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Modellierung von Rohrleitungen und Wärmeträgerflüssigkeit

In Polysun legen Rohrleitungen den Grundstein für eine realistische hydraulische Modellierung des Transferkreislaufs. Mithilfe der Parametrierung der Rohrleitungen können in Polysun bei unterschiedlichen Temperaturverhältnissen Verluste in der Rohrleitung berechnet werden. Die genaue Auswahl der Rohre beeinflusst nicht nur die Leistung der gesam­ten Anlage, sondern auch die Systemeffizienz über die Jahreszeiten hinweg. In Polysun können Sie gezielt Parameter der Rohrleitungen anpassen und Szenarien vergleichen.

Anpassung Rohrparameter im ganzen System

Die Dimensionen eines einzelne Rohres können über einen Doppelklick auf das gewünschte Rohr angepasst werden. Dabei können jegliche Parameter, wie Durchmesser, Länge, Widerstandsbeiwert, Wärmedämmung und Dämmungsdicke verändert werden. Die Art des Rohrs inkl. Durchmesser kann über den Rohr-Katalog ausgewählt werden. Zudem kann der Einbauort des Rohr bestimmt werden.

Wichtig: Die Rohrdimensionen beeinflussen die Geschwindigkeit der Simulation. Werden Rohre zu klein dimensioniert, führt dies zu längeren Simulationszeiten.

Um mehrere Rohre in einem System mit gleichen Dimensionen schneller anzupassen, kann die Rohrauswahl verwendet werden. Diese befindet sich oben im Rohranpassung-Fenster.

In der Rohrauswahl können alle Rohre ausgewählt werden, die die gleichen Dimensionen haben sollen. Dabei lassen sich direkt alle Rohre mit dem Kästchen ‚Alles auswählen‘ anwählen. Die Rohre sind in die logischen Kreisläufe im System, zum Beispiel Verbraucherkreislauf Pumpe 1, gruppiert. Dadurch können zusammengehörenden Rohren schneller die gleichen Parameter zugewiesen werden. Mit der mittleren Maustaste kann der Hintergrund verschoben werden, damit die Nummerierung der gewünschten Rohre sichtbar wird. Nach der Rohrauswahl öffnet sich ein weiteres Rohranpassung-Fenster bezogen auf die vorherige Auswahl. Im Titel des Fensters steht wie viele Rohre gerade bearbeitet werden.

Wenn nur einige gewisse Rohre angepasst werden sollen, können diese Rohre mit einer Drag-Auswahl angewählt und mit einem Rechtsklick auf ein Rohr die Funktion ‚Rohrparameter bearbeiten‘ aufgerufen werden.

So öffnet sich die Rohrauswahl, es kann die Auswahl überprüft und die Rohranpassung vorgenommen werden.

Festlegung Durchmesser von Rohrleitungen

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 Wärmeträgerflüssigkeit 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 Rohrleitungen

Die Wärmedämmung der Rohrleitungen ist sehr wichtig. Gute Wärmedämmstoffe in angemessener Dicke von einigen cm sorgen für erträgliche Wärmeverluste.

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 zwei separate Rohre, deren Dämmstärke und Länge dann separat eingegeben werden können.

Dimensionierung der Rohre

Simulation von Rohrverlusten

Gerade in Wärmenetzen sind die thermischen Rohrverluste aufgrund der Erdverlegung und grossen Distanzen nicht vernachlässigbar. Für die realitätsnahe Simulation dieser Rohrverluste müssen in erster Linie die Rohrparameter (Durchmesser, Dämmungsdicke und Länge) an das reale System angepasst sein.

Wenn die Rohrdimensionen stimmen, können die Rohre des Verteilungsnetzes in das Wärmenetz aufgenommen werden, indem die gewünschten Rohre mit einer Drag-Auswahl markiert werden und mit einem Rechtsklick auf ein Rohr die Funktion ‚Rohrparameter bearbeiten‘ aufgerufen wird. Die Einstellung ‚Teil des Wärmenetzes‘ muss auf ‚Ja‘ gestellt werden, damit die ausgewählten Rohre in der Berechnung der Wärmeverluste berücksichtigt werden.

Nachdem die Rohre in das Wärmenetz aufgenommen wurden, können die Wärmeverluste der Rohre in den Systemresultaten unter der Rubrik Wärmeverluste des Wärmenetzes (QhlGrid) eingesehen werden. Dabei werden die Wärmeverlust monateweise und ganzjährlich ausgegeben.

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).