STRATEGIEN ZUR VERMEIDUNG VON UNZULÄSSIGEN TEMPERATURBELASTUNGEN AN ANLAGENKOMPONENTEN IM STAGNATIONSFALL

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1 STRATEGIEN ZUR VERMEIDUNG VON UNZULÄSSIGEN TEMPERATURBELASTUNGEN AN ANLAGENKOMPONENTEN IM STAGNATIONSFALL Christian Fink, Robert Hausner Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE Feldgasse 19, A-8200 Gleisdorf Tel.: / 5886, Fax: DW c.fink@aee.at, r.hausner@aee.at 1 Einleitung Das Stillstandsverhalten ist für einen langjährigen, zuverlässigen und möglichst wartungsfreien Betrieb von thermischen Solaranlagen sehr wichtig. Insbesondere bei Anwendungen zur solarthermischen Heizungsunterstützung rückt das Thema Stillstandsverhalten in das Blickfeld von Herstellern und Betreibern, denn diese Anlagen befinden sich im Sommer aufgrund fehlender Last sehr häufig im Stillstand. Dieser Betriebszustand stellt für alle Komponenten im Kollektorkreis eine erhöhte Belastung dar, die sich deutlich von der Belastung bei normalen Betriebsbedingungen unterscheidet. Es wurden hohe Temperaturbelastungen und dadurch verursachter Ausfall von Systemkomponenten und Lecks im Technikraumbereich beobachtet. Öffnen des Überdruckventils, obwohl die üblichen Auslegungsrichtlinien bezüglich Ausdehnungsgefäßgröße und Druckverhältnisse eingehalten wurden, trat auf und über Geräuschbelästigungen durch Kondensations-Druckschläge in Primär- und Sekundärkreis wurde von Seiten der Anwender geklagt. Aus diesem Grund wird in dem von der EU-unterstützten Projekt»Stagnation Technology for Thermal Solar Systems«(CRAFT-JOULE-Programm) mit den Firmen Sonnenkraft, Solvis, Technische Alternative, Tyforop und Scherzinger Pumpen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE und der AEE - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE, das Verhalten thermischer Kollektorsysteme im Stillstand untersucht. Im Vordergrund steht hierbei, genauere Erkenntnisse über den Verlauf der Temperaturen und Drücke im System bei Stillstandssituationen zu bekommen. Die Arbeiten sollen die Firmen unterstützen, um ihre Anlagen und Komponenten im Hinblick auf unproblematisches und zuverlässiges Stillstandsverhalten weiterzuentwickeln. Zu diesem Zwecke wurden vom Fraunhofer ISE messtechnische Untersuchungen an Testsystemen sowie von der AEE Insitu Messungen an drei Feldanlagen über zwei Sommerperioden durchgeführt. Neben der Erfassung und der Analyse der Vorgänge im Zustand der Stagnation wurden von der AEE Strategien zur Vermeidung unzulässiger Temperaturbelastungen an Anlagenkomponenten entwickelt und diese messtechnisch an den drei Feldanlagen untersucht. Der nachfolgende Bericht zeigt Ergebnisse und Erkenntnisse aus den von der AEE durchgeführten messtechnischen Untersuchungen zur Vermeidung bzw. Reduktion der Temperaturbelastung von Anlagenkomponenten im System.

2 2 Messtechnische Ausrüstung Drei solare Kombisysteme mit problembehafteten Stagnationsverhalten wurden aus einer Vielzahl von Anlagen ausgewählt, messtechnisch ausgerüstet und über zwei Sommer vermessen. Erfasst wurden dabei: die solare Einstrahlung in Kollektorebene die Umgebungstemperatur die Temperaturverteilung im Kollektorfeld Temperaturen an Vor- und Rücklaufleitungen im Primärkreis Temperaturen an Vor- und Rücklaufleitungen im Sekundärkreis Temperaturen am Wärmetauscher Temperaturen am Ausdehnungsgefäß der Druck in Vor- und Rücklauf der Druck am Ausdehnungsgefäß die Strömungsgeschwindigkeiten in Vor- und Rücklauf Beispielhaft für die drei Messanlagen wird in der nachfolgenden Abbildung das hydraulische Schaltbild mit Messpunkten der Anlage Tuttner gezeigt. Meßanlage Tuttner Globalstrahlung: W/m² T12 T10 T7 T6 T4 T2 T1 T11 T9 T5 T3 Vorlauf T13 T12 T10 T7 T6 T4 T2 T1 8,11 m 7,10 m 5,3 m Rücklauf T17 dp-vor dp-rück T15 T14 p-rück p-vor Kellerdecke 2,70 m Rohrebene 2,51 m 2,10 m 1,83 m M 1:100 M 1:50 3 m³ Energiespeicher T18 T16 p-ag T19 T20 1,70 m 1,30 m Bezugsniveau - 0,32 m Abbildung 1: Hydraulisches Schaltbild (maßstäbliche geodätische Höhen) und Messpunkte der Anlage Tuttner

3 3 Temperaturbelastung von Systemkomponenten infolge von Stagnation Die Vorgänge während Anlagenstagnation können in fünf unterschiedliche Phasen geteilt werden (Rommel, Lustig, Hausner, Fink, 2000). Phase 1 Flüssigkeitsdehnung Phase 2 Ausdrücken der Flüssigkeit aus dem Kollektor durch erste Dampfbildung Phase 3 Leersieden des Kollektors Phase mit Sattdampf Phase 4 Leersieden des Kollektors Phase mit Sattdampf und überhitztem Dampf Phase 5 Wiederbefüllen des Kollektors Als kritischste Phase des Stagnationsvorganges für Anlagenkomponenten und Wärmeträgermedium erweist sich die Phase 3 Leersieden des Kollektors in Verbindung mit Sattdampf. Marktübliche Kollektoren sind üblicherweise so konstruiert, dass am Ende der Phase 2 mehr oder weniger kleine Mengen des Wärmeträgers in Absorber- bzw. Sammelrohren in flüssiger Form vorhanden bleiben. Der noch im Kollektor vorhandene flüssige Teil muss vollständig verdampfen und bestimmt dadurch die Zeitdauer der extremen Temperaturbelastungen der Anlagenkomponenten (inkl. des Wärmeträgers) und die Reichweite des Sattdampfes. Nach dem Prinzip des Wärmerohres wird hierbei sehr effektiv Energie bei nahezu gleichbleibender Temperatur von der Wärmequelle (Kollektor entsprechend des Wirkungsgrades bei hohen Temperaturen) bis zu allen Wärmesenken (Rohrleitungen, Armaturen, etc.) transportiert. Das Sattdampfvolumen nimmt solche Ausmaße an, bis die Oberflächenverluste der mit Sattdampf gefüllten Bereiche im Gleichgewicht mit dem vorherrschenden Kollektorertrag stehen. In den Messungen konnte gezeigt werden, dass in allen drei Feldanlagen Sattdampf bis zum externen Wärmetauscher im Technikraum und in Extremfällen auch bis in das ungedämmte Membranausdehnungsgefäß gereicht hat. Weiters konnte Sattdampf sogar im Sekundärkreis (Speicherkreis) des Solarsystems festgestellt werden. An der Anlage Tuttner wurden im Zuge der messtechnischen Untersuchungen keine systemtechnischen Änderungen vorgenommen, weshalb an dieser Messanlage die Darstellung von Häufigkeiten verschiedener Temperaturen im System durchgeführt wurde. Abbildung 2 zeigt deutlich Höhe und Häufigkeit der Temperaturbelastung der Komponenten in der Anlage Tuttner über ein Sommerhalbjahr (Mai bis September). Die Temperaturmaxima im Heizhaus lagen in diesem Betrachtungszeitraum etwa bei 150 C.

4 Temperatur Dachraum Vorlauf Keller Vorlauf Keller Rücklauf Zulauf Ausdehnungsgefäß 100,0000 AG Gas AG Medium Sek. nach WT Sek. vor WT 10,0000 1,0000 0,1000 0,0100 0,0010 0, Häufigkeit % C Abbildung 2: Häufigkeiten verschiedener Systemtemperaturen im Betrachtungszeitraum Mai 2000 bis September 2000 (1% entspricht 36,7 h; 0,01% entsprechen 22 min) Die Zeitdauer dieser Maxima betrug für den Messpunkt Keller Vorlauf etwa 26 Stunden, für den Messpunkt Keller Rücklauf etwa 10 Stunden. Deutlich ist auch die häufig auftretende Dampfbildung auf der Sekundärseite des Wärmetauschers ( Wärmetauscher sek. Vorlauf ) infolge von Wärmeleitung zu erkennen. Die maximal aufgetretene Temperatur am Ausdehnungsgefäßzulauf lag bei 150 C, die maximale Mediumstemperatur im Ausdehnungsgefäß bei 105 C. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die realen Temperaturbelastung in marktüblichen Solarsystemen im Stagnationsfall häufig über den von den Komponentenproduzenten empfohlenen Einsatzgrenzen liegen und somit zu Schäden an Komponenten bzw. zur Reduktion der Anlagenlebensdauer und daraus resultierend zu unzufriedenen Endkunden führen. 4 Strategien zur Minimierung der Temperaturbelastung an Systemkomponenten 4.1 Vermeidung des Stagnationszustandes mittels Nachtkühlung Diese Strategie beruht darauf, dass der Stagnationszustand durch ein nächtliches Fortkühlen der Tageserträge vermieden wird. Zu diesem Zweck werden die Solarkreispumpen nach erfolgter Speicherbeladung wieder eingeschaltet und Teile des Energiespeichers über das Kollektorfeld in der Nacht abgekühlt. Der Abkühlungsgrad des Speichers wird durch zwei Kriterien festgelegt. Einerseits muss der Stagnationszustand am nächsten Tag vermieden werden können und andererseits muss die Deckung des Warmwasserbedarfs des zu versorgenden Objektes gewährleistet sein. An der Messanlage Bauer wurde die Strategie der Nachtkühlung untersucht. Im wesentlichen war von Interesse, ob das Potential der Nachtkühlung groß genug ist, die

5 Tageserträge zu kompensieren bzw. die Entwicklung der Speichertemperaturen während einiger aufeinanderfolgender, einstrahlungsreicher Sommertage zu beobachten. Zu diesem Zweck wurden die Solarpumpen über 5 einstrahlungsreiche Tage durchgehend betrieben (Abbildung 3). Da die Anlage Bauer einen Schichtspeicher mit innenliegendem Schichtenlader besitzt, musste zur Durchmischung des Speichers eine weitere Pumpe auf der Wärmeabgabeseite des Heizungssystems in Betrieb genommen werden. Bei durchgehendem Pumpbetrieb steigt in diesen sehr einstrahlungsreichen Tagen (Einstrahlungen über 1000 W/m²) die Speichertemperatur nicht an. Wurden am ersten Tag nach der Nachtkühlung knapp 60 C sekundärseitige Rücklauftemperatur (entspricht der Temperatur im Energiespeicher unten) gemessen, so lag diese die darauffolgenden Tage jeweils am Ende der Nachtkühlung bei ca. 50 C. Abbildung 3 zeigt den Verlauf der Einstrahlung in Kollektorebene bzw. den Verlauf der Systemtemperaturen im Untersuchungszeitraum Strahlung, Außentemperatur Globalstrahlung Außentemperatur Strahlung [W/m²] Temperatur [ C] : : : : : : : :30 Zeit 0 Globalstrahlung und Außentemperatur bis Temperaturen T7 Sam. 7 T17 Rückl Keller T21 Vorl sek. T20 Rückl sek. T18 Vorl Keller Temperatur [ C] : : : : : : : :30 Zeit Kollektortemperatur und Temperaturen in Primär- bzw. Sekundärkreis bis Abbildung 3: Verlauf der Einstrahlung und Außentemperatur bzw. einiger Systemtemperaturen im Betrachtungszeitraum Damit konnte gezeigt werden, dass bei durchlaufenden Pumpen der Stagnationszustand im System Bauer während eines sehr einstrahlungsreichen Zeitraums vermieden werden kann. Als negativ bleibt bei dieser Strategie aber der zusätzliche Einsatz von Primärenergie zu bewerten. Dieser könnte durch geregeltes Schalten bzw. durch eine

6 Drehzahlregelung der Pumpen zwar minimiert werden, reduziert aber trotzdem die Arbeitszahl des Solarsystems. Zusätzlich ist das System bei Stromausfällen oder anderen Defekten (an Regelung, Pumpen, etc.) nicht stagnationssicher. 4.2 Abfuhr der im Stagnationsfall über Dampf transportierten Energie Einsatz eines kleinvolumigen Kühlkörpers Um die sehr hohen Temperaturen an Anlagenkomponenten im Heizhaus infolge Energietransport über Dampf vermeiden zu können, wurde an der Messanlage Scheucher der gezielte Abtransport der Kollektornutzleistung im Stagnationsfall über ein kleinvolumiges Zusatzgefäß mit großer Oberfläche im Rücklauf des Systems untersucht (Abbildung 4). Dieser Kühlkörper wird automatisch wirksam, wenn das Flüssigkeitsniveau im Rück- und auch im Vorlauf (kommunizierende Gefäße, Rückschlagklappe im Technikraum öffnet) unter das Niveau des Kühlkörpers sinkt und damit ein weiteres Absinken dieses Flüssigkeitsniveaus verhindert. Ein temperaturbeständiges Rückschlagventil oder ein über die Regelung betätigtes Zwei-Wegeventil verhindert eine Kühlwirkung im Normalbetrieb der Anlage. Abbildung 4: Gezielte Abfuhr der über Dampf transportierten Energie mit einem kleinvolumigen Kühlkörper Prinzipschaltbild Die in einem Zeitraum von einem Monat durchgeführten messtechnischen Untersuchungen zeigten die Wirksamkeit des Prinzips. Die Temperaturen an Vor- und Rücklauf im Technikraum stiegen nicht über 110 C an, was keine unzulässige Belastung der Anlagenkomponenten verursacht. Die maximal vom Kühlkörper abzuführende Leistung betrug bei der Anlage Scheucher (50 m² Kollektorfläche) etwa 3 kw Einsatz des externen Wärmetauschers und der Sekundärkreispumpe Eine weitere Möglichkeit die sehr hohen Temperaturen an Anlagenkomponenten im Technikraum infolge von Energietransport über Dampf vermeiden zu können, stellt das an der Messanlage Bauer versuchte Prinzip des Abtransportes der Kondensationsenergie über den externen Wärmetauscher bei laufender Sekundärkreispumpe dar (Abbildung 5).

7 Abbildung 5: Gezielte Abfuhr der über Dampf transportierten Energie mittels drehzahlgeregelten Pumpbetriebes im Sekundärkreis Prinzipschaltbild Steigt die Temperatur am primärseitigen Wärmetauscherzulauf über die zu erwartende Sattdampftemperatur (bei der Messanlage Bauer wurden als Schaltwert 120 C angenommen), wird die Sekundärkreispumpe in Betrieb genommen und die über Dampf transportierte Energie in den Speicher abgeführt. Messtechnische Untersuchungen hierzu haben die Funktion des Prinzips bestätigt. Im Betrachtungszeitraum hat beispielsweise die Zulauftemperatur zum Ausdehnungsgefäß nicht über 85 C betragen. Vor Inbetriebnahme der Wärmetauscherkühlung betrugen die Maxima des Ausdehnungsgefäßzulaufes in der Regel etwa 140 C. Um die Anlagenkomponenten vor unzulässig hohen Temperaturen zu schützen, ist es bei dieser Variante aber nötig, den externen Wärmetauscher räumlich höher als die Komponenten zu montieren. Da die Phase, in welcher große Leistungen über Dampf transportiert werden (Leersieden des Kollektors), relativ kurz ist, erfolgt auch keine Überhitzung des Energiespeichers sowie kein wesentlicher Anstieg des Primärenergiebedarfs durch den Pumpenbetrieb. 4.3 Optimierung des Entleerungsverhaltens von Kollektoren Zusammensetzung der Rücklaufgruppe Entscheidend beeinflusst wird das Entleerungsverhalten von Kollektoren durch die Positionierung der Rückschlagklappe relativ zur Anordnung des Membranausdehnungsgefäßes. Erfolgt die Anordnung der Komponenten der Rücklaufgruppe wie in Abbildung 6 (rechte Seite) gezeigt, kann im Stagnationszustand der Kollektor nur über die Vorlaufleitung entleert werden.

8 Dampfbildung im Kollektor Abbildung 6: Zusammensetzung der wesentlichen Komponenten in Rücklaufgruppen (Rechts: Ungünstige Anordnung; Links: Günstige Anordnung) Dies führt dazu, dass große Teile des Kollektorinhalts verdampfen müssen. Dementsprechend weit breitet sich über die Vorlaufleitung der Sattdampfbereich im Rohrsystem aus. Der Rücklauf hingegen bleibt aufgrund der Rückschlagklappenposition bis zum Kollektoreintritt mit Wärmeträgermedium gefüllt. Zusätzlich zur großen Temperaturbelastung von Anlagenkomponenten im Heizhaus steigt in dieser Konstellation, durch sich in der Entleerungsphase verschiebende Restflüssigkeitssäulen, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kondensationsschlägen im Kollektor stark an. Die Voraussetzung für ein gutes Entleerungsverhalten von Kollektoren im Stagnationsfall kann mit der Anordnung der Rücklaufgruppenkomponenten wie in Abbildung 6 (linke Seite) erreicht werden. In dieser Konstellation kann der Kollektorinhalt im Stagnationsfall über Vor- und Rücklaufleitung in das Ausdehnungsgefäß verdrängt werden, wodurch wesentlich weniger Wärmeträger verdampfen muss. An einer der Messanlagen (Messanlage Bauer) durchgeführte Untersuchungen konnten die unterschiedlichen Auswirkungen infolge der verschiedenen Rücklaufgruppenanordnungen deutlich gezeigt werden. Reichte im günstigen Fall (Ausdehnung über Vorund Rücklauf möglich) der Sattdampfbereich nur bis zum externen Wärmetauscher, so reichte im ungünstigen Fall (Ausdehnung nur über den Vorlauf möglich) der externe Wärmetauscher als Wärmesenke nicht mehr aus und Sattdampf reichte bis in den Zulauf zum Membranausdehnungsgefäß.

9 4.3.2 Ausführung der internen Kollektorverschaltung Kollektorverrohrungen sollen hinsichtlich eines problemlosen Stagnationsverhaltens ein gutes Entleerungsverhalten aufweisen. Kollektoren mit gutem Entleerungsverhalten minimieren den Anteil der verbleibenden Restflüssigkeit im Kollektor und reduzieren dadurch die Zeitdauer und das Ausmaß der kritischen Stagnationsphase 3. Kollektor im Normalbetrieb Stagnationszustand Dampfbildung im Kollektor Abbildung 7: Beispiel einer marktüblichen Kollektorverschaltung mit schlechtem Entleerungsverhalten (links ist der Normalbetrieb des Kollektors, rechts ist vereinfacht der Zustand bei Dampfbildung im Kollektor dargestellt). Die Kopplung der Vor- und Rücklaufleitung erfolgt in Abbildung 7 ganz oben am Kollektor und die Absorberrohre werden auf und ab geführt. Diese Art der Verschaltung weist aufgrund des sich bildenden Flüssigkeitssackes kein gutes Entleerungsverhalten auf, da große Teile des Kollektorinhalts verdampfen müssen. Dies führt zu großen Energiemengen, die im Stagnationsfall über Dampf transportiert werden und damit zu großen Bereichen mit Sattdampf im System. Zusätzlich steigt durch die sich verschiebenden Flüssigkeitssäulen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kondensationsschlägen (Streicher, 2000). Ein wesentlich günstigeres Entleerungsverhalten weist die in Abbildung 8 dargestellte Kollektorverschaltung auf. Kollektor im Normalbetrieb Stagnationszustand Dampfbildung im Kollektor Abbildung 8: Beispiel einer Kollektorverschaltung mit gutem Entleerungsverhalten (links ist der Normalbetrieb des Kollektors, rechts ist vereinfacht der Zustand bei Dampfbildung im Kollektor dargestellt). Die Kopplung der Vor- und Rücklaufleitung erfolgt ganz unten am Kollektor. Bei entsprechender Ausführung kann dadurch der Wärmeträger im Stagnationsfall wesentlich besser verdrängt werden als dies in der vorher gezeigten Verschaltung der Fall war. Bei konsequenter Ausführung kann sich die Dauer und das Ausmaß der kritischen

10 Stagnationsphase 3 sogar soweit reduzieren, dass die Bereiche mit Sattdampf nur knapp unter das Kollektorniveau reichen. 5 Ausblick Verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung unzulässiger Temperaturbelastungen von Anlagenkomponenten im Stagnationsfall stehen heute zur Verfügung. Diese reichen von aktiven Strategien wie die Vermeidung des Stagnationszustandes durch Nachtkühlung, die aktive Abfuhr der über Dampf transportierten Energie mittels Kühlkörper bis zu passiven Strategien durch Optimierung des Entleerungsverhaltens von Kollektoren. Da thermische Solarsysteme grundsätzlich technisch möglichst einfach bzw. wenig fehleranfällig aufgebaut sein sollten und der Einsatz an Primärenergie für den Pumpenbetrieb möglichst gering gehalten werden sollte, erscheint es für zukünftige Kollektoranlagen sinnvoll, passive Strategien aktiven vorzuziehen. Weitere Entwicklungen und Arbeiten zum Erreichen eines unproblematischen Stagnationsverhaltens sollten sich daher schwerpunktmäßig mit der Definition von Kollektoren mit gutem Entleerungsverhalten und der Minimierung der Auftrittswahrscheinlichkeit von Kondensationsschlägen beschäftigen. 6 Literatur Rommel, Lustig, Hausner, Fink, 2000: M. Rommel, K. Lustig, R. Hausner, C. Fink: Mid-Term-Assessment-Report to the project Stagnation Technology for Thermal Solar Systems, CRAFT JOULE Programm, Fraunhofer ISE, Freiburg; Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE, Gleisdorf, 2000 Streicher, 2000: W. Streicher: Minimising the risk of water hammer and other problems at the beginning of stagnation of solar thermal plants a theoretical approach, Institut für Wärmetechnik der TU Graz; EUROSUN, Kopenhagen, 2000