Vom Flow und andere FAQs Fragen und Antworten zu (fast) Alltäglichem und zu Besonderheiten bei

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1 Vom Flow und andere FAQs Fragen und Antworten zu (fast) Alltäglichem und zu Besonderheiten bei thermischen Solaranlagen Flachkollektoren sind ein häufig gewordener Anblick aber so mancher Kunde fragt: Soll ich nicht besser Röhrenkollektoren montieren lassen? Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty* Solaranlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser sind heute Stand der Technik. Sie sind ausgereift, arbeiten über viele Jahre zuverlässig und mit hoher Effizienz. Ihre Planung und Ausführung ist in vielen Heizungsfachbetrieben eine Selbstverständlichkeit. Bei aller Routine tauchen jedoch immer mal wieder Fragen auf: Fragen des Anlagenbetreibers, ob er nicht besser statt des Flachkollektors einen Röhrenkollektor montieren lassen soll oder des Planers nach der richtigen Dimensionierung eines Kollektorfeldes für die Heizungsunterstützung. Wolfgang Rogatty hat die häufigsten Fragen zusammengestellt, die an die zentrale Kundenberatung des Allendorfer Heiz- und Solarspezialisten gestellt wurden (so genannte FAQs), und beantwortet sie im folgenden Beitrag. Thematisch sind die Fragen und Antworten in die Gruppen Kollektoren, Dimensionierung und Hydraulik zusammengefasst. *) Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty, Viessmann Werke GmbH, Allendorf Kollektoren Welche Unterschiede bestehen zwischen Flach- und Röhrenkollektor? Das wichtigste Bauteil jeder thermischen Solaranlage ist der Sonnenkollektor. Er fängt die von der Sonne kommende Strahlung auf und wandelt sie in nutzbare Wärme um. Sonnenkollektoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen (Bild 1) für fast jeden Anspruch und für die verschiedensten Anbringungsorte. Flachkollektoren Sie sind wegen ihres attraktiven Preis-Leistungsverhältnisses am weitesten verbreitet. In einem wärmegedämmten, rechteckigen Gehäuse befindet sich unter einer Solarglasscheibe das beschichtete Absorberblech. Darauf befestigt ist das mäanderförmig verlegte Kupferrohr, durch das die Wärmeträgerflüssigkeit (ein Wasser-Glykol-Gemisch) fließt und dabei die solare Wärme aufnimmt. Vakuum-Röhrenkollektoren Diese Bauart folgt dem gleichen Wirkprinzip wie Flachkollektoren. Die Absorber sind allerdings in einzelnen, parallelen Glasröhren untergebracht, in denen Vakuum herrscht, wodurch die Wärmeverluste sehr gering 26 IKZ-Haustechnik Heft 13 /2006

2 Bild 1: Sonnenkollektor-Programm für jeden Anspruch und jede Anwendung. Bild 3: Direkt durchströmte Vakuum-Röhrenkollektoren ermöglichen auch die Flachdachmontage ohne Untergestell. sind. In der Mitte jeder Glasröhre fließt das Wasser-Glykol-Gemisch durch ein Rohr und transportiert die Wärme weiter zu einer Sammelleitung. Wann empfiehlt sich der Einsatz von Röhrenkollektoren? Grundsätzlich sind sowohl Flach- als auch Vakuum-Röhrenkollektoren für Anlagen zur solaren Trinkwassererwärmung bzw. Heizungsunterstützung weitgehend gleich gut geeignet. Vakuum-Röhrenkollektoren haben jedoch einen etwas besseren Wirkungsgrad als Flachkollektoren (Bild 2). Um den gleichen solaren Ertrag zu erzielen, benötigen Vakuum-Röhrenkollektoren deshalb eine etwas kleinere Fläche bei ansonsten gleichen Randbedingungen (Standort, Ausrichtung usw.). Darüber hinaus liefern sie bei diffuser Strahlung, wie sie in der Übergangszeit häufig vorkommt, einen etwas höheren Ertrag. Im Jahresmittel kann so pro Quadratmeter Aperturfläche ein ca. 30 % höherer Sonnenenergiegewinn bei vergleichbarer Deckungsrate erwartet werden. Der Einsatz von Vakuum- Röhrenkollektoren ist besonders dann zu empfehlen, wenn der zur Verfügung stehende Platz zu gering ist, um den gewünschten solaren Wär- Bild 2: Beispiel für die Wirkungsgrade von Flach- (gelb) und Röhrenkollektoren (grün). Heft 13 /2006 IKZ-Haustechnik 27

3 Bild 4: In das Dach integrierte Kollektoren in farblicher Abstimmung. meertrag mit Flachkollektoren zu erreichen, höhere solare Erträge auch in der Übergangszeit gewünscht sind (z. B. zur Heizungsunterstützung), Kollektoren an senkrechten Fassaden oder ohne Aufständerung auf Flachdächern montiert werden sollen. Denn direkt durchströmte Vakuum-Röhrenkollektoren erlauben eine lageunabhängige Installation. Durch Drehen der einzelnen Röhren um ihre Längsachse können die Absorber auf die Sonne ausgerichtet werden (Bild 3), für bestimmte Anwendungen (z. B. solare Klimatisierung) höhere Temperaturen gefordert sind, Bild 5: Trockene Anbindung der Heatpipe-Röhren. mit längeren Phasen hoher Sonneneinstrahlung ohne Wärmeabnahme zu rechnen ist (z. B. bei Turnhallen während der Sommerferien). Welche Vorteile bietet die Dachintegration von Kollektoren? Die Einbauart der Kollektoren Aufdachmontage oder Dachintegration hat grundsätzlich keinen Einfluss auf die Funktionsweise. Mitunter empfinden Bauherren und Architekten über den Dachziegeln montierte Kollektoren als unschön. Als Alternative dazu bietet sich dann die Dachintegration an. Die anstelle der Ziegel in die Dachhaut eingelassenen Kollektoren sorgen in Verbindung mit ihrem farblich abgestimmten Rahmen und den ebenfalls farblich abgestimmten Eindeckblechen für einen optisch ansprechenden Gesamteindruck (Bild 4). Die Dachintegration von Kollektoren bietet sich bei Neubauprojekten mit vorgesehener Dachpfannen-Eindeckung sowie bei der Modernisierung mit gleichzeitiger Erneuerung der Dacheindeckung an. Durch die Dachintegration entfallen die Kosten für die Dacheindeckung unter den Kollektoren. Zu beachten ist, dass die Abdichtung der Kollektoren gegenüber dem Dach penibel ausgeführt wird, damit kein Regenwasser oder Schnee in das Dach eindringen kann. Welche Lebenserwartung haben Sonnenkollektoren? Für die Dauer des Nutzungszeitraumes ist vor allem die Qualität der Sonnenkollektoren entscheidend. So sollte schon bei der Konstruktion der Kollektoren auf eine solide Ausführung besonderer Wert gelegt werden. In Qualitätstests nach DIN EN werden dann Zuverlässigkeit und Effizienz auch über längere Zeiträume geprüft. Dazu werden die Flach- und Röhrenkollektoren u. a. über viele Monate unter realen Wetterbedingungen getestet. Noch einen Schritt weiter gehen die Tests, bei denen die Kollektoren extremen Witterungsverhältnissen wie z. B. Temperaturschocks, UV-Strahlung, Hagel und Sturm ausgesetzt werden. Nach Abschluss der Prüfungen werden sie zerlegt und auf eventuelle Beschädigungen untersucht. Langzeituntersuchungen an realen Anlagen haben gezeigt, dass Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren auch nach mehr als 20 Jahren noch zuverlässig Bild 6: Richtwerte für übliche Deckungsraten von Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung. und effizient Wärme erzeugen können. Wie hoch können die Stillstandstemperaturen von Kollektoren sein? Sonnenkollektoren können bei Pumpenstillstand (beispielsweise während eines Sommerurlaubs) und gleichzeitig hoher Sonneneinstrahlung Stillstandstemperaturen von über 200 C, bei Vakuumröhren sogar bis zu 280 C erreichen. Die Werkstoffe der Kollektoren sind auf diese Betriebsbedingungen ausgelegt. Da Anlagenstillstände so genannte Stagnationsphasen immer auftreten können, müssen Solaranlagen stillstandssicher ausgeführt werden. Das heißt, sie dürfen in 28 IKZ-Haustechnik Heft 13 /2006

4 diesem Betriebsfall keinen Schaden nehmen und keine Gefährdung für den Menschen oder das Gebäude darstellen. Die Absicherung der gesamten Solaranlage muss nach DIN EN 12975/12976 erfolgen. Der Kollektorkreis ist so abzusichern, dass bei der höchstmöglichen Kollektortemperatur (das sind die genannten Stillstandstemperaturen) kein Wärmeträgermedium aus dem Sicherheitsventil austreten kann. Dieses ist durch die korrekte Auslegung des Ausdehnungsgefäßes und die Anpassung des Anlagendruckes zu erreichen. Das Ausdehnungsgefäß ist so groß auszulegen, dass es bei Dampfbildung den Kollektorinhalt aufnehmen kann. Nach dem Heatpipe-Prinzip funktionierende Vakuum- Röhrenkollektoren bieten eine besonders hohe Betriebssicherheit, denn die Röhren werden nicht direkt vom Solarmedium durchströmt. Stattdessen zirkuliert ein Wärmeträgermedium in einem speziellen Absorber, verdampft bei Sonneneinstrahlung und gibt die Wärme am Kopfende der Röhre über einen Wärmetauscher an das Solarmedium ab. Diese trockene Anbindung im Sammler und eine mechanische Temperaturbegrenzung in jeder Röhre sorgen für einen zuverlässigen Schutz vor Überhitzung (Bild 5). Dimensionierung Neben den zuvor erläuterten Fragestellungen zu Sonnenkollektoren werden häufig auch Fragen zur Dimensionierung gestellt. Dabei geht es vor allem um die Deckungsrate, um die angemessene Kollektorfläche für Anlagen zur Heizungsunterstützung sowie um die Auslegung als High-, Low- oder Matched-flow-Anlage. Heft 13 /2006 IKZ-Haustechnik

5 Bild 7: Um eine Unterstützung der Raumbeheizung zu realisieren, muss die Kollektorfläche relativ groß bemessen werden. Welche Deckungsrate sollte man anstreben? Die solare Deckungsrate gibt an, wie viel Prozent der jährlich benötigten Energie für die Trinkwassererwärmung bzw. Heizungsunterstützung durch die Solaranlage gedeckt werden kann. Je größer die solare Deckungsrate, desto mehr konventionelle Energie wird eingespart. Eine Solaranlage mit übertrieben hoher Deckungsrate und damit in der Regel überdimensioniertem Kollektorfeld würde im Sommer zu viel Wärme liefern, die nicht genutzt werden kann. Deshalb steigen die Kollektorstillstandszeiten und der spezifische Ertrag (pro Quadratmeter Kollektorfläche) sinkt. Einrichtungen, die den Bild 8: Vor allem große Solaranlagen arbeiten zumeist in der Low-flow-Betriebsweise (hier eine 245 m 2 große Kollektorfläche zur Trinkwassererwärmung auf einer Wohnanlage in Luckenwalde). Wärmeüberschuss aufnehmen und in die Übergangszeit bzw. in den Winter hinüberretten, z. B. besonders große Speicherbehälter oder alternative Speichertechnologien, erfordern bisher sehr hohe Investitionskosten oder befinden sich erst im frühen Entwicklungsstadium. Bei kleineren Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung (Ein- und Zweifamilienhäuser) wird üblicherweise eine Deckungsrate von 50 bis 60 % erreicht. Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern, Wohnheimen, Hotels usw., die häufig Kollektorflächen von über 30 m 2 benötigen, werden für eine Deckung zwischen 30 und 40 % ausgelegt, da hier das Ertragsoptimum liegt (bezogen auf kwh/ m², Bild 6). Grundlage für die Beurteilung einer Solaranlage, die neben der Trinkwassererwärmung auch die Heizung unterstützt, ist der gesamte Wärmebedarf des Gebäudes. Bei modernen Niedrigenergiehäusern mit einem Energiebedarf von weniger als 50 kwh/(m² a) können Deckungsraten von 25 bis 35 % erreicht werden. Bei älteren Gebäuden bzw. Gebäuden mit einem höheren Wärmebedarf fällt diese Deckungsrate niedriger aus. Allerdings sind in solchen Gebäuden die spezifischen Erträge (in kwh/ m²) höher, da aufgrund der weniger effizienten Wärmedämmung die Heizperiode früher beginnt als beim Niedrigenergiehaus. Das heißt, es kann auch schon entsprechend früher Solarenergie an den Heizkreis abgegeben werden. Wie groß wird die Kollektorfläche bei einer Anlage zur Heizungsunterstützung? Um eine Unterstützung der Raumbeheizung zu realisieren, muss die Kollektorfläche größer als bei einer alleinigen Trinkwassererwärmung bemessen sein. Da im Sommer in der Regel keine Heizungsunterstützung benötigt wird, ist die Anlage in dieser Zeit nur für die Trinkwassererwärmung zuständig und damit für diesen Zweck erheblich überdimensioniert. Die Absicherung der gesamten Solaranlage und insbesondere die Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes sind deshalb, wie bereits weiter oben erwähnt, besonders sorgfältig vorzunehmen. Gegebenenfalls sind Vakuum- Röhrenkollektoren mit Heatpipe-Röhren zu bevorzugen. Die Kollektorfläche sollte etwa zwei bis höchstens zweieinhalb Mal so groß sein wie für die Trinkwassererwärmung (Bild 7). Die Praxis hat gezeigt, dass diese Anlagengröße in der Regel sowohl einen technisch unproblematischen als auch wirtschaftlichen Betrieb erlaubt. Diese Faustregel ersetzt allerdings keine genaue Simulationsberechnung. Viele Hersteller von Solaranlagen unterstützen ihre Partner aus dem Handwerk und den Planungsbüros mit kostenlosen Berechnungsprogrammen. Diese Software berechnet üblicherweise neben der erforderlichen Kollektorfläche auch das Speichervolumen, simuliert das Anlagenverhalten für frei wählbare Standorte und Zeiträume und liefert so auch Werte für die zu erwartenden Deckungsraten. High-, Low- oder Matchedflow-Betrieb? Solaranlagen können mit unterschiedlichen spezifischen Volumenströmen betrieben werden. Bei gleicher Einstrahlung, also gleicher Kollektorleistung, bedeutet ein hoher Volumenstrom eine geringe Temperaturspreizung im Kollektorkreis. Ein niedriger Volumenstrom erzeugt dagegen eine große Temperaturspreizung. Dann steigt auch die mittlere Kollektortemperatur, wodurch die Wärmeverluste steigen und der Wirkungsgrad entsprechend sinkt. Insbesondere in größeren Solaranlagen mit Kollektorflächen über 30 m 2 wird häufig der Low-flow-Betrieb (Betrieb mit niedrigem Durchfluss) empfohlen (Bild 8). Der Volumenstrom beträgt bei dieser Betriebsweise etwa 15 bis maximal 30 l/(h m²). Vorteile sind u. a.: Es wird schnell ein hohes Temperaturniveau im Kollektorkreis erreicht, durch den geringen Volumenstrom ergeben sich deutlich kleinere Rohrquerschnitte, die erforderliche Pumpenleistung ist geringer. 30 IKZ-Haustechnik Heft 13 /2006

6 Der High-flow-Betrieb ist die bewährte Art, um kleinere Solaranlagen (unter 30 m²) mit möglichst hohen Kollektorwirkungsgraden zu betreiben. Der mittlere Durchsatz beträgt bei Flachkollektoren ca. 40 l/(h m²), bei Röhrenkollektoren bis zu etwa 60 l/(h m²). Unter primärenergetischen Gesichtspunkten hat die Lowflow-Betriebsweise häufig leichte Vorteile gegenüber der High-flow-Betriebsweise. Eine 2003 vom Institut für Solarenergieforschung (Hameln/Emmerthal) und Viessmann (Allendorf) gemeinsam durchgeführte Untersuchung an zwei identischen Solaranlagen zeigte, dass in der Summe der solare Ertrag der im High-flow-Betrieb gefahrenen Anlage minimal höher lag. Allerdings sparte die Lowflow-Anlage durch eine geringere Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe 3,9 % Primärenergie ein. Beim Matched-flow-Betrieb wird die Anlage mit variablen Volumenströmen gefahren. Moderne Solarregelungen und drehzahlgeregelte Umwälzpumpen ermöglichen die permanente Anpassung des Volumenstromes an die aktuelle Sonneneinstrahlung. Steigt bei intensiver Sonneneinstrahlung die Temperatur im Kollektor stark an, führt dies zu höheren Wärmeverlusten und verringert seinen Wirkungsgrad. In dieser Situation erhält die Umwälzpumpe von der Regelung den Befehl, die Drehzahl und damit den Volumenstrom zu erhöhen. Der Kollektor wird nun stärker durchströmt und entsprechend schneller wird die Wärme abtransportiert. Durch dieses Verfahren wird der Kollektorwirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten und der Wärmeertrag optimiert. Hydraulik Wie werden Mehrspeicheranlagen hydraulisch eingebunden? Solaranlagen mit einem Speicherbehälter stellen den überwiegenden Teil der Anlagen. Ihre hydraulischen Verschaltungen sind dem Fachmann vertraut. Es kommt aber auch immer wieder vor, z.b. bei großen Solaranlagen, dass die räumlichen Verhältnisse die Einbringung oder Aufstellung eines einzelnen großen Speichers nicht zulassen. Werden dann mehrere kleinere Speicherbehälter zu einem System kombiniert, sollten diese seriell geschaltet werden, denn sie verhalten sich dann in etwa wie ein großer Speicher. Die Nacherwärmung des solar erwärmten Wassers durch den Heizkessel erfolgt dann immer Bild 9: Beispiel eines Anlagenschemas mit zwei in Reihe geschalteten Speichern. im letzten Speicher der Reihe (Bild 9). Fazit Da ein sehr großer Teil dieser Solaranlagen als Komplettpakete von den Herstellern angeboten werden, muss sich der ausführende Fachmann in der Regel keine Gedanken über bestimmte Details wie z. B. die Dachintegration von Kollektoren machen. Er kann sich ganz auf die fachgerechte Montage und Inbetriebnahme konzentrieren. Fragen tauchen immer dann auf, wenn Planer oder Fachhandwerker vor Aufgaben stehen, die von den üblichen und gewohnten Themen abweichen. Entsprechend betreffen auch die hier angeführten Fragen überwiegend Themen, mit denen der Fachmann vor Ort eher selten konfrontiert wird: Ob Fragen nach dem für den jeweiligen Fall am besten geeigneten Kollektor, nach der optimalen Deckungsrate, der angemessenen Kollektorfläche für die Heizungsunterstützung oder ob die Anlage besser im Lowoder im High-flow-Betrieb arbeiten sollte. Planungsanleitungen, Datenblätter sowie Montage- und Inbetriebnahmeanleitungen stehen sowohl in gedruckter Form als auch zum kostenlosen Download aus dem Internet zur Verfügung. Dazu zählen ebenfalls die kostenlosen Programme für den PC, mit denen die notwendige Kollektorfläche und das Speichervolumen berechnet werden können. Sollten die genannten Mittel zur Unterstützung nicht ausreichen, bieten viele Hersteller auch Schulungen an. So kann der Handwerker bzw. Planer mit überschaubarem zeitlichen und finanziellen Aufwand den Zugang zu diesem Markt finden. B i l d e r : Viessmann Werke, Internetinformationen: Heft 13 /2006 IKZ-Haustechnik 31