem Massenstrom des Fluids
die gleiche Austrittstemperatur erzielt.
Ähnliche arbeitet das Low-Flow-System.
Bei einer Low-Flow-Auslegung des Systems
wird nicht mit 40 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche und Stunde
Volumenstrom gearbeitet,
sondern in der Größenordnung
10 Liter pro Quadratmeter und Stunde.
Dieser niedrige Volumenstrom bietet Vorteile:
man benötigt geringere Pumpenleistung
und man benötigt geringere Rohr-Querschnitte.
Das sind Vorteile
und der Low-Flow-Betrieb erzeugt auch
höhere Temperaturdifferenzen am Kollektor
und so ist es möglich, sehr rasch hier
oben im Speicherkopf Nutztemperatur zu erzielen.
Das war der Solarkreis,
das Thema Temperaturschichtung betrifft
aber auch andere Kreise.
Trivial vielleicht, aber dennoch erwähnt.
Man führt Nachheizungs-Energie in der Regel
nur im Speicherkopf zu,
dort wo man hohe Temperaturen haben will,
sodass es hier unten im Speicher kühl bleibt,
sodass Solarenergie immer
eingekoppelt werden kann,
selbst wenn nicht so viel Sonne scheint.
Der nächste Punkt ist
die Anbindung der Trinkwarmwasserbereitung.
Wenn zum Beispiel eine Frischwasserstation
am Speicher angeschlossen wäre,
dann würde der Primärkreis hier unten angeschlossen
und hier oben zur Trinkwasserstation geführt.
Es könnte natürlich auch ein externer Trinkwasserspeicher
angeschlossen sein.
Auch dann wäre die kalte Seite hier unten angebunden
und die Zufuhr zu diesem
externen Trinkwasserspeicher hier oben.
Das war es zur Anbindung der Trinkwasserbereitung.
Der letzte Punkt ist die Einspeisung
des Heizungsrücklaufs, hier.
Die kann auch in eine (Lade-)Lanze geführt werden
und zwar ist das sinnvoll
weil die Heizungsvorlaufstemperatur
(also die Temperatur des Heizungswassers zu den Heizkörper)
in der Regel einer Heizkurve folgt
und bei Heizkörperheizungen
kann diese Vorlauf-Temperatur dann durchaus
in einem großen Bereich zwischen 20 und 75 °C schwanken,
dementsprechend stark schwankt auch die Rücklauftemperatur
zwischen 20 und 55 °C
also in einem großen Temperatur-Bereich.
Und wo speisen Sie das jetzt passend ein? In welcher Schicht?
Gerade weil diese Temperatur
so unterschiedlich sein kann
bietet es sich dann auch an,
wieder eine solche Ladelanze zu installieren.
Dann müssen Sie sich
keine Gedanken darüber machen,
die Lanze regelt das von alleine.
Zweiter Sonderaspekt ist das Fluid.
Meist werden Wasser/Glykol-Gemische eingesetzt.
Das ist das am meisten verwendete Fluid.
Der Vorteil ist einfach,
dass das Fluid nicht einfriert.
Es ist wie beim Autokühler.
Beim PKW füllen Sie auch Wasser/Glykol-Gemisch ein,
damit Ihr Autokühler nicht einfriert.
Aber bei Solaranlagen kann es zudem sehr heiß werden.
Viel heißer wie
das Fluid in Ihrem PKW Motor,
denn der Motor wird nur heiß
wenn Sie fahren und das Fluid wird
dann über den Kühlerventilator auch abgekühlt.
In der Solaranlage kann es richtig heiß werden,
nämlich wenn die Bewohner
im Sommer 3 Wochen im Urlaub sind,
die Sonne knallt und
keine Wärme abgenommen wird,
dann wird der Speicher
bis auf circa 90 °C aufgeheizt
in den ersten zwei, drei Tagen Ihres Urlaubs.
Und danach passiert nichts mehr.
Dann schaltet die Solarkreis-Pumpe
hier nicht mehr ein,
weil es im Speicher
ja schon zu heiß ist und
dann brutzelt der Kollektor in der Sonne.
Das Solarfluid im Kollektor fängt dann tatsächlich an zu kochen.
Dieses verdampfende Solarfluid
drückt den Kollektor leer.
Der Dampf drückt die restliche Flüssigkeit
aus dem Kollektor.
Jetzt ist hier kein Ausdehnungsgefäß gezeichnet
aber das Ausdehnungsgefäß
würde diese Flüssigkeit dann aufnehmen.
Solche Verdampfungs-Vorgänge belasten
das Wasser/Glykol-Gemisch sehr stark
und im Kollektor kann es sehr heiß werden,
deutlich über 200 °C.
Wenn die Verdampfung des Fluids zu oft passiert,
dann wird das Glykol "gecracked",
d.h. es bilden sich Flocken und es
entsteht eine "trübe Brühe",
die kann die Wärmeübertrager zusetzen.
Das will man vermeiden
denn es ist eine Gefahr, wenn es zu oft vorkommt.
Aber es darf hin und wieder mal vorkommen,
darauf sind die Anlagen ausgelegt.
Wenn das ein flächendeckendes Problem wäre,
dann würde nicht vor allem Wasser/Glykol verwendet,
aber wenn das zu häufig vorkommt,
dann leidet dieses Wasserglykol darunter.
Es gibt eine Alternative
zum Einfüllen von Wasser/Glykol-Gemisch
nämlich:
Sie können reines Wasser einfüllen.
Das hat zunächst nennenswerte Vorteile:
Neben dem allgemeinen Vorteil,
dass natürlich,
Umwelt-, Gesundheits- und Crackgefahr des Glykols entfällt,
haben Sie auch wärmetechnische Vorteile,
denn Wasser bietet eine größere spezifische Wärmekapazität,
sprich einen größeren Cp Wert.
Der liegt dann nicht mehr bei
3,6 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin,
wie bei Wasserglykol Gemisch
(bei üblichem Mischungsverhältnis)
sondern bei 4,2 Kilojoule
je Kilogramm und Kelvin.
Sie können also mit kleinerem Massenstrom
die gleiche Wärme abtransportieren.
Der Massenstrom kann also sinken,
d.h. man braucht weniger Pumpenergie und
kann die Rohre kleiner dimensionieren - also das hat Vorteile.
Und reines Wasser hat höhere
Wärmeübergangskoeffizienten, höhere Alphawerte.
Das heißt, Sie übertragen bei gleicher Temperaturdifferenz
mehr Wärme.
Der Wärmestrom Q Punkt wird größer und
deshalb können Sie wiederum
weniger umwälzen und so weiter.
Also, auch wieder vorteilhaft.
Wenn Sie (trotz Frostgefahr) reines Wasser verwenden wollen,
dann haben Sie zwei Möglichkeiten:
zum einen können Sie das sogenannte
Aqua-System verwenden.
Da wird nämlich einfach im Winter beheizt,
immer wenn Frostgefahr ist.
Sie nehmen Energie aus dem Speicher
und durchströmen das Kollektorfeld
mit niedrig temperiertem Wasser.
Immer wenn Frostgefahr ist,
durchströmen Sie das Kollektorfeld
mit 10°C bis 20°C warmem Wasser,
sodass die Kollektoren und alle außenliegenden Bauteile
nicht einfrieren.
Der Nachteil ist natürlich der benötigte Energieaufwand.
Dieser Aufwand ist nicht hoch in der Regel,
nur 2 bis 3 %,
die man im Winter dann verschenkt.
Und unsere Winter
in Deutschland
sind in der Regel nicht mehr so kalt wie früher
durch den Klimawandel.
Diesen Nachteil muss man dann in Kauf nehmen,
zugunsten der Vorteile.
Oder man verwendet stattdessen ein "Drain-Back-System".
Das ist hier dargestellt.
Das Drain-Back-System verwendet einen Rücklaufbehälter
und immer wenn die Pumpe abschaltet,
läuft der außen liegende Teil der Solaranlage (der Kollektor) leer.
Das ist also kein System,
das ganz gefüllt ist mit Fluid,
sondern im System ist Luft
und es läuft leer, wenn die Pumpe abschaltet.
Das Drain-Back-System hat den Nachteil,
dass der Handwerker sicherstellen muß,
dass das System
auch wirklich leer läuft und
dass es nicht noch irgendwo so einen Sack gibt
oder irgendwo eine Stelle,
wo sich Wasser sammelt.
Das ist im harten Praxisalltag nicht immer gegeben.
Deshalb empfehlen manche Hersteller
trotz Drain-Back-System
das Einfüllen von Wasser/Glykol-Gemisch.
Das ist natürlich ein bisschen Banane.
Dann braucht man in jedem Fall eine erhöhte Pumpenleistung,
denn diese Pumpe muss
dann wirklich
die komplette Förderhöhe überwinden,
denn es ist ja kein geschlossenes System,
Denken Sie an den Weintank,
wo Sie einmal ansaugen
und dann läuft das von selbst weiter aus.
Das funktioniert dann nicht mehr,
weil Sie Luft im System haben.
Und Sie müssen natürlich wegen dem Luft-Sauerstoff
korrosionsfeste Materialien einsetzen.
Meine Einschätzung dazu ist:
Das hier (Systeme mit Wasser/Glykol) ist im Moment die Regel.
Das Aqua-System hat durchaus Charme.
Das Drain-BAck-System ist im Moment am Markt nicht stark vertreten.
Zum Abschluss für heute
sehen Sie das Energieflussbild einer
thermischen Solaranlage -
ausgehend links von der Endenergie,
die man einsetzt und der Globalstrahlung
bis hin zu den Nutzenergien rechts.
Wir werden das jetzt Schritt für Schritt durchgehen.
Es sieht kompliziert aus,
ist es aber nicht.
Hier als zentrales Element der Speicher
in der Mitte,
in den Energieströme reingesteckt werden und
natürlich auch wieder entnommen werden.
Und wo kommt diese Energie her?
Fangen wir hier bei der Globalstrahlung an,
die von der Sonne kommt.
Das Kürzel für die Globalstrahlung
ist G Index g.
Globalstrahlung geht in den Kollektor rein
und der Kollektor macht daraus warmes Wasser.
Das ist dann Q Kollektor, also die Wärme,
die der Kollektor abgibt.
Es treten aber auch Verluste auf,
denn dieser Kollektor setzt ja nicht die
komplette Solarstrahlung um in warmes Wasser,
sondern der Kollektor wird ja heiß
und verliert daher Wärme an die Umgebung.
So gelangt die Wärme nicht nur in das durchströmende Wasser,
oder durchströmde Luft,
sondern es entstehen die sogenannten
Kollektorverluste.
Über Wirkungsgrade werden wir uns noch unterhalten,
aber die Wirkungsgrade liegen in der Größenordnung
von etwa 50 % oder 60 %
je nach Temperatur des Kollektors.
Der Kollektor ist meistens auf dem Dach,
zumindest bei Gebäuden.
Es gibt Rohre (und Rohrverluste) von dort bis zum Speicher.
Der Speicher steht häufig im Keller,
das muß nicht immer so sein
er kann vielleicht auch besser im Dachgeschoss stehen,
damit der Weg nicht so lang ist.
Also es gibt Rohre und an denen
treten dann auch Verluste auf,
und was dann über diesen Wärmeübertrager im Speicher
eingekoppelt wird,
das ist die Wärme des Kollektorkreises
aus dem Kollektorkreis in den Speicher.
Wenn diese Wärme nicht ausreicht und
über das Jahr betrachtet,
reicht das in der Regel in Deutschland nicht aus,
dann liefert das Heizgerät
zusätzliche Wärme - in der Regel in den Speicher.
Aber in manchen Anlagenvarianten 399 liefert das Heizgerät auch direkt Nutzwärme.
Das soll hier
durch diesen rautierten Bereich angedeutet sein.
Aber das tritt nicht oft auf,
sondern nur gegebenenfalls.
Ja, das ist die Wärmelieferung hier von
Heizgerät und Kollektor, ich habe hier
die beiden Verlustströme des Heizgerätes
noch nicht angesprochen.
Klar, am Heizgerät treten auch Verluste auf.
Das arbeitet auch nicht mit 100 % Wirkungsgrad.
Und an den Rohren vom Heizgerät zum Speicher
entstehen ebenfalls Verluste.
Das Heizgerät
wird gespeist von Endenergieträgern,
von Erdgas, von Heizöl, von Strom,
wenn es eine Elektrowärmepumpe ist, oder von Holzpellets,
also Endenergieträger, die hier verwendet
und bilanziert werden.
Ja, sehen wir uns den Speicher hier nochmal an.
Es werden Energien eingekoppelt und
der erste Hauptsatz der Thermodynamik,
also die Energieerhaltung, sagt dann,
diese Energie muß da auch wieder raus.
Sprich: was hineingeht, muß auch wieder raus.
d.h. die Pfeile hier am Ausgang ergeben dann in Summe das,
was hier reingegangen ist.
Man entnimmt Nutzenergien für Heizung und Warmwasser.
noch nicht (ganz) direkt die Nutzenergien,
denn auf dem Weg vom Speicher zur Nutzung
fallen ja auch wieder Verluste an
z.B. an den Rohren oder auch sogenannte Übergabeverluste:
wenn Sie z.B.
so einen alten Warmwasserhahn haben,
einen alten Kaltwasser-Warmwasser-Hahn
und Sie fangen zunächst an,
die richtige Temperatur zu mischen,
dann sind das sogenannte Übergabeverluste,
weil Sie ja nicht von Anfang an das heiße Wasser nutzen,
sondern zuerst diese
Regelungseinstellung vornehmen.
Also am Speicher wird Wärme entnommen und als Nutzwärme
bereitgestellt und es treten natürlich
Wärmeverluste am Speicher auf.
Der Speicher ist warm und gibt Wärme an den
Aufstellraum ab.
Aus diesem Energieflussbild kann man jetzt
einzelne Kenngrößen berechnen,
nämlich den Kollektorwirkungsgrad
und den Kollektornutzungsgrad und
den Kollektorkreis- Wirkungs-/ und Nutzungsgrad.
Der Kollektor-Wirkungsgrad ist
wie immer Nutzen durch Aufwand.
Der Nutzen, sprich der Output, das ist hier Q Kollektor.
Der Aufwand, sprich der Input, ist GG
und GG wird pro Quadratmeter angegeben,
z.B. 1000 Kilowattstundenpro Quadratmeter und Jahr.
Er ist deshalb noch
mit der Kollektorfläche zu multiplizieren.
Im Mittel für ein Jahr sind das etwa 50 %,
Diese Größenordnung hatte ich gerade schon genannt.
Der Kollektorkreis wird genauso berechnet,
nur steht jetzt die Energiemenge "Q_Kollektorkreis"
im Zähler, um diesen Nutzungsgrad zu berechnen.
zur Erinnerung
erkläre ich den Unterschied
zwischen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad.
Mit Wirkungsgrad bezeichnen wir
in der Regel einen momentanen Zustand.
In dieser Sekunde ist der Wirkungsgrad
so und so groß.
Hingegen ist der Nutzungsgrad kein Momentanwert, sondern
bezieht sich immer auf zeitlich kumulierte Energiemengen,
hier auf die Energiemenge eines Jahres.
Das sind zwei Fachbegriffe,
die man auseinanderhalten kann.
Ja, und hier zwei weitere Kenngrößen.
Den solaren Deckungsgrad hatte ich vorhin schon mal genutzt
bei der solaren Nah- und Fernwärme.
Sie haben hier die Definition.
Da steht im Zähler
die Kollektorkreiswärmemenge Q Kollektorkreis
dividiert durch die insgesamt
bereitgestellte Wärme
aus Kollektorkreis und vom Heizgerät,
plus ggf "Q_Heizung direkt" dazu,
wenn es das gibt. Deshalb steht hier Summe(!) Q Heizgerät.
Also alles das, was hier
in das System eingekoppelt wird, (3 Pfeile)
steht hier unter dem Bruchstrich.
Und der Anteil der Solaranlage steht
über dem Bruchstrich.
Das ist der solare Deckungsgrad.
Und die Endenergieeinsparung ist auch eine wichtige Kenngröße.
Da vergleicht man den Zustand mit Solaranlage,
mit dem Zustand ohne Solaranlage.
Wie viel Endenergie ("Q Endenergie")
hat man ohne Solaranlage verbraucht?
Und wie viel verbraucht man mit Solaranlage?
Das zweite ist hoffentlich weniger,
d.h. hier steht hoffentlich ein positiver Betrag
und das dividiert man
durch die vorher notwendige Endenergie
und erhält dann diese Endenergieeinsparung
in Prozent.