Auswahlkriterien für Solar- und Wärmespeicher

An Solar- und Wärmespeicher (Speicher-Wassererwärmer) werden bestimmte konstruktive Ansprüche und Kriterien gestellt, die aber in der Praxis nicht immer erfüllt werden.

Somit gibt es gute, weniger gute und auch Speicher, die noch nicht einmal den Namen Solarspeicher verdienen.

Für die Effizienz einer Solaranlage ist ein guter Solarspeicher ebenso wichtig, wie ein guter Kollektor!

Wichtige Qualitätskriterien, die einen Solarspeicher vom normalen Brauchwasserspeicher unterscheiden, sind:

- Form, Speichermaterial,

- Wärmedämmung,

- Wärmetauscher, Warmwasserentnahme,

- Prallplatte,

- und Schichtung.

Form

Prallplatte, Temperaturfühler

Je schlanker und höher, desto besser die Wärmeschichtung.

Verhältnis Höhe : Durchmesser > 2,5 : 1.

Anordnung des Solarwärmetauschers an der tiefsten Stelle.

Bereitschaftsvolumen im oberen Teil ca. 35-40%.

Zur Vermeidung von Verwirbelung des einfließenden Kaltwassers sollte eine Prallplatte oder ähnliche Konstruktionen eingebaut sein.

Der richtige Sitz der Temperaturfühler ist von großer Bedeutung.

Für den Solarkreis in Höhe des Solar-WT im unteren Speicherdrittel, für Nachheizung in Höhe des Nachheiz-WT.

Solarwärmetauscher (WT)

Warmwasserentnahme

In d. R. sind diese bei kleineren Solaranlagen im inneren des Speichers angebracht. Externe Tauscher werden in d. R. bei Großanlagen oder stark schwankenden Verbrauch verwendet.

Wichtig ist die richtige Einbaulage und eine ausreichend groß dimensionierte WT-Fläche.

Diese steht im direkten Zusammenhang mit der Kollektorfläche:

Tauscherfläche (m²) : Kollektorfläche (m²) = 1 : 5

Angeboten werden Rippenrohr-WT aus Cu (benötigen weniger Platz, aber Verkalkungsgefahr größer) und Glattrohr-WT aus emaillierten Stahlrohr, Edelstahl oder Cu.

Sinnvoll zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist eine Verlegung der Anschlüsse mit einer Rohrschleife nach unten.

Im Gegensatz zu normalen Brauchwasserspeichern wird bei Solarspeichern das Warmwasser nicht direkt oben entnommen.

Zur Minimierung von Wärmeverlusten gibt es verschiedene Möglichkeiten:

a) innerhalb des Speichers von oben nach unten durch einen

Bodenflansch

b) außerhalb des Speichers in der Wärmedämmung
c) mit einer Rohrschleife (Siphon) nach unten
d) Einbau einer Konvektionsbremse

Speichermaterial

Baustahl St 37-2

mit Beschichtung (emailliert oder Kunststoff). Die Beschichtung ist empfindlich, deshalb ist immer eine Schutzanode erforderlich.

Billigste Variante ist kunststoffbeschichteter Stahlspeicher.

Edelstahl

ist leichter und korrosionsbeständiger, aber wesentlich teurer und schwierig zu verarbeiten.

Kunststoff (Polypropylen)

ist leicht, absolut korrosionsbeständig und kostengünstig.

Nachteilig ist die Temperaturbeständigkeit bis max. 85°C.

Dazu ist ein spezieller Regler für die Temperaturbegrenzung notwendig.

Kunststoff ist nicht druckbeständig, die Speicher müssen drucklos sein.

Wärmedämmung

Dämmschichtdicke

mindestens 80 mm Hart- bzw. 120 mm Weichschaum.

Wärmeleitfähigkeit sollte bei λ = 0,035 W/mK, Wärmeverlust bei < 2 W/K liegen.

Der Speicherboden sollte in die Isolierung mit einbezogen sein.

Dämmmaterial

Mineralwolle wird in d. R. als Dämmung nur noch selten verwendet.

Verwendet werden PU-Hartschaum (Polyurethan),

PU-Weichschaum und Melaminharz.

PU-Weichschaum ist bzgl. nachträglicher Montage, Entsorgung etc. einfacher im Handling.

Brandgefahr

PU-Weichschaum kann eine Brandgefahr im Keller darstellen.

(spezielle brandlöschende Zusätze sind leider in d. R. noch nicht üblich)

Besonders riskant sind PU-Weichschäume, die im PVC-Mantel stecken. Polystyrol-Mäntel sind deutlich besser.

Melaminharz ist absolut brandsicher.

Der Nachteil von Melaminharz ist, dass für die Leitungsanschlüsse Einschnitte gemacht werden müssen, die später reisen können. Außerdem staubt es bei der Verarbeitung.

Temperaturschichtung

Der Bereitschaftsteil im oberen Speicherbereich wird je nach Einstellung der Kesselregelung auf ausreichend hohe Wassertemperatur (45-55°C) überwacht.

Schafft es die Solaranlage nicht, am Tage diesen Speicherbereich auf mindestens 45°C aufzuheizen, wird konventionell über den Heizkessel nachgeheizt.

Das Problem bei den einfach aufgebauten bivalenten Solarspeichern ist, dass über den Solar-WT ein großes Volumen an relativ kaltem Wasser steht.

Wird diese Menge über den Solar-WT stark erhitzt, setzt auf Grund der entstehenden Dichteunterschiede eine freie Konvektion ein, die das warme mit dem kalten Wasser vermischt.

Somit kommt es, dass trotz hoher Solarleistung nur lauwarmes Wasser zur Verfügung steht und ein Nachheizen notwendig wird.

Ein Solarspeicher wird für einen 2 bis 2,5 fachen Tagesbedarf ausgelegt.

Bei einer vollständigen Vermischung bedeutet das, dass der Heizkessel immer nachheizen muss, obwohl die Solaranlage genügend Energie bereitgestellt hat.

Wenn also eine schlechte Schichtung vorhanden ist, muss die Solaranlage das gesamte Speicherwasser beladen.

Die Solaranlage müsste also größer dimensioniert werden.

Diese negative Erscheinung hat dann auch zur Entwicklung von Schichtenladespeichern geführt.

Schichtenladespeicher

Bei diesen werden mit verschiedenen Konstruktionen und Einbauten, die erwärmten Wassermengen in die entsprechende Schicht mit gleicher Temperatur bzw. Dichte transportiert > Bild Schichtenladespeicher

Bis zu 5% solaren Mehrertrag kann die Schichtladung bringen, wenn der Speicher gut isoliert ist und das System perfekt abgestimmt ist.

Der Hauptvorteil liegt aber in einer wesentlich schnelleren Trinkwarmwassererwärmung.

Irreführender Begriff Schichtenspeicher

Leider wird von vielen Anbietern der Begriff Schichtenspeicher verwendet, ohne diesen näher in ihren Unterlagen zu erläutern.

Da eigentlich alle Solarspeicher Schichtenspeicher sein müssten und damit unterschiedliche Temperaturbereiche aufrecht erhalten können, ist der Begriff leicht irreführend.

Bei einem eindeutig als Schichtenladespeicher bezeichneten Solarspeicher sind spezielle Einbauten zur Unterstützung der Temperaturschichtung vorhanden, die z. B. aus einer Schnittzeichnung auch ersichtlich sind.

Speichersysteme

1. Bivalente Speicher-Wassererwärmer

Bivalente Speicher haben 2 Wärmetauscher für die Beladung des Speichers (z. B. den unteren für Solar und den oberen zur Nachheizung vom Heizkessel) und speichern das erwärmte Trinkwasser.  > Bild

Der Nachteil liegt in der nicht konstanten Temperaturschichtung. Diese wird bei Warmwasserentnahme durch das gleichzeitig zufließende Kaltwasser und die auf Grund der Dichteunterschiede entstehende freie Konvektion immer wieder zerstört.

Damit verkleinert sich die vom Kollektor kommende Wärmemenge.

Diesen Nachteil gleicht man durch eine größere Kollektorfläche aus.

Durch den einfachen Aufbau sind sie kostengünstig und werden in Standartlösungen in d. R. auch immer angeboten.

2. Kombispeicher*

Werden für die Warmwasserbereitung und die Erwärmung des Heizungswassers mit der überschüssigen Solarwärme eingesetzt und puffern die eingebrachte Energien von Solaranlage, Heizung, Wärmepumpe etc.

Der Kesselkreislauf wird direkt an den Speicher angeschlossen (evtl. auch über Plattenwärmetauscher)

Die Regelung ist etwas aufwendiger. Eine Temperaturschichtung wird auf verschiedene Weise erreicht:

Steuerung der Pumpen, hydraulische Ventile, usw. oder gezielte Lenkung des natürlichen Schichtungsprozesses.

Es gibt verschiedene Systeme von Kombispeichern:

2.1 Tank in Tank-Systeme

2.2 Puffersysteme

Der innere kleinere Behälter dient als Brauchwasserspeicher, im äußeren ist Heizungswasser.

Der Innenbehälter sollte aus Edelstahl sein, für den Außenbehälter genügt in d. R. Baustahl St 37-2. > Bild

Vorteile

Die Vorteile liegen in einfachen Aufbau und Regelung, geringer Platzbedarf, Nachheizwärmetauscher kann entfallen.

Nachteile:

- begrenzter Brauchwasservorrat und Nachheizvolumen

(max. 200 l Warmwasser und 600 l Pufferwasser bei Standartgrößen, die auch durch eine normale Tür passen),

- schwieriger Austausch von Teilen bei Reparaturen,

- im Sommer muss immer gesamtes Wasservolumen aufgeheizt

werden. Demzufolge ist eine zusätzliche Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung sehr zu empfehlen.

Hydraulische Einbindung  > Hydraulikschema

> Bild

Das benötigte Warmwasser in Trinkwasserqualität (keine Legionellen) wird auf unterschiedliche Art erwärmt:

a) Mit einen externen Plattenwärmetauscher, wobei das zu erwärmende Trinkwasser den Wärmetauscher im Gegenstromprinzip durchströmt und durch spezielle Konstruktionen in die entsprechenden Temperaturschichten wieder in den Speicher zurückgeleitet wird.

b) Mittels eines internen Wärmetauschers (z. B. Rippenrohr-Rohbündel-WT) als Durchlauferhitzer, welcher sich im oberen Bereich des Speichers befindet.

Ein Thermosiphon verhindert eine Zerstörung der Schichtung durch das einströmende Kaltwasser.

> Bild Solarkombispeicher

3. Pufferspeicher*

Sind sehr einfach aufgebaut und nur mit Heizungswasser gefüllt. Trinkwasser wird im Puffer selbst nicht erzeugt.

Ein besonderer Korrosionsschutz ist nicht erforderlich.

Es können verschiedene Energien gepuffert werden (von Heizung, Solaranlage, Wärmepumpe usw.).

Alle Systeme, die selbst mit Heizungswasser durchflossen sind, werden direkt an den Puffer angeschlossen.

Die Solaranlage wird in d. R. über einen Plattenwärmetauscher angeschlossen.

*) Die Begriffe Kombispeicher und Pufferspeicher sind noch nicht einheitlich standardisiert, es gibt auch noch andere Definitionen.

Durch ein optimales Verhältnis von Speichervolumen und Oberfläche sind bei diesen Großspeichern die Wärmeverluste gering.

Das Haus wird praktisch um den Speicher herum gebaut. > Bild

Bei Niedrigenergiehäusern kann der Kollektorertrag des Sommers die Raumheizung im Winter fast vollständig abdecken.

Nachteile

- Hoher Material- und Platzaufwand

- Die Wirtschaftlichkeit ist immer noch fraglich

5. Latentwärmespeicher-Technologien

Grundlagen

Latente Wärme

Lateinisch latens = verborgene Wärme

Während sensible Wärme auf Grund der Temperaturerhöhung fühlbar ist, bleibt die latente Wärme  des Phasenüberganges bei konstanten Temperaturen im Verborgenen.

Latentwärme ist die Bindungsenergie der Moleküle eines Stoffes (innere Energie).

Sie wird als Wärme beim Wechsel eines Stoffes in eine anderen Aggregatzustand (z. B. von flüssig zu fest) nutzbar.

Zum Aufspalten der Bindung von Molekülen muss zunächst Energie zugeführt werden, um den Wechsel des Aggregatzustandes zu erreichen.

Wenn also ein fester Stoff schmilzt, wird in der Phase der Zustandsänderung latente Wärme gespeichert.

Diese kann danach dem Stoff wieder entnommen werden.

Latentwärme (auch Schmelzwärme genannt) kann in einem kleinen Temperaturbereich große Energiemengen speichern.

Speichermedien

Ersatz des Wassers als Speichermedium durch andere Speichermedien, z. B. Salzhydrate, Paraffine (PCM*)

Es kann bei gleicher Speichergröße eine bis zu 3,5fach höhere Energiedichte (bis zu 120 kWh/m³, bei Wasser nur ca. 60 kWh/m³) erreicht werden.

Vorteile

- Verkleinerung des Speichervolumens

- Erhöhung der Speicherkapazität

- weniger Platz und Höhe erforderlich

- auch als Kältespeicher verfügbar

Nachteile

- z. Z. kaum praktischen Anwendung

- höhere Kosten

- Die Wirtschaftlichkeit ist immer noch fraglich

Anwendung

- Verlängerung von Brennerlaufzeiten im Teillastbetrieb

- Reduzierung von Bereitstellungsverlusten

- Speicherung von Prozesswärme und Solarenergie (z. T. auch Kälte)

- Abwärmenutzung

Probleme

Problematisch ist bei einigen Systemen die Be- und Entladung und auch, dass der Phasenwechsel nur in einem definierten Temperaturbereich geschieht.

Ansonsten ist die spezifische Wärmekapazität kleiner als die von Wasser. Vor allen bei thermischen Solaranlagen lässt sich das z. Z. schwer realisieren.

Beispiel

Zur ganzjährigen Beheizung eines Passivhauses benötigt man das Speichervermögen eines 20 m³ großen Paraffintanks.

*) PCM=phase change material=Aggregatzustand wechselndes Material

Speicherarten und erzielbare Energiedichten

Quelle: IKZ-Fachplaner 1/2007

6. Sorptionsspeicher

Wirkungsprinzip

der thermochemischen Wärmespeicher beruht auf der Adsorption von Wasser an der Oberfläche eines Sorptionsmittels (Silikalgel, Zeolith).

Wärme wird durch endotherme Reaktionen gespeichert und durch exotherme Reaktionen wieder abgegeben.

Durch Austrocknung bzw. Aufnahme von Wasserdampf wird Energie gespeichert oder abgenommen.

Speichermedium

Als Speichermedium wird z. B. Silika-Gel mit einer hohen Energiedichte von 200 - 300 kWh/m³ und geringer Wärmeverlustrate verwendet.

Diese thermochemischen Wärmespeicher sind noch in der Testphase.

Problematisch ist der hohe Preis für das Sorptionsmittel.

Die Wirtschaftlichkeit ist immer noch fraglich.

Anwendung

- alleinige Versorgung mit Solarenergie über einen längeren

  Zeitraum

- klima- und kältetechnische Anwendungen.

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