Hydraulikplan einer effizienten Glykolfreien Solaranlage
 
Glykolfreie Solaranlage -  LIVE  - der Puffer ist die zentrale Heizungsstelle. Alle Energiequellen heizen den Puffer auf.
Hier stelle ich ein verbessertes Gesamtkonzept vor, das ebenfalls mit Wasser betrieben werden kann.
Folgende Komponenten werden für den Solarteil benötigt. Kleinteile für die Installation sind hier nicht aufgeführt.
  • Vakuum-Röhrenkollektoren
  • Pumpe mit Rückschlagventil (Schwerkraftbremse)
  • Solarleitung mit 100% Isolierung
  • Pufferspeicher
  • zusätzliches Ausdehnungsgefäß
  • 2 Stück 3 Wegeumschaltventil (ohne Rückholfeder) um die Solaranlage in den bestehenden Heizkreis einzubinden
  • 1 Stück 2 Wegezonenventil für die Frostschutzfunktion bei Stromausfall (mit Feder)
  • frei programmierbare Regelung z.B. UVR 1611
  • optional Frischwasserstation evtl. im Eigenbau
  • 1 Stück bivalenter Mischer mit Motor
Fertige Hydraulik mit der eingebundenen Solaranlage
Hier geht es zu den Livedaten der glykolfreien Solaranlage, die bereits in Betrieb ist.

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.  
Wichtig!    Wichtig!     Wichtig!
Bei einer glykolfreien Solaranlage nur eine Einstrang-Solarstation bzw. nur eine Pumpe mit Rückschlagventil (Schwerkraftbremse) einbauen, damit keine Dampfschläge bei der Stagnation entstehen. Damit auch keine Mikrozirkulation entsteht, sollten die Pufferanschlüsse mit einem Thermosiphon ausgestattet sein. Die Heizungsanlage darf nicht mit Trinkwasser aufgefüllt werden. Hier nur aufbereitetes Wasser in die Heizungsanlage einfüllen. Bei Trinkwasser bilden sich Kalkablagerungen im Sammlerrohr und somit ist eine gute Wärmeübertragung von Röhren nicht mehr gegeben. Es entsteht eine Leistungsminderung.

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.
Regelung:
Für die Anlage habe ich eine frei programmierbare UVR 1611 vorgesehen. Diese hat 16 Sensoreingänge und 11 Schaltausgänge (erweiterbar auf 13 Schaltausgänge). Davon sind 4 Ausgänge für  drehzahlregelbare Pumpen vorgesehen.
Die UVR 1611 übernimmt die Regelung der kompletten Anlage - d.h. Solarteil, Heizungsteil, Brennernachladung und bei Bedarf die Frischwasserstation..
Puffer:
Der Puffer ist mit einem internen Einschichtungsrohr und Trennplatte ausgestattet. Die Trennplatte verhindert ein komplette Verwirbelung im Pufferspeicher. Durch das innen liegende Schichtungsrohr wird der Heizungsrücklauf selbständig unter Ausnutzung der Physik temperaturmäßig in den unteren Pufferbereich eingeschichtet. 
Nach Möglichkeit sind die Pufferanschlüsse mit Thermosifons zu versehen um eine Mikrozirkulation zu verhindern.
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 einen Teil der oberen Leitung bei einem Stillstand (Stagnation) aufnehmen.

Funktionsbeschreibung:
Solarteil:
Start der Solarpumpe: Kollektor > Puffer unten. Die Solarpumpe wird Drehzahl geregelt und versucht die Sollvorlauftemperatur am Kollektor zu erreichen und zu halten.
sobald die Temperatur vor dem UV 1 der Puffertemperatur unten entspricht, öffnet das UV3. Über die Leitung zum UV2 wird die erhöhte Temperatur in das Einschichtungsrohr geleitet. Wird am Sensor vor dem UV1 die Temperatur von der Puffermitte erreicht, öffnet zusätzlich zum UV3 das UV2. Der Solarvorlauf wird in die Puffermitte geleitet. Der BIV-Mischer kann dann hier, wenn die HKR-Solltemp. erreicht ist, direkt mit Solar den Heizkreis versorgen.
Es ist auch möglich durch Schließen der 3 UV den eigenen Solarkreislauf aufzuheizen, dass am Kollektor die Temperatur vom Puffer oben erreicht wird. Sobald diese Temperatur vor dem UV1 ankommt, werden die UV 1+2 geöffnet und die obere Pufferhälfte wird mit der Solaranlage aufgeheizt.
Mit dieser Anbringung der UV ist jede Ladevariation möglich.
---> untere Pufferhälfte   über Einschichtungsrohr oder Puffermitte rein - unten raus  UV 3 (+UV2) EIN
---> obere Pufferhälfte     oben rein - mitte raus   UV 1 + 2 EIN
---> komplettes Puffervolumen   oben rein - unten raus    UV 1 + 3 EIN
In der Regel kommt jetzt die Überlegung, welche Umschaltventile soll ich nehmen. Hierzu habe ich ebenfalls einen Bericht erfasst.
Frostschutzfunktion:

Diese Funktion wird automatisch vom Solarregler übernommen. Wenn die Kollektortemperatur und/oder Außentemperatur unter einen eingestellten Sollwert fällt, startet im Solarregler die Frostschutzfunktion,  indem die Solarpumpe startet. Warmes Wasser aus dem Leitungssystem der Solaranlage wird jetzt in den Kollektor gepumpt. Sollte die Energie von der Solarleitung nicht ausreichen bzw. unter 4° fallen, wird kurzfristig das UV3 geöffnet, bis sich die Temperatur in der Solarleitung erhöht hat. Bei Erreichen der frostfreien Obergrenze schaltet die Solarpumpe wieder ab. Das dann sehr kalte Wasser vom Kollektor strömt automatisch in das Einschichtungsrohr in den unteren Bereich vom Puffer und kühlt nicht die obere heiße Zone ab. Der Rücklauf wird von ganz unten über das UV 3 am Puffer entnommen. Diese vorhandene Energie reicht aus 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. Durch die Intervallschaltung der Solarpumpe bleibt das Wasser immer wieder beruhigt in der Solarleitung und wird sogar von der Raumtemperatur leicht erwärmt, so dass bei geringeren Außentemperaturen keine Energie vom Puffer benötigt wird.

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 Puffer oben wird oberhalb der Solarstation in den Solarrücklauf geleitet. Somit wird die Schwerkraftbremse der Solarpumpe umgangen und das warme Wasser strömt zum Kollektor. Das kalte Wasser vom Kollektor strömt über die Solar-VL in den kalten Puffer unten. (über das UV 1 Richtung UV 2 und von dort in das Einschichtungsrohr) Die 3 Umschaltventile müssen hierbei nicht geschaltet werden.

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.
Wichtig!
Bei einer 2-Strang Solarpumpenstation darf keine Schwerkraftbremse im Solarvorlauf aktiv sein, da sonst die Schwerkraftzirkulation unterbunden wird.

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.


Wer seine Anlage nicht mit Wasser betreiben möchte, kann in die Solarleitung oberhalb vom UV1 einen Plattenwärmetauscher (PWT) mit Pumpe einbauen und den Solarteil mit einem Ausdehnungsgefäß ausstatten und dort Glykol einfügen. 
Diesen Puffer gibt es auch mit 2 innen liegenden Wärmetauschern. Einer oberhalb der Trennplatte, der andere unterhalb der Trennplatte. Für diese Variante werden 2 UV im Solarkreis eingebaut, damit es möglich ist, ausschließlich den oberen oder den unteren, sowie  beide Wärmetauscher zusammen zu betreiben.
 
Heizungsteil:
An dieser Stelle möchte ich erst einmal die Funktionsweise des bivalenten Mischer erklären.
Dieser Mischer funktioniert im Grund genauso wie ein herkömmlicher Mischer und kann auch von jeder Mischerregelung bedient werden. Solange die Heizungspumpe AUS ist, bleibt der Mischer geschlossen. Sobald die Heizkreispumpe startet, beginnt auch die Mischerfunktion. Der Mischer öffnet etwas und mischt von der Puffermitte Temperatur dem Heizungsrücklauf zu. Ist in der Puffermitte nur noch die HKR-Vorlauftemperatur vorhanden, wird diese komplett in den HKR geleitet. Reicht jetzt diese Temperatur auch nicht mehr aus, dann öffnet der Mischer weiter und holt sich die restliche Temperaturerhöhung vom oberen Ausgang des Puffers.
Nachheizen:
Unterschreitet der Sensor im oberen Bereitschaftsbereich vom Frischwassermodul (FriWa), wird der Ölbrenner gestartet. Die Ladepumpe im Rücklauf zum Ölkessel wird von der Regelung Drehzahl gesteuert, dadurch lässt sich vom Ölkessel eine fest eingestellte Temperatur von z.B. 50° in den Puffer laden.
Das gleiche geschieht wenn an der oberen Grenze (gestrichelte Linie) vom Bereitschaftsteil der Heizung die HKR-Solltemperatur unterschritten wird, schaltet sich ebenfalls der Ölbrenner ein und die Nachheizung beginnt.
Beim Nachheizen wird von der Regelung immer die höchste benötigte Temperatur + 5° Überhöhung (Abschalttemperatur) geladen.

Abschaltpunkt für den Heizungsteil ist der Sensor direkt oberhalb der Trennplatte. Ist hier die HKR-Solltemperatur + Überhöhungstemp. vorhanden, schaltet der Brenner ab.
Abschaltpunkt für den FriWa - Bereich ist der Sensor vom oberen Heizungsbereich.

Vorteile wenn der Brenner einen Teil vom Pufferspeicher aufheizt
  • Längere Laufzeiten und dadurch bessere Verbrennung und besserer Wirkungsgrad des Ölbrenners
  • Weniger Verschleiß z.B. Zündelektroden
Was ist eine Rücklaufanhebung für den Ölkessel?
Bei der Rücklaufanhebung für den Ölkessel, wird der kalte Heizungsrücklauf mit Solar erwärmt. Somit muss der Ölkessel eine geringere Temperaturdifferenz aufheizen. Diese RL-Anhebung ist im Puffer integriert, da die Temperatur von der Puffermitte in den Ölkessel geleitet wird und der Heizungsrücklauf unten in den Puffer über das Einschichtungsrohr geleitet wird.  Der untere Pufferteil wird bei geringer Sonneneinstrahlung von Solar aufgeheizt.
 
Frischwassermodul (FriWa)
Die UVR 1611 hat noch Sensoreingänge und Schaltausgänge frei, so dass zusätzlich die FriWa Ladepumpe Drehzahl geregelt werden kann. Auch die Zirkulationspumpe kann noch von der UVR mit einem Zeitprogramm und Taktung, damit diese nicht im Dauerbetrieb läuft.
Es ist möglich eine Friwa selbst zu bauen. Einen Plan finden Sie hier.