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Thermische Solaranlagen -
Planungshinweise
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Kleinanlagen |
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Richtwerte für Kleinanlagen |
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Die groben unverbindlichen
Richtwerte gelten für bis zu 4 Personen/EFH und ersetzen
nicht eine Anlagenplanung, das gilt auch für für angebotene
Komplettpakete.
Kollektorfläche
1. Trinkwassererwärmung
- Flachkollektoren: max. 1,5 m² Kollektorfläche pro Pers.
- Vakuum-Röhrenkollektoren: max. 1,25 m² Kollektorfläche pro
Pers.
2. Heizungsunterstützung
- Flachkollektoren: min. 2,25 m² Kollektorfläche pro Pers.
- Vakuum-Röhrenkollektoren: min. 1,75 m² Kollektorfläche pro
Pers.
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Größe Solarspeicher
Speichervolumen (l) = WW-Tagesverbrauch (l/d) x f
f = 1,5 bis 2 (d-1)
Die verfügbare kleinste Solar-Speichergröße liegt in d. R.
bei 300 l.
Solarwärmetauscher
Optimales Verhältnis der Wärmetauscherfläche zur
Kollektorfläche ca.:
Tauscherfläche (m²) : Kollektorfläche (m²) = 1 : 5
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Checkliste zur Anlagenplanung |
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Notwendige Daten und Angaben
1. Bauherr
- Name, Adresse (Land, PLZ, Ort, Straße, Telefon)
- Landschaft/Region/Bundesland
2. Gebäude und Standort
- priv./öffentl. Alt- oder Neubau, Baujahr
- Heizraumhöhe (bzgl. max. Speicherhöhe)
- besteht Denkmalschutz
- Höhe über NN
- bei bestehenden Gebäude Angaben über vorhandene
Heizungsanlage
2. Nutzung der Solarenergie
- Trinkwarmwasserbereitung
(bestehen besondere Anforderungen an die
Trinkwasser-Hygiene?)
- Schwimmbaderwärmung*
- Kombination Trinkwarmwasser/Schwimmbad
- Kombination Trinkwarmwasser/Heizungsunterstützung*
- Sonstiges (Prozesswärme*, Kühlung* etc.)
*) hierzu sind noch weitere, hier nicht aufgeführte Angaben
notwendig
3. Angaben zur Dachfläche (oder auch anderen
unverschatteten Aufstellflächen)
- Dacheindeckung (Dachziegel/Pfanne, Welldach etc.)
- Neigungswinkel der Dachfläche in Winkel-Grad (°)
(Winkel von 0° bis ca. 15° = Flachdach; > 15 ° bis ca.
60° = Schrägdach)
- nutzbare Dachlänge und Breite (m)
(keine Nordseite verwenden, Dachfenster etc. beachten!)
- Höhe Traufkante
(vom Erdboden bis zur Regenrinne)
- Firsthöhe (m)
- Geländehöhe (m)
(wenn z. B. eine Seite höher ist,
Hanglage)
- Einbauhöhe des Kollektors
(Differenz oberer Kollektorrand zum Geländeniveau)
- Einfache Leitungslänge vom Kollektor zum Speicher, WT,
oder Schwimmbad
4. nutzbare Montagefläche für die Kollektoren
- Länge und Breite
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5. Trinkwarmwasserverbrauch Schätzung oder Messwerte (in l/Tag)
- Anzahl der Personen im Haushalt
- niedriger (30 l), mittlerer (40 l) oder hoher (50 l)
WW-Verbrauch
6. Temperaturangaben (°C)
- gewünschte WW-Temperatur (üblich: 45 bis 55 °C)
- vorhandene KW-Temperatur Sommer/Winter
- durchschnittliche Raumtemperatur im Aufstellungsraum des
Speichers (Winter)
7. gewünschte jährliche solare Deckungsrate (%)
für Trinkwarmwasserbereitung
- z. B. durchschnittlich ca. 40%, 50% oder 60%
8. WW-Zirkulationsleitung/-Pumpe
- gewünscht mit oder ohne Zirkulation/oder schon vorhanden
- Max. Länge der Zirkulationsleitung (m)
(Entfernung vom Speicher bis zur Zapfstelle)
9. Ausrichtung der Kollektoraufstellung (Himmelsrichtung),
z. B.:
- nach Norden = 0°
- nach Osten = 90°
- nach Süd-Ost = 135°
- nach Süden = 180°
- nach Süd-West = 225°
- nach Westen = 270°
oder die dazwischen liegenden Winkelmaße, etwa in
15°-Schritten.
Bei der Betrachtung der Himmelsrichtung geht man von der
Achse des Dachfirstes (oberste Kante vom Dach) aus.
Da ein Dach aber in d. R. mindestens zwei Seiten hat, wählt
man die geeignetere als Standort für die Kollektoren.
10. Montagesystem für:
- Inn- oder Aufdachmontage
- Flach- oder Schrägdach
- Freifläche zu ebener Erde (Garten etc.)
11. Sonstige Wünsche, z. B.:
- Fachberatung Solar
- Solaranalyse etc.
Für Angaben zum Pkt. 3 und 9 sind auch Skizzen sehr
hilfreich.
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Großanlagen |
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Besonderheiten bei Großanlagen |
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Dimensionierung des Kollektorfeldes und der
Speichergröße |
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Definition Großanlagen
Anlagen mit Kollektorflächen > 30 m² und gesamten Speichervolumen >
3 m³ zählen nach EN 12977 zu den Großanlagen und erfordern eine Fachplanung,
die auch nicht durch angebotene standardisierte Paketlösungen zu ersetzen
ist.
In d. R. werden diese Anlagen z. B. im Geschosswohnungsbau,
Campingplätzen etc. zur
Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung und zunehmend auch zur
solaren Gebäudekühlung eingesetzt.
Planerische Besonderheiten
Wesentlich kritischer gegenüber Kleinanlagen (EFH, 2-FH)
sind hier die folgende Punkte zu beachten:
- Dimensionierung des Kollektorfeldes
- Befestigungen der Kollektoren (bzgl. Gebäudehöhe)
- Druckverhältnisse im System
- Auslegung
des Membran-AG
Sicherheitsventil, Wärmetauscher
Die maximale Globalstrahlung (z. B. ca. 1.000 W/m²)
wird zur Auslegung des Sicherheitsventils
und die
Auslegungsleistung (z. B. ca. 600 W/m²) zur Berechnung der Wärmetauscher
herangezogen.
Für die Kollektordimensionierung sind dies jedoch irrelevante
Werte, da es ausschließlich um spezifische Werte geht.
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Energiemengen pro Zeiteinheit
(kWh/Tag)
Die wichtigsten zu berechnenden Werte sind also zunächst:
1. Die für die Warmwasserbereitung benötigte
Energiemenge pro Zeiteinheit:
QW
= mW x cpW x ΔtW
(kWh/Tag)
2. Wie viel Energie kann die Kollektoranlage in dieser
Zeiteinheit max. gewinnen (QKoll
in kWh/Tag)
(z. B. spezifische Richtwerte im Sommer je nach Standort
qKoll
ca. 4 bis 6 kWh/m²Tag)
Stimmen diese Werte in etwa überein, so ist die gewählte Anlagengröße
rechnerisch stagnationsfrei, d. h. die erzeugte Energie kann immer sinnvoll
in das System eingebracht werden.
Trinkwarmwasserverbrauch
Richtwerte für die durchschnittliche WW-Menge pro Person
und Tag:
< 30 Pers. -> ca. 25 l/Pers.Tag
30-50 Pers. -> ca. 23 l/Pers.Tag
> 50 Pers. -> ca. 20 l/Pers.Tag
Speichergrößen
Aus den Differenzen zwischen Verbrauchs- und
Erzeugungsprofil innerhalb der betrachteten Zeiteinheit berechnen sich die erforderlichen Speichergrößen.
Richtwerte in l Speichervolumen pro m² Kollektorfläche:
20 - 30 Pers. -> 70 - 75 l/m² Koll. 51 - 70 Pers. -> 80 - 85 l/m² Koll.
31 - 50 Pers. -> 75 - 80 l/m² Koll.
71 - 100 Pers. -> 85 - 100 l/m² Koll.
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Thermische Belastung des Systems |
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Zwei Erwartungen, die sich widersprechen
Es gibt zwei Erwartungen an eine thermische Solaranlage, die
sich grundsätzlich widersprechen und somit eine frühe planerische
Grundsatzentscheidung erfordern:
1. Möglichst viel fossile Brennstoffe einsparen (hoher
Deckungsgrad)
2. Erwartung eines hohen spezifischen Ertrages (kWh/m² a) und
damit günstiger Wärmepreis.
Eine thermische Solaranlage kann diese beiden Anforderungen
nicht gleichzeitig erfüllen:
Steigt die solare Deckung, so steigt auch die mittlere
Kollektortemperatur, wobei der Wirkungsgrad der Kollektoren sinkt.
Zusätzlich steigen auch die Zeiten, in denen die Solaranlage
die am Kollektor anstehende Wärme nicht mehr an das System abführen kann.
Die Anlage schaltet dann ab.
Die VDI 6002 Blatt 1 empfiehlt, die Anlage so zu
dimensionieren, dass sie nicht geplant in Stagnation
(Stillstand) geht.
Nicht ausschließbare kurzfristige Stillstände (z. B.
Komponenten- oder Stromausfall) müssen technisch beherrscht werden.
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Solarer Ertrag und Deckungsgrad
Die solaren Erträge sollten in Deutschland > 500 kWh/m²a
liegen, die solare Deckung (Deckungsgrad) je nach Standort in der Größenordnung von
max. 40% (bei Trinkwassererwärmung).
Wird die Anlage größer ausgelegt (z. B.
Heizungsunterstützung), müssen die Konsequenzen längerer Stagnationen in die
Planung mit einbezogen werden.
Stillstandstemperatur
Bei modernen Kollektoren liegt die Stillstandstemperatur
zwischen 200°C (Flachkollektor) und 300°C (Vakuumröhren).
Verhinderung von Dampfbildung durch
höheren Druck?
In diesem Temperaturbereich ist eine Vermeidung von
Dampfbildung im Kollektor durch Erhöhung des Anlagendrucks (wie noch vor
Jahren üblich) sinnvoll nicht mehr zu erreichen.
Eine sorgfältige Anlagenplanung muss also auch die
Dampfbildung berücksichtigen.
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Dampfbildung und Auswirkung auf Wärmeträger |
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Berücksichtigung der Dampfbildung
Zentrale Aspekte sind der Aufbau und die Anschluss-Verrohung
der Kollektoren.
Hier entscheidet sich, ob das Wärmeträgermedium im Stillstand
aus den Kollektoren herausgedrückt werden kann oder ob die Anlage leer
kochen muss.
Bei ausdampffreundlichen Kollektoren und
Rohrleitungsführungen ist die Dampfproduktionsleistung (DPL) und
damit die thermische Systembelastung relativ gering.
(in Anlagen, die komplett auskochen müssen, sind unter
optimalen Bedingungen Dampfreichweiten von 25 m gemessen worden)
Vorrangiges Planungsziel sollte also immer eine
ausdampffreundliche Kollektoranlage sein, sofern die Einbaulage das erlaubt.
Für die Auslegung des MAG hat dies keine Konsequenzen.
Auslegung auf Basis der max. Dampfbildung im Kollektor und
der Leitungshöhe.
Auswirkung auf Wärmeträger
(Wasser/Glykol-Gemisch)
Glykol ist ein organisches Produkt und unterliegt einen
Verschleiß (Alterung, Frostschutzwirkung geht verloren).
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Bei Anlagen mit geringen thermischen Belastungen hält die
Mischung ca. 5 bis 10 Jahre. Eine jährliche Überprüfung im Rahmen der
Wartung ist zu empfehlen.
Größeren thermischen Belastungen ist das Glykol ausgesetzt,
wenn die Anlage häufig stagniert und wenn dies unter Beisein von Sauerstoff
geschieht.
(Bildung von organischen Säuren und Verkrustungen durch
Oxydation)
Die ständige Zufuhr von Sauerstoff ist mit Abstand das
größte Problem in den Anlagen.
Für die Anlagenplanung bedeutet dass:
- dichte Verbindungstechnik
- korrekter Betriebsdruck
- sichere Systementgasung
- keine Automatiklüfter auf dem Dach
Zusatzkosten für Wartung
Für den Anlagenbetrieb, besonders mit Heizungsunterstützung
(= lange Stagnationszeiten!) empfiehlt sich eine jährliche Messung
des Glykolgehaltes und des ph-Wertes des Wärmeträgers (evtl. Austausch).
Bzgl. der damit verbundenen Kosten muss der Anlagenbetreiber
schon in der Planungsphase darauf aufmerksam gemacht werden.
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Aufteilung der Kollektorfläche |
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Große Kollektoranlagen bestehen in d. R. aus mehreren und z.
T. auch unterschiedlich großen
Teilfeldern, deren Aufteilung und Anschluss sorgfältig geplant werden muss.
1. Gleich große Teilflächen
Die Anlagen sind problemlos und die Felder werden nach
Tichelmann angeschlossen (keine Abgleichseinrichtungen erforderlich).
Dieser Aufbau ist bei der Planung immer anzustreben.
Sofern die Auslegung eine ungerade Zahl von Kollektoren
ergibt (z. B. 21 Stck.) sollte eher auf 20 reduziert werden.
2. Ungleich große Teilflächen
Ist der Aufbau gleich großer Felder nicht möglich, müssen
Abgleicheinrichtungen gewählt werden, die einer thermischen Belastung
bis zur Stagnationstemperatur des Kollektors standhalten.
Diese Anlagen müssen bei der Inbetriebnahme und Wartung
vermessen und protokolliert werden.
Die VDI 6002 Bl. 1 empfiehlt hier eine Abweichung des
Durchflusses einzelner Felder von 10%. Die Überprüfung kann über eine
Temperaturmessung erfolgen.
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Dabei wird im Betrieb bei gutem Wetter der gemeinsame
Rücklauf der Anlage mit den jeweiligen Vorläufen der Teilfelder verglichen
und somit eine evtl. abweichende Durchströmung von einzelnen Teilfeldern
festgestellt werden.
Durch alleinige Betrachtung der gemeinsamen Vor- und Rückläufe lassen sich
keine Rückschlüsse auf die richtige Funktion der Anlage ziehen.
Verschattungen
Zur Vermeidung z. B. von Verschattungen durch Dachaufbauten
und Gebäudevorsprünge, müssen u. U. unterschiedliche Kollektorlängen
in einem Kollektorfeld miteinander kombiniert werden.
Verschaltung
Um eine gleichmäßige Durchströmung der Kollektoren zu
gewährleisten, können auch die Absorberstreifen innerhalb des Kollektors
unterschiedlich verschaltet werden:
So sollte z. B. die Durchströmung der längeren
Kollektoren parallel,
bei den kürzeren
Kollektoren mäanderförmig erfolgen.
Bei den Mittellängen ist eine Kombination aus parallel
und mäanderförmigen Schaltungen zu realisieren, sodass insgesamt
gleichmäßige Druckverluste und damit eine gleichmäßige Durchströmung
erreicht werden.
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Entlüftungsproblematik, Rohrleitungen,
Frostschutz |
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Entlüftungsproblematik
Je komplexer ein Kollektorfeld aufgebaut ist, desto
anfälliger wird es gegen Störungen (Luftverschlüsse) sein.
Luft aus Wasser/Glykol-Gemischen lässt sich wesentlich
schwerer abscheiden, als aus reinem Wasser.
Sammelt sich Luft in einem Teilfeld, so wird es nicht mehr
durchströmt. Es kommt zu Teilstagnation (hohe Belastung des Wärmeträgers,
Dampfschläge).
Eine dauerhafte Entlüftung an den Hochpunkten der Anlage (in
d. R. am Kollektor) ist nicht möglich, da das Medium dampfförmig aus der
Anlage austreten würde.
Auf dem Dach können nur Luftschrauben aus Metall als
Befüllhilfe verwendet werden.
Die Entlüftung des Mediums findet im Vorlauf der
Anlage vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager im Heizraum statt.
(die Luft muss also, gegen die Schwerkraft, vom Kollektor
kommend mit dem Wärmeträger nach unten geführt werden)
Luftabscheider oder Vakuumentgasung
Die Abscheideleistung von Luftabscheidern für
Wasser/Glykol-Gemische ist bei den Herstellern unter Beachtung auch der
statischen Höhe abzufragen.
Möglich ist evtl. auch eine höhere Platzierung der
Luftabscheider, um einen geringeren Druck zu erreichen.
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Bei übliche Betriebsdrücken einer thermischen Solaranlage ab einer Anlagenhöhe von 25 m
muss die Luft u. U. durch eine
Vakuumentgasung entfernt werden!
Dimensionierung der Rohrleitungen
Die Rohrleitungsdimensionierung sollte
Fließgeschwindigkeiten optimal zwischen 0,4 und 0,7 m/s ermöglichen.
(fließt das Medium langsamer, werden die Luftblasen nicht
mehr zuverlässig mitgezogen)
Zusammenhang zwischen zeitbezogenen Volumenstrom,
Rohrquerschnittsfläche und Fließgeschwindigkeit: V (m³/s) = F
(m²) x w (m/s)
Frostschutz
Da bei Großanlagen die Rohrleitungen des Primärkreises auf
dem Dach u. U. länger als die im Gebäude sind, ist der Einsatz einer
Frostschutzeinrichtung für den externen WT sinnvoll.
Bei tiefen Außentemperaturen kann es vorkommen, dass das
Wasser im Kollektor bereits wärmer als das im Speicher ist.
Läuft die Anlage dann an, kann es zu Frostschäden am
Wärmetauscher (WT) kommen.
Ein im Primärkreis eingebautes Motorventil mit Thermostat,
welches die Strecke zum WT erst bei >5 °C freigibt, vermeidet diese
Frostschäden.
Quelle:
IKZ FACHPLANER 11/2007
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Frischwassersysteme |
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Frischwassersysteme bestehen aus einer Kombination von
Frischwasser-Stationen und Pufferspeichern.
Sie vereinen damit die Hygienevorteile des Durchflussprinzips mit
den energetischen Vorteilen der Speicherung.
Frischwasser-Erwärmer (Frischwasserstation)
Geräte, die sonst korrekter als
Gegenstrom-Wasser/Wasser-Plattenwärmetauscher bezeichnet werden, mit denen das
Trinkwasser im Durchfluss erwärmt werden kann.
Frischwassertechnik ist also ein System, dass die bedarfsgerechte
Erwärmung des Trinkwassers bei Zapfung, auf die eingestellte Solltemperatur
gewährleistet.
Kaskadierung für große Leistungsbereiche
Anlagen mit großem Leistungsbedarf müssen mit mehreren
Frischwasser-Modulen ausgeführt werden.
Die Geräte werden dabei nach dem System „Tichelmann“ miteinander
parallel verschaltet.
Bei geringem Bedarf arbeitet nur ein Gerät, mit steigendem
Durchfluss werden weitere Geräte zugeschaltet.
Durch die Kaskadierung ist die hohe Regelgüte auch im unteren
Teillastbereich gegeben und außerdem eine hohe Verfügbarkeit gesichert.
Eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Frischwasser-Erwärmer
wird über eine Kaskaden-Rotation erreicht, d. h. nach einer bestimmten
Durchflussmenge wird die Führungskaskade und die Schaltreihenfolge gewechselt.
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Lernfähige Regelung für genau dosierte
Leistungen
Schnell veränderbare Warmwasser-Zapfraten und nichtlineares
Übertragungsverhalten des Wärmetauschers, bei unterschiedlichen
Massenströmen und Temperaturen, sind die Hauptschwierigkeiten bei der
Regelung der FWE-Ladepumpe, wenn gradgenaue Trinkwarmwassertemperaturen
ermöglicht werden sollen.
Weil die konventionelle Regelungstechnik dabei an ihre
Grenzen stößt (P-Regler, PID-Regler), kann z. B. eine „Impulspaketsteuerung“
verwendet verwendet werden.
Dieses Regelungskonzept hat eine Strategie auf der
Basis neuronaler Netze, (sehr primitive Nachahmung des menschlichen
Gehirns).
Dadurch wird der Regler „lernfähig“ und kann sein Verhalten
durch ständige Lernprozesse an die individuellen Gegebenheiten der Anlage
anpassen und optimieren.
So erfolgt die stufenlose Leistungsanpassung der
FWE-Ladepumpe mit der so genannten „Impulspaketsteuerung“, d. h. durch Ein-
und Ausschalten der Pumpe in einem bestimmten Zeitverhältnis.
Diese sehr motorschonende Strategie ermöglicht gegenüber
Frequenzmodulation oder Phasenanschnittsteuerung den größtmöglichen
Leistungsbereich von 1 bis 100 % der Maximalleistung.
Selbst im unteren Leistungsbereich ist so eine hohe Regelgüte
erreichbar. Bei der zieltemperaturgeführten Pufferspeicherladung wird die
Leistung der Speicherladepumpe ebenfalls mithilfe der Impulspaketsteuerung
so dosiert, dass die Ladetemperatur oberhalb der programmierten
Warmwassertemperatur (TWW-Temperatur plus einer einstellbaren
Temperaturüberhöhung) liegt.
IKZ-FACHPLANER · Heft 10 /2008
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Auslegung
großer Solaranlagen speziell zur Trinkwassererwärmung |
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1.
Kollektorfläche
für max. Ertrag
Besonders im Geschosswohnungsbau (Mehrfamilienhaus) geht es aus wirtschaftlichen
Gründen in d. R. um eine Optimierung des Ertrages, d. h. pro m²
Kollektorfläche soll möglichst viel Solarwärme gewonnen werden.
Dafür muss die Kollektoranlage nur so groß ausgelegt werden,
dass sie nicht stagniert (keine nicht nutzbaren Überschüsse produziert) und
die erzeugte Energiemenge jederzeit vom Warmwassersystem aufgenommen werden
kann.
Die Anlage wird somit ausgelegt für die Zeit mit dem
niedrigsten zu erwarteten Trinkwarmwasserbedarf (Schwachlastphase) bei
maximaler Sonneneinstrahlung.
Der so ermittelte Wert wird als spezifische Auslastung
(Tagesverbrauch bei 60°C in l/m² Kollektorfläche) bezeichnet.
Bei Anlagen mit hohen spezifischen Erträgen sollte ein Wert
für die Auslastung von 60 l WW-Verbrauch pro m² Kollektorfläche nicht
unterschritten werden.
Auf dieser Grundlage wird die Kollektorfläche ermittelt.
2. Kollektorfläche für max. Auslastung
Hier ist der solare Deckungsanteil zwangsläufig auf ca. 35%
begrenzt.
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Eine Erhöhung des Deckungsanteils würde zu Überschüssen
führen und somit den spezifischen Ertrag reduzieren.
Spezifische Richtwerte für die max. solare
Nutzenergie pro m² Kollektorfläche und Tag
Bei nichtbewölkten Sommertag und Südausrichtung gilt bzgl.
des Kollektorwirkungsgrades näherungsweise für:
- Flachkollektoren:
qKoll
ca. 3,4 kWh/m²Tag
(damit können ca. 60-70 l Warmwasser mit 60 °C
erzeugt werden)
- Vakuum-Röhrenkollektoren:
qKoll
ca. 4,3 kWh/m²Tag
Ermittlung Trinkwarmwasserverbrauch
Bei großen Anlagen sollte der Verbrauch gemessen
werden.
Ansonsten können die Verbrauchswerte nach VDI 6002
Teil 1
mit 22 l/Pers. Tag bei 60°C angenommen werden.
Kollektorfläche
Für den ermittelten Auslegungsbedarf über die Verbrauchswerte
wird die notwendige Energiemenge zur Erwärmung dieser Wassermenge von
10°C auf 60°C (Δt = 50 K) berechnet sowie die erforderliche Kollektorfläche zur
Erzeugung dieser Energiemenge.
Quelle: Moderne Gebäudetechnik 11/2009,
www.tga-praxis.de |
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Berechnungsbeispiel zur Auslegung der
Kollektorfläche |
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Aufgabenstellung:
Anlage mit Flachkollektoren (Aperturfläche 2,25 m²/Stück),
qKoll
= 3,4 kWh/m² Tag bei Neigung 45°, Südausrichtung,
Trinkwarmwasser für 240 Personen,
ermittelter Verbrauch 25 l/Pers.Tag,
Wassererwärmung von tW = 10 °C auf tW =
60 °C (ΔtW
= 50 K)
-> täglicher WW-Verbrauch
240 Pers. x 25 l/Pers.Tag = 6.000 l/Tag bzw. ca. 6.000
kg/Tag*
*) genaue Umrechnung von Masse in Volumen:
Masse m (kg) = V
(m³) x ς (kg/m³), ς = f (t)
-> benötigte tägliche Energiemenge
Q W
= mW x cpW x ΔtW
QW
= 6.000 kg/Tag x 0,00116 kWh/kg K x (60 - 10) K
QW
= 6.000 kg/Tag x 0,00116 kWh/kg K x 50 K
QW
= 348 kWh/Tag
-> benötigte rechnerische Kollektorfläche (Flachkollektoren)
FKoll = QW
/ qKoll
FKoll
= 348 kWh/Tag / 3,4 kWh/m²Tag = 102 m²
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-> Überprüfung der spezifischen Mindestauslastung (≥ 60 l/m²Tag)
6.000 l/Tag / 102 m² Kollektorfläche = 58,8 l/m²Tag
-> in der Praxis wird optimal eine Fläche von 100 m² gewählt
-> Überprüfung der Mindestauslastung
6.000 l/Tag / 100 m² = 60 l/m²Tag
-> rechnerische Anzahl der Kollektoren nre
nre = rechnerische Kollektorfläche (m²) /
Aperturfläche (m²/Stck)
nre = 100 m² / 2,25 m²/Stck = 44,4 Stck
Kollektoren
-> angepasste Anzahl der Kollektoren n = 44 Stck
-> angepasste Kollektorfläche
FKoll = 44 Stck x 2,25 m²/Stck = 99 m²
Erst die angepasste Kollektorfläche (99 m²) geht in die weiteren Rechnungen
(Speichergrößen, Platten-WT, Pumpen etc.) ein.
Die anzustrebende Mindestauslastung (≥ 60 l/m²Tag) liegt jetzt bei
6.000 l/Tag / 99 m² = 60,6 l/m²Tag
q. e. d.
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Konzipierung der Wärmespeicheranlage |
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1. Anlagen mit Trinkwarmwasserspeicher und Vorspeicher |
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Je kleiner der solare Deckungsanteil, desto kürzer ist die
Verweilzeit in der Speicheranlage und somit verringern sich auch die
thermischen Verluste.
Bei dem im Geschossbau typischen Verbrauchsprofil mit einer
Spitze morgens und abends müssen die Erträge der Mittagszeit
(Ertragsmaximum) nur einige Stunden gespeichert werden, da sie abends oder
spätestens am nächsten Morgen verbraucht werden.
Diese kurze Speicherzeit erhöht die Auslastung der
Kollektoren und damit die nutzbaren solaren Erträge.
Da die in kleinen Anlagen verwendeten bivalenten
Speicher-Wassererwärmer (mit zwei eingebauten Rohr-WT) in
der hier geforderten Größe nicht verfügbar und auch nicht optimal sind, wird
in d. R. dem nachgeheizten (mit Heizkessel verbunden, monovalenten)
Speicher-Wassererwärmer ein solarbeheizter Speicher-Wassererwärmer als Vorspeicher in Reihe vorgeschaltet.
Hydraulik (Beispiel)
Fließfolge:
1. Kollektor -> 2. Vorspeicher -> 3.
Speicher-Wassererwärmer (serielle Verschaltung)
Der Vorspeicher wird von der Solaranlage über den
eingebauten WT beladen oder alternativ über einen externen WT.
Das Trinkwarmwasser wird an der höchsten und wärmsten Stelle
des Vorspeichers entnommen und an der tiefsten und kältesten Stelle dem
Speicher-Wassererwärmer zugeführt und u. U. über den Heizkessel auf 60 °C
nachgeheizt.
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Richtwerte für das Vorspeicher-Volumen
- bei Flachkollektoren: ca. 50 l/m² Absorberfläche
- bei Vakuumröhren-Kollektoren: ca. 70 l/m² Absorberfläche
Thermische Desinfektion
Da wegen der Hygiene auch der Vorspeicher einmal täglich auf 60 °C
aufgeheizt werden muss, darf sich in diesem nicht mehr Trinkwasser befinden, als während der Spitzen abends und morgens gezapft
wird.
Er muss morgens wieder vollständig abgekühlt sein, um wieder
Solarenergie aufzunehmen.
Ein geeigneter Zeitpunkt für die thermische Desinfektion
(auf 60 °C) ist der späte Nachmittag.
Sofern der Vorspeicher hier schon diese Temperatur durch die
Solaranlage erreicht, unterbindet eine moderne Regelung die
Aufheizung durch den Kessel.
Anwendung
Die Anwendung mit Vorspeicher bietet bis zu max. 30
m² Kollektorfläche leichte Preisvorteile gegenüber Systemen mit
Pufferspeichern.
Bergriffe:
Andere Bezeichnungen für Speicher-Wassererwärmer in denen
sich nur Trinkwasser befindet, z. B.: Warmwasserspeicher,
Trinkwarmwasserspeicher, Warmwasserboiler.
Quelle: Moderne Gebäudetechnik 11/2009,
www.tga-praxis.de
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2. Anlagen mit Pufferspeicher und Vorspeicher |
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Die Anwendung mit Heizwasser-Pufferspeichern erfolgt
etwa ab einer Kollektorfläche > 30 m².
Um die Verluste gering zu halten, ist möglichst nur ein großer Puffer
einzusetzen, ansonsten werden mehrere Heizwasser-Pufferspeicher in Reihe
(seriell) geschaltet, um eine sichere Be- und Entladung zu gewährleisten.
Hydraulik (Beispiel)
Fließfolge:
1. Kollektor -> WT1 -> 2. Puffer -> WT2 -> 3. Vorspeicher -> 4.
Speicher-Wassererwärmer (serielle Verschaltung)
Die Wärme aus der Solaranlage wird über einen Platten-Wärmetauscher (WT1)an
den Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben (Beladekreis).
(im RL zwischen Puffer und WT1 befindet sich die Beladepumpe und zwischen
Kollektor und WT die Solarkreispumpe)
Mit der Wärme aus dem Puffer wird jetzt über einen zweiten
Plattenwärmetauscher (WT2) das Trinkwasser im nachgeschalteten
Vorspeicher erwärmt (Entladekreis).
(im RL zwischen Puffer, WT2 und Vorspeicher befindet sich auf der
Primär- und Sekundärseite des WT jeweils eine Pumpe)
Aus dem Vorspeicher gelangt das erwärme Trinkwasser auf direkten Weg und in
d. R. ohne Pumpe in den Speicher-Wasserwärmer.
Über den eingebauten und mit dem Heizkessel verbundenen Rohr-WT wird es
gegebenenfalls auf die gewünschte WW-Temperatur nachgeheizt.
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Vorspeicher-Volumen
Da neben den Speicher-Wassererwärmer auch der Vorspeicher in die thermische
Desinfektion einbezogen werden muss, sollte dieser nicht zu groß gewählt
werden.
Ein bewährter Praxiswert liegt etwa zwischen 10 und 20% des
Auslegungsverbrauchs.
Platten-Wärmetauscher WT2
Der WT entladet den Pufferspeicher und beladet den Vorspeicher.
Er wird so ausgelegt, dass der RL möglichst tief heruntergekühltes Wasser
zum Puffer transportiert.
Die Temperatur sollte ca. 5 K über der Temperatur des zulaufenden kalten
Wassers des Vorspeichers liegt.
Dazu werden mehrere Vergleichsrechnungen mit unterschiedlichen
Volumenströmen durchgeführt, wobei die stündliche Menge (Stundenspitze) 25%
des Tagesverbrauches nicht unterschreiten sollte.
(Die errechnete Leistung liegt ca. 50% über der des Wärmetauschers im
Beladekreis (WT1), sofern die Kollektorfläche mit einer Auslastung von 60
l/m² Absorberfläche berechnet wurde.
Die ermittelten
Volumenströme werden für die Auslegung der Pumpen im Entladekreis
übernommen.)
Thermische Desinfektion
Nach DVGW-Arbeitsblatt W 551 ist für Großanlagen die thermische Desinfektion
schon ab einen Speichervolumen > 400 l (nicht nur für die Vorwärmstufe
sondern aller Speicher-Wassererwärmer) mit einer durchgehenden
Austrittstemperatur am nachgeheizten Speicher von 60 °C erforderlich.
Quelle: Moderne Gebäudetechnik 11/2009,
www.tga-praxis.de
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wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen
Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.
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