- 13-3 Thermische Solaranlage der Firma Vaillant zur Wassererwärmung 31 Bestandteile der Anlage Die bei uns installierte Anlage zur Brauchwassererwärmung besteht aus folgenden Bauteilen, 3 Flachkollektoren aurotherm classic VFK 990/1 Fläche 3 x 2,24 m 2 1 bivalenter Warmwasserspeicher VIH S 300 Speichervolumen 300 Liter 1 Hydraulikblock ( Solarstation) mit 3-stufiger Umwälzpumpe, Absperrventilen mit Schwerkraftbremsen für Vorlauf und Rücklauf, Durchflussmengenbegrenzer, Ausdehnungsgefäss, Temperatur- und Druckanzeigen sowie Sicherheitsventil mit Abblaseleitung und Auffangbehälter 1 elektronisches Steuergerät auromatic 620 1 automatisches Luftabscheidesystem (Spirovent) 1 Schnellentlüftungsventil 1 Thermostatmischer als Verbrühschutz, und wurde am 16102007 in Betrieb genommen 32 Dachausrichtung, Aufständerung der Kollektoren und Sonneneinstrahlwinkel Das Hausdach und damit die Kollektoren sind nicht ideal nach Süden, aber immer noch sehr günstig nach SSW (Azimut 203 ), ausgerichtet Die Dachneigung von 26 ist dagegen für eine effektive Nutzung der Anlage im Winter weniger gut geeignet Die in Serie (Hintereinanderschaltung) geschalteten Kollektoren wurden deshalb auf einen Neigungswinkel von 48 aufgeständert Dieser Winkel entspricht etwa der geografischen Breite des Aufstellungsortes der Anlage in Backnang (48,95 Nord / 9,44 O) Die Abbildung 7 (Seite 14) zeigt die Aufständerung und die Sonneneinstrahlwinkel auf die Kollektoren, sowie auf das Hausdach, für einige ausgezeichnete Datumswerte um 12:22 Uhr (UTC1) Die in dieser Abbildung eingetragenen Sonneneinstrahlwinkel wurden mit den in Abbildung 8 (Seite ) angegebenen, einfachen Beziehungen, die eine sehr gute Näherung darstellen, berechnet Die Einstrahlwinkel auf die Kollektoren bzw auf das Dach ergeben sich als Summe aus der Kollektorneigung bzw der Dachneigung und dem Sonneneinstrahlwinkel Kollektoreinstrahlwinkel = Kollektorneigung Sonneneinstrahlwinkel Ein am 6112007, etwa um 12:30 Uhr (UTC1), nach Südrichtung mit 27 grob gemessener Sonneneinstrahlwinkel ergibt die Kollektor- und Dacheinstrahlwinkel von Kollektoreinstrahlwinkel (6112007): 48 27 = 75 Dacheinstrahlwinkel (6112007): 26 27 = 53 Näherungswerte für die Sommersonnwende sind: Kollektoreinstrahlwinkel (21Juni; Sommersonnwende): 48 64,6 = 113 (gerundet)
- 14 - Dacheinstrahlwinkel (21 Juni; Sommersonnwende): 26 64,6 = 91 (gerundet) Sonneneinstrahlwinkel für Backnang 48,95 o N / 9,44 O (Werte: Näherungsrechnung und gerundet) Sommersonnwende 21 Juni 64,6 o Tag und Nachtgleiche 21 März / 23 September 41,1 o Wintersonnwende 22 Dezember 17,6 o Sonnenstand jeweils 12 :22 Uhr (UTC1) bei Sonneneinstrahlung aus Süden 21 Juni 64,6 o Sonneneinfallwinkel 21 März, 23 September 41,1 Sonneneinfallswinkel 113 o 67 6 November 27 o Sonneneinfallwinkel (primitiv gemessen) 89 o 91 o 22 Dezember 17,6 o Sonneneinfallwinkel 75 o 53 o 67 o 66 o 44 o 48 o Kollektorneigung Sonneneinfallwinkel auf Kollektorfläche = Kollektorneigung Sonneneinfallwinkel 26 o Dachneigung Sonneneinfallwinkel auf Dachfläche = Dachneigung Sonneneinfallwinkel Abb7 Kollektoraufständerung und Sonneneinstrahlwinkel für Backnang 48,95 N / 9,44 O Die Aufständerung der Solarkollektoren ergibt für den 22 Dezember einen Sonneneinstrahlwinkel auf die Kollektoren von 66 gegenüber 44 auf das Dach In Bezug auf den idealen Einstrahlwinkel von 90 resultiert damit eine erheblich bessere Nutzung (73,3 % gegenüber 48,9 %) der angebotenen Sonnenenergie, als wenn die Kollektoren direkt auf dem Dach aufgelegt wären Zur Zeit der Tag- und Nachtgleiche (213 bzw 239) strahlt die Sonne praktisch ideal auf die Kollektoren Vom Einstrahlwinkel her kann deshalb die bestmögliche Wärmeausbeute erreicht werden Am 21 Juni weicht der Kollektoreinstrahlwinkel mit 113 vom optimalen Wert 90 um 23 (der Sonneneinstrahlwinkel ist dann 67 ) ab Dies lässt aber um diese Jahreszeit, trotz des scheinbar ungünstigeren Winkels, wegen des kürzeren Weges des Strahlung durch die Atmosphäre und der höheren Aussentemperaturen, sehr hohe Kollektortemperaturen zu, was aus Abbildung 9 (Seite 16) hervorgeht Die Warmwassererzeugung wird daher nicht negativ beeinflusst
- - 70 60 Geographische Breite Backnang 48,95 N / 9,44 O Sonneneinstrahlwinkel 12:22 Uhr aus Südrichtung berechnet nach den angeführten Formeln Zwischen den berechneten Werten können die Einstrahlwinkel nur näherungsweise aus dem Graph abgelesen werden Siehe Abbildung 2 (Seite 5) 21 Juni [90 - (48,95-23,5 )] = 64,6 50 40 21 März Tag- und Nachtgleiche [90-48,95 ] = 41,1 23 September 30 27 20 22 Dezember [90 - (48,95 23,5 )] = 17,6 22 Dezember 06112007; grob gemessen 27 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abb 8 Gemessener und berechnete Sonneneinstrahlwinkel aus Südrichtung für Backnang 48,95 geografischer Breite 23,5 entspricht der Neigung der Erdachse gegen die Ekliptik (das ist die scheinbare Sonnenbahn um die Erde) Abbildung 9 (Seite 16) zeigt den Verlauf der Kollektortemperaturen der Solaranlage während des Betriebes am 412008, 1962008 und 2972008 im Verlauf von 5 Stunden, allerdings zu unterschiedlichen Tageszeiten Über die Messung der Kollektortemperaturen wird in Kapitel 4 (ab Seite 18) berichtet Die Temperaturen wurden im Abstand von 120 Sekunden abgefragt und die Messpunkte jeweils durch Marker gekennzeichnet Die ansteigenden und abfallenden Temperaturkurven kennzeichnen die Ladezyklen der Anlage während denen Wärme aus den Kollektoren ausgetragen und in den Speicher eingetragen wird Der Wärmeeintrag in den Speicher beginnt dabei, in Abhängigkeit von den vorgewählten und im Solarregler abgespeicherten ΔT-Werten (ΔT = Kollektortemperatur - untere Speichertemperatur), immer an einer bestimmten Stelle der ansteigenden Flanke des Kollektoremperaturverlaufes und wird an einer bestimmten Stelle der abfallenden Flanke wieder beendet (siehe Kapitel 5; Abbildungen bzw 16; Seite 23, 24)
- 16 - Die Ladezyklen der Anlage zeigen maximale Kollektortemperaturen die bei etwa 47 C, 76 C und 93 C liegen Sie wurden jeweils am 4108 und 29708 bei bewölktem Himmel, und am 19608 bei nahezu wolkenlosem Himmel gemessen 0 95 30 60 90 120 0 95 Temperatur [ C] 85 1962008; Kollektortemperatur Start: 12:02:44 Himmel fast wolkenlos Ladezyklen mit T(Pumpe EIN) = 12 C / T(Pumpe AUS ) = 2 C 85 75 75 2972008; Kollektortemperatur Start: 9:52:34 Himmel unterschiedlich bewölkt Ladezyklen mit T(Pumpe EIN) = 12 C / T(Pumpe AUS) = 2 C T = Kollektortemperatur - Speichertemperatur SP2 412008; Kollektortemperatur Start: 10:28:33 Himmel unterschiedlich bewölkt Ladezyklen mit T(Pumpe EIN) = 5 C / T(Pumpe AUS) = 2 C 30 Messwerte = 1 Stunde Messwerte: 0 Messabstand: 120 Sekunden Messdauer: 5:00:00 0 30 60 90 120 0 Anzahl Messwerte Abb 9 Verlauf der Kollektortemperaturen während des Betriebes der Solaranlage am 412008, am 1962008 und am 2972008 33 Das Rohrsystem der Solaranlage Die wichtigen Rohrverbindungen der Solaranlage sind im hydraulischen Anlagenschema der Abbildung 10 auf Seite 17 gezeigt Die Verbindung der Flachkollektoren mit der Solarstation (Vorlauf- und Rücklaufleitungen) besteht aus vorisoliertem Armaflex DuoSolar VA Edelstahlwellrohr mit der Nennweite 20 mm Das Wellrohrvolumen beträgt 0,430 l/m Diese Vor- und Rücklaufleitungen sind vom Dachboden bis zum Keller durch einen stillgelegten Kamin geführt Die Solarstation (Vorlauf (VL), Rücklauf (RL)) ist mit dem Solarwärmeaustauscher des Warmwasserspeichers über Kupferrohr (Nennweite 16 mm), mit einem Volumen von 0,2 l/m, verbunden
- 17 - Die Vorlaufleitung, vom Ausgang des letzten durchströmten Kollektors bis zum Einlauf in die Solaraustauscherspirale, fasst ca 6,8 Liter Solarlösung Die Rücklaufleitung, vom Ausgang der Solaraustauscherspirale bis zum Einlauf in den ersten Kollektor, enthält ungefähr 7,2 Liter Solarlösung Das Gesamtvolumen des Solarkreislaufs beträgt ca 28,7 Liter Solarlösung (6,8 l 7,2 l 3,3 l (Fassungsvermögen der drei Solarkollektoren) 0,7 l (Verbindungsrohr Kollektor2 zu Kollektor3) 10,7 l (Volumen der Solaraustauscherspirale); siehe Abbildung 31; Seite 53) Zur Hauswasserversorgung KW (Kaltwasser) RL zu den Kollektoren X WW (Warmwasser) VL von den Kollektoren Solarstation Thermostatmischer Warmwasserspeicher bivalent 300 Liter VL (Vorlauf) RL (Rücklauf) X X = Abstellhahn KW-Einlauf automatische Entlüftung Abb 10 Hydraulisches Anlagenschema der Solaranlage zur Brauchwassererwärmung In der Solarstation verhindern Schwerkraftbremsen im Vor- und Rücklauf eine, durch Dichteunterschiede mögliche, Zirkulation der Propylenglykol/Wasser-Solarlösung (/) zwischen den Kollektoren und dem Warmwasserspeicher Die in der Rücklaufleitung, in der Solarstation eingebaute Umwälzpumpe und ein Durchflussmengenbegrenzer bestimmen den Fluss der Solarlösung, der auf 240 l/h = 4 l/min eingestellt ist Ein Ausdehnungsgefäss sowie ein Sicherheitsventil und Abblaseleitung mit Auffangbehälter (nicht eingezeichnet) schützen die Anlage vor möglichen Überdruckproblemen im Solarkreislauf Analoge Vor- und Rücklauftemperaturanzeigen und eine Druckanzeige in der Solarstation informieren über die Temperatur- und Druckverhältnisse im Solarkreislauf Die Möglichkeit zur Nachheizung in den Warmwasserspeicher durch eine Heizungsanlage wird nicht genützt Die im Speicher vorhandene Austauscherspirale ist deshalb auch nicht eingezeichnet