Benutzer­handbuch

Warmwasserspeicher

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Speichertypen

Nebst dem Kollektor ist der Wärmespeicher von entscheidender Bedeutung für eine leistungsfähige Solaranlage. Da die Energie der Sonne nicht dauernd zur Verfügung steht und hin und wieder Wetterlagen auftreten, bei denen ein oder zwei Tage fast keine Wärme vom Kollektor bezogen werden kann, ist die richtige Wahl des Speichers entscheidend. Es lassen sich drei verschiedene Bedürfnisklassen unterscheiden (wobei sich die einzelnen Bereiche überlappen):

• Speicher nur für Brauchwarmwasser (Grösse: 2facher Tagesbedarf = 80-100 l pro Person)
• Speicher für Warmwasser und Heizunterstützung (Grösse: 100 l pro MWh Heizbedarf)
• Saisonspeicher als Speicher über mehrere Monate (Wassertank, Erdspeicher, etc.)

Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit vier Personen ergibt dies Speichergrössen von 300-500 l (nur Brauchwasser), 800-1500 l (mit Heizunterstützung) und >30’000 l (Saisonspeicher). Es gibt auch kombinierte Formen, bei denen der Brauchwasserspeicher in einem grösseren Speicher integriert ist (sog. Kombispeicher).

Physikalische Aspekte bei der Speicheroptimierung

Die Energiemenge Q [J], die nötig ist, um einen Wärmeträger der Masse m [kg] mit einer Wärmekapazität c_p[J/(kg*K)] um eine Temperatur ΔT [K] zu erwärmen, berechnet sich als: \(Q = m \cdot c_{p} \cdot \Delta T\) .

Es ist aber auch die Verteilung der Wärme im Speicher zu beachten: normalerweise ist das Wasser nach verschiedenen Temperaturen geschichtet. Oben, wo das Warmwasser entnommen wird, befindet sich die wärmste Schicht (Wasser mit geringer Dichte) und unten die kälteste Schicht (Wasser mit hoher Dichte). Diese Schichtung ist erwünscht und man versucht deshalb, bei der Wärmeabgabe an den Speicher und der Wasserentnahme möglichst wenig Verwirbelungen zu erzeugen.

Die Festlegung der Speichergrösse ist ein Balanceakt, bei dem verschiedene gegensätzliche Aspekte abgewogen werden müssen:

• Ein grosser Speicher besitzt ein grosses Speichervermögen
• Ein grosser Speicher braucht viel Energie, um „aufgeladen“ zu werden
• Je höher die Temperatur, desto grösser die gespeicherte Energiemenge
• Je höher die Temperatur, desto grösser die Speicherverluste

Grundsätzlich wird versucht, die Menge Wasser eines Tagesverbrauches mit gerade der richtigen Temperatur (bzw. einige Grad darüber) bereitzuhalten, und den Speicher ansonsten eher auf tieferer Temperatur zu halten. Damit ist die Verfügbarkeit von Warmwasser (Deckung) immer gewährleistet und die Speicherverluste sind minimal. Im Sommerhalbjahr kann der Speicher aber auch „überladen“ werden. Da die Sonnenenergie dann eh in ausreichendem Masse vorhanden ist, können erhöhte Speicherverluste in Kauf genommen werden. Der entscheidende Punkt ist dann, dass auch Schlechtwetterphasen überbrückt werden können. Da der Speicher bis 95 °C (sogar bis 100 °C) erwärmt werden kann, und das Wasser erst bei der Entnahme auf die gewünschte Temperatur mit Kaltwasser gemischt wird, lassen sich so mehrere Tage überbrücken.

Auslegung von Kombispeichern

Kombispeicher werden verwendet, wenn mit einer Solaranlage Brauchwarmwasser und Raumwärme erzeugt werden sollen. Da der Heizungskreislauf und der Trinkwasserkreislauf aus hygienischen Gründen nicht gemischt werden sollten, wird beim Kombispeicher der Brauchwassertank (Boiler) in den Hauptspeicher integriert. Dies hat drei wesentliche Vorteile:

• Die Oberfläche des Speichers kann klein gehalten werden (nur Hauptspeicheroberfläche) und somit sind die Wärmeverluste minimal klein.
• Der Brauchwasserspeicher, welcher in der Regel höhere Temperaturen benötigt als der Heizungsspeicher, kann im oberen, heisseren Teil des Hauptspeichers platziert werden.
• Ein erhöhter Warmwasserverbrauch führt nicht zu einer Durchwirbelung des Hauptspeichers. Somit bleibt die Schichtung besser erhalten.

Das Prinzip des Kombispeichers ähnelt dem eines Durchlauferhitzers. Das Brauchwasser wird in einem separaten Rohrsystem durch den Hauptspeicher geschleust und dabei erwärmt. Damit dieser Wärmeaustausch möglichst effizient geschieht, muss der interne Speicher möglichst dünnwandig sein und aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen.

Der interne Speicher wird mit Vorteil in der oberen Hälfte des Hauptspeichers angebracht (5-10 cm unter dem oberen Deckel). Seine Grösse sollte etwa dem doppelten Tagesverbrauch entsprechen.

Die Anschlusswärmeverluste (siehe nächster Abschnitt) können auf dem zweiten Blatt des Dialoges angegeben werden. Die von Polysun vorgeschlagenen Werte entsprechen gut isolierten und siphonierten Anschlüssen.

In Polysun („Designer“) kann ein Speicher in einer grossen Vielfalt von Möglichkeiten neu erstellt werden.

Mit der Wahl eines neuen Speichers wird ein neuer Katalogeintrag erstellt. Bei der Erstellung eines neuen Speichers anhand des Speicherauswahl-Dialoges werden Defaultkomponenten für die internen Elemente gesetzt (Wendelwärmetauscher, Schichtlanzen, Zusatzheizung, etc.). Die Auswahl realer interner Elemente erfolgt im Speicherkatalog, wobei eventuell in den Katalogen für die internen Elemente neue Einträge erstellt werden müssen.

Die folgende Übersicht zeigt einige Wahlmöglichkeiten exemplarisch auf:

Speichermodell und deren Bemassung

Für die Bemassung sind die Höhe des zylindrischen Tankteils, die Ausbauchung und das Volumen massgebend. Aus diesen drei Werten ergibt sich der Durchmesser. Mit Speicherhöhe ist also nicht die totale Höhe, inklusive Wärmedämmung gemeint, sondern lediglich die des Zylinders.

Der Inhalt eines Speichers ist in zwölf isotherme Schichten unterteilt. Der Fluidinhalt der Ausbauchungen wird jeweils zur untersten bzw. obersten Schicht addiert, wodurch deren Volumen grösser sind als die der Schichten zwei bis elf. Warme Schichten diffundieren aufgrund unterschiedlicher Dichten nach oben und kalte nach unten. An den Grenzen findet eine Wärmeübertragung durch Leitung statt. Konvektive Durchmischung wird vernachlässigt.

Speicherinterne Komponenten werden bildlich dargestellt, sind aber optisch nicht korrekt positioniert. Die Positionsangaben in Prozent im Speicherkatalog sind ausschlaggebend.

Einem Speicher stehen maximal zehn Stutzen zur Verfügung. Die Positionierung erfolgt in Prozenten, jeweils von der Zylinder-Unterseite gemessen. (Achtung: nicht vom Tankboden). Nummeriert werden die Stutzen ebenfalls beginnend von links unten nach oben und weiter von rechts unten nach oben.

Die Simulation lässt offene, nicht verknüpfte Stutzen nicht zu. Eintretende Fluide müssen durch andere Stutzen wieder abgeführt werden können.

Einem Speicher stehen sechs Wendelwärmetauscher zur Verfügung. Je drei Wendelwärmetauscher können an der linken und rechten Tankinnenseite eingefügt werden. Die Höhe der Wendelwärmetauscher ist im Katalog „Wärmetauscher“ in Millimeter angegeben und die Positionierung im Tank in Prozenten von der obersten Wendel-Kante zur Zylinderunterseite.

Die drei internen Elemente „Tank“, „Rohr“ und „Wendelwärmetauscher“ werden wie in der vorherigen Abbildung dargestellt definiert. Dazu stehen die Positionen eins bis drei zur Verfügung, welche nach Belieben mit den drei Objekten ersetzt werden können.

Das Volumen eines internen Tanks ist durch dessen Oberfläche und Positionierung bestimmt. Die interne Tankhöhe wird anhand der Positionsangaben berechnet.

Es stehen maximal vier Schichtlanzen zur Verfügung, angeordnet und durchnummeriert von links nach rechts. Im Katalog-Speicher ist lediglich die Positionierung bestimmt, die Abmessungen im Katalog „Schichtlanze“.

Wärmedämmung und Anschlussverluste

Die Planung von Saisonspeichern hängt stark von den Möglichkeiten der Wärmedämmung ab und inwiefern die verlorene Speicherwärme trotzdem der Raumwärme zugutekommt (z.B. weil der Speicher mitten im Haus steht). In Bezug auf Speicherverluste ist ein grosser Speicher günstiger als ein kleiner, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner wird, je grösser der Speicher ist (bei gleichen Proportionen).

Typischerweise werden Wärmedämmungen mit Stärken von 15-30 cm verwendet (bei einem Wärmeleitkoeffizient von l = 0.04 W/m/K). Der obere Deckel darf selbst noch dicker sein, da sich dort das wärmste Wasser befindet. Der untere Deckel hingegen kann sehr dünn sein. In gewissen Fällen lohnt es sich sogar, wenn die Wärmedämmung auf der Unterseite weggelassen wird, damit die Umgebungswärme das Kaltwasser mit erwärmen hilft.

Diese diversen Aspekte sollten bei der Planung einer Anlage berücksichtigt werden. Die besondere Charakteristik von Wärme-Input (vom Kollektor und der Zusatzheizung) und Wärme-Output (Warmwasser- und Heizverbrauch) sind dabei entscheidend.

In Polysun sieht der Speicherdialog zur Festlegung der relevanten Grössen folgendermassen aus:

Um die Eigenschaften des Speichers (z.B. Volumen) zu ändern, kann mit einem Doppelklick auf das Katalogsymbol  beim Speicher der Speicherkatalog geöffnet werden. Es kann nun ein anderer Speicher ausgewählt, oder der bestehende kopiert und angepasst werden (nur ab Professional-Stufe möglich).

Bei den „Verlusten der Anschlüsse“ geht es darum, dass die Rohrleitungen vom und zum Speicher Quelle von beachtlichen Wärmeverlusten sein können. Zum Beispiel steigt im Anschlussrohr des Warmwassers (im Stillstand) ständig warmes Wasser nach oben, kühlt sich dort ab und sinkt wieder in den Speicher zurück. Dies kann beträchtliche Wärmeverluste verursachen. Zur Lösung dieses Problems gibt es zwei Ansätze:

Siphonierung der Leitungen und Wärmedämmung der Anschlüsse: Es wird gleich nach Austritt aus dem Speicher ein Bogenstück nach unten hin eingebaut. Das Wasser darin kühlt sich ab, bleibt aber an dieser Stelle im Rohr und verhindert somit den weiteren Austausch von warmem Wasser. Im Speicherkatalog kann gewählt werden, ob und wie gut der Anschluss siphoniert und gedämmt wurde. Für die Simulation entscheidend sind dabei die Anschlussverluste, welche im Flansch-Katalog definiert wurden.

Das Ausmass der Anschlussverluste hängt auch von der Temperatur ab, die im Speicherraum herrscht. Diese kann im Projekt beim Standort ebenfalls angegeben werden. Die angegebenen Werte gelten für gut gedämmte und siphonierte Anschlüsse. Sind diese Massnahmen nicht getroffen, so liegen die Anschlussverluste ca. 10 mal höher.

Beladung des Speichers

Um die Wärme vom Kollektor möglichst effizient an den Speicher zu übertragen werden verschiedene Konzepte realisiert:

• Interne Wärmetauscher: Das Fluid wird durch einen Wendel gepumpt, der sich im Innern des Speichers befindet. Das spiralförmige Rohr sollte dabei eine eher geringe Wandstärke haben, eine grosse (äussere) Oberfläche besitzen (z.B. durch Wärmerippen) und aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen (z.B. Kupfer). Die Wärme wird durch (eine einseitig freie) Konvektion an das Fluid im Speicher weitergeleitet.
• Mantel-Wärmetauscher: Das Fluid umfliesst den Speicher durch den Mantel um den Speicher. Die Wärme wird durch (eine einseitig freie) Konvektion an das Fluid im Speicher weitergeleitet.
• Externer Wärmetauscher (WT): Das Fluid vom Kollektor und vom Speicher werden in einem (Gegenstrom-Platten-) WT nahe aneinander vorbei geführt und tauschen über feine Lamellen, die die beiden Flüssigkeiten trennen, die Wärme aus. Dies ist eine sehr wirksame Art des Wärmeaustausches, bei der, je nach Kapazität des WTs, den Temperaturverhältnissen und den Durchflussraten, bis 99 % der Wärmeenergie von einem Fluid auf das andere übertragen werden kann. In der Regel befindet sich auch auf der Speicherseite des WTs ebenfalls eine Umwälzpumpe. Nach dem Wärmeaustausch wird das Fluid durch eine der zwei folgenden Varianten in den Speicher abgegeben:
• Direkter Einlass in den Speicher: Das Wärmeträgerfluid wird direkt aus dem Speicher entnommen, bzw. eingespeist.
• Einspeisung über Schichtlanze: Im Innern des Speichers befindet sich ein flötenartiges, senkrechtes Rohr mit ca. einem Dutzend Öffnungen, die von aussen her von frei beweglichen Klappen abgedeckt sind. Das Fluid steigt im Innern des Rohres so hoch auf, bis die Dichte des Fluids grösser ist als die Dichte an der entsprechenden Stelle im Speicher und tritt dort aus. Somit wird das Fluid genau an der Stelle ‚deponiert‘, an der es dieselbe Temperatur wie das Speicherfluid besitzt. Damit ist die Schichtung im Speicher optimal gewährleistet. Schichtlanzen mit internem Wärmetauscher sind in Polysun noch nicht enthalten. Deren Simulation wird via Umweg über einen externen Plattenwärmetauscher durchgeführt, wie in der nachfolgenden Abbildung gezeigt wird. Bei der Pumpe muss dabei ein fixer Durchsatz gewählt werden, so dass ein ausgeglichener Kapazitätsfluss (\(m_{1} \cdot {cp}_{1} = m_{2} \cdot {cp}_{2}\)) resultiert.

Weiter gibt es auch Fälle, bei denen zwei WT eingesetzt werden, einer oben und einer unten im Speicher. Je nach Sonneneinstrahlung und Temperatur im Speicher wird die Energie dann zur Wasservorwärmung (nur unterer WT) oder zur Brauchwassererzeugung (beide WT) verwendet.

Wasserentnahme aus dem Speicher

Auf der Seite der Wärmeentnahme aus dem Speicher gibt es zwei Strategien:

• Direkte Entnahme aus dem Speicher: Das Warmwasser wird direkt aus dem Speicher entnommen und über ein Mischventil mit Kaltwasser auf die gewünschte Wassertemperatur gebracht (sofern die obere Speichertemperatur zu hoch ist).
• Interner Wärmetauscher: Die Wärme wird über einen Wendelwärmetauscher aus dem Speicher entnommen. Das Warmwasser wird über ein Mischventil mit Kaltwasser auf die gewünschte Temperatur gebracht.
• Externer Wärmetauscher: Die Wärme wird über einen Platten-WT aus dem Speicher entnommen. Die Steuerung der Durchflussrate muss so eingestellt werden, dass das erzeugte Warmwasser gerade die gewünschte Temperatur besitzt.

Die Entscheidung, einen Wärmetauscher oder einen direkten Einlass (Ausguss) zu wählen, ist von der Konzeption der Fluidkreisläufe abhängig. Es gibt Anlagen, bei denen Kollektorkreis und Speicher mit Wasser betrieben werden, solche, bei denen nur der Kollektorkreis mit Glykol-Wasser-Gemisch betrieben wird, und solche, bei denen Kollektorkreis und Speicher mit Glykol-Wasser-Gemisch betrieben werden.