Solarthermische Anlagentechnik Einleitung Als " Solarthermie " bezeichnet man die energetische Nutzung von Sonnenlicht mittels Absorption und Umwandlung in Wärme. Es hängt von der Art des absorbierenden Stoffes ab, wieviel Energie dabei aufgenommen wird. Bekanntlich sind weiße Materialien schlechte Absorber, da sie praktisch das gesamte sichtbare Spektrum des Sonnenlichts reflektieren. Am besten absorbieren schwarze Materialien. Entsprechend stärker erwärmen sich die dunklen Materialien, wenn sie der Sonne ausgesetzt sind. Das Strahlungsangebot der Sonne Jährlich trifft weltweit zehntausendfach mehr
Solarenergie auf die Erdoberfläche als wir Menschen verbrauchen. Und selbst auf der
Fläche Deutschlands übersteigt das Solarenergieangebot den Primärenergieverbrauch um
das Achtzigfache. Solarenergie ist auch in unseren Bei unseren Wetterverhältnissen besteht die Globalstrahlung im Jahresmittel zu etwa 40% aus diffuser Strahlung. Sie lässt sich nicht mit Linsen oder Spiegeln fokussieren, da sie aus verschiedenen Richtungen kommt. Konzentrierende Systeme lassen sich bei uns deshalb kaum wirtschaftlich vertretbar einsetzen. In Deutschland verwendete Solarsysteme sind so konzipiert, dass sie direkte und diffuse Solarstrahlung gut nutzen können. Die Stärke der Sonneneinstrahlung hängt stark von der Jahreszeit ab. Während an einem durchschnittlichen Januartag in Freiburg auf jeden Quadratmeter etwa eine Kilowattstunde (kWh) Solarenergie strahlt, sind es im Juli bis zu sechs Kilowattstunden. In der Jahressumme werden für Freiburg 1.184 kWh pro Quadratmeter gemessen. Rund zwei Drittel dieser Energie fallen während der Sommermonate an. Innerhalb Deutschlands unterscheiden sich die jährlichen Globalstrahlungswerte kaum: in München (1 .170 kWh/m2) werden nur 15% höhere Werte gemessen als in Hamburg (980 kWh/m2). in Wüstengebieten Südkaliforniens und in der Sahara können dagegen Werte um 2.200 kWh/m2 erreicht werden. Die Einsatzbereiche moderner, heute technisch verfügbarer thermischer Solaranlagen erstrecken sich auf folgende Anwendungen:
Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung Solaranlagen zur Warmwasserbereitung werden immer so ausgelegt, dass sie den Warmwasserbedarf während den Sommermonaten vollständig solar, d.h. ohne Einsatz einer Zusatzheizung, decken können. In der Übergangszeit und im Winter wärmen sie das Wasser nur vor. Sie ersetzen also nicht das konventionelle Brauchwasserheizsystem, sondern ermöglichen, dass um 50% bis 80% weniger Brennstoff verbraucht wird. Das heißt, über das ganze Jahr gesehen sparen sie die Hälfte bis vier Fünftel des Brennstoffs, der für die Warmwasserbereitung erforderlich ist. Die solare Warmwasserbereitung hat vor allem zwei Vorteile: 1. Im Sommer kann der Heizkessel vollständig abgestellt werden. Das ist deshalb von Vorteil, weil konventionelle Heizanlagen besonders in den Sommermonaten mit schlechten Wirkungsgraden arbeiten. Da die Leistung der Heizanlagen auf den hohen Wärmebedarf im Winter ausgelegt ist, geht sie während der Sommermonate sehr selten und dann nur kurz in Betrieb. Die ausgekühlte Brennkammer muss dann erst wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden und arbeitet dabei mit einem schlechten Wirkungsgrad. 2. Den Heizkessel im Sommer abzuschalten heißt auch, Schadstoffe zu reduzieren. Sein Betrieb verursacht durch die häufigen und kurzen Brennerstarts in den Sommermonaten überdurchschnittlich hohe Stickoxid- (NOx) und Kohlenmonoxid- (CO) Emissionen. Zweikreissysteme mit Zwangsumlauf Bei den meisten Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung, die derzeit installiert werden, sind Solarkreis und Brauchwasserkreis voneinander getrennt. Denn um Frostschäden zu vermeiden befindet sich im Solarkreis ein frostsicheres Wärmeträgermedium, das nicht mit dem Brauchwasser in Kontakt gelangen darf. Dieses Medium wird im geschlossenen Solarkreislauf von einer Pumpe umgewälzt. Systeme mit diesem vom Brauchwasserkreislauf getrennten Solarkreislauf nennt man Zweikreissysteme. Funktionsweise: im Solarkreislauf befindet sich ein frostsicheres Wärmeträgermedium (meist ein Wasser-Glykol-Gemisch). Die Regelung setzt die Pumpe dann in Betrieb, wenn die Temperatur am Kollektor einige Grad über der Temperatur des unteren Speicherteils liegt und transportiert dadurch die Sonnenenergie zum Brauchwasserspeicher. Die Energieübertragung an das Brauchwasser erfolgt über einen Wärmetauscher. Im Winter und in der Übergangszeit dient die Solaranlage zur Vorwärmung des Brauchwassers, das dann im oberen Speicherbereich über einen zweiten Wärmetauscher mit dem konventionellen Heizsystem nachgeheizt wird. Vorteile: Dieser Anlagentyp ist am weitesten verbreitet. Deshalb haben Solarbetriebe damit die meiste Erfahrung. Planung und Installation ist daher für die meisten Betriebe kein Problem, ebenso die Einbindung in bereits vorhandene Heizungsanlagen. Außerdem sind mit diesem Anlagentyp im Vergleich mit den nachfolgenden die größten Energieeinsparungen möglich, vorausgesetzt die Regelung ist optimal eingestellt. Nachteile: Für Regelung und Pumpe wird zusätzlich elektrische Energie benötigt. Bei ungenügender Dämmung der Leitungen kann es zu großen Wärmeverlusten kommen, besonders dann, wenn sehr lange Leitungen erforderlich sind. Solarsysteme zur Raumheizungsunterstützung Solaranlagen zur Raumheizungsunterstützung werden in den letzten Jahren immer häufiger installiert. Im Gegensatz zu Brauchwasseranlagen müssen sie damit fertig werden, daß Angebot und Nachfrage jahreszeitlich versetzt sind: in den Wintermonaten besteht der größte Bedarf an Heizenergie, während nur wenig Sonneneinstrahlung zur Verfügung steht. Im Sommer hingegen kann viel Sonnenenergie geerntet werden, gleichzeitig wird jedoch keine Energie zum Heizen, sondern nur für die Warmwasserbereitung benötigt. Die vollständige Beheizung eines Hauses mit Solarenergie ist zwar grundsätzlich möglich, setzt allerdings voraus, dass genügend Solarenergie im Sommer geerntet und bis in den Winter gespeichert wird. Dafür sind riesige Warmwassertanks mit 80 Kubikmeter Fassungsvermögen und mehr notwendig. Im Sommer werden diese Tanks mit Solarenergie bis auf 90 Grad Celsius aufgeladen. Im Laufe des Winters wird die gespeicherte Wärme entnommen. Nachteile von solchen Langzeitwärmespeichern sind die hohen Kosten und der große Platzbedarf: Aufgrund ihrer Größe müssen diese Speicher als Teil des Hauses eingeplant werden und sind somit nur in speziell dafür konstruierten Neubauten einsetzbar. Daher kommt diese Variante wohl nur für wirkliche Enthusiasten in Frage und wird hier nicht weiter beschrieben. Wer auf die Langzeitspeicherung verzichtet, kann dennoch im Frühjahr und Herbst mit einer Solaranlage zur Raumheizungsunterstützung seinen öl- oder Gasbedarf für die Heizung deutlich senken. Eine solare Raumheizung hat ihren größten Nutzen in der Übergangszeit. Im Winter wird nur wenig mehr Solarenergie gewonnen als mit einer Anlage zur Brauchwassererwärmung. Ein solares Heizsystem kann bei einem gut gedämmten Haus 20% bis 30% des öl- oder Gasbedarfs für Heizung und Warmwasser einsparen. Für ein Einfamilienhaus ist dafür eine Kollektorfläche von 10 bis 20 m2 und ein Pufferspeicher mit einem Fassungsvermögen von 750 bis 1.500 Litern Heizungswasser erforderlich. Grundvoraussetzungen für die
Installation einer Minimaler Heizenergiebedarf: Erst sparen, dann erzeugen. Dieses Motto gilt beim Heizen ebenso wie bei der Warmwasserbereitung. Bevor man eine Solaranlage zur Raumheizungsunterstützung einbaut, sollte der Heizenergiebedarf des Hauses durch alle möglichen Maßnahmen der Energieeinsparung und der passiven Solarenergienutzung auf ein Minimum reduziert werden. Der Heizenergiebedarf sollte auch bei einem älteren solar versorgten Haus auf keinen Fall höher liegen als 80 kWh/m2 im Jahr. Eine Wohnung mit 100 Quadratmetern Wohnfläche verbraucht bei diesem Bedarf jährlich rund 800 Liter Heizöl. Technisch und wirtschaftlich machbar sind heute sogenannte Niedrigenergiehäuser. Sie sind mit einer mindestens 20 cm starken Wärmedämmung ausgestattet, haben eine winddichte Gebäudehülle ohne Wärmebrücken, besitzen meist kontrollierte Lüftungssysteme und sind nach architektonischen Prinzipien gebaut, die eine optimale Nutzung der durch die Fenster einfallenden Solarenergie ermöglichen. Ein Niedrigenergiehaus verbraucht nur 40% bis 60% der Heizenergie, die ein Haus benötigt, das nach der gültigen Wärmeschutzverordnung gebaut ist (also ca. 40 bis 60 kWh/m2 Wohnfläche im Jahr). Bei Solarhäusern, die so gebaut sind, dass die Einstrahlung der Sonne und die Wärme der Abluft optimal genutzt werden können, liegt der Verbrauch sogar unter 20 kWh/m2 pro Jahr. Niedertemperaturheizung: Je geringer die Vorlauftemperatur im Heizsystem ist, desto geringer sind auch die auftretenden Betriebstemperaturen im Kollektor. Dies führt zu hohen Wirkungsgraden des Kollektors und somit auch zu hohen Solarenergieerträgen. Deshalb sollten Solarsysteme zur Raumheizungsunterstützung nur in Verbindung mit sogenannten Niedertemperaturheizsystemen verwendet werden. In Frage kommen hier Wand- und Fußbodenheizungen, sowie großflächige, konventionelle Radiatorheizungen. Grundsätzlich sind alle genannten Heizungssysteme etwa gleich gut geeignet, solange die maximale Vorlauftemperatur 55°C bis 60°C nicht übersteigt. Der Planungs- und Installationsaufwand bei großflächigen Radiatorenheizungen liegt deutlich unter dem von Wand- und Fußbodenheizungen, und die Radiatoren sind außerdem deutlich preiswerter. Fußbodenheizungen bieten dagegen einen höheren Komfort. Eine kombinierte solare Raum- und Brauchwasserheizung hat üblicherweise drei Kreisläufe: den Solarkreislauf, den Brauchwasserkreislauf und den Heizungskreislauf. Da sich im Heizungskreislauf kein Trinkwasser befindet, können einfache Stahlspeicher verwendet werden. Diese sogenannten Pufferspeicher sind aufgrund ihrer einfacheren Ausführung deutlich preiswerter als übliche Brauchwasserspeicher. Marktgängig sind derzeit vier verschiedene Anlagenkonfigurationen deren Vor- und Nachteile nachstehend erläutert werden. Zweispeichersysteme: Ein Zweispeichersystem besteht aus einem Brauchwasserspeicher und einem Pufferspeicher für die Heizung Funktionsweise: Solarenergie wird sowohl in den Brauchwasserspeicher als auch in den Pufferspeicher eingespeist. Vorrangig wird der Brauchwasserspeicher mit Solarenergie beladen. Die Umstellung auf den Pufferspeicher erfolgt mit einem Motorventil. Die Pumpe im Solarkreis läuft an, wenn der Temperaturunterschied zwischen Kollektor und unterem Speicherteil genügend groß ist, um Wärme zu übertragen. Damit auch bei fehlendem Sonnenschein immer Wärme zur Verfügung steht, wird der obere Teil beider Speicher - das sogenannte Bereitschaftsvolumen - von einem Öl- oder Gaskessel stets auf Temperatur gehalten. Vorteile: Die Solarenergie kann immer in den Speicher eingespeist werden, der momentan das niedrigste Temperaturniveau hat. Dadurch wird der Solarkreis optimal abgekühlt, und es werden hohe Kollektorwirkungsgrade erreicht. Der Pufferspeicher muss nur in der Heizperiode betrieben werden . Nachteile: Da zwei Speicher verwendet werden, sind die Wärmeverluste des Systems relativ hoch. Außerdem muss genügend Platz im Heizungskeller vorhanden sein. Die Regelung ist vergleichsweise aufwendig und kann nur vom ausgewiesenen Fachmann montiert werden. Eine Variante dieses Anlagenprinzips ist das Zweispeichersystem mit Speicherladevorrichtung. Im Unterschied zum Zweispeichersystem wird hier nur der Pufferspeicher mit Solarenergie beladen. Der Brauchwasserspeicher wird dann über einen Wärmetauscher vom Pufferspeicher beheizt. Aufbau und Regelung werden dadurch vereinfacht, der Nachteil der hohen Wärmeverluste bleibt. Der Pufferspeicher muss bei diesem Anlagenkonzept ganzjährig betrieben werden. Kombispeichersystem Bei diesem Anlagenprinzip wird ein spezieller Speicher verwendet, bei dem der Brauchwasserspeicher in den Pufferspeicher eingebaut ist. Funktionsweise: Der unisolierte Brauchwasserspeicher befindet sich im Pufferspeicher. Im unteren Bereich wird der Pufferspeicher solar erwärmt. Bei ungenügender Einstrahlung kann das obere Speicherdrittel über einen konventionellen Kessel nachgeheizt werden. Das Brauchwasser wird über die Oberfläche des innenliegenden Speichers erwärmt. Der Heizkreis wird direkt aus dem Puffer gespeist. Vorteile: Dieses System ist platzsparend, einfach zu regeln und dadurch auch wenig störungsanfällig. Im Vergleich zum Zweispeichersystem sind Sie Wärmeverluste geringer, da nur ein Speicher verwendet wird. Das System ist relativ preiswert. Nachteile: Die Temperatur des Bereitschaftsteils, der vom Kessel beheizt wird, muss ganzjährig höher sein als die Brauchwassertemperatur. Falls der innenliegende Brauchwasserspeicher nicht über die gesamte Höhe des Pufferspeichers reicht, sondern nur im oberen Teil untergebracht ist, wird in die Temperaturschichtung im Speicher bei jeder Brauchwasserzapfung zerstört. Das wirkt sich negativ auf den Solarertrag aus. Speichersystem mit Durchlauferhitzer zur Brauchwassererwärmung Beim System mit Durchlauferhitzer erfolgt die Brauchwassererwärmung über einen externen Wärmetauscher, der aus dem Pufferspeicher beladen wird oder aber über eine Rohrschlange, die im Pufferspeicher untergebracht ist. Dieses System benötigt daher keinen Brauchwasserspeicher. Funktionsweise: Die Solarenergie wird über einen Wärmetauscher in den unteren Teil des Pufferspeichers eingespeist. Das Bereitschaftsvolumen im oberen Teil wird vom Kessel beheizt. Wird zur Brauchwassererwärmung ein externer Wärmetauscher benutzt, muss eine Regelung dafür sorgen , dass im Falle der Brauchwasserzapfung eine Pumpe warmes Wasser aus dem Puffer durch den Wärmetauscher pumpt. Wenn das Brauchwasser über einen innenliegenden Wärmetauscher erwärmt wird, ist diese RegeIung nicht notwendig (analog dem Prinzip des Kombispeichersystems). Vorteile: Das System hat vergleichsweise geringe Wärmeverluste, da nur ein Speicher verwendet wird. In Kombination mit einer optimalen Regelung sind hohe Energieeinsparungen erzielbar. Nachteile: Wird ein externer Wärmetauscher zur Brauchwasserererwärmung verwendet, ist eine aufwendige und teure Regelung notwendig Bei einem internen Wärmetauscher ergeben sich deutliche Minderungen des Solarenergieertrages , falls dieser nur im oberen Teil des Puffers untergebracht ist. Denn dann wird bei jeder Brauchwasserzapfung die Temperaturschichtung im Speicher zerstört. Die Bauteile einer Solaranlage Nun werden wir und in diesem Kapitel die einzelnen Bauteile einer Solaranlage näher anschauen. Das Verständnis der Einzelkomponenten und ihres Zusammenspiels hilft bei der Planung einer eigenen Anlage und der Bewertung von Herstellerangeboten. Kollektoren Im Solarkollektor wird die Sonneneinstrahlung in Wärme umgewandelt. Das Funktionsprinzip eines Kollektors entspricht dem eines Treibhauses. Die Sonnenstrahlung tritt durch eine transparente Fläche ein und trifft auf den sogenannten Absorber, der sich erwärmt. Absorber bestehen meist aus schmalen Metallblechstreifen, an denen Rohre befestigt sind. Durch diese Rohre wird die Wärmeträgerflüssigkeit gepumpt, die die Wärme aufnimmt und zum Speicher transportiert. Die gebräuchlichsten Kollektortypen sind der Flachkollektor und der Vakuumröhrenkollektor. Flachkollektoren Der Absorber ist in einen flachen Kasten eingebaut, dessen Rückseite und Seiten isoliert sind und der vorne mit einer Glasscheibe abgedeckt ist. Die Solarstrahlung durchdringt zunächst die Glasabdeckung, wobei ein geringer Anteil bereits vor Eintritt in den Kollektor an der Glasoberfläche reflektiert wird. An der schwarzen Oberfläche des Absorbers wird die Solarstrahlung dann zu großen Teilen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch den Absorber wird eine Wärmeträgerflüssigkeit gepumpt, die die Sonnenenergie aufnimmt und abtransportiert. Manche Hersteller bieten auch Flachkollektoren mit einer zusätzlichen Kunststofffolie hinter der Glasscheibe an. Diese Folie verringert zwar die Wärmeverluste, senkt jedoch gleichzeitig die Lichtdurchlässigkeit. Hauptsachlich wird durch diese Maßnahme die Windempfindlichkeit des Kollektors verringert. Denn durch die Folie bleibt die Temperatur der Glasscheibe niedrig und der Wind kann die Wärme nicht so gut abtragen. Diese Kollektoren eignen sich daher insbesondere für windreiche Gebiete. Die Wärmeverluste von Flachkollektoren können auch durch eine Abdeckung aus transparenter Wärmedämmung (TWD) vermindert werden. Dieses Material besteht aus wabenförmig strukturiertem Kunststoff und steht senkrecht zum Absorber. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass die Dämmeigenschaften der Abdeckung wesentlich verbessert, die Lichttransparenz hingegen nur geringfügig beeinträchtigt wird. Transparente Wärmedämmmaterialien sind bislang nur auf
Kunststoffbasis verfügbar. Sie sind daher wegen ihrer unzureichenden
Temperaturbeständigkeit für den Einsatz in konventionellen Flachkollektoren
problematisch. Denn obwohl die Kollektortemperaturen im Normalbetrieb deutlich unter 100
Grad Celsius liegen, kann der Kollektor im Stillstand ( d.h. wenn ihm keine Energie
entnommen wird ) durchaus Temperaturen über 200 Grad Celsius erreichen. Dann besteht die
Gefahr, dass das Kunststoffmaterial schmilzt. Vakuumröhrenkollektoren Bei Vakuumröhrenkollektoren sind die einzelnen Absorberstreifen in evakuierten, d.h. luftleeren Glasröhren untergebracht. Die Kräfte auf das Glas, die durch den Unterdruck im Inneren der Röhre entstehen, können durch die Röhrenform sehr gut aufgenommen werden. Ein zusätzlicher Vorteil von Vakuumröhren besteht darin, dass sie gedreht werden können und so ungünstige Dauhausrichtungen oder Neigungen ausgeglichen werden können. Bei Verwendung von Vakuumröhrenkollektoren muss der Hersteller das Vakuum über viele Jahre garantieren können, da die Funktionsfähigkeit dieses Systems stark beeinträchtigt wird, sobald Luft in die Röhre eintritt. Die Absorberstreifen sind dann mit einem geschlossenen Wärmeträgerrohr verschweißt, das mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Die Wärme wird in einem eigenen Verdampfungs- und Kondensationskreislauf in jeder einzelnen Röhre an einen gemeinsamen Sammler abgegeben Erst dort wird sie von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und zum Solarspeicher abtransportiert. Die Wahl des richtigen Kollektortyps hängt von vielen Faktoren ab. Kosten, Verlässlichkeit, aber auch Ästhetik spielen eine Rolle Auf eine hohe Wirksamkeit, verbunden mit geringen Kosten also auf das Preis-Leistungs-Verhältnis - sollte bei der Kaufentscheidung geachtet werden. So kann es durchaus sein, dass zwei kostengünstige Kollektoren mit geringem spezifischen Solarertrag zusammen mehr Solarenergie zur Verfügung stellen, als ein hoch effizienter, aber teurer Kollektor mit hohem Solarertrag. Speicher Energienachfrage und Sonneneinstrahlung sind in der Regel zeitlich versetzt. Deshalb wird bei einem Solarsystem ein Speicher benötigt. Sonst könnte nur geduscht oder geheizt werden, wenn die Sonne scheint. Ein Solarsystem muss in der Lage sein, soviel Energie zu speichern, dass ein bis zwei Schlechtwettertage ohne Sonnenschein überbrückt werden können. Daher werden im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen größere Speicher, sogenannte Solarspeicher, eingesetzt. Für die unterschiedlichen Anwendungen (Brauchwassererwärmung und Raumheizungsunterstützung) werden verschiedene Speichertypen eingesetzt. Einerseits gibt es Solar-Brauchwasserspeicher, in denen das erwärmte Trinkwasser gespeichert wird. Andererseits werden bei Anlagen zur Raumheizungsunterstützung sogenannte Pufferspeicher eingesetzt, die kein Trinkwasser enthalten und direkt an den Heizkreislauf angeschlossen sind Wichtige Eigenschaften, die jeder Solarspeicher aufweisen sollte. geringe Wärmeverluste: Die Dämmung muss ausreichend stark (mindestens 8 bis 10 cm) und lückenlos ausgeführt sein. Die technische Kenngröße für den Wärmeverlust ist der Wärmeverlustwert (mit der Einheit Watt pro Kelvin WIK). Er beschreibt, wieviel Wärme bei einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Umgebung vom Speicher abgegeben wird. Sein Wert sollte möglichst gering sein. Wärmeverlustwerte können immer nur bei Speichern mit gleichem Volumen verglichen werden. Eine ungenügende Dämmung wirkt sich in jedem Fall negativ auf die Energieeinsparung aus. Temperaturschichtung: Die Beladung und Entnahme von Wärme sollte möglichst ohne Zerstörung der Temperaturschichtung erfolgen. Eine ausgeprägte Temperaturschichtung ist für Solarspeicher aller Bauarten erwünscht. Der untere Teil, in dem sich der Solarwärmetauscher befindet, sollte möglichst auf niedrigem Temperaturniveau gehalten werden, während der Obere auf Solltemperatur geheizt wird. Damit kann ein hoher Kollektorwirkungsgrad erreicht werden, da ein Kollektor am besten bei niedrigen Betriebstemperaturen arbeitet. Wenn andererseits durch eine gute Temperaturschichtung die Vermischung der warmen oberen Speicherschichten mit den unteren verhindert wird, muss der Kessel zur Nachheizung nicht so oft anspringen. Eine gute Temperaturschichtung wirkt sich auf jeden Fall positiv auf die Energieeinsparung aus. Solarspeicher werden in unterschiedlichen Ausführungen angeboten, die sich in Materialwahl und Speicherprinzip unterscheiden. Wärmetauscher Alle Solaranlagen mit einem frostgeschützten Solarkreislauf benötigen einen Wärmetauscher, der die Solarwärme auf den Brauchwasser- oder Heizkreislauf überträgt. Man unterscheidet interne und externe Wärmetauscher. Externe Wärmetauscher sind meist sogenannte Plattenwärmetauscher und befinden sich außerhalb des Speichers. Sie zeichnen sich durch hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Platzbedarf aus. Im Vergleich zu internen Wärmetauschern sind die Investitionskosten bei externen jedoch deutlich höher. Bei Großanlagen werden externe Wärmetauscher mit Umschaltungseinrichtungen für mehrere Speicher verwendet. Das hat den Vorteil, dass für mehrere Speicher nur ein Wärmetauscher benötigt wird, mit dem jeder Speicher effektiv beladen werden kann. Interne Wärmetauscher sollten stehend eingebaut werden. Außerdem ist eine Gegenstromführung günstig für deren Leistungsfähigkeit. Gegenstrom bedeutet, dass die Solarerwärmte Wärmeträgerflüssigkeit im Wärmetauscher von oben nach unten geführt wird. Damit die Wärmeübertragung effektiv ist, muss der Solarwärmetauscher ausreichend groß gewählt werden. Folgende Dimensionierungen können empfohlen werden: Glattwandrohr: 0,20 m2 pro m2 Kollektorfläche Rippenrohr: 0,30 bis 0,40 m2 pro m2 Kollektorfläche Frostschutzmittel Als Wärmeträgermedium im Solarkreislauf wird üblicherweise Wasser mit Glykol gemischt. Im Vergleich zu reinem Wasser besitzt das Gemisch eine geringere spezifische Wärmekapazität (Fähigkeit Wärme zu speichern), einen tieferen Gefrierpunkt und eine höhere Viskosität (Zähigkeit der Flüssigkeit). Dies führt dazu, dass zur Umwälzung des Wärmeträgers eine höhere Pumpenleistung erforderlich wird. Es sollte daher nur so viel Frostschutzmittel zugesetzt werden, wie die Frostschutzgrenze unbedingt erforderlich macht. Bis -20°C ist eine Konzentration von ca. 40% ausreichend Aber auch für tiefere Temperaturen muss die Konzentration nicht erhöht werden, denn in dem 40%-Gemisch gefriert das Wasser nur zu einem Eisbrei, der keine Sprengwirkung hat. Die Flüssigkeit enthält auch Bestandteile, die das System vor Korrosion schützen. Die Konzentration sollte daher 30% nicht unterschreiten, ansonsten erlischt in der Regel die Herstellergarantie. Rohrleitungen Grundsätzlich sollte darauf geachtet werden, dass die Verbindungsleitungen zwischen Kollektor und Speicher möglichst kurz sind, so dass möglichst wenig Wärmeverluste entstehen. Rohrleitungsmaterial und Rohrverbindungen müssen folgenden Anforderungen genügen:
Als Rohrleitungsmaterial wird heute nahezu ausschließlich Kupfer verwendet. Die Rohrdurchmesser für eine gewöhnliche 5 m2 Solaranlage liegen bei 15 bis 18 mm. Kleinere Durchmesser führen zu hohen Druckverlusten und damit zu höherem Stromverbrauch der Solarpumpe. Größere Durchmesser sind teurer und erhöhen die Trägheit des Solarsystems. Eine relativ neue Art, Kollektoren zu verbinden, sind flexible Edelstahl-Wellrohre, die von verschiedenen Herstellern angeboten werden. Da sie in die jeweilige Position gebogen und mit Schraubverbindungen angeschlossen werden, können sie die Montage auf dem Dach erheblich erleichtern. Aufwendige Lötarbeiten sind somit nicht mehr nötig. Allerdings sind sie etwas teurer als Kupferleitungen. Dämmung der Rohrleitungen Oft besteht die Meinung, dass Zuleitungen zur Solaranlage nicht so gut gedämmt werden müssten, weil sie ja nur im Sommer laufe. Diese Ansicht ist falsch, da die Kollektorzuleitungen im Betrieb sehr heiß werden können. Im Normalbetrieb sind Temperaturen von 60°C üblich und im Hochsommer werden oft 100°C und mehr erreicht. Bei solchen Temperaturen nicht zu dämmen, wäre eine ungeheuere Energieverschwendung. Der Speicher sowie alle heißen Anschlüsse, Rohre und Verbindungsstücke müssen daher gut isoliert werden. Nur Pumpen dürfen nicht gedämmt werden, da sie sonst heißlaufen. Je länger die Verbindungsleitung zwischen Kollektor und Speicher ist, desto wichtiger wird die Dämmung der Rohrleitungen. Die Dämmdicke sollte mindestens dem einfachen Rohrdurchmesser entsprechen. Eine 18 Millimeter dicke Kupferleitung sollte folglich eine Dämmstarke von 18 Millimetern aufweisen. Die Dämmaterialien müssen einer kurzfristigen Temperaturbelastung bis 160°C standhalten können . Erhöhte Anforderungen bestehen bei der Dämmung von Außenleitungen, da sie kein Wasser aufnehmen dürfen und UV-beständig sein müssen. Vielfach werden EPDM-Schaumstoffe eingesetzt. Aber auch Faserdämmstoffe (Mineralfaser, Schafwolle) können verwendet werden. Diese müssen jedoch mit einem Blechmantel gegen Feuchtigkeit geschützt werden. Aktuelle Förderprogramme für thermische Solaranlagen Die einzelnen Programme von Bund und Ländern können unter folgenden Homepages ausführlich nachgelesen werden: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. |
Breitengraden eine Energiequelle mit einem enormen Potential. Solarstrahlung
besteht aus diffuser und direkter Strahlung. Sonnenlicht, das an Wolken, Dunst und Nebel
gestreut wird, trifft aus verschiedenen Richtungen und damit als diffuse Strahlung auf die
Erdoberfläche. Direkte Solarstrahlung erreicht die Erdoberfläche ohne vorherige
Streuung. Beide Strahlungsformen addieren sich zur Globalstrahlung. Die Anteile der
direkten und der diffusen Strahlung sind je nach Standort sehr unterschiedlich. In
einstrahlungsreichen Gegenden der Erde, wie beispielsweise der Sahara, herrscht vor allem
die direkte Strahlung vor. Hier können Techniken eingesetzt werden, mit denen sich die
Solarstrahlung konzentrieren lässt. Mit den hohen Temperaturen, die dabei entstehen,
lassen sich auch sehr heiße Prozesse und selbst Dampfturbinen zur Stromerzeugung
betreiben. Vor allem in den USA wurden solarthermische Großanlagen zur Stromerzeugung
bereits weitreichend erprobt.