Solarenergie: Schichtspeicher

Solaranlage mit Schichtspeicher

Schichtspeicher Die Solaranlage dient zur Brauchwassererwärmung und zum Beheizen des Hauses. (Näheres dazu hier).

Temperaturregelung / Einstellung der Ein- und Ausschalttemperaturen - oder: wie steigere ich den Wirkungsgrad meiner Solaranlage ?

Zur Messung der Temperatur am Wärmespeicher und am Kollektor dient häufig jeweils ein PTC-Widerstand PT1000 (= 1k Ohm bei 0°, Widerstand steigt mit steigender Temperatur) oder ein vergleichbares Bauteil.
Der eine Widerstand ragt unten in das kühlere Ende in den Schichtspeicher. Der andere ist normalerweise in den Kollektoren eigebaut.

Beide Widerstände sind mit dem Solarregler verbunden, der deren Temperaturen vergleicht und bei einer eingestellten Temperaturdifferenz dann das Relais für die Solarpumpe einschaltet.

Einschalten: Sobald der Widerstand im Solarkollektor eine (einstellbar, z.B. 2-6 K bzw. °C) höhere Temperatur aufweist, schaltet sich die Solarpumpe für den Primärkreislauf (zum 1. Wärmetauscher) ein. Sobald er nur noch ca. 1-2 Grad über der Temperatur des anderen Messpunktes am Schichtspeicher liegt, schaltet die Solaranlage ab.

Normalerweise jedenfalls - denn genau hier wird oft viel unnötig an Wirkungsgrad verschenkt: Da nämlich genau genommen ja gar nicht die Temperatur an einem bestimmten Punkt des Solarkollektors entscheidend ist, mag er auch noch so sorgfältig ausgewählt sein, sondern vielmehr einzig die Rücklauftemperatur der Solarflüssigkeit hinter dem letzten Kollektor, wird bei einer solchen (leider oft standardmässig verbauten Konstruktion!) oft schon vorzeitig die Anlage abgeschaltet.

Denn durchgeführte Messungen haben gezeigt, dass die Temperatur der Solarflüssigkeit z.B. immer noch 65°C oder mehr beträgt, während der vorschriftsmässig verbaute Messfühler (PTC-Widerstand) nur noch 50-55° anzeigt. Das würde dann aber bedeuten, dass der untere Bereich des Schichtspeichers - oder bei Standardspeichern sogar der gesamte Speicher (!) nicht wirklich maximal geladen werden und die Anlage spätestens wenn dort unten dann z.B. 55° gemessen werden schon vorzeitig abschaltet; 80° wären aber sonst locker machbar. Wärmetauscher  (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)

Daher wurde der Messpunkt auf dem Dach modifiziert.

Eine Variante: Der Messwiderstand befindet sich nun nicht am/im Kollektor, sondern ragt durch die Isolierung in die Rücklaufleitung; gleichzeitig wurden die gesamten Leitungen bzw. deren Aussenhaut, matt schwarz gestrichen, einerseits um durch die Erwärmung der Aussenhaut der isolierten Rohre bei Sonnenschein (..naja, und nur dann arbeitet die Anlage ja ;-) etwaige Isolationsverluste zu verringern und andererseits um durch die Erwärmung der Region um den nun dort verbauten Fühler bei Sonneneinstrahlung die Anlage einzuschalten.
Zweite, perfektere Variante: zwei Fühler; der eine am Kollektor schaltet die Anlage ein. Sobald eingeschaltet ist, wird mit Relais auf den zweiten Fühler umgeschaltet, der an der heissen Rücklaufleitung installiert ist. Nun ist gewährleistet, dass die Anlage wirklich erst dann abschaltet, wenn die Temperaturdifferenz zwischen solarer Kühlflüssigkeit und Wärmespeicher sich unter einen eingestellten Wert (z.B. 2°C) verringert. Mit diesem Trick wurden ca. 30% mehr an Wärme herausgeholt.

(ganz ohne Relais kommt man aus, wenn man mit 4 PTC-Fühlern arbeitet, 2 der Fühler sind in Serie geschaltet und 2 paralell, so kommt man wieder auf den Widerstandswert wie bei einem einzelnen. 2 Fühler sind an den Kollektoren und - das ist der entscheidende Punkt - 2 messen den Rücklauf. Denn sonst kann es passieren, dass am Kollektor eine niedrigere Temperatur gemessen wird als im Rücklauf tatsächlich herrscht. ) PT 1000 gibts übrigens ganz billig für ca. 6-12 Euro im Elektronik-Versandhandel; von manchen Solarfirmen werden sie nämlich häufig um den dreifachen Preis verkauft.

Weitere Tricks und Umbauten zur Maximierung der Wärmemenge, die "der Sonne abgezapft wird":
Flächenheizkörper (anklicken zum Vergrößern) Im unteren Bereich des Schichtspeichers wird ja die Temperatur für den Laderegler gemessen und dieser schaltet immer nur dann die Solarpumpe ein, wenn diese Temperatur unter der liegt, die der Messpunkt an den Solarkollektoren anzeigt.

Da aber in diesem unteren Bereich des Speichers auch ein Heizkreislauf mit einem speziellen Niedertemperatur-Aluminium-Flächenheizkörper liegt, kann man nun die Pumpe dieses Heizkörpers mit einem Thermostaten koppeln, den man z.B. auf 25°C einstellt (d.h.: so dass die Pumpe sich erst bei einer Unterscheitung der Vorlauftemperatur von 25°C abschaltet), der dann dadurch diese untere Zone des Speichers über Nacht stets mehr oder minder vollständig (eben bis zur am Thermostaten eingestellten Temperatur, hier z.B. 25°C) entleert und dabei das Haus erwärmt.

Dieser Heizköper hat zum einen durch seine Lamellen eine besonders grosse Oberfläche und benötigt daher keine so hohe Vorlauftemperatur. Ausserdem leitet Aluminium mit 237 W/mK die Wärme fast dreimal so gut wie Eisen (81 W/mK). Lamellen eines Flächenheizkörpers (anklicken zum Vergrößern)

Dadurch ist dann nämlich gewährleistet, dass sich die Solaranlage am nächsten Tag recht schnell wieder einschaltet (d.h.: nämlich schon bei Überschreiten von nur 28-30°C am Messpunkt - statt sonst erst bei vielleicht 40-50 Grad), um zumindest schon mal den unteren Teil des Schichtspeichers nachzuladen und dadurch weniger auftreffende Wärmestrahlung verpuffen lässt.

Ausserdem steigt der Wirkungsgrad der Solarkollektoren wenn die Temperaturdifferenz zu Aussentemperatur geringer ist

Natürlich könnte man auch argumentieren, dass man dann im unteren Bereich des Speichers für kalte Tage keine Wärme mehr "auf Reserve" hat, was ja auch richtig ist, aber letzten Endes überwiegt der positive Effekt bei Weitem, dass man dafür ja statt dessen beträchtlich viel mehr Wärme bereits ins Haus gepumpt hat, dessen Steine ja ebenfalls sehr viel Wärme speichern können - zumal das Haus zuvor perfekt mit einer 20cm Styroporisolierung wärmegedämmt wurde, so dass die Wände diese Wärme zum grössten Teil wirklich speichern statt sie nach aussen abzugeben. Innenwände sowieso, Aussenwände zumindest zu guten Teilen.

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