Die Volkssolaranlage wird mit normalem Heizungswasser betrieben.
Die Volkssolaranlage hat keinen eigenen Kreislauf, sondern wird hydraulisch wie ein Heizkreis betrieben, lediglich mit dem Unterschied, dass hier keine Energie verbraucht, sondern diese abgegeben wird. Heizungswasser hat neben einer bedeutend höheren Wärmespeicherkapazität; auch eine bessere Wärmeabgabe, als ein Glykolgemisch und schon dadurch kann ein höherer Solarertrag erzielt werden.
Weiterhin ist Wasser dünnflüssiger und kann somit mit geringerem elektrischen Aufwand durch dünnere Leitungen gepumpt werden. Auch die Kosten für aufwändige Wärmetauscherkonstruktionen (intern im Puffer oder extern), sowie auch das Solar Ausdehnungsgefäß entfallen ganz.
Alleine durch den Verzicht auf Glykol und somit auf jegliche Wärmetauscher wird ein höherer Ertrag erzielt (siehe Auswirkung von Glykol auf Solaranlagen).
Einer der Hauptvorteile aber ist, dass neben der Kosteneinsparung bei der Investition, bei diesem System die Stagnation im Sommer keine große Rolle spielt und von der Anlage „eigensicher“ beherrscht wird. Da kein Glykol durch Übertemperatur zerstört werden kann, schadet diese auch nicht der Solarflüssigkeit. Wenn die Temperatur im Puffer über z.B. 95 Grad steigt, schaltet der Solarregler die Solarpumpe ab, um Speicher und alle Heizungskomponenten vor Übertemperatur zu schützen. In den Sammelrohren der Kollektoren steigt dann die Temperatur schnell an und der erste Wassertropfen, der verdampft, dehnt sich um den Faktor 1500 aus und wird zu Nassdampf. Dadurch wird das restliche Wasser aus dem Kollektor nach unten in den Puffer befördert. Dort wird diese Wassermenge vom Ausdehnungsgefäß aufgenommen und bei Abkühlung der Kollektoren in der Nacht automatisch wieder vom Ausdehnungsgefäß in die Kollektoren zurückgedrückt.
Da Übertemperatur im Sommer bei diesem Konzept nicht schädlich ist, kann die Solaranlage bei Bedarf (auch später) sehr leicht durch zusätzliche Kollektoren weiter aufgerüstet werden, ohne den Rest der Anlage vergrößern zu müssen und ohne vor der Frage zu stehen, was mit der Wärmeüberschuss im Sommer passiert.
Allerdings funktioniert dieses System nur mit Vakuum-Röhrenkollektoren, da hier nur wenige Liter Wasser in einem geraden Sammelrohr vollständig durch Dampfüberdruck in den Puffer zurückgedrückt werden, ohne dass Restwasser im Kollektor übrig bleibt und zu Dampfschlägen führen kann, wenn der Trockendampf im Kollektor dann später bei längerem Stillstand eine Endtemperatur von über 200 Grad erreichen kann.
Um den Kollektor im Winter frostfrei zu halten und um somit Frostschäden zu verhindern, startet der Solarregler die Solarpumpe immer dann, sobald die Kollektortemperatur unter einen bestimmten Wert fällt und stoppt die Pumpe, wenn ein etwas höherer Wert erreicht ist.
Allerdings ist der Auskühleffekt der Kollektoren gering, da das Sammelrohr im Kollektor und die auf dem Dach liegenden Leitungen sehr gut isoliert sind. Sowohl der Energieaufwand aus dem Puffer als auch der elektrische Aufwand für die Pumpe beim Frostschutz sind so gering, dass sie in der Energiebilanz der Anlage kaum in Erscheinung treten.
Pufferspeicher und Heizungswasserbehandlung
Generell sollte der Puffer und somit Heizung und Solaranlage nicht mit unbehandeltem Leitungswasser befüllt werden. Trotzdem wird auch in der heutigen Zeit selbst von Fachleuten noch gegen dieses Prinzip verstossen. Dadurch entstehen Schäden durch Versteinung (Kalk) Korrossion und Verschlammung durch Bakterienkulturen, die in warmem Leitungswasser sehr gut gedeihen. Die chemische Industrie bietet hier hochwirksame Heizungswasserzusätze an, die diese Probleme weitgehend beheben.
Der Puffer wird bauseitig mit einem externen Einschichtungsrohr ausgestattet, welches senkrecht neben dem Puffer montiert wird. Dieses Rohr kann z.B. aus DN 38 Kupfer oder größer einfach weich gelötet werden und sollte idealerweise mindestens 2 Dimensionen über der Rohrstärke vom Heizungsrücklaufrohr sein, damit sich die Fließgeschwindigkeit beim Eintritt in das Rohr reduziert und sich das Wasser somit selbständig temperaturmäßig in den jeweiligen Pufferbereich einschichten kann. Dieses Rohr muss sehr gut gedämmt werden. Laut einer Untersuchung der TU Dresden schichten Einschichtrohre gleich ob extern oder intern im Puffer besser und einfacher als Umschaltventil-Lösungen.
Um den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern, sollte der Puffer zusätzlich zur standardmässigen Isolierung mit einer Lage alukaschierter Steinwolle umwickelt werden. Dabei müssen auch die Stösse der Isolierung mit z. B. Aluklebeband abgedichtet werden, um Kamineffekte unter der Isolierung zu vermeiden. Alle Abgänge vomPuffer sollten mit einem Thermosyphon (Leitung geht min.100mm nach unten) versehen werden, damit sich die Rohre nicht durch Mikrozirkulation erhitzen und somit unnötige Pufferwärmeverluste entstehen.
Zusätzliches Ausdehnungsgefäß für den Puffer
Dies wird benötigt, um die Wasserausdehnung zwischen kalt und heiß des Pufferinhalts aufzunehmen. Das Ausdehnungsgefäß muss auch die Wassermenge der Sammelrohre des Kollektors und eines Teils der oberen Leitung bei einem Stillstand (Stagnation) aufnehmen. Als Faustformel gilt, dass die Größe des Ausdehnungsgefäßes ca. 20 % des Pufferinhaltes sein sollte. Ein seperates Ausdehnungsgefäss für den Solarkreislauf entfällt.
Funktionsbeschreibung der Anlage im Detail:
Sobald die Temperatur am Sensor (1) am Kollektor um z. B. 8° über dem Sensor (2) im Puffer ist, startet die Solarpumpe. Diese wird vom Solarregler „drehzahlgeregelt“ und versucht z.B. 60° im oberen Teil des Puffers zu erreichen. Das Wasser vom Kollektor wird nach unten in das Einschichtungsrohr am Puffer geleitet. Jetzt kommt der erste Vorteil des Einschichtungsrohrs zum Tragen. Das kalte Wasser in der Leitung vom Kollektor bis zum Puffer, das beim Starten der Solarpumpe noch in der Leitung vorhanden ist, wird automatisch in den unteren Teil im Puffer geleitet. Sobald die Temperatur aus dem Kollektor steigt, wird der Puffer über das Einschichtungsrohr automatisch immer oben erwärmt. Dies erfolgt ohne eine Regelung einfach nur durch die Physik, da warmes Wasser leichter als kaltes Wasser ist und somit im Schichtrohr automatisch nach oben steigt, da das Wasser wärmer als der obere Teil des Puffers ist. Der untere Teil bleibt kalt und wird erst geladen, wenn der obere Teil bereits warm ist. Dadurch wird erstens früh eine nutzbare Temperatur im Puffer generiert und zusätzlich entsteht eine höhere Effizienz der Kollektoren, welches den Gesamtertrag erhöht. Das Umschalten der Ladung auf den mittleren Pufferteil erfolgt dadurch, dass der Solarregler die Pumpe gerade so schnell laufen lässt, dass die Temperatur des Sensors (3) in der Puffermitte gerade um 8 Grad überschritten wird.,und somit das geförderte Wasser automatisch sich in der Puffermitte einschichtet. Erst wenn der Puffer in der Mitte auch z.B. 60° erreicht, vermindert sich die Drehzahl der Pumpe und das geförderte Wasser wird heisser und lädt den Puffer voll bis auf z.B. 95 Grad. Dann schaltet der Solarregler die Pumpe ab und die Anlage geht in Stillstand (Stagnation).
Anschluss der Heizung an den Puffer
Je nach bestehendem Heizungssystem und erforderlicher Vorlauftemperatur kann der Heizungsvorlauf entweder im oberen Teil des Puffers oder auch tiefer abgenommen werden. Auch wird durch den Anschluss des Vorlaufs der Heizung in der Puffermitte der Bereitschaftsteil des Puffers für die Frischwasserbereitung geschont und von der Heizung nicht zwangsläufig abgekühlt. Der Rücklauf aus der Heizung kann unten in das Schichtrohr eingeleitet werden, um eine Einschichtung in temperaturgleiche Schichten zu unterstützen und eine Durchmischung der Pufferschichtung zu vermeiden.
Anschluss der Wärmeerzeuger an den Puffer
Je nach Wärmeerzeuger (Gas/Heizöl/Holz/Wärmepumpe) muss entschieden werden, wo genau der heisse Vorlauf in den Puffer eingeleitet wird. In der Regel ist dies im oberen Teil des Puffers. Bei Brennwert Anlagen kann es hilfreich sein, den Rücklauf aus dem unteren Bereich des Puffers zu entnehmen da dadurch der Wirkungsgrad des Brenners steigen kann. Bei Luft/Wasser Wärmepumpen kann es erforderlich sein,lediglich den Bereitschaftsteil auf z.B. 55 Grad zu laden und dann per Umschaltventil auf die Puffermitte zu schalten um den Vorlauf für z. B. eine Fussbodenheizung zu erwärmen.
Brauchwasser Aufbereitung
Das Brauchwasser kann mit einem Hygienespeicher oder mit einer Frischwasserstation erzeugt werden. Moderne elektronisch geregelte Frischwasserstationen können selbst mit 55 Grad warmen Pufferwasser ausreichend Brauchwasser mit 45 Grad erzeugen ohne den Puffer dabei zu durchmischen. Dadurch erhöht sich die Schüttleistung eines Puffers und unnötige Brennerstarts können reduziert werden.
Frostschutzfunktion
Diese Funktion wird automatisch vom Solarregler übernommen. Wenn die Kollektortemperatur am Sensor (1) unter einen gewissen Sollwert fällt, startet der Solarregler die Frostschutzfunktion, und die Solarpumpe läuft. Das dann sehr kalte Wasser vom Kollektor strömt durch das Einschichtungsrohr automatisch in den unteren Bereich vom Puffer und kühlt nicht die obere heiße Zone des Puffers ab. Der Rücklauf wird von ganz unten im Puffer entnommen. Diese vorhandene Energie reicht, um die Kollektoren frostfrei zu halten, da hier nur wenige Liter Wasser (z.B. typischerweise 2 Liter pro 5 Mtr². Solarkollektorfläche) frostfrei gehalten werden müssen. Die dabei aufgewandte Energie an Wärme und an elektrischer Energie für die Pumpe ist relativ gering.
Es ist wichtig, dass dieses kalte Wasser vom Kollektor nicht oben in den Puffer geleitet wird, da sonst der obere Bereich vom Puffer unnötigerweise abgekühlt wird und dann somit einen unnötigen Brennerstart verursachen kann.
Frostschutzmäßig ist die Schwachstelle des Systems nicht der Kollektor, sondern die Verbindungsleitungen von der Dachdurchführung zu den Kollektoren und zwischen den Kollektoren. Die Isolierung muss deshalb hier sehr sorgfältig durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang weisen wir auch auf die neue Aerogel Isolierung der Solarleitung hin, die bei gleicher Dämmdicke der Rohre fast die vierfache Dämmwirkung konventioneller Dämmstoffe aufweist.
Frostschutz bei Stromausfall
Wenn im Winter bei tiefer Minustemperatur der Strom ausfallen sollte und die Pumpe deshalb keinen Frostschutz sicherstellen kann, ist für diesen Fall das 2-Wege-Zonenventil (im Plan gelb gezeichnet) eingebaut. Wenn Spannung anliegt ist es ständig geschlossen und öffnet bei Stromausfall.
Fällt die Stromzufuhr der Regelung aus, z.B. Sicherung hat ausgelöst, öffnet die Rückholfeder das Zonenventil und es beginnt eine gewollte Schwerkraftzirkulation. Das warme Wasser vom Einschichtungsrohr oben wird oberhalb der Solarstation automatisch in den Solarrücklauf geleitet. Somit wird die Schwerkraftbremse der Solarpumpe umgangen. Das kalte Wasser vom Solar-Vorlauf strömt wieder in den kalten Puffer unten.
Das 2-Wege-Zonenventil wird parallel mit der Regelung strommäßig versorgt. In die Stromversorgungsleitung sollte ein Schalter (Lichtschalter) eingebaut werden, damit das Zonenventil bei Plus-Außentemperaturen z.B. im Sommer vom Stromnetz getrennt ist. Es soll möglichst wenig elektrische Energie verschwendet werden. Wird dieses Zonenventil im Sommer vom Stromnetz getrennt, muss der Kugelhahn oberhalb vom Zonenventil geschlossen werden um ungewollte Schwerkraftzirkulation zu vermeiden.
Mit Stromausfall ist hier hauptsächlich der Fall gemeint, wo bei tiefen Temperaturen z.B. in Abwesenheit des Hausherren der FI Schutzschalter auslöst und die Anlage dadurch ohne Spannung ist.
Die Hydraulik für dieses System ist lediglich ein Beispiel und wurde von erfahrenen Solarspezialisten erstellt.
Die Puffergröße wie auch die Kollektorfläche können je nach Anforderung dimensioniert werden.
Achtung!
Beim Ausfall (z.B. Defekt der Solar-Pumpe) ist keine Frostschutzfunktion aktiv. In diesem Fall muss das Zonenventil durch den Schalter per Hand vom Stromnetz getrennt werden, damit die Schwerkraftzirkulation entsteht.
