Thermische Solaranlagen - Hinweise & Kriterien

Betriebsverhalten und Probleme von Solaranlagen

Problem Stillstandszeit

Maßnahmen

(Quelle: Dipl.-Ing. T. Krause, SBZ15/16-2003)

Besonders bei Anlagen zur Heizungsunterstützung treten im Sommer zeitweise Stillstandszeiten mit hohen Stillstandstemperaturen bis 200°C auf, die eine Belastung der Anlage zur Folge haben.

Höchste Systemdrücke und damit Temperaturbelastungen treten an klaren Tagen mit wechselnder Bewölkung auf.

In der Praxis kann es zu folgenden Problemen kommen, die stark vom Anlagentyp und weiteren Faktoren abhängig sind:

1. Verstopfungen im Kollektor, Verengung der Rohrquerschnitte
(reversible Auflösbarkeit von Korrosionsschutz-Inhibitoren auf Salzbasis ist bei hohen Stillstandstemperaturen nicht mehr gewährleistet). Damit verringert sich die Kollektorleistung.

2. Öffnen des Überdruckventils trotz einer richtigen Auslegung des Ausdehnungsgefäßes

3. Kondensationsschläge

4. Frühzeitige Alterung des Wärmeträgers und dadurch verursachte Ablagerungen

Um die Belastungen für die Anlage so gering wie möglich zu halten, sind vom Hersteller, Planer und Installateur Fachkenntnisse über die genauen Vorgänge beim Stillstand erforderlich.

Auf die folgenden Punkte ist zu achten:

1. Kollektorverschaltung (seriell statt parallel)

2. Abfluss der Flüssigkeit aus allen Absorberbereichen frei nach unten durch Schwerkraft (Anschlüsse von unten)

3. Wahl des Systemdruckes

4. Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes

5. Art der Leitungsführung von wärmebeaufschlagten Absorber- oder Sammlerrohren (Länge der horizontalen Rohre, Rohrsenken)

6. Auswahl und Zusammensetzung des Wärmeträgermediums, Maßnahmen zur Vermeidung zu früher Alterung

7. Anordnung der Rücklaufgruppe

8. Speicheraufstellung (nicht oberhalb der Unterkante Kollektoranschluss)

Typische Installationsfehler

Luft im Solarkreis

Veränderter Wärmeträger

Häufigster Fehler ist das Spülen und Befüllen mit ungeeigneten Pumpen über einen zu geringen Zeitraum.

Geeignet sind Pumpen mit großen Volumenströmen und hohen Druckdifferenzen.

Die Folgen sind u. a. schwankende Systemdrücke, Geräusche des Leitungssystems und Leistungseinbusen aufgrund des schlechten Wärmeübergangs in den Kollektoren.

Ergänzt wird dieser Mangel durch falsch platzierte (nicht am höchsten Punkt) sowie ungeeignete (automatische) Entlüftungssysteme.

(Quelle: Christian Keilholz3)

Ein hohes Temperaturniveau der Anlage (bei Kollektoren mit Stillstandstemperaturen >240°C), unfachmännische Befüllung, unzulässiges Nachfüllen mit Wasser und undichte Leitungen führen zu einer erhöhten Alterung des Wärmeträgers.

Die Folgen sind u. a. Abnahme der Frost- und Korrosionssicherheit, was sich im optischen (Braunfärbung) und chemischen (Reduzierung des Frostschutzes und des ph-Wertes <7) Verhalten zeigt.

Mangelhafte Fühlermontage

Wärmeverluste durch Fehlzirkulation

Solaranlagen arbeiten bei allen Steuer- und Regelungsvorgängen mit geringen Temperatur-Schaltdifferenzen von wenigen Kelvin.

Durch falsche oder ungenaue Fühlerposition und schlechten thermischen Kontakt werden falsche Informationen an die Regelung geliefert, was zu einem falschen Regelungsverhalten bis zum vollständigen Ausfall der Funktion führen kann.

Der WW-Speicher hat häufig in der Nacht ohne aktive Wärmeentnahme einen erhöhten Wärmeverlust.

Bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Speicher und Kollektor kann - bei fehlender oder defekter Schwerkraftbremse im Vorlauf bzw. fehlenden Siphon an den Speicheranschlüssen - eine "Ein-Rohr-Zirkulation" im Vorlauf auftreten.

Diese führt in Form eines Wärmeübertragers zu deutlich überhöhten Wärmeverlusten.

Ungenügende Wärmedämmung

Fehlende Abblasleitung

Besonders im bereich der Dachdurchführung, bei Durchbrüchen und bei den Speicheranschlüssen trifft man auf ungenügende oder fehlende Wärmedämmung der Leitungen.

Dadurch werden die Wärmeverluste erhöht und der solare Nutzungsgrad vermindert.

Fatale Folgen für Leib und Leben kann die fehlende Abblasleitung und Ableitung in ein geeignetes Gefäß haben.

Das Ansprechen des Sicherheitsventils bei unzulässigen Überdruck (Membranriss im Ausdehnungsgefäß) führt zum Austritt von Flüssigkeit oder Dampf.

Ungeeignete Zirkulationsanbindung

Größe und Anschluss Ausdehnungsgefäß (MAG)

Durch den "üblichen" Anschluss der Zirkulationsleitung an den WW-Speicher wird (über den Trinkwasseranschluss des Trinkwarmwasser-Mischers) ca. 40 grädiges Trinkwarmwasser in die unteren Speicherregionen geführt.

Das Schichtungsverhalten wird dadurch deutlich verschlechtert und somit kommt es zu einer Ertragsminderung der Solaranlage.

Zumindest bei den Standartsteuerungen der Zirkulationspumpe mit Zeitschaltuhren ist bei längeren Laufzeiten der Zirkulationspumpe eine spezielle Verrohrung erforderlich.

Das MAG muss neben der Volumenänderung des flüssigen Wärmeträgers auch das vollständige Volumen der Verrohrung des Absorbers aufnehmen können.

Bei Dampfbildung während der Stillstandsphase kann die Flüssigkeit im Absorber durch den Dampf vollständig in die Leitungen gedrückt werden.

Bei einer Unterdimensionierung des MAG wird u. a. das Sicherheitsventil abblasen.

Das ist aber nur bei unzulässigen Anlagenüberdruck zulässig, und nicht (wie oft behauptet) schon in der Stillstandsphase (z. B. Sommerurlaub)

Durch einen falschen Anschluss des MAG von unten steigt die thermische Last der Membran durch steigende Temperatur und es sammelt sich Luft unter der Membran.

Diese kann nicht entfernt werden. Es kommt zu Druckschwankungen.

Falsche Positionierung des 3-Wege-Ventils (HU)

Bei Anlagen zur Heizungsunterstützung (HU) dient das 3-W-Ventil zum Einbringen solarer Wärme in das Heizungssystem.

Es kann nur effizient arbeiten, wenn es an der kältesten Rücklaufleitung montiert ist, um einen frühzeitigen und längeren Energiegewinn zum ermöglichen.

Bedingt durch das Schichtungsverhalten des WW-Speichers kann die eingestellte Maximaltemperatur an der Solarregelung im oberen Speicherbereich deutlich überschritten werden.

Um die Verbrühungsgefahr zu verhindern, ist der Einbau eines Trinkwarmwasser-Mischers zwingend geboten.

Zudem sichert er auch die Materialeigenschaften der Trinkwarmwasser-Leitungen ab.

Mangelnde Temperaturbeständigkeit, Dampfleistung (HU)

Wird die Solaranlage auch noch zur Heizungsunterstützung (HU) genutzt, so treten zusätzlich weitere Fehlerquellen auf.

Bei Hochleistungskollektoren mit einer Stillstandstemperatur > 240°C ist eine mangelnde Temperaturbeständigkeit der beteiligten Komponenten anzumerken.

Die verwendeten Materialien halten den auftretenden Temperaturen im Kollektorbereich nicht stand.

Die Dampfleistung, besonders bei Kollektoren mit geringen k-Werten, wird häufig unterschätzt.

Der Dampf kann über zweistellige Meterlängen in das System transportiert werden, was zu temperaturbedingten Schädigung an entfernten Stellen führt.

Fehlende Schutzfunktion der Regelung (HU)

Fehlende Dokumentation

Bein Anlagen mit Heizungsunterstützung treten hohe Temperaturen und Stillstand wesentlich häufiger auf.

Es muss sichergestellt werden, dass der Solarkreis bei hohen Systemtemperaturen nicht anlaufen kann.

Kühlfunktionen sollten bis zu einem bestimmten Temperaturniveau zwar aktiviert, aber bei leistungsstarken Kollektoren nicht überschätzt werden.

Die max. Speichertemperatur von in d. R. 95°C darf nicht überschritten werden.

Die (nach der allgemein anerkannten Regeln der Technik vorgeschriebene) Dokumentation, die auch sichtbar aufgehängt werden muss, wird bei den wenigsten Anlagen angetroffen.

Besonders die Hinweise bei Druckabfall, Störungsmeldungen, Abblasen des Sicherheitsventils etc. sollten in Anlagennähe sichtbar sein.

Die Druckprobe der hydraulischen Kreise muss mit Datum und Unterschrift schriftlich festgehalten werden.

Einsatz von Wärmezählern in Solaranlagen

Anforderungen an solartaugliche Wärmezähler

Das Volumenmessteil

Standartwärmezähler, wie sie zur Abrechnung und Verteilung der Heizkosten eingesetzt werden, können nicht eingesetzt werden.

Solar-WZ müssen weitere Bedingungen erfüllen:

- Volumenmessteil muss für höhere Temperaturen ausgelegt sein

- Beimischung von Frostschutzmittel darf Volumenmessung nicht

  beeinflussen

- Rechenwerk muss die geänderten physikalischen Eigenschaften

  der Solarflüssigkeit bei der Energienessung berücksichtigen

Voraussetzungen bei Volumenmessteilen

Die bei Stillstand der Solaranlage entstehenden Temperaturen von ca. 100°C im Rücklauf müssen die Messwerke aushalten.

Aus diesem Grund dürfen die WZ auch nicht im Vorlauf eingebaut werden.

Bei Flügelradzählern wird die Drehung auf verschiedene Art in den "trockenen Bereich" übertragen.

Gemessen wird der Durchfluss in m³/h oder l/h.

Bei der herkömmlichen Magnetkupplung spielt die Beschaffenheit des Mediums keine Rolle.

Es sind jedoch auch Übertragungstechniken möglich, bei denen Probleme mit der Beimischung von Glykolen auftreten können (Abstimmung mit Hersteller notwendig).

Das Rechenwerk

Spezielle Rechenwerke

Das Rechenwerk rechnet den mit dem Volumenmessteil ermittelten Durchfluss, der gemessenen Temperatur und Zeitdauer in die gewonnene Energiemenge (kWh) um.

Handelsübliche Rechenwerke sind auf Wasser als Trägermedium ausgelegt.

Frostschutzmischungen haben eine andere Wärmekapazität* und Dichte als Wasser.

*) Wärmekapazitäten: Wasser 4,20 kJ/kg K,

Wasser mit 50% Antifrogen bei 0°C ca. 3,55 kJ/kg K)

Somit muss bei einer Solaranlage für die gleiche Wärmeübertragung mehr Flüssigkeit umgepumpt werden als bei normalen Heizkreisen.

Das Rechenwerk muss also die Art der Solarflüssigkeit und die Konzentration erkennen können.

Bei der Bestellung des WZ muss die verwendete Solarflüssigkeit angegeben werden.

Schwieriger gestaltet sich das bei der Konzentration.

Wird die Solarflüssigkeit vor Ort erst gemischt, kann sich evtl. das endgültige Mischungsverhältnis erst bei Inbetriebnahme einstellen.

Der WZ sollte also über die Möglichkeit verfügen, den prozentualen Anteil an Frostschutzmittel vor Ort einstellen zu können (z. B. in 5%-Schritten).

Messrichtigkeit

Flügelradzähler sind für Solaranlagen am besten geeignet.

Selbst magnetisch-induktive und Ultraschallzähler werden durch durch Solarflüssigkeit (Glykol-Wassergemisch) stärker beeinflusst als handelsübliche Flügelradzähler.

Korrekt angepasste Rechenwerke weisen lediglich 0,2% Messfehler auf. Diese Genauigkeit kann durchaus mit geeichten Zählern mithalten.

Problem Heizkostenabrechnung - Verteilung der Kosten bei Solaranlagen

Die Erfassung der Wärmeenergie mit Solar-WZ spielt eine immer wichtigere Rolle.

Nahe liegend wäre dass auch die Verteilung der  ermittelten kWh für die Heizkostenabrechnung verwendet werden kann.

Doch die Anrechnung der Solarenergie ist nicht ohne weiteres möglich:

Heizkostenverordnung

Nach der Heizkostenverordnung können nur entstandene Kosten verteilt werden. Für die Erzeugung der Solarwärme sind aber keine Kosten entstanden. Somit können auch keine Kosten (außer Betriebstrom) abgerechnet werden.

Des weiteren dürfen für eine Heizkostenabrechnung nur geeichte Geräte verwendet werden.

Die rechtlichen Grundlagen für die Eichung von Solar-WZ fehlen momentan aber noch.

Sicherlich wird das aber in Zukunft möglich sein, da die technischen Voraussetzungen bei modernen Solar-WZ gegeben sind.

Bis dahin profitieren aber alle Verbraucher weiterhin an den durch die Solaranlage zustande gekommenen niedrigeren Energiekosten.

Solaranalyse

Wie ermitteln für Ihr Objekt vor Ort Solarertrag, Energieeinsparung und Deckungsgrad pro Monat und Jahr, sowie im Rahmen von Lösungskonzepten auch die Kosten Ihrer zukünftigen Solaranlage und vergleichen Produkte diverser Hersteller.

Für Großobjekte ist generell zusätzlich eine Planung über ein unabhängiges Ing.-Büro zu empfehlen.

Eine Solaranalyse ist der Garant für eine effektive Solaranlage und sichert Sie gegen Fehlentscheidungen ab.

Wir finden für Sie die optimale Solaranlage und halten uns dabei weniger an kernige Werbesprüche und warme Versprechungen von Herstellern oder Verkäufern, sondern nur an die messbaren physikalischen Daten und unsere praktischen Erfahrungen!

 !  Eine unabhängige Solaranalyse empfehlen wir besonders bei Angeboten mit

- konkurrenzlos preisgünstigen großen Kollektorflächen (Solardach)

- großen Energieeinspar-Versprechungen ohne Nachweis

- ohne Angabe von nachvollziehbaren Kollektordaten.

Solarsimulation

In d. R. können mit einem Simulationsprogramm z. B. folgende Parameter ermittelt werden:

Verfügbare Einstrahlung [kWh/m²]

Verfügbare Solarstrahlung auf die geneigte Oberfläche des Kollektors.

Kollektorwirkungsgrad [%]

Ausbeute des Kollektors, ohne Leitungs- und Speicherverluste.

Energiebedarf Trinkwarmwasser [kWh]

Warmwasserverbrauch, Speicher- und Zirkulationsverluste inbegriffen.

Heizbedarf [kWh]

Aufzubringende Heizenergie (Energiebedarf Heizung), um die monatliche Heizlast des Gebäudes zu decken.

Kühlbedarf [kWh]

Aufzubringende Kühlenergie, um die monatliche Kühllast des Gebäudes zu decken bzw. den Heizenergiebedarf des Schwimmbades.

Nachheizenergie [kWh]

Zusätzlicher externer Energiebedarf, wenn die Solarenergie nicht ausreicht.

Solarenergieertrag [kWh]

Solarer Wärmeertrag nach Abzug der solaren Speicher-/Systemverluste.

Solarer Deckungsanteil [%]

Zum Warmwasserbedarf, Heizen/Kühlen/Schwimmbad beitragender nutzbarer Anteil der Solarenergie

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

  Weiter/zurück zu Solarthermie/ Photovoltaik

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