Glykolfreie Solaranlage

Vakuum-Röhrenkollektoren
Solarstation mit Pumpe und Rückschlagventil, sowie ein manuelles Entlüftungsrohr
Solarleitung mit Isolierung
Pufferspeicher mit Eigenbau-Einschichtungsrohr
zusätzliches Ausdehnungsgefäß
3 Wegeumschaltventil um die Solaranlage in den bestehenden Heizkreis einzubinden
2 Wegezonenventil für die Frostschutzfunktion bei Stromausfall (mit Feder)
Regelung mit Frostschutzfunktion über Außensensor und Kollektorsensor
optional ein weiteres 3 Wegeumschaltventil

Fertige Hydraulik mit der eingebundenen Solaranlage

Allgemeines:

Diese Solaranlage wird mit normalem Heizungswasser betrieben.
Der Solarkreislauf hat keinen eigenen Kreislauf, sondern wird hydraulisch wie ein Heizkreis betrieben, lediglich mit dem Unterschied, dass er keine Energie verbraucht, sondern diese abgibt. Ein großer Vorteil besteht hier, dass das Wasser neben einer höheren Wärmespeicherkapazität auch eine bessere Wärmeabgabe hat, als ein Glykolgemisch und dadurch ein höherer Solarertrag unter gleichen Bedingungen erzielt werden kann. Weiterhin ist Wasser dünnflüssiger bei niedrigeren Temperaturen und kann dadurch mit weniger elektrischem Aufwand durch dünnere Leitungen gepumpt werden. Auch die Kosten für aufwändige Wärmetauscherkonstruktionen intern im Puffer oder extern entfallen ganz, wie auch das Solar Ausdehnungsgefäß und nicht zuletzt Glykol selbst sind hier nicht nötig.

Hauptvorteil aber ist, dass neben der Kosteneinsparung bei der Investition, bei diesem System die Stagnation im Sommer leicht zu beherrschen ist, da kein Glykol durch Übertemperatur zerstört werden kann.

Allerdings funktioniert dieses System nur mit Vakuum-Röhrenkollektoren, da hier nur wenige Liter Wasser im sehr gut gedämmten Sammler und den Leitungen über Dach frostfrei gehalten werden müssen und der Auskühleffekt der Kollektoren sehr gering ist. Vor allem im Winter ist dies wichtig, da es häufig zu sehr tiefen Temperaturen im Minusbereich kommen kann. Um den Kollektor frostfrei zu halten und um somit Frostschäden zu verhindern, startet die Solarpumpe sobald die Kollektortemperatur unter einen bestimmten Wert fällt und stoppt wenn ein etwas höherer Wert erreicht ist.

Puffer:
Der Puffer wird mit einem externen Einschichtungsrohr ausgestattet. Dieses Rohr kann z.B. aus DN 35 bzw. DN 42 Kupfer einfach gelötet werden und sollte idealerweise mindestens 2 Dimensionen über der Rohrstärke vom Heizungsrücklauf sein, damit sich die Fließgeschwindigkeit reduziert und sich das Wasser selbständig unter Ausnutzung der Physik temperaturmäßig in den jeweiligen Pufferbereich einschichten kann. Dieses Rohr muss sehr gut gedämmt werden.
Hinweis: Das Einschichtungsrohr muss von unten angefahren werden damit der Rücklauf nicht gleich in den unteren Puffereingang gedrückt wird.

Zusätzliches Ausdehnungsgefäß:
Dies wird benötigt, um die Wasserausdehnung zwischen kalt und heiß des Pufferinhalts aufzunehmen. Das MAG muss auch die Wassermenge der Sammelrohre des Kollektors und eines Teils der oberen Leitung bei einem Stillstand (Stagnation) aufnehmen.

Funktionsbeschreibung:

Sobald der Sensor (5) am Kollektor um z. B. 7° über dem Sensor (3) im Puffer unten ist, startet die Solarpumpe. Diese wird Drehzahlgeregelt und versucht z.B. 45° (Durchschnittsvorlauftempertur vom Heizkreis) am Kollektor zu erreichen und zu halten. Das warme Medium vom Kollektor wird nach unten in das Einschichtungsrohr am Puffer geleitet. Jetzt kommt der 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 Kollektortemperatur steigt, wird der Puffer über das Einschichtungsrohr automatisch immer weiter oben erwärmt. Der untere Teil bleibt kalt und kann abends, bei weniger Sonnenschein auch noch aufgeheizt werden, somit kann die Pumpe früher starten und Abends länger laufen und dadurch in der Summe einen größeren Ertrag erbringen.

Um die Effizienz der Anlage zu steigern, kann optional noch ein weiteres 3 Wege-Umschaltventil (2) eingebaut werden. Vorteil hierdurch: Sobald der Kollektor eine höhere Temperatur aufweist als Sensor (4) wird der Heizungsrücklauf direkt zu den Kollektoren geleitet. So wird der Kollektorvorlauf am Eingang vom Einschichtungsrohr nicht mit dem Rücklauf vermischt und es steht eine höhere Temperatur für die Rücklaufanhebung zur Verfügung. Ist die Temperatur am Sensor (2) höher wie am Sensor (4) am Heizungsrücklauf schaltet das 3-Wegeumschaltventil (1) und leitet den Heizungsrücklauf in den Puffer. Das warme Wasser im oberen Teil des Puffers wird somit in den Heizkessel geleitet und verhindert bzw. verzögert dadurch einen Brennerstart.= Heizöl bzw. Gaseinsparung.

Beim Aufheizen vom Warmwasser/Brauchwasserspeicher z.B. bei der Legionellenschutz-Schaltung kann es vorkommen, dass die Rücklauftemperatur dann höher ist, als der Puffer oben. In diesem Fall schließt das 3-Wegeumschaltventil und das Warmwasser wird direkt vom Heizkessel erwärmt um den Puffer nicht unnötig auf diese hohe Temperatur zu bringen.

Frostschutzfunktion:

Diese Funktion wird automatisch vom Solarregler übernommen. Wenn die Kollektortemperatur unter einen eingestellten Sollwert fällt, startet im Solarregler die Frostschutzfunktion, indem die Solarpumpe startet. Warmes Wasser aus dem Puffer wird jetzt in den Kollektor gepumpt. Bei Erreichen der frostfreien Obergrenze schaltet die Solarpumpe wieder ab. 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 sollte reichen um die Kollektoren frostfrei zu halten, da hier nur wenige Liter Wasser (z.B. typischerweise 2 Liter pro 5 m². Solarkollektor) frostfrei gehalten werden müssen. Die dabei aufgewendete Energie an Wärme und an elektrischer Energie für die Pumpe ist relativ gering. Die durch den Frostschutz verloren gegangene Wärme wird durch den frühen Start wieder ausgeglichen.

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.
Frostschutzmäßig ist die Schwachstelle des Systems nicht der Kollektor, sondern die Verbindungsleitungen von der Dachdurchführung zu den Kollektoren und zwischen den Kollektoren. Diese Leitungen müssen sorgfältig und gut isoliert werden. Ebenso die Isolierung vor direkter Sonneneinstrahlung (UV-Strahlen) und Vogelverbiss zu schützen.

Um die Schwachstellen (Kollektoranschlußleitungen auf dem Dach zu den Kollektoren) vor Frost sicher zu schützen, ist es erforderlich die Frostschutzfunktion über den Außensensor und dem Kollektorsensor sicher zu stellen. Bei Minustemperaturen kann es durchaus sein, dass der Kollektor noch höhere Temperaturen hat, während die Verbindungsleitungen bereits an der Frostgrenze sind. Deshalb muss die Frostschutzfunktion bei erreichen einer eingestellten Außentemperatur ebenfalls aktiv werden. Eine Impulsschaltung der Solarpumpe finde ich hier sehr vorteilhaft. Ebenfalls kann es vorkommen, dass die Kollektortemperatur geringer ist, wie die angezeigte Außentemperatur. Das kann vorkommen, wenn der Außenfühler zu geschützt angebracht ist und die Strahlungswärme von der Hauswand abbekommt.

Frostschutz bei Stromausfall:

Für diesen Fall ist das 2-Wege-Zonenventil (im Plan grün gezeichnet) bei Strom-ständig geschlossen (Dauer-Stromverbrauch 5 Watt) und öffnet bei Stromausfall. Das 2-Wege-Zonenventil wird parallel mit der Regelung strommäßig versorgt. In die Stromversorgungsleitung ist ein Schalter (z.B. Lichtschalter) einzubauen, damit das Zonenventil bei Plus-Außentemperaturen z.B. im Sommer vom Stromnetz getrennt werden kann. Dadurch soll möglichst wenig elektrische Energie verschwendet werden. Wird dieses Zonenventil außerhalb der Frostzeit vom Stromnetz getrennt, muss der Kugelhahn oberhalb vom Zonenventil geschlossen werden, um ungewollte Schwerkraftzirkulation zu vermeiden.

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 in den Solarrücklauf geleitet. Somit wird die Schwerkraftbremse der Solarpumpe umgangen. Das kalte Wasser vom Solar-VL strömt wieder in den kalten Puffer unten.

Achtung!
Beim Ausfall (z.B. Defekt der Pumpe) ist keine Frostschutzfunktion aktiv. In diesem Fall muss das Zonenventil durch den Schalter per Hand vom Stromnetz getrennt werden, damit die Schwerkraftzirkulation entsteht.

Ausnahme bei Verwendung einer UVR1611 und einem noch freien Ausgang
Dieses 2 Wege-Umschaltventil (Frostschutz) wird auf diesen noch freien Ausgang geklemmt. In der Programmierung kann mit Hilfe des eingebauten Volumenstromgebers festgelegt werden, dass dieses Umschaltventil öffnet, wenn bei eingeschalteter Solarpumpe kein Durchfluss vorhanden ist. Bei Stromausfall öffnet es von selbst.

Diese Anlage habe ich in der Praxis noch nicht getestet.

Hier stelle ich ein verbessertes Gesamtkonzept vor, das ebenfalls mit Wasser betrieben werden kann. Dieses Schema ist bereits in Betrieb.

Beschreibung finden Sie hier.