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Solare Warmwasserbreitung / Wärmetauscher

Sonnenenergie / Solarenergie: Bücher Solar-Dachanlagen selbst planen und installieren. Leicht verständlich mit vielen konkreten Beispielen.

von Bo Hanus
Kurzbeschreibung : Anhand vieler konkreter Installationsbeispiele erfahren Sie, welche Solaranlage für Ihre baulichen Gegebenheiten und energiemäßigen Anforderungen am Besten ist, und wie Sie ein hohes Kosten/Nutzen-Verhältnis erzielen. Selbst wenn Sie nicht vor haben, eine Solar-Dachanlage selbst... Mehr dazu



Sonnenenergie / Solarenergie: Bücher Sonnenwärme optimal nutzen Handbuch für Technik, Planung und Montage

von Norbert Schreier, u. a.
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....weitere Bücher über Solarenergie / Bau von Solaranlagen / Solarkollektoren

Schichtspeicher  (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)

Pro Quadratmeter trifft bei Sonneneinstrahlung eine Wärmeenergie von 1000 Watt (im Winter kann man pauschal ca. 300 Watt ansetzen) auf die Solarkollektoren. Der Wirkungsgrad von heisswasser-Sonnenkollektoren ist mit 65-90 % erheblich grösser als der von elekrischen-, also Photovoltaikmodulen, so dass pro qm locker 400-700 Watt an Wärmeenergie von der solaren Kühlflüssigkeit aufgenommen werden können.
Der Kreislauf mit dem Wasser - Glykolgemisch wird bei Überschreiten einer einstellbaren Temperaturdifferenz (dazu dient ein sogenannter Solarregler) per elektrischer Pumpe in Gang gesetzt. Die Solarflüssigkeit wird in einen Wärmetauscher geleitet, der den Solarspeicher - genauer: den Schichtspeicher aufheizt.

Schichtspeicher (Bild rechts), Prinzip: Der Trick bei einem Schichtspeicher besteht darin, dass sich oben das heisseste Wasser und unten das kälteste Wasser sammelt. Das hat zur Folge, dass in den Solarkollektor nicht, wie sonst üblich, mehr oder minder schon bereits stark erwärmtes Wasser gelangt, sondern gezielt immer nur das allerkälteste Wasser des gesamten Systems, was den Wirkungsgrad der Kollektoren (bzw. die dort absorbierte Wärmemenge) verbessert. Besonders im Winter kann man dadurch (zusammen mit den gut isolierten Vakuum-Kollektoren) bereits dann schon zumindest den unteren Bereich des Schichtspeichers erwärmen, wo hingegen Systeme ohne Schichtspeicher eine unnötig höhere Vorlauftemperatur haben.



Auch im Winter sollte selbst bei Minusgraden problemlos - zumindest, wenn die Sonne scheint - eine Vorlauftemperatur von 40 Grad und mehr erreicht werden, so dass diese Temperatur sowohl für Badewasser als auch für Fussbodenheizungen vollkommen ausreicht. Allerdings kommt es nicht nur auf die Temperatur an, sondern auch sehr auf die Menge des erwärmten Wassers; jedes Solarsystem kann man durch Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit auf sehr hohe Temperaturen bringen, so dass der Laie dann denkt, er hat eine besonders gute Solaranlage, weil seine 70 Grad statt wie beim Nachbarn nur 50 Grad liefert. Nur: 10 liter Wasser mit 70° enthalten eben sehr viel weniger Energie als 50 l mit 40° ! (genauer: 10 l Wasser, die man auf 70°C erwärmt, enthalten bei z.B. 20° Anfangstemperatur nur ca. die Hälfte von 50l mit 40°, ergibt sich aus Temperaturdifferenz mal Volumen). Wärmetauscher  (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)

Auf dem rechten Bild in blau: der Wärmetauscher des Solarsystems.

Prinzip: eine Spirale erwärmt die kühlflüssigkeit, die steigt dann je nach temparatur in den Schichspeicher hoch, da sie um so leichter ist, desto wärmer sie ist.

Grundsätzlich funktionieren fast alle Wärmetauscher (im Grunde auch dieser hier, nur wegen der Schichspeicherausgänge dort nicht so ganz offensichtlich erkennbar) - erst Recht die bekannten gläsernen Spiralen im Labor - nach dem Gegenstromprinzip:
Die wärmere und die kältere Flüssigkweit lässt man entlang des Materials, das den Wärmeübergang ermöglicht (also Metall, Glas,..) nicht einfach paralell strömen, sondern man lässt sie gegeneinander strömen.

Das bedeutet zum Beispiel bei einem Kühler einer Reaktionsapparatur, der Wasser als Kühlmedium verwendet, dass die heissesten Gase oder Flüssigkeiten, die dem Reaktionskolben entströmen (..hier: die direkt von den Kolleltorem kommende solare Kühlflüssigkeit) nicht mit dem kältesten Kühlmittel, sonder mit dem schon vorgewärmten lauwarmen Kühlmittel in Kontakt kommen. Auf dem weiteren Weg kühlen sie weiter ab und kommen mit immer frischerem also kälterem Kühlmittel in Kontakt; und schliesslich ganz am Ende mit dem ganz frischen Kühlmittel, dort wo es am allerkältesten ist, denn nur dieses ist in der Lage der schon etwas abgekühlten Flüssigkeit noch den Rest an Wärme zu entziehen.

Wenn man das nicht so machen würde, sondern nur einfach beide Flüssigkeiten paralell miteinander strömen lassen würde, dann wären am Ende beide nur gleichermassen lauwarm, es käme dann so irgend eine mittlere, irgendwo zwischen der Temperatur der anfangs heissen Flüssigkeit und des anfangs kalten Kühlmittels liegende "mittlere Temperatur" heraus, das zu kühlende Medium wäre beim Verlassen des Wärmetauschers nicht so kalt wie beim Gegenstromprinzip.

Als Solarpumpen zur Umwälzung dienen ganz gewöhnliche Pumpen wie man sie auch aus dem Heizungsbau kennt. Denkbar wären natürlich auch Gleichstrombetriebene Pumpen, die man dann mittels eines 12 oder 24Volt - Solarpaneels mit Sonneneergie betreibt. Bilder Solartechnik: Solarpumpe Bilder Solartechnik: Solarpumpe Schema der Anlage, die von der Firma Teufel und Schwarz in Going konzipiert und geliefert wurde. Mischer (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)


Wenn Brauchwasser entnommen wird, erwärmt ein Wärmetauscher im Schichtspeicher das durchströmende kalte Leitungswasser. Damit es stets eine gleichbleibende Temperatur hat, wird es noch in einem mechanischen, vollautomatisch arbeitenden Mischer mit kaltem Wasser vermischt (Bild rechts).

Da das (Brauch-)Wasser erst unmittelbar vor dem Gebrauch erwärmt wird, hat man durch die Verwendung des Wärmetauschers im Schichtspeicher selbst bei niedrigen Temperaturen von 30-40 Grad keinerlei Probleme mit Legionellen oder anderen Krankheitserregern. Letztere können sich immer dann vermehren, wenn Wasser (und zwar das Brauchwasser, nicht die etwaige Wasser-Glykolmischung im Wärmespeicher vor dem Wärmetauscher, denn da ist´s wegen der Trennung der Kreisläufe egal) tagelang lauwarm gehalten wird, wie es bei manchen Solarsystemen z.B. im Winter vorkommen kann - oder in Schwimmbädern etc.. Flächenheizkörper (anklicken zum Vergrößern)

Das das Haus zuvor perfekt mit einer 20cm Styroporisolierung wärmegedämmt wurde, dient die Steinmasse der Wände und des Untergrundes dabei als grosser Wärmespeicher.
Wie gross der solare Deckungsgrad dann wirklich in der Praxis ist, wird sich demnächst herausstellen, mehr dazu z.B. auch hier: Gedanken zum Bau einer Solaranlage / Deckungsgrad: www.kaminfeuerfan.de/dimension.html

Perfektionieren kann man das Ganze noch dadurch, dass man zwei oder mehr Photovoltaik-Solarmodule (also elektrische statt thermische Kollektoren) mit je 50 Watt zusätzlich auf das Dach montiert (die ggfs. über einen Wechselrichter ins Netz eingespeist werden). Denn diese Solarmodule liefern den Strom passenderweise ja gerade dann, wenn die Solarpumpen zur Umwälzung wegen der Sonneneinstrahlung am meisten laufen müssen. Dann kostet noch nicht einmal der (ohnehin nur geringe Stromverbrauch) der Solarpumpen etwas und die Brauchwasserwärmung und Heizung ist dann komplett kostenlos. (...gut, man muss dafür natürlich finanziell erst mal in Vorlage treteten aber gerade durch die drastisch steigenden Energiekosten ist die Amortisierungsdauer vieler Anlagen in Zukunft oft kürzer als bei Baubeginn vermutet).


Die Wirtschaftlichkeit / Amortisation der Solaranlage konnte mit ein paar Umbauten / Modifikationen (vor allem: Plazierung des Messfühlers!) noch wesentlich verbessert werden.

Montage

Die Montage erfolgte mittels eines Kranwagens, der die Kollektoren (Gewicht: 130 kg) auf das Dach hievte:
Sonnenkollektor  (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern) Sonnenkollektor  (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)
die Gestelle, auf denen die Kollektoren mit 60° aufgeständert werden
 (anklicken zum Vergrößern) Solarkollektoren: Installation / Montage (anklicken zum Vergrößern)

Die Solarkollektoren sind zur Winteroptimierung mit 60 Grad aufgeständert. Dazu dienen Aluminiumschienen.

Solarkollektoren auf Dach

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