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Systeme mit mono- oder bivalentem Vorwärmspeicher

Einbindung mit Umschaltventil im Zirkulationsrücklauf

Auslegung auf Volldeckung der Zirkulationsverluste an strahlungsreichen Tagen

Die Einbindung der Zirkulation ist so konzipiert, dass an strahlungsreichen Tagen eine Volldeckung der Zirkulationsverluste erreicht werden kann. Diese Variante wird der Vollständigkeit halber erwähnt. Uns ist keine Anlage bekannt, bei der sie zur Ausführung kam.

Umschaltventil im Zirkulationsrücklauf bei monovalentem Vorwärmspeicher

Der Zirkulationsrücklauf strömt über das Dreiwegeventil V2 in den solaren Vorwärmspeicher, wenn dieser wärmer ist als der Zirkulationsrücklauf (T1 > T2). Andernfalls fließt das Zirkulationsvolumen in den Bereitschaftsspeicher. Die Pufferentladepumpe P3, die Vorwärmspeicherladepumpe P4 und der Entladewärmetauscher sind auf die Erwärmung des Zapfvolumenstroms (Kaltwasser) und des vollen Zirkulationsvolumenstroms ausgelegt.

Umschaltventil im Zirkulationsrücklauf bei bivalentem Vorwärmspeicher

Anhand der im Bild genannten Volumenströme wird die prinzipielle Problematik dargestellt. Die Werte gehen von dem Beispiel aus, das in den grundsätzlichen Überlegungen zur Einbindung der Zirkulation aufgeführt ist. Sie hängen sehr stark ab vom Energieverbrauch der Zirkulation und von den Strömungsverhältnissen. Bei anderen Randbedingungen müssen die Werte sinnvoll angepasst werden.

Ausführungshinweise

  • Das Umschaltventil V2 sollte dicht am Vorwärmspeicher sein (zur Übersichtlichkeit so nicht im Bild dargestellt), damit in Zeiten ohne solare Zirkulationsdeckung (Normalfall) die nicht durchströmten Rohrleitungen möglichst kurz sind (Wasserhygiene). Aus hygienischen Gründen ist eine zeitgesteuerte Öffnung des Umschaltventils in Richtung Vorwärmspeicher empfehlenswert (z. B. täglich um 5:00 Uhr 1 min lang vor den morgendlichen Zapfspitzen).
  • Solare Zirkulationsdeckung ein
    • V2 in Stellung Durchgang zum Vorwärmspeicher,
      • wenn T2 – T1 > 2 K
  • Solare Zirkulationsdeckung aus
    • V2 in Stellung Durchgang zum Bereitschaftsspeicher,
      • wenn T2 – T1 < 1 K
  • Die geringen Temperaturdifferenzen erfordern hohe Fühlergenauigkeiten, weshalb die Regelfühler sorgfältig montiert werden müssen (Tauchfühler in Speicher und Rohrleitung, Wärmeleitpaste; keine Anlegefühler).
  • Solarer Deckungsanteil an den Zirkulationsverlusten
    Die Höhe des erzielbaren solaren Deckungsanteils hängt wesentlich ab von den Volumenströmen die in bzw. aus dem Vorwärmspeicher strömen, s. Fallbeispiel.
    Da nun das volle Zirkulationsvolumen durch den Entladewärmetauscher strömt, kann an strahlungsreichen Tagen das gesamte Zirkulationsvolumen erwärmt werden. Bei derartigen Verhältnissen kann man das Solarsystem zur Erhöhung des Deckungsanteils um etwa den Faktor 2 bis 3 gegenüber einem System zur Trinkwasservorwärmung vergrößern.
Fallbeispiel
Tagesverbrauch Warmwasser 5,0 m³
Mittelhohe Zapfspitze 1,2 m³/h
Laufzeit Zirkulation 20 h
Zirkulationsvolumenstrom 1,6 m³/h (32 m³/d)
Förderleistung P3 und P4 (3-stufig) 1,2 m³/h, 1,6 m³/h und 2,8 m³/h
(s. Erläuterung nächster Spiegelpunkt)
Fördervolumen P3 und P4 37 m³/d bei 20 h Laufzeit (32 m³/d + 5 m³/d)
Zirkulationsvolumen durch Entlade-WT 32 m³/d (s. Bild)
  • Die Ansteuerung der unterschiedlichen Fördervolumina für die Pumpen P3 und P4 ist nicht trivial, da die Regelung erkennen muss, ob der Vorwärmspeicher nur aufgrund des Zapfvolumens abgekühlt wurde und beladen werden muss, oder ob gleichzeitig Zirkulationsverluste gedeckt werden können. Praxiserfahrungen liegen nicht vor, ebenso ist uns keine derartige Regelung bekannt.
    Wenn keine solare Deckung der Zirkulationsverluste möglich ist und V2 in Richtung Bereitschaftsspeicher steht, schalten P3 und P4 zunächst mit niedriger Leistungsstufe (im Beispiel mit 1,2 m³/h) über das "normale" Delta-T-Schaltsignal zur Beladung des Vorwärmspeichers ein und aus. Öffnet Ventil V2 in Richtung Vorwärmspeicher, ohne dass ein Delta-T-Einschaltsignal vorliegt, schalten P3 und P4 auf den Zirkulationsvolumenstrom hoch (1,6 m³/h). Die Umschaltung auf die höchste Stufe (im Beispiel mit 2,8 m³/h) erfolgt, wenn das Ventil V2 in Richtung Vorwärmspeicher geöffnet hat und gleichzeitig ein Delta-T-Einschaltsignal vorliegt. In der Praxis dürfte es bei solarer Deckung von Zirkulationsverlusten dazu führen, dass die Pumpen dann zwischen der zweiten und dritten Stufe (im Beispiel zwischen 1,6 m³/h und 2,8 m³/h) hin- und herschalten.
  • Ein Dauerbetrieb der Pumpen mit sehr hohem Volumenstrom (im Beispiel 2,8 m³/h) ist nicht zweckmäßig, da dies die Temperaturschichtung im Vorwärmspeicher beeinträchtigen würde (Verwirbelung im Speicher), wenn die Zirkulation nicht über den solaren Vorwärmspeicher geführt wird. Dann könnte kaum noch kühles Wasser (ideal: nur wenige Kelvin über Kaltwassertemperatur) in den unteren Bereich des Solarpuffers gelangen.
  • Der Entladewärmetauscher muss so ausgelegt sein, dass sein Druckabfall bei maximalem Volumenstrom nicht zu hoch wird (Stromverbrauch der Pumpen niedrig halten), und dass er auch bei niedrigem Fördervolumen von P3 und P4 (im Beispiel 1,2 m³/h, wenn keine Zirkulationsumleitung) im turbulenten Bereich arbeitet.
  • Zur Dimensionierung der Zirkulationseinbindung sollte ein Simulationsprogramm benutzt werden, da es unmöglich ist, die Auswirkungen aller speziellen Bedingungen auf ein einzelnes System in verallgemeinernden Regeln zusammenzufassen.
  • Wegen der geringen Temperaturdifferenzen und des niedrigen Temperaturhubes der Zirkulationsrücklauferhöhung (z. B. 4 K von 56 °C auf 60 °C) sind Messfühler mit hoher Genauigkeit gefordert. Nur 1 K Messfehler verringert das "Erwärmungspotential" um 25 %. Die Regelfühler müssen sorgfältig und dauerhaft sicher montiert werden (Tauchfühler in Speicher und Rohrleitung, Wärmeleitpaste; keine Anlegefühler, die z. B. mit Spannbändern um die Speicher befestigt werden).
  • Die hohen Anforderungen an eine sorgfältige Installation bedingen, dass das System gut "durchgeplant" sein muss (z. B. Einsatz von Speichern mit Muffen für Tauchhülsen an den richtigen Stellen).
  • Anstatt eines 3-Wege-Umschaltventils können auch zwei Magnetventile (je ein Ventil in die Leitung zum Vorwärmspeicher und Bereitschaftsspeicher) eingebaut werden.

Vorteil

Eine Volldeckung der Zirkulationsverluste ist an strahlungsreichen Tagen möglich.

Nachteil

Da der volle Zirkulationsvolumenstrom durch den Entladewärmetauscher strömt, wird dem Kaltwasser viel warmes Wasser zugemischt. Dadurch ist der Vorwärmspeicher unten seltener kalt und die Eintrittstemperatur in den Entladewärmetauscher wird stark erhöht. Eine geschichtete Einspeisung des Entladekreis-Rücklaufs in den Pufferspeicher ist zwingend notwendig, entweder über speicherinterne Schichteinrichtungen oder über extern umschaltbare Einspeisepositionen, wobei die obere relativ hoch sitzen sollte.

Die Regelung zur Ansteuerung der Pumpenstufen von P3 und P4 ist sehr komplex.

Erfahrungen der ZfS

Erfahrungen mit dieser Variante liegen nicht vor.

Unabhängig davon sind die Erfahrungen mit der Zirkulationseinbindung über ein Umschaltventil eher negativ (nicht dicht schließende Umschaltventile, mangelnde Sorgfalt bei der Positionierung und Montage der Regelfühler). Die Folge ist eine ungewollte Erwärmung des Vorwärmspeichers durch den Zirkulationsrücklauf. Ohne dauerhafte messtechnische Überwachung können wir diese Schaltung nicht empfehlen.

Fazit

Will man an strahlungsreichen Tagen den Energiebedarf der Zirkulation zu 100 % solar decken, so ist die Zirkulationseinbindung über einen separaten Wärmetauscher im Zirkulationsrücklauf zweckmäßiger.

Weiterführende Links

Berichte und Fachbeiträge mit detaillierten Informationen

Die Inhalte dieser Seite sind im Rahmen der Projekte "Solarthermie-2000" und "Solarthermie2000plus" von der ZfS – Rationelle Energietechnik GmbH erarbeitet worden.

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