Solaranlagen: Heißes Wasser zum Duschen und Baden

Thermische Solaranlagen können in unseren Breiten bis zu 70% unseres Trink- und Badewassers erwärmen. Und dies im Betrieb völlig kostenlos und ohne schädliche Umweltauswirkungen.

Funktion:

  • Die Sonne scheint auf den Kollektor.
  • Darin wandelt der Absorber die Sonnenstrahlen in Wärme um.
  • Die Wärme wird an eine Flüssigkeit (Wasser + Frostschutz) abgegeben.
  • Diese Wärmeträgerflüssigkeit wird zum Solarspeicher gepumpt,
  • erwärmt dort in einem Wärmetauscher das kalte Wasser und
  • fließt danach in einem geschlossenen Kreis zurück zum Kollektor.

http://www.solarverein-trier.de/kollektor/kimages/info_og_solaranlage.gif

Die obere Grafik zeigt die wichtigsten Bestandteile einer Solaranlage.

 

Funktion des Kollektors

Der Kollektor einer thermischen Solaranlage sammelt die Sonnenstrahlen ein - er macht die "Kollekte".

Er sollte daher möglichst der Sonne zugewandt aufgestellt werden. Ideal ist eine Orientierung nach Süden (Ausrichtung zwischen Südost und Südwest) und eine Neigung von 45 Grad. Für die Brauchwasserbereitung im Sommer ist ein wesentlich weiterer Bereich gut nutzbar und eigentlich nur nördliche Richtungen wirklich ausgeschlossen. Für die Heizungsunterstützung ist die optimale Aufstellung dagegen sehr wichtig.

Eine sub-optimale Aufstellung wird nicht durch aufwendige "Schräg-Aufständerung", sondern durch eine etwas größere Fläche korrigiert. Diese notwendige Fläche wird bei der Dimensionierung durch eine Simulationsberechnung ermittelt.

Im Kollektor trifft die Strahlung auf den Absorber. Er nimmt die Strahlung effektiv auf und wandelt sie in Wärme um. Er erhitzt sich und soll diese Wärme nicht abstrahlen, sondern an die Flüssigkeit abgeben. Um diese Effekte besonders unterstützen, ist der Absorber beschichtet. 

Energiefluss im Kollektor (8373 Byte) Energiefluß im Kollektor (8kB)

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Verrohrung

Die im Kollektor erzeugte Wärme muß zum Speicher transportiert werden. Für diesen Kreislauf werden zwei Rohre zwischen Kollektor- und Speicherstandort benötigt (siehe Bauherrn-Info).

Die Rohre sind sorgfältig zu isolieren. Insbesondere im Kollektorbereich ist diese Isolation hitzebeständig auszuführen. Die Verrohrung ist möglichst auf dem kürzesten Weg und mit möglichst wenig Bögen auszuführen.

Die Rohre bestehen aus Kupfer, sind dadurch gut zu verarbeiten und es entstehen keine Korrosionsprobleme. Die Rohrquerschnitte sind so zu wählen, daß die Strömungsverhältnisse möglichst laminar sind. In der Regel wird ein Durchmesser von 22 mm außen verwendet, bei kleinen Anlagen und kurzen Wegen sind auch 18 mm möglich, bei größeren Anlagen und langen Wegen auch 28 mm.

In den Rohren wird ein Wärmeträgermedium aus Wasser und Frostschutz im Kreis gepumpt. Das Frostschutzmittel ist aus hygienischen und ökologischen Gründen lebensmittelecht.

Zusammen mit den Rohren wird meist das Kollektorfühler-Kabel der Regelung verlegt.

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Funktion der Pumpen- und Sicherheitsgruppe

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Die Pumpen und Sicherheitsgruppe verbindet Kollektor mit dem Wärmetauscher, also die Wärmequelle mit dem Wärmeverbraucher (Senke). 

Neben dieser Funktion des Energietransports erfüllen die Armaturen weitere Aufgaben der Anlagensicherheit, Funktionskontrolle und Wartung.

Bestandteile der Pumpen- und Sicherheitsgruppe

Entlüfter     Thermometer     Sicherheitseinrichtungen     Absperrhähne
KFE     Pumpe und Schwerkraftbremse     Feinstluftabschneider

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Solar-Warmwasser-Speicher

Leider scheint die Sonne in unseren Breiten nicht sehr regelmäßig. Damit die Solaranlage aber einige  Tage ohne Sonne überbrücken kann, besitzt sie eine großen Speicher. Seine Größe entspricht etwa dem Warmwasser-Verbrauch von 2-3 Tagen.

Der Solarspeicher ist immer ein stehender Speicher, d.h. er ist mindestens doppelt so hoch wie breit. Durch diese Bauform kann sich das Wasser im Speicher schichten. Heißes und damit leichteres Wasser sammelt sich oben, kaltes Wasser bleibt unten. Ganz unten im Speicher befindet sich der Solar-Wärmetauscher, meist ein aufgewickeltes Rohr mit einer großen Oberfläche. Damit kann die Solaranlage den ganzen Speicher von unten nach oben erhitzen. Im oberen Bereich befindet sich ein Wärmetauscher für die Nachheizung, die damit nur etwa ein Drittel des Speichers erwärmt.

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Blick in einen 400l Solarspeicher

Blick von unten nach oben, zu erkennen sind (von innen nach außen) der Speicherdeckel mit Anschluß, der kleinere obere Glattrohr-Wärmetauscher, die Opferanode und der untere Wärmetauscher.
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Der Speicher und seine Anschlüsse sind besonders sorgfältig zu isolieren, um Verluste zu vermeiden.

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Warmwasser zum Baden, Duschen, Händewaschen aber für den Geschirrspüler und die Waschmaschine

Oben am Speicher steht uns das heiße Wasser zur Verfügung. Es wird nun in das Hausnetz eingespeißt und erreicht so die einzelnen Zapfstellen im Haus.

Entscheidend für die richtige Planung einer Solaranlage ist die möglichst genaue Bestimmung dieses Verbrauchs. Leider steht eine genaue Messung (Warm(!)-Wasser-Zähler) meist nicht zur Verfügung, so daß der Verbrauch abgeschätzt werden muß (etwa 30 - 70 Liter mit 45 Grad pro Person und Tag).

Die Mindesttemperatur sollte fürs Duschen und Baden 40 Grad betragen. Wenn von Hand abgespült wird sind eher 45 Grad erforderlich.

Um die Temperatur des heißen Solarwasser im Sommer zu begrenzen, empfiehlt sich der Einbau eines Brauchwassermischers, welcher die Versorgung mit einer Maximaltemperatur von zB 45 Grad sicherstellt.

Besonders effektiv ist die Benutzung der Solarenergie auch in Geschirrspüler und Waschmaschine, wo sie die teure Elektrizität ersetzt. Beim Geschirrspüler muß dabei lediglich die Temperatur durch einen Brauchwassermischer auf max. 60 Grad begrenzt werden. Bei einer Waschmaschine ist zudem ein Vorschaltgerät nötig, das die passende Temperatur jeweils bereitstellt (siehe Zubehör).

 

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Kaltwasserzufluß

Das kalte Wasser strömt beim Verbrauch von unten in den Speicher. Da das kalte Wasser schwerer als das warme ist, entsteht eine natürliche Schichtung: Unten im Speicher, nahe dem Solarwärmetauscher, sammelt sich das kalte Wasser, das heiße Wasser oben im Speicher bleibt warm. 

Die Temperatur des Kaltwassers schwankt in der Regel übers Jahr zwischen 10 und 12 Grad.

Die notwendigen Installationen auf der Kaltwasserseite (Rückschlagklappe ins öffentliche Netz, Absperrhahn, evtl. Druckminderer) sind normalerweise, da vorgeschrieben, bauseitig vorhanden.

 

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Nachheizung

Leider scheint die Sonne in unseren Breiten nicht so regelmäßig, daß eine Solaranlage mit vernünftigem Aufwand alles Warmwasser, also auch im Winter(!), erwärmen kann. In der Regel deckt eine solche Anlage etwa 50-70% des ganzjährigen Verbrauchs. 30-50% der Energie müssen dem System also noch zugeführt werden.

Die Solarenergie kann dazu prinzipiell mit fast allen anderen Energiearten kombiniert werden: Öl, Gas, Holz, Strom etc.. Einzige Ausnahmen: 

  • Dezentrale Warmwasser-Erhitzung, etwa durch Unter-Tisch-Geräte oder Durchlauferhitzer direkt an der Zapfstelle - hier kann das heiße Solarwasser nich zum Wasserhahn gelangen. 
  • Zentrale Durchlauferhitzer mit Drucksteuerung - diese erkennen nicht, wenn bereits warmes Wasser von der Solaranlage kommt. Man benötigt in diesem Fall einen temperaturgesteuerten, elektronischen Durchlauferhitzer.

In der Regel erfolgt der Anschluß durch einen zweiten Wärmetauscher im Solarspeicher. Dieser liegt im oberen Drittel des Speichers. Der Kreislauf wird durch eine Pumpe zwangsumgewälzt und durch einen Thermostat im oberen Teil des Solarspeichers gesteuert.

Der dazu notwendige Anschluß des Solarspeichers an den bestehenden Heizkessel ist in der Regel des Heizung-Fachmanns!

 

Solaranlagen-Zubehör

http://www.solarverein-trier.de/kollektor/kimages/info_og_zubehoer.gif

unbedingt benötigt: Regelung

empfohlen: Brauchwassermischer und Waschmaschinen-Vorschaltgerät

möglich: Ausdehungsgefäß für Brauchwasser

Anlagensicherheit

Im Solarkreis und insbesondere im Kollektor kommt es infolge der Temperaturänderungen zu Druckschwankungen, das Wasser dehnt sich aus, ja kann sogar kochen! Um diese Druckänderungen zu kontrollieren, zu dämpfen und den maximalen Druck zu begrenzen dienen

 Diese drei Bestandteile stellen damit wichtige Sicherheitseinrichtungen dar, die immer mit dem Kollektor verbunden sein müssen. D.h.. in der Leitung dazwischen darf sich kein Absperrhahn befinden, oder er muß gegen Verschluß gesichert sein!