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Modellierung von Solarleitungen und Wärmeträgerflüssigkeit, Solarflüssigkeit

In Polysun legen Solarleitungen den Grundstein für eine realistische hydraulische Modellierung des Transferkreislaufs. Über die Eingabe des Durchmessers der Solarleitung lässt sich in Polysun exakt festlegen, wie viel Volumenstrom bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckverhältnissen transportiert werden kann – und wie groß die hydraulischen Verluste ausfallen. Die genaue Auswahl von Solarthermie-Rohren bzw. Solarrohren (Material, Wandstärke und Dämmung) beeinflusst nicht nur die Leistung der gesam­ten Anlage, sondern auch die Kosten und die Systemeffizienz über die Jahreszeiten hinweg. In Polysun können Sie gezielt Parameter der Rohrleitungen anpassen, Szenarien vergleichen und somit sicherstellen, dass Ihre Solarleitungen sowohl technisch optimal dimensioniert als auch wirtschaftlich sinnvoll sind.

Modellierung von Solarleitungen und Solarrohren

Die Solarleitungen, umgangssprachlich auch Solarthermie-Rohre, sind die Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der Solaranlage. Sie haben in erster Linie die Aufgabe, das Wärmeträgerfluid mit möglichst kleinem Wärmeverlust zwischen diesen zu transportieren.

Solarrohre mit einem kleineren Durchmesser haben dabei den Vorteil, dass sie nur ein kleines Volumen aufweisen, somit wenig Fluid benötigen und das erwärmte Fluid schnell vom Kollektor zum Speicher befördert wird. Auf der anderen Seite verursachen sie bedeutend grössere Druckverluste, als Solarrohre mit grösserem Durchmesser, was eine erhöhte Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe mit sich bringt. In Polysun ist es möglich, Vor- und Rücklaufleitungen separat zu definieren. Damit ist es möglich, z.B. die (wärmere) Vorlaufleitung besser zu isolieren oder die Rücklaufleitung dicker zu dimensionieren, um den Druckverlust zu senken.

Festlegung Durchmesser von Solarleitungen und Solarrohren

Folgende Aspekte sind bei der Festlegung der Rohrstärke zu berücksichtigen:

• Rohre mit grossem Durchmesser besitzen eine grosse Oberfläche und haben daher höhere Wärmeverluste
• Rohre mit grossem Innendurchmesser lassen höhere Durchsätze zu
• In stärkeren Rohren strömt das Fluid oft laminar, was den transversalen Wärmetransport im Fluid hemmt und somit kleinere Wärmeverluste verursacht
• Stärkere Rohre besitzen ein grösseres Volumen (bei gleicher Länge), was eine grössere Menge an Wärmeträgerfluid im Kollektorkreis voraussetzt und das System träge macht

Aus diesen Überlegungen lässt sich ableiten, dass der Rohrdurchmesser eher klein sein sollte und im Wesentlichen durch das Kriterium eines angemessenen Druckverlustes bestimmt wird.

Durchmesser und Wandstärke der Rohre sind gegeben durch einen Katalog von handelsüblichen Rohren (aus Kupfer und Stahl). Bei Kupferrohren bedeutet die Spezifikation 22 x 1 einen Aussendurchmesser von 22 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Bei Gasrohren ist jeweils der Innendurchmesser in inches (1 inch = 2.54 cm) angegeben.

Wärmedämmung der Solarrohre

Die Wärmedämmung der Solarleitungen ist sehr wichtig. Die hart errungenen Prozente beim Kollektorwirkungsgrad möchte man nicht bei der Wärmeübertragung in den Speicher wieder verlieren. Gute Wärmedämmstoffe in angemessener Dicke von einigen cm sorgen für erträgliche Wärmeverluste.

Die Anschlussrohre werden vom Austritt weg so gut wie möglich isoliert. Die Dämmstärke kann mit folgendem Dialog eingestellt werden (Doppelklick auf das Rohr):

Die Dicke der Wärmedämmung, sowie deren Wärmeleitfähigkeit ist frei definierbar. Ebenfalls entscheidend für das thermische Verhalten der Leitungsrohre sind die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der verwendeten Metallrohre. Die totale Leitungslänge, kann bei den entsprechenden Feldern separat angegeben werden. Es ist wichtig, auch Details wie die Länge der Rohrleitung im Innern gegenüber der Leitungslänge in Freien in der Simulation zu berücksichtigen. Dazu setzt man (auf Designer-Stufe) zwei separate Rohre, deren Dämmstärke und Länge dann separat eingegeben werden können.

Dimensionierung der Solarrohre

Wärmeträgerflüssigkeit, Solarflüssigkeit

Die klimatischen Gegebenheiten in Mitteleuropa machen es erforderlich, dass Solaranlagen auch Minustemperaturen standhalten müssen. Dies verunmöglicht es z.B., dass im Kollektor das benötigte Warmwasser direkt erzeugt wird. Wenn reines Leitungswasser im Kollektor gefriert, zerstört es durch seine Ausdehnung den Kollektor. Normales Leitungswasser hat zudem den Nachteil, dass der Kollektor mit der Zeit verkalken würde.

Um das Wärmeträgerfluid (Solarflüssigkeit) für die genannten Anforderungen tauglich zu machen, wird normales Wasser mit einem gewissen Anteil Glykol vermischt. Es wird dafür in vielen Fällen Ethylenglykol (z.B. Antifrogen L) oder Propylenglykol (z.B. Antifrogen N) als Frostschutzmittel verwendet. Da die Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen Kreis zirkuliert, ist das Verkalkungsproblem nicht akut.

Mischverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit

Beim Mischungsverhältnis sind verschiedene Gesichtspunkte zu beachten:

• Die Wärmekapazität des Fluids nimmt mit zunehmender Glykolkonzentration ab
• Die Zähigkeit erhöht sich bei höherem Glykolanteil (Problem des Druckverlustes)
• Der Gefrierpunkt sinkt mit zunehmendem Glykolanteil
• Der Siedepunkt steigt mit zunehmendem Glykolanteil
• Mögliche chemische Prozesse, speziell bei Übergängen verschiedener Metalle, müssen berücksichtigt werden
• Die Hitzebeständigkeit der Fluids ist zu beachten

Ab einem Volumenanteil von 33 % (Propylenglykol), bzw. 38 % (Ethylenglykol) verursacht gefrierendes Fluid keine Probleme mehr, da es nicht mehr wie Eis (kristallin) gefriert, sondern eine sulzig-körnige Struktur erhält. Es kann keine Sprengwirkung mehr entfalten.

In Polysun kann die Glykolkonzentration definiert werden. Die entsprechenden physikalischen Eigenschaften werden für eine Temperatur von 50 °C angegeben.

Fazit hinsichtlich der Wärmemedien bei einer Solarthermie-Anlage

• Frostgefahr im Winter: Wenn damit zu rechnen ist, dass Aussentemperaturen von unter 0 °C auftreten können, sollte ein Frostschutzmittel (in der Regel Glykol) verwendet werden. Je höher aber der Anteil des Glykols ist, desto kleiner ist die Wärmekapazität des Fluids. Bei Ethylenglykol wird normalerweise ein Anteil von 38 % (bei Propylenglykol ein solcher von 33 %) verwendet. Dieser sorgt jeweils dafür, dass selbst bei extremen Minustemperaturen das Fluid nur „sulzig“ gefriert und keine Sprengwirkung im Kollektorinnern entwickelt.
• Verkalkung der Anlage: Dabei gibt es zwei Aspekte zu bedenken: Wenn im Kollektor Rohre mit dünnem Innendurchmesser verwendet werden, kann eine Verkalkung den Kollektor mit der Zeit verstopfen. Zum anderen kann auch im Speicher die Verkalkung zu einem Problem werden. Diese tritt verstärkt auf, wenn das Wasser auf Temperaturen über 60 °C erwärmt wird.
• Keimfreiheit des Speichers: Wird das Brauchwasser direkt im Speicher bereitgehalten, kann es zu Legionellenbildung kommen. Dies lässt sich verhindern, indem der Speicher periodisch über 65 °C erhitzt wird. Bei Brauchwasseranlagen mit über 50 % Jahresdeckungsgrad ist diese im Sommerhalbjahr aber durch die auftretenden Temperaturen gewährleistet.

Bei der Wahl des Systems kommen natürlich auch Kostenüberlegungen ins Spiel. Externe Wärmetauscher sind in der Regel teurer als interne, brauchen eine zusätzliche Pumpe, erzielen aber höhere Übertragungsleistungen als interne Wärmetauscher. Externe Wärmetauscher werden vor allem bei grossen Anlagen eingesetzt, wo die Mehrkosten durch den höheren Ertrag wettgemacht werden.

Glykol als Frostschutz ist durchaus ein Kostenfaktor. In der Regel setzt man es deshalb nur im Kollektorkreis ein, nicht aber als Speicherflüssigkeit (auch wegen der geringeren Wärmekapazität).