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Der Wärmetauscher benötigt zwischen den beiden Wärmetransporteuren eine Temperaturdifferenz, die durch Vergrößerung der Oberfläche und der Strömungsgeschwindigkeit verringert werden kann. Seine Aufgabe auf der Verbraucherseite ist es, nur soviel Wasser zu erwärmen, wie gerade gezapft wird. Wäre der grosse Boiler direkt mit dem Brauchwasser gefüllt, würde der Inhalt zu selten ausgetauscht, und die Wasserqualität würde leiden, könnte sogar gesundheitsgefährdend werden. Um auch eine niedrige Speichertemperatur nutzen zu können, ist ein großer Wärmetauscher erforderlich. Im Idealfall enthält die Rohrwendel gerade soviel Wasser, wie für einen Duschgang benötigt wird. Wenn der Kollektorkreislauf mit Frostschutzmischung gefüllt ist, benötigt man einen zweiten Wärmetauscher zwischen Kreislauf und Boilerwasser. Hier ist eine große Oberfläche besonders wichtig, weil die Verluste von Kollektor und Kreislauf mit der Wassertemperatur steigen. Das wirkt sich besonders stark an einem klaren, aber eisigen Wintertag aus. Wenn die ganzjährige Verfügbarkeit im Vordergrund steht, kommen nur vakuumisolierte Kollektoren in Frage. Die Wärme soll ohne Umwege von den der Sonne ausgesetzten Flächen auf das Wasser übertragen werden. Dabei passt eine S-förmige Anordnung aus nicht zu dünnen, gleichmäßig geneigten Rohren am besten zu dem im nächsten Abschnitt empfohlenen Kreislauf mit Entleerung im Ruhezustand. Zum Zeitpunkt des Baubeginns (1991) gab es solche Kollektoren nicht zu kaufen, so dass die Vakuum-Röhrenkollektoren Astron von Klöckner (Thermomax) gewählt wurden. Jedes Vakuumrohr hat einen Wärmeleiter und oben einen daumengrossen Wärmetauscher. Diese ragen in ein rechteckiges Gefäß mit relativ kleiner Wärmekapazität, das sich genügend schnell entleeren lässt. Die Größe wurde von den Platzverhältnissen bestimmt, stellte sich dann aber als angemessen heraus: Zwei Einheiten mit je 20 Rohren haben zusammen 4 Quadratmeter aktive Fläche. Diese Größe wird von Klöckner mit Zusatzheizung für eine vierköpfige Familie empfohlen. Unter Berücksichtigung der monatlichen durchschnittlichen Sonnenscheindauer kommt man zu folgender groben Abschätzung: In Verbindung mit einem Boiler von 1000 bis 2000 Liter können im Frühjahr und Sommer vier Personen rein solar versorgt werden. Weitere vier Monate im Jahr reicht diese Anlage für eine Person, während in den restlichen zwei Monaten nur ein eingeschränkter Bedarf einer Person ohne Zusatzheizung gedeckt werden kann. Weil die Vorstellungen über Minimal- und Komfort- Wasserverbrauch extrem weit auseinandergehen, können gegebenenfalls größere Kollektorflächen erforderlich sein. Im Sommer ergibt sich dann wahrscheinlich ein beträchtlicher Überschuss. Es müssen Vorkehrungen gegen Überhitzung der Anlage getroffen werden. Um zu entscheiden, ob besser der Kollektor oder der Speicher vergrößert werden soll, muss man die typischen Wetterabläufe am Ort kennen. In süddeutschen Tälern gibt es im Herbst oft Nebelperioden, die mehrere Wochen anhalten können. Dann können wieder mehrere Sonnentage folgen. Solche langen Perioden können nur mit einem sehr großen Speicher überbrückt werden. In Gegenden, wo bewölkte und einzelne sonnige Tage auch im Winter schnell aufeinanderfolgen, kann ein größerer Kollektor sinnvoll sein. |
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Fast alle handelsüblichen Solaranlagen benutzen den als bekannt vorausgesetzten geschlossenen Kreislauf mit Umwälzpumpe und Wärmetauscher zwischen Kreislauf und Boilerwasser. Der Kreislauf ist mit Frostschutzmischung gefüllt und wird üblicherweise stillgelegt, wenn die vom Kollektor kommende Flüssigkeit nicht wärmer als die hinlaufende ist. Über Nacht kühlen sich die Rohre trotz Isolation auf Umgebungstemperatur ab. Mit dem nächsten Sonnenschein wird das Gemisch im Kollektor erwärmt, nicht aber das in den Rohren stehende. Beim Einschalten der Pumpe wird der Speicher also zuerst abgekühlt. Je länger die im Freien verlegten Rohre sind, desto länger müssen die Sonnenscheinperioden sein, um Nutzwärme in den Speicher zu bringen.
Um die Einschaltverluste zu reduzieren, kann man einen Kreislauf wählen, der durch die Pumpe gefüllt wird und sich beim Abschalten selbsttätig entleert ( Bild 1 ). Auch bei diesem Prinzip gibt es beim Einschalten eine Abkühlung, weil das hochgepumpte Wasser erst die auf Umgebungstemperatur abgekühlten Rohre A und B erwärmen muss. Die Verluste können aber durch Verwendung von Kunststoffrohren oder -Schläuchen mit geringer Wärmekapazität reduziert werden.
Bild 1, zur besseren Übersichtlichkeit nicht normgerecht
gezeichnet. Viele wichtige Komponenten wurden weggelassen.
Viel wichtiger als das Verringern dieser Einschaltverluste ist die Verbesserung des Kollektorwirkungsgrades durch niedrigere Umlauftemperatur, wenn der vom Wärmetauscher verursachte Temperaturunterschied zwischen Boiler und Umlauf entfällt. In Bild 1 übernimmt das Boilerwasser selbst die Wärme vom Kollektor. Wenn der Boiler, oder wie hier gezeichnet, der große Zusatzspeicher das für den Umlauf erforderliche Wasser liefert, entfällt auch die Wärmeableitung zu einem meist nicht gut isolierten Ausgleichsgefäß.
Nicht zu unterschätzen ist auch die Verringerung der nächtlichen Ruheverluste des Boilers. Im üblichen Kreislauf kann trotz abgeschalteter Pumpe ein Schwerkraftumlauf durch den dann als Kühler wirkenden Kollektor entstehen. Bei der Anlage nach Bild 1 sind die Leitungen bei C und D im Ruhezustand leer. Wenn dort und bei den Brauchwasseranschüssen ( E und F ) Kunststoffrohre verwendet werden, und alle anderen Installationen innerhalb der Speicherisolation geschützt sind, ist auch bezüglich Wärmeleitung getan, was man tun kann.
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Stand 30.10.06