Trinkwassererwärmung monovalentem Solarvorwärmspeicher

7. Oktober 2020
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TechnikMonovalente Trinkwassererwärmung

Die Solarwärme wird aus dem Pufferspeicher in einen mit Trinkwasser gefüllten Solarvorwärmspeicher geladen. Dies geschieht (in Grenzen) unabhängig vom Zapfvolumenstrom. Der Solarvorwärmspeicher ist in den Kaltwasserzulauf zum Bereitschaftsspeicher eingebunden. Die Nacherwärmung erfolgt im Bereitschaftsspeicher.

Vorteile

  • Es sind keine Veränderungen am bestehenden konventionellen System notwendig.
  • Vorhandene konventionelle Bereitschaftsspeicher können weiter betrieben werden, ebenso konventionell beheizte Nachheiz-Durchlaufsysteme, wenn sie in der Leistung regelbar sind.
  • Die Entladung des Pufferspeichers ist in Grenzen (je nach Volumen des Vorwärmspeichers) unabhängig vom momentanen Trinkwarmwasserverbrauch möglich. Dadurch wird die Kapazität zur Speicherung von Solarenergie um das Vorwärmspeichervolumen vergrößert.
  • Der Puffer-Entladewärmetauscher kann relativ klein und preisgünstig gehalten werden.
  • Die Entladeregelung ist einfach und kostengünstig mit Delta-T-Reglern zu realisieren.
  • Der Druckabfall im Puffer-Entladewärmetauscher wird über eine Pumpe (P4) gedeckt. Der Entlade-WT verursacht also im Pfad des gezapften Wassers keinen Druckabfall.
  • An beiden Seiten des Entlade-WTs liegen definierte Strömungsverhältnisse vor. Dies vereinfacht dieAuslegung des Wärmetauschers gegenüber derjenigen bei einer Durchlauferwärmung mit unstetigem Zapfvolumenstrom.
  • Eine Einbindung der Trinkwarmwasserzirkulation ist leicht und kostengünstig zu realisieren, indem der Zirkulationsrücklauf über ein Umschaltventil in die Mitte des Vorwärmspeichers geführt wird. Dieser Vorteil relativiert sich jedoch dadurch, dass wir mit dieser Art der Zirkulationseinbindung schlechte Erfahrungen gemacht haben (nicht dicht schließende Ventile).

Nachteile

  • Gegenüber Systemen mit Durchlauferwärmung sind zusätzlich ein Solar-Vorwärmspeicher und eine Ladepumpe (P4) erforderlich. Zur thermischen Desinfektion muss der Vorwärmspeicher vom Kessel einmal pro Tag auf 60 °C erwärmt werden, sofern dies nicht durch den Solarpufferspeicher erfolgt ist (Legionellenschutzschaltung).
  • Der solare Vorwärmspeicher verursacht Wärmeverluste, von denen ein Teil durch die thermische Desinfektion entsteht.
  • Im Vorwärmspeicher können Mischtemperaturen auftreten, so dass bei einer Warmwasserzapfung zeitweise geringfügig höhere Temperaturen als die des Kaltwassers zum Entlade-Wärmetauscher gelangen.
  • Eine geschichtete Einspeisung des Rücklaufs aus dem Entladewärmetauscher in den Pufferspeicher ist zweckmäßig, weil in diesem Rücklauf Temperaturen zwischen der Kaltwassertemperatur und fast 60 °C auftreten können.
  • Der Stromverbrauch steigt durch die zusätzliche Pumpe P4 auf der Trinkwasserseite des Entladewärmetauschers etwas an.

Hinweise

  • In der hier dargestellten Legionellenschutzschaltung mit einem Umschaltventil und der Bereitschaftspeicher-Ladepumpe (P5) erfolgt eine Durchströmung des Vorwärmspeichers von oben nach unten. Damit wird sichergestellt, dass dann, wenn im Vorwärmspeicher unten 60 °C erreicht sind, diese 60 °C auch oben anliegen, der Speicher also durchgeladen ist. Bei Legionellenschutzschaltungen über den Zirkulationsvorlauf ist dies problematischer.
  • Die Regelung zur Beladung des Vorwärmspeichers erfolgt häufig durch eine Temperaturdifferenzabfrage mit nur zwei Fühlern, zwischen dem Solarpufferspeicher oben und dem Vorwärmspeicher unten. Möglich ist jedoch auch eine 3-Fühler-Regelung mit einem Temperaturfühler im Solarpufferspeicher oben und zwei Fühlern im Vorwärmspeicher (Einschaltfühler oben; Ausschaltfühler unten). Welche Variante eingesetzt werden sollte, kann sich an der Art der Legionellenschutzschaltung orientieren, die entweder nur einen oder zwei Fühler im Vorwärmspeicher benötigt.
    Eine Beladeregelung mit zwei Fühlern im Vorwärmspeicher führt zu verlängerten Lauf- und Abschaltzeiten der Pumpen P3 und P4, da das Vorwärmspeichervolumen als Schalthysterese genutzt wird.
    Die Einstellwerte der folgenden Regelbeschreibungen gelten beispielhaft für Wärmetauscher mit einem mittleren logarithmischen Delta T von 4 K. Sie sollten im Einzelfall an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden.

    Regelung mit einem Temperaturfühler im Vorwärmspeicher
    • P3 und P4 ein
      • wennT1 > T2 + 7 K
        und
      • wenn T2 < 56 °C
    • P3 und P4 aus
      • wennT1 < T2 + 4 K
        oder
      • wenn T2 > 60 °C
    Regelung mit zwei Temperaturfühlern im Vorwärmspeicher
    • P3 und P4 ein
      • wennT1 > T3 + 7 K
        und
      • wennT3 < 56 °C 1)
    • P3 und P4 aus
      • wennT1 < T2 + 5 K
        oder
      • wennT2 > 60 °C
      1): eine Einschaltbedingung von T3 deutlich unter 60 °C muss einstellbar sein (es darf z. B. nicht eingestellt sein: T3 < 59 °C, da sonst die Entladepumpen häufig ein- und ausschalten würden).
  • Das Volumen des Vorwärmspeichers sollte ca. 10 % des täglichen Zapfverbrauchs betragen. Sein Volumen liegt damit in der Regel bei 30–50 % des Bereitschaftsspeichers (wenn dieser nicht überdimensioniert ist).
  • Obwohl die Rücklauftemperatur zu den Kollektoren etwas höher ist als bei Durchlauferhitzersystemen (nicht immer reine Kaltwassertemperatur im Rücklauf zum Entladewärmetauscher), liegt die Effizienz des Vorwärmspeichersystems nahe bei der des Durchlauferhitzersystems. Voraussetzung sind ein gut abgestimmtes Vorwärmspeichervolumen, eine gute Speicherdämmung und eine gute Auslegung des Entladewärmetauschers auf eine kleine mittlere log. Temperaturdifferenz von 4 K bis 5 K.
  • Aufgrund der Erfahrungen in Solarthermie-2000 bevorzugt die ZfS bei großen Anlagen Vorwärmspeichersysteme gegenüber Durchlauferhitzersystemen. Möglicherweise sind jedoch inzwischen ausgereifte Durchlauferhitzersysteme am Markt, die diese Einschätzung hinfällig machen.
  • Um ein zu starkes Verkalken des Entladewärmetauschers zu vermeiden, wird eine Rücklaufbeimischung auf der Pufferspeicherseite installiert, die die Temperatur im WT begrenzt. Der zugehörige Temperaturfühler kann am WT Ausgang auf der Trinkwasserseite oder auch im Einlauf der Pufferseite montiert werden. Eine Montage auf der Pufferseite führt dort zu klar definierten Maximaltemperaturen, aber zu nicht eindeutigen Warmwassertemperaturen. Bei der von uns empfohlenen Montage auf der Trinkwasserseite wird direkt auf die gewünschte Warmwassertemperatur geregelt.
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