Solaranlage Trinkwassererwärmung mit Durchlauf-Wärmetauscher

9. November 2020
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Aus dem Pufferspeicher wird nur dann Wärme an das Trinkwasser übertragen, wenn Trinkwarmwasser gezapft wird. Das gezapfte Wasser wird ähnlich wie bei einem Durchlauferhitzer erwärmt. Die Nacherwärmung erfolgt in einem separaten Bereitschaftsspeicher. Für eine optimale Wärmeübertragung an das Trinkwasser muss der Fördervolumenstrom der Entladepumpe (P3) optimal an den schwankenden Zapfvolumenstrom angepasst sein.

Vorteile

  • Es sind keine Veränderungen am bestehenden konventionellen System notwendig; einfache kostengünstige Einbindung in das bestehende Trinkwassernetz.
  • Vorhandene Bereitschaftsspeicher können weiter betrieben werden; ebenso konventionelle Nachheiz-Durchlaufsysteme, wenn sie in der Leistung regelbar sind.
  • In der Regel ist kein zusätzlicher Aufwand für Trinkwasserhygiene erforderlich (im Gegensatz zu Systemen mit solarem Vorwärmspeicher). Ausnahme: Trinkwasserinhalt des Wärmetauschers und der Verrohrung bis zum Bereitschaftsspeicher >3 l.
  • Gute Voraussetzung für optimalen Solarertrag. Da der Entladewärmetauscher direkt vom Kaltwasser angeströmt wird, gelangt bei korrekter Regelung des Puffer-Entlade-Volumenstromes und richtiger Dimensionierung des Entladewärmetauschers ein gut abgekühlter Rücklauf in den Pufferspeicher. Eine temperaturgeschichtete Einspeisung des Entladekreis-Rücklaufs in den Puffer ist deshalb nicht erforderlich.
  • Geringerer Strombedarf als Vorwärmspeichersysteme, da nur eine zusätzliche Solarpumpe (P3) erforderlich ist.

Nachteile

  • Ohne besondere Maßnahmen ist eine Deckung der Zirkulationsverluste nur dann in geringem Umfang möglich, wenn im Entladewärmetauscher eine Erwärmung des Trinkwassers über die Solltemperatur im Bereitschaftsspeicher zugelassen wird. Zur Deckung der Zirkulationsverluste ist in der Regel ein zweiter Entladewärmetauscher erforderlich.
  • Die drehzahlgesteuerte Regelung der Entladepumpe P3 ist nicht trivial und nur mit größerem Messaufwand (hohe zeitliche Auflösung) zu kontrollieren.
  • Bei großem dynamischem Bereich des Zapfvolumenstroms (von null bis zu mehreren m³/h) ist u. U. ein zweiter Wärmetauscher erforderlich (Kaskadenschaltung). Ggf. ist abzuwägen, ob auf die solare Deckung von hohen Zapfspitzen verzichtet wird.
  • Hoher Druckabfall im Wärmeübertrager kann dazu führen, dass der Druck im Warmwassernetz erheblich unter den Druck im Kaltwassernetz abfällt. Dadurch besteht die Gefahr von Fehl-Überströmungen aus dem Kaltwassernetz in das Warmwassernetz an Mischstellen von Warm- mit Kaltwasser (vor allem bei hohem Zapfvolumenstrom).
  • Verkalkt oder verschmutzt der WT, so erhöht dies den Druckabfall (vgl. oben). Dies kann zu Störungen der Warmwasserversorgung führen.

Hinweise

  • In Solarthermie-2000-Anlagen traten sehr häufige Probleme mit der Regelung auf, aufgrund mangelhafter Anpassung des Volumenstroms der Entladepumpe P3 an den Zapfvolumenstrom. Die Entladung des Pufferspeichers und die Erwärmung des Trinkwassers waren dadurch nicht optimal. Folgende Bedingungen müssen vom Regler erfüllt werden (Einstellwerte beispielhaft, gilt für WT mit mittl. log. Delta T von 5 K).
    • P3 ein
      • wenn T1 > T2 + 7 K
        und
      • wenn Zapfvolumenstrom > Mindestvolumenstrom von P3

    Anpassung des Fördervolumenstroms von P3 an den Zapfvolumenstrom
    • P3 aus
      • wenn T1 < T2 + 5 K
        oder
      • wenn Zapfvolumenstrom < Mindestvolumenstrom von P3

    Der Prototyp eines Reglers, mit dem die Regelbedingungen durch je einen Volumenstromzähler im Entladekreis und in der Kaltwasserleitung eingehalten werden, wurde im Rahmen eines Solarthermie-2000-Forschungsprojektes entwickelt. Viele Regler arbeiten jedoch ausschließlich mit Temperaturfühlern. Da heutzutage zahlreiche Hersteller Frischwasserstationen mit Durchlauferwärmung des Trinkwassers anbieten, deren Regelung bezüglich dieser Anpassung auch denselben Anforderungen wie an eine Entladeregelung standhalten müssen, erwartet die ZfS, dass inzwischen geeignete Entladeregler am Markt verfügbar sind, die den Entladevolumenstrom optimal an den Zapfvolumenstrom anpassen. Erfahrungen dazu liegen uns jedoch nicht vor.
  • Die Anbindung der Zirkulation an die Kaltwasserleitung zur solaren Deckung von Zirkulationsverlusten wird wegen der damit verbundenen Erhöhung der Eintrittstemperatur in den WT in der Regel nicht empfohlen.
    Eine derartige Anbindung halten wir nur dann für denkbar, wenn der Zapf- und Zirkulationsvolumenstrom getrennt werden, indem die Zirkulation bei Zapfung abgeschaltet wird und nur in Zapfpausen eingeschaltet ist. Dann kann dies eine preiswerte Lösung zur Deckung von Zirkulationsverlusten sein. Eine geschichtete Einspeisung des Entladekreis-Rücklaufs in den Solarpufferspeicher ist dann aber erforderlich. Erfahrungen mit einer derartigen Variante liegen der ZfS nicht vor. Hygienische Aspekte bei Abschaltung der Zirkulation (DVGW W551 und W553) sind zu beachten.
  • Die Auslegung des Wärmetauschers erfordert eine besondere Sorgfalt. Insbesondere der maximal zulässige Druckverlust bei hohen Zapfspitzen und eine gleichzeitig gute Wärmeübertragung bei niedrigen Durchflüssen sind zu beachten. Wir empfehlen die Auslegung von einem Wärmetauscherhersteller durchführen zu lassen.
  • Die Kaskadierung (Parallelschaltung) von mehreren Wärmetauschern ist eine denkbare und von Herstellern angebotene Lösung, um größere Zapfspitzen bei akzeptablem Druckverlust erwärmen zu können. Erfahrungen hierzu liegen der ZfS nicht vor.
  • Um ein zu starkes Verkalken des Entladewärmetauschers zu vermeiden, wird eine Rücklaufbeimischung im Entladekreis des Pufferspeichers installiert, die die Temperatur im WT begrenzt. Der zugehörige Temperaturfühler sollte – wie dargestellt – im WT-Einlauf montiert werden. Eine Montage am WT-Ausgang auf die Trinkwasserseite (wie bei Vorwärmspeichersystemen) wird nicht empfohlen, da dies aufgrund des schwankenden Zapfvolumenstroms und der Trägheit bei der Wärmeübertragung zu Regelungsproblemen (Aufschwingung) und zu einer Überhitzung auf der Primärseite (Kalkausfällung) führen kann.

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