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    Bereich 2: Kollektorkreis

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    Allgemeine Merkmale

    Zum Bereich Kollektorkreis gehören die Kollektorkreisverrohrung, die Solarstation bzw. die Wärmeübertragungsstation, sicherheitstechnische Einrichtungen (SV, VSG, MAG) sowie alle notwendigen Armaturen, Stellglieder und Einbauten.

    Variation

    Die Hersteller bieten eine große Fülle an Varianten von Solarstationen an, von denen nachfolgend nur einige genauer beschrieben sind. Es ist zumeist das Ziel, die Wärmeschichtung im Speicher zu verbessern und die Effizienz des Gesamtsystems zu optimieren. Der Aufbau der Station hat hydraulische und regelungstechnische Auswirkungen auf alle benachbarten Bereiche sowie auf das Gesamtsystem und muss daher mit dem Gesamtkonzept genau abgestimmt werden. Die entsprechenden Herstellerunterlagen sind zu berücksichtigen. So benötigen viele der Variationen beispielsweise drehzahlgeregelte Pumpen im Kollektorkreis, besondere Regelungsstrategien wie Zieltemperaturregelung, den Einsatz von Schichtenspeichern etc.

    Wärmeübertragungsstation optional mit Schichtladevorrichtung

    A: im Pufferspeicher
    B: extern über geregeltes Drei-Wege-Umschaltventil

    Es können auch vorkonfektionierte Solarwärmeübertragungsstationen eingesetzt werden. Integriert sind u. a. ein externer Wärmetauscher und zwei Pumpen für Kollektorkreis und Speicherladekreis.

    Folgende Möglichkeiten zur temperaturgeschichteten Einspeisung der Solarwärme in den Pufferspeicher sind möglich:

    • Schichtungseinrichtung
    • Drei-Wege-Ventil (kann auch bereits in der Solarstation integriert sein)

    Solarstation in Kombination mit Schichtenspeicher

    Die Solarwärme kann auch z. B. mit einem im Speicher integrierten Plattenwärmetauscher in Kombination mit Schichtungslanzen erfolgen. Die Industrie bietet eine Vielzahl von Konzepten an.

    Auslegung und Detailplanung

    Für das Kollektorfeld sind keine funktionsprinzip-spezifischen Auslegungsbesonderheiten zu beachten. Für Variationen beachten Sie bitte die entsprechenden Herstellerempfehlungen.

    Knackpunkte

    Keine.

    Ergänzungen für bestimmte Funktionsprinzipien

    Es gibt keine spezifischen Ergänzungen für den Bereich 2: Kollektorkreis.

    Kleine Wissenssammlung

    Verrohrung

    Empfohlene Werkstoffe und Verbindungstechnik

    Die Rohrleitungen, die Verbindungstechnik sowie alle weiteren Bauteile müssen den besonderen Anforderungen hinsichtlich Druck, Temperatur und eingesetztem Wärmeträger standhalten.

    Eingesetzt werden können Edelstahl(well)rohre, nahtlose Stahlrohre nach ISO 4200 und ISO 9329-1 sowie nahtlose Kupferrohre nach DIN EN 1057. In der Praxis wird aufgrund des guten Preis-Leistungs-Verhältnisses meist bis ca. DN 40 Kupferrohr eingesetzt, darüber hinaus Stahlrohr. Zur schnellen und einfachen Montage bieten viele Hersteller vorkonfektionierte Solarleitungen (2-in-1-Rohre mit integriertem Fühlerkabel und Wärmedämmung) aus Edelstahlwellrohr oder Kupferrohr an.

    Insbesondere in Kollektorfeldnähe werden Schweiß- und Hartlötverbindungen empfohlen. Pressverbindungen bei Kupfer- oder Edelstahlrohren können mit geeigneten und zugelassenen Solardichtungen eingesetzt werden (Grenztemperaturen, Glykol- und Druckbeständigkeit der Werkstoffe beachten!). Geeignet sind metallisch dichtende Verbindungen, Klemmringverschraubungen oder herstellerspezifische Steckverbindungen (z. B. mit Doppel-O-Ring).

    An allen Rohrabschnitten, die mit Dampf beaufschlagt werden können, muss mit Temperaturen von bis zu 200 °C gerechnet werden, bei allen anderen mit ca. 120 °C.

    Achtung: Hanf nur in Verbindung mit druck- und temperaturbeständigen Dichtmitteln (sonst nicht gasdicht) verwenden! Teflon ist wegen mangelnder Glykolbeständigkeit nicht geeignet. Keine verzinkten Rohre oder Fittings und keine graphitierten Dichtungen einsetzen!

    Längendehnung der Rohrleitung(en) beachten!

    Gegenüber Einfamilienhäusern ist bei Mehrfamilienhäusern der Längendehnung aufgrund der vergleichsweise langen Leitungswege besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Aufgrund des großen Temperaturbereichs (–25 °C bis über +200 °C) treten höhere Ausdehnungen als sonst im Heizungsbau üblich auf.

    Die Ausdehnung von Kupferrohren beträgt unabhängig vom Rohrdurchmesser bei einer Temperaturerhöhung von 200 K ca. 3,5 mm/m. Sie ist damit ca. 30 % größer als die von Stahlleitungen. Befestigungen, Dehnungsbögen und Kompensatoren müssen den deutlich höheren Temperaturdifferenzen und häufigeren Lastwechseln im Kollektorkreis angepasst werden. Nichtbeachtung kann zu Spannungen und Rissbildung im Rohr, in Fittingen oder in Verbindungsstellen und damit zu Undichtigkeit führen!

    Zur Kompensation der Längendehnung sind die gleichen Maßnahmen wie bei jeder anderen Rohrinstallation geeignet. Der Kollektoranschluss muss zur Vermeidung von Schäden entweder in unmittelbarer Nähe zu einem Fixpunkt erfolgen oder mit flexiblem Rohrmaterial ausgeführt werden. Einige Hersteller bieten spezielle Kompensatoren für Solarleitungen und Kollektorverbindungen an.

    Verlegung Rohrleitung

    Die Kollektorkreisleitungen sollten möglichst vom Kollektorfeld aus fallend verlegt werden. So ist ein besseres Ausdampfverhalten im Stagnationsfall gewährleistet. Eine Verrohrung der Kollektorfeldanschlüsse oberhalb des Kollektorfeldes ist weitestgehend zu vermeiden.

    Wärmedämmung

    Die Wärmedämmung der Rohrleitung (100 % gemäß EnEV) muss im Außenbereich hochtemperatur- und UV-beständig sein sowie widerstandsfähig gegen Vogelfraß- und Nagerbisse. Eine fachgerecht ausgeführte Blechummantelung im Außenbereich ist zu empfehlen.

    Innenliegende Wärmedämmung ist im gesamten Kollektorkreis hochtemperaturbeständig und entsprechend den anerkannten Regeln der Technik auszuführen (Brandschutz, Schallschutz, Berührungsschutz etc.).

    Einige Mineralwolldämmstoffe lassen sich nicht sicher gegen Kondensationsfeuchtigkeit schützen. Die häufig eingesetzten Hochtemperaturausführungen geschlossenporiger Dämmschläuche sind zwar ausreichend feuchtigkeitsresistent, jedoch oft nur bis ca. 170 °C zugelassen. Bei Temperaturen von ca. 200 °C in Kollektornähe (bei Vakuumröhrenkollektoren auch deutlich darüber) verkrusten die Dämmstoffe etwas. Die Verkrustungszone direkt am Rohr beschränkt sich jedoch auf wenige Millimeter und ist meist tolerabel.

    Potentialausgleich, Blitzschutz der Solaranlage

    Das Rohrleitungssystem ist im Gebäude elektrisch leitend nach VDE zu verbinden. Die Einbeziehung in eine vorhandene oder neu zu errichtende Blitzschutzanlage oder die Herstellung eines örtlichen Potentialausgleichs darf nur von autorisierten Fachkräften unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten ausgeführt werden (siehe auch Bereich 1).

    Wärmeträger und Entlüftung

    Frostschutzmittel

    Üblicherweise wird als Frostschutzmittel Propylenglykol eingesetzt, entweder als Mischung von ca. 40 % Glykolkonzentrat zu 60 % Wasser oder als Fertiggemisch (meist 50/50). Damit wird eine Frostbeständigkeit bis ca. –24 °C erreicht. Bei tieferen Außentemperaturen bildet sich ein zäher Eisbrei ohne Sprengwirkung. Die Solarflüssigkeit sollte im Rahmen der Anlagenwartung alle ein bis zwei Jahre überprüft werden.

    Entlüfter

    Luft im Kollektorkreis kann die gleichmäßige Durchströmung der Kollektor(teil)felder gefährden, führt zu Geräuschbildung und beschleunigter Oxidation des Wärmeträgers und kann im Extremfall den Totalausfall der Anlage bedeuten. Voraussetzung für den störungsfreien und effizienten Betrieb der Solaranlage ist daher die einwandfreie Entlüftung des Kollektorkreises.

    Kollektorkreise mit Wärmeträgermedium müssen bei der Inbetriebnahme sorgfältig gespült und länger entlüftet werden als rein mit Wasser befüllte Kreise. Probleme mit eingeschlossener Luft sind eine der häufigsten Fehlerursachen in Solaranlagen.

    Das Lösungsvermögen von Luft in Wasser ist abhängig von den Temperatur- und Druckverhältnissen. Sind bei 20 °C und 2 bar noch 0,05 Liter gelöste Luft pro Liter Wasser möglich, so reduziert sich das Lösungsvermögen bei 100 °C und 1 bar auf 0,01 Liter.

    Beispiel: Eine Anlage mit 20 Liter Flüssigkeitsinhalt enthält – neben Luftblasen – ca. 1 Liter gelöste Luft.

    Luft im System als Fehlerursache kann daher z. B. auch bei Anlagen auftreten, die im Herbst befüllt wurden. Größere Luftblasen, welche die Durchströmung des Kollektorfeldes behindern, treten dann mitunter erst im Frühjahr auf, wenn der Kollektorkreis erstmalig Temperaturen über 100 °C aufweist.

    Zur Entfernung von Luft bei der Inbetriebnahme werden deshalb Entlüfter verwendet, die an höchster Stelle des Solarkreises angebracht werden. Dabei können Handentlüfter, Lufttöpfe/-abscheider oder automatische Schnellentlüfter in Kombination mit Absperrhähnen eingesetzt werden. An dampfgefährdeten Hochpunkten oder bei Dachheizzentralen dürfen nur absperrbare Entlüfter eingesetzt werden. Handendlüfter im Kollektorbereich sind bei Großanlagen in der Regel notwendig (mindestens ein Entlüfter pro Kollektorfeld). Bei mehreren Teilfeldern sowie mehreren Reihen bei der Flachdachmontage sollte ein Entlüfter je Reihe vorgesehen werden.

    Für die Entlüftung im Betrieb können im Kellerbereich Zentralentlüfter im Vorlauf in Fließrichtung vor dem Wärmetauscher eingesetzt werden. In einigen Solarstationen ist er bereits integriert. Die Fließgeschwindigkeit muss mindestens 0,4 m/s betragen, um gelöste Luftbläschen entgegen der Schwerkraft zuverlässig zum Keller zu bringen. Daher ist der Einbau im Rücklauf nach dem Wärmetauscher nicht geeignet.

    Hinweis: Bei Anlagen mit mehr als 25 m statischer Höhe zwischen Kollektorfeld und einer zentralen Entlüftungseinrichtung werden Luftblasen, die sich in den Kollektoren bilden, auf dem Weg nach unten durch die hohe Druckzunahme wieder aufgelöst. In solchen Fällen ist beispielsweise der Einsatz einer Vakuum-Entgasungseinrichtung zu empfehlen.

    Hinweis: Mittlerweile sind auch Zentralentlüfter am Markt verfügbar, die zwischen Luft und Dampf unterscheiden können. Beachten Sie die Herstellerunterlagen oder kontaktieren Sie ein Kompetenzzentrum.

    Volumenstrom und Druckverlust

    Festlegung Volumenstrom im Kollektorkreis

    Der notwendige Mindestvolumenstrom im Kollektorkreis wird durch die Art und die Anzahl der Kollektoren sowie durch die gewünschte Betriebsweise (Low-flow, High-flow oder Matched-flow) bestimmt.

    Dimensionierung Rohrleitung

    Empfohlen werden Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,4 m/s und 0,7 m/s. Bei dieser Strömungsgeschwindigkeit stellen sich Druckverluste zwischen 1 mbar und 3 mbar je Meter Rohrleitungslänge ein. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 m/s sollte keinesfalls überschritten werden (Druckverluste, Strömungsgeräusche).

    Wird ein Zentralentlüfter eingesetzt, sind die in der Tabelle vorgeschlagenen Rohrdurchmesser in Abhängigkeit des Gesamtvolumenstroms einzuhalten, um die Funktion des Zentralentlüfters zu gewährleisten (Luftbläschen werden mit der Strömung nach unten gezogen). Überdimensionierte Rohrleitungen führen hier zu Problemen.

    Druckverlustberechnung

    Bei der detaillierten Druckverlustberechnung sind entsprechend den Herstellerangaben und dem gewählten Volumenstroms die Druckverluste der Kollektoren, der Rohrleitungen inklusive aller Einbauten und Einzelwiderstände, der Armaturen sowie die Druckverluste der Wärmetauscher zu berücksichtigen.

    Hinweis: Externe Wärmetauscher müssen zusätzlich berechnet werden. Deren Durchflusswiderstand sollte 100–200 mbar nicht überschreiten.

    Hinweis: Bei Reihenschaltung von Kollektoren addieren sich die Einzelwiderstände, bei Parallelschaltung von Teilfeldern ist der Gesamtdruckverlust gleich dem der Einzelteilfelder.

    Hinweis: Das Wärmeträgermedium besitzt eine niedrigere Viskosität als reines Wasser, was sich insbesondere bei kalten Temperaturen negativ auswirkt (bei Temperaturen um den Gefrierpunkt ist bis zu 50 % mehr Pumpenleistung erforderlich als bei reinem Wasser!). Beachten Sie bei der Druckverlustberechnung daher die Herstellerangaben des eingesetzten Wärmeträgermediums!

    Auslegung der Umwälzpumpe

    Bei bekanntem Gesamtvolumenstrom (l/min oder l/h) und Druckverlust (mbar) kann anhand der Pumpenkennlinie die geeignete Pumpe ausgewählt werden. Üblich waren bisher stufige Solarpumpen mit für den Kollektorkreis angepassten Kennlinien (hohe Förderhöhe bei kleinen Volumenströmen). Durch Umschalten der Stufe vor Ort können diese angepasst werden. Die Auslegung orientiert sich an der mittleren Pumpenstufe, sodass noch Reserve nach oben und unten bleibt. Zunehmend setzen sich Hocheffizienzpumpen durch, die von einigen Herstellern auch bereits in den vorkonfektionierten Solarstationen integriert sind.

    Hinweis: Würde man für Solaranlagen eine Jahresarbeitszahl ß definieren (ß = Nutzbare Wärme / Elektrischer Energieaufwand), so lassen sich Jahresarbeitszahlen ß > 50 realisieren.

    Hinweis: In Kombination mit Drain-Back Anlagen werden auch z. B. Zahnradpumpen eingesetzt. Beachten Sie hierfür die speziellen Herstellerangaben.

    Dimensionierung von externen Wärmetauschern

    Wärmetauscher in Solaranlagen müssen vergleichsweise kleine Leistungen mit möglichst niedrigen Temperaturen übertragen. Ziel ist es, die Kollektorrücklauftemperatur so niedrig wie möglich zu halten und damit den Kollektor so effizient wie möglich arbeiten zu lassen.

    An einem schönen Sommertag sind rund 3 kWh/(m²·d) Kollektorertrag möglich, bei Anlagen mit niedriger Deckung auch bis zu 4 kWh/(m²·d). Fehler, die bei der Wärmetauscherauslegung gemacht werden, können den Solarertrag deutlich reduzieren.

    Externe Wärmetauscher für Kollektorkreise werden in der Regel auf eine mittlere logarithmische Temperaturdifferenz von LMDT = 5 K zwischen Kollektorkreis und Speicherkreis ausgelegt. Sie weisen damit eine deutlich größere thermische Länge auf als übliche Wärmetauscher in Heizungsanlagen. Für die Berechnung werden als Ausgangsleistung typenabhängig ca. 600 Watt je Quadratmeter Kollektorfläche angesetzt.

    Zur Auslegung externer Wärmetauscher bieten die Hersteller in der Regel Hilfestellung und spezielle Auslegungsprogramme an. Für den Einbau von Plattenwärmetauschern gelten die üblichen Einbaubestimmungen. Absperrmöglichkeiten und eine Temperaturanzeige je Anschluss sollten selbstverständlich sein. Zum Schutz des Wärmetauschers vor Frostschäden auf der Wasserseite kann im Kollektorkreis ein Drei-Wege-Umschaltventil vor dem Wärmetauscher installiert werden, das den Durchfluss durch den Wärmetauscher erst bei Kollektorvorlauftemperaturen von mehr als 5 °C frei gibt.

    Durchflussmengenanzeiger

    Mit Hilfe eines Durchflussmengenanzeigers wird der aktuelle Volumenstrom angezeigt (l/min). In Kombination mit zwei Thermometern ist seine Anzeige unerlässlich für die Funktionskontrolle.

    Entsprechend der Nennweite und des Einsatzgebietes sind Durchflussmengenanzeiger mit unterschiedlichen Anzeigebereichen verfügbar. Bei Solaranlagen mit einem Kollektorfeld sind sie üblicherweise bereits in der Solarstation integriert. Bei Mehrfeldanlagen sollte jedes Teilfeld einen eigenen Durchflussmengenanzeiger haben.

    Direkt durchströmte Durchflussmengenanzeiger sind nicht hochtemperaturbeständig und dürfen keinesfalls mit Dampf beaufschlagt werden. Werden Durchflussmengenanzeiger in Kollektorfeldnähe als Abgleichsorgan eingesetzt, um beispielsweise die Volumenströme zweier paralleler Teilfelder hydraulisch abzugleichen, so sind Durchflussmengenanzeiger in Bypass-Ausführung einzusetzen. Mit Hilfe der Stellschraube kann so die gleichmäßige Durchströmung beider Teilfelder sichergestellt werden.

    Achtung: Um eine mögliche Absperrung des Kollektorfeldes zum Sicherheitsventil im Keller zu verindern, werden Bypass-Durchflussmengenbegrenzer im Vorlauf gesetzt. Beachten Sie dazu die Skizze.

    Sicherheitstechnische Ausrüstung

    Alle sicherheitstechnischen Einrichtungen einer Solaranlage müssen auf den Stagnationsfall ausgelegt werden.

    Eigensicherheit bedeutet:

    • Die Solaranlage darf durch Stagnation keinen Schaden nehmen und während der Stagnation keine Gefährdung darstellen.
    • Die Solaranlage muss nach Beenden der Stagnation wieder selbsttätig in Betrieb gehen.
    • Alle Bauteile müssen für die im Stagnationsfall zu erwartenden Temperaturen und Drücke ausgelegt sein.

    Bezüglich des Stagnationsverhaltens ist ein niedriger Anlagendruck vorteilhaft. 1 barü Überdruck am Kollektor (bei Befüllung bei 20 °C) ist ausreichend. Eine entscheidende Größe bei der Planung von Druckhaltung und Sicherheitseinrichtung ist die Dampfproduktionsleistung (DPL). Sie gibt die Leistung an, die das Kollektorfeld im Stagnationsfall an die Rohrleitung abgibt. Die DPL ist abhängig vom Entleerungsverhalten des eingesetzten Kollektors und vom Feldaufbau:

    • Flachkollektor ohne Flüssigkeitssack:
      DPL = 30 … 60 W/m²
    • Flachkollektor mit Flüssigkeitssack:
      DPL = 50 … 100 W/m²
    • Direkt durchströmter Röhrenkollektor (abhängig von Anordnung Anschlussgehäuse seitlich/oben):
      DPL = ca. 100 … 200 W/m²
    • Direkt durchströmter Röhrenkollektor, Anschlussgehäuse oben:
      DPL = 200 W/m²

    Die Dampfreichweite in der Rohrleitung wird aus dem Gleichgewicht aus Dampfproduktionsleistung des Kollektorfeldes und den Wärmeverlusten der Rohrleitung berechnet.
    Wärmeverluste von Rohrleitungen:

    • Kupferrohr 18 × 1 und kleiner:
      25 W/m
    • Kupferrohr 22 × 1 und 28 × 1,5:
      30 W/m

    Kühlstrecke oder Vorschaltgefäß notwendig?

    Ist die Dampfreichweite kleiner als die Wärmeverluste der Rohrleitung im Kollektorkreis (Vor- und Rücklauf), kann der Dampf das MAG nicht erreichen. Bei der Dimensionierung des MAG ist die Dampfmenge in der Rohrleitung zu berücksichtigen.

    Ist die Dampfreichweite größer als die Wärmeverluste der Rohrleitung, ist zum Schutz der MAG-Membran eine Kühlstrecke (z. B. Vorschaltgefäß, Kühlkörper etc.) einzuplanen. Darin kondensiert der Dampf auf Temperaturen von unter 70 °C.

    Für das Nennvolumen des Vorschaltgefäßes kann in erster Näherung etwa 50 % des MAG-Volumens angesetzt werden.

    Berechnung des Wärmeträgervolumens im Kollektorkreis

    Für die Berechnung des Membranausdehnungsgefäßes (MAG) ist der Wärmeträgerinhalt des Kollektorkreises zu bestimmen. Für die Volumina des Kollektorfeldes (Inhalt pro Kollektor × Anzahl plus Leitungsinhalt der Kollektoranschlussleitungen), des Solarwärmetauschers sowie der Solarstation sind die Herstellerangaben zu beachten. Das Volumen der Rohrleitungen kann einschlägigen Tabellen entnommen werden.

    Dimensionierung des Membranausdehnungsgefäßes (MAG)

    Das MAG muss das Ausdehnungsvolumen des Wärmeträgers bis zur maximal erreichbaren Temperatur im Kollektorkreis und zusätzlich das Volumen der durch Dampf verdrängten Flüssigkeit aufnehmen. Eine Berechnungsgrundlage liefert die VDI 6002 Blatt 1.

    Achtung: Der Vordruck des MAG ist bei der Inbetriebnahme zwingend an die örtlichen Gegebenheiten anzupassen!
    Vordruck MAG = Betriebsdruck abzüglich ca. 0,3 bar für die Wasservorlage. Letztere ist wichtig, um den Volumenverlust bei Abkühlung unter die Befülltemperatur auszugleichen.

    Dimensionierung des Sicherheitsventils

    Das Sicherheitsventil muss nach DIN EN 12975 und 12977 ausgelegt und auf die Wärmeleistung der Kollektoren abgestimmt sein sowie deren maximale Leistung von 900 W/m² ableiten können. Die Größe des Sicherheitsventils ("Eintrittsquerschnitt") wird durch die Kollektor-Aperturfläche vorgegeben:

    • bis 40 m² Aperturfläche: DN15
    • bis 80 m² Aperturfläche: DN20
    • bis 160 m² Aperturfläche: DN25
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