Solaranlagen | Anlagentypen & -konfigurationen | Teil 1

Thermische Solaranlagen und Heizung von DIASOL

Solarwärmeanlagen bestehen aus einem oder mehreren Solarkollektoren bzw. einem Kollektorfeld, die i.d.R. auf dem Dach montiert sind, einem Solarkreislauf, über den die vom Kollektor absorbierte Wärme transportiert wird und einem Wärmespeicher, der diejenige Energie (Wärme) aufnehmen kann, die nicht sofort benötigt wird. In einem geschlossenen Kreislaufsystem dienen Solarstation und Solarregler der Steuerung und Wartung des Systems.

Bei thermischen Solaranlagen werden verschiedene Technologien eingesetzt. Man unterscheidet zwischen offenen und geschlossenen Systemen, Anlagen mit oder ohne Zwangsumlauf, Ein-/Zwei- oder Mehrkreisanlagen sowie Systemen mit unterschiedlicher Regelung des Volumenstroms.

Offene/geschlossene Systeme

Die Ausbildung des Solarkreislaufes kann sowohl als druckloses (offenes) als auch unter Überdruck arbeitendes (geschlossens) System erfolgen.

Bei offenen Systemen befindet sich am höchsten Punkt des Solarkreislaufes ein Behälter mit Überlauf, der die temperaturbedingte Volumenausdehnung der Flüssigkeit aufnimmt. Der Leitungsdruck in derartigen Systemen wird allein durch die Höhe der Wassersäule bestimmt.

In Abgrenzung hierzu arbeiten geschlossene Systeme unter Überdruck. Das heißt, dass Änderungen des Flüssigkeitsvolumens durch ein Membranausdehnungsgefäß (MAG) ausgeglichen werden müssen.

Systeme mit/ohne Zwangsumlauf

Hinsichtlich des Wärmeträgerumlaufes unterscheidet man zwischen Anlagen, bei denen die Zirkulation allein durch die Schwerkraft erfolgt und solchen mit Zwangsumlauf, also Anlagen mit Umwälzpumpe und Steuerung.

Auch wenn sie hierzulande kaum eine Rolle spielen, sollen aus Gründen der Vollständigkeit Systeme mit Schwerkraftumlauf, sogenannte Thermosiphon-Anlagen, hier kurz erläutert werden.

Bei Schwerkraftanlagen wird der Solarspeicher oberhalb der Solarkollektoren angebracht. Warmes Wasser, das eine geringere Dichte (es ist spezifisch leichter) hat als kaltes, steigt bei Erwärmung im Kollektor und im Leitungssystem auf und gelangt so in den höhergelegenen Speicher, das abgekühlte Wasser fließt entsprechend auf der anderen Seite vom Speicher zum Kollektor zurück. Der Kreislauf setzt sich in Gang sobald die Temperatur im Kollektor höher ist als im Speicher.

Die Realisierbarkeit derartiger Systeme ist jedoch eingeschränkt. So ist die Anbringung des Speichers oberhalb der Solarkollektoren nicht immer möglich und erfordert eventuell Neuberechnungen der Dachstatik. Für einen einwandfreien Umlauf dürfen bestimmte Leitungsstrecken nicht überschritten und bestimmte Leitungsquerschnitte nicht unterschritten werden.

Offene Systeme mit außen liegenden Speichern kommen aufgrund der hohen Wärmeverluste und der Frostgefahr in mitteleuropäischen Breiten kaum bis überhaupt nicht in Betracht. Eine Ausnahme bilden Kleinanlagen bspw. für Camping und Gartenhäuser, die ausschließlich im Sommer betrieben werden.

Einkreis- und Zweikreis-Systeme

Im Hinblick auf die Wärmeübertragung könnte das Kriterium ebenso lauten: Systeme mit oder ohne Wärmetauscher, wobei zwischen Solarkreislauf und Verbraucherkreislauf unterschieden werden muss. Der Solarkreislauf umfasst die Solarkollektoren, Leitungen, Solarpumpe, den oder die Wärmetauscher (falls vorhanden) und natürlich das Wärmeträgermedium selbst; als Verbraucherkreis bezeichnet man den Speicher sowie die Warmwasserinstallationen des Hauses.

Einkreissysteme kommen ganz ohne Wärmetauscher aus, d.h. der Solarkreis entspricht dem Verbraucherkreis. Solarkollektoren und Verbraucher sind miteinander verbunden, wobei die Kollektoren direkt vom Trink-/Heizungs- oder Schwimmbadwasser durchströmt werden. Systeme dieser Bauart finden hauptsächlich in Regionen ohne Frostgefahr ihre Anwendung.

Bei Systemen mit Wärmetauscher werden Solar- und Verbraucherkreislauf voneinander getrennt, so dass der Solarkreislauf mit einer frostgeschützten Flüssigkeit betrieben werden kann.

Im Bereich der Haustechnik finden fast ausschließlich geschlossene High-Flow-Zweikreis-Systeme mit Zwangsumlauf ihre Anwendung.

Systeme mit unterschiedlichem Volumenstrom

In Bezug auf die Solarflüssigkeit gibt es verschiedene Varianten zur Regelung des Volumenstroms, den Durchfluss pro Zeiteinheit und Quadratmeter Kollektorfläche: High-Flow-, Low-Flow-, Matched-Flow- und/oder das Drain-Back-Konzept.

High-Flow-Systeme

High-Flow-Systeme arbeiten mit einer hohen Durchflussgeschwindigkeit (high flow) von 30-80 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche und Stunde bei relativ geringer Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit.

Vorteile:
Bei diesem Volumenstrom wird die Solarwärme schnell abtransportiert. Dadurch werden Wärmeverluste vermieden, die gerade bei hohen Kollektortemperaturen entstehen, der Kollektor arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Bewährtes System, das keine aufwändige Speichertechnik erfordert.

Nachteile:
Der Speicher heizt sich relativ langsam (nach mehreren Umläufen) bis zum gewünschten Temperaturniveau auf; der hohe Durchfluss zieht einen erhöhten Stromverbrauch durch die Ümwälzpumpe nach sich.

Low-Flow-Systeme

Im Unterschied zum High-Flow-Konzept arbeiten Low-Flow-Systeme mit einer deutlich geringeren Durchflussgeschwindigkeit, unter 25 Liter pro m² Kollektorfläche und Stunde.

Vorteile:
Ein geringerer Volumenstrom hat eine längere Verweildauer der Solarflüssigkeit im Kollektor zur Folge, die somit mehr Wärme aufnehmen kann. Schon bei einem einzigen Umlauf können Temeraturen von 50°C erreicht werden.

Nachteile:
Höhere Investitionskosten durch Schichtenspeicher.

Matched-Flow-Systeme

Das Matched-Flow-Konzept, die angepasste Durchflussgeschwindigkeit, gestattet eine variable Regelung des Volumenstroms. Abhängig von der Einstrahlung kann die Pumpe im Solarkreis drehzahlgeregelt betrieben werden, d.h. es wird immer soviel Wärmeträger umgewälzt, wie auch von der Sonne erwärmt werden kann.

Vorteile:
Die Pumpe taktet weniger, schnelles Erreichen der Solltemperatur.

Drain-Back-Systeme

Charakteristisch für Rückflusssysteme (Drain-Back-Systeme) ist die Entleerung des Kollektors bei Anlagenstillstand. Bei ausbleibender Sonneneinstrahlung läuft der Wärmeträger in einen geschlossenen Auffangbehäter. Scheint die Sonne wieder, schaltet sich die Pumpe ein und fördert den Wärmeträger zurück in den Kollektor.

Vorteile:
Da der Solarkollektor nur bei Wärme befüllt ist, besteht keine Frostgefahr, es kann also Wasser als Wärmeträgermedium eingesetzt werden. Da der Kollektor auch bei Anlagenstillstand, also bei Erreichen der max. Speichertemperatur, entleert wird, kann ein Sieden bzw. Verdampfen der Solarflüssigkeit vermieden werden.

Nachteile:
Es werden sehr leistungsfähige Pumpen benötigt, zudem müssen die Solarleitungen mit großer Sorgfalt mit dem nötigen Gefälle verlegt werden.

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