Im Zentrum des Geschehens: der Solarspeicher
(28. Juni 2007) Solarspeicher sehen von außen betrachtet nicht sehr spektakulär aus. In ihrem Inneren verbergen sie aber zum Teil eine ausgefeilte Technik, um die von Kollektor gesammelte Sonnenwärme optimal nutzen zu können. Solarspeicher lassen sich unterteilen in
- Warmwasserspeicher
- Pufferspeicher
- und Kombispeicher.
Warmwasserspeicher
Warmwasserspeicher sorgen dafür, dass sie auch an bewölkten Tagen noch solar duschen können. Dazu sollte das Volumen des Warmwasserspeichers das 1,5- bis zweifache des täglichen Warmwasserverbrauchs umfassen: 80 Liter bis 100 Liter pro Person. Warmwasserspeicher sind üblicherweise emaillierte oder kunststoffbeschichtete Stahlspeicher, wie man sie aus der konventionellen Heizungstechnik kennt. Sie benötigen zum Schutz vor Korrosion eine Magnesium- oder Fremdstromanode. Edelstahlspeicher sind zwar korrosionsbeständig, aber auch um einiges teurer. Im unteren Teil der Warmwasserspeicher sind üblicherweise die Solarkreis-Wärmetauscher angebracht. Damit der Heizkessel nicht ein unnötig großes Volumen nacherwärmen muss, ist der Ladekreis-Wärmetauscher im oberen Teil des Speichers untergebracht.
Pufferspeicher
Pufferspeicher speichern im Gegensatz zu Warmwasserspeichern kein Trinkwasser, sondern Heizungswasser. Zum Einsatz kommen sie in solaren Heizsystemen. Wegen des geschlossenen Heizungskreislaufs benötigen sie keinen besonderen Korrosionsschutz. Sie sind oft aus Baustahl und einfach vom Aufbau. Über einen Wärmetauscher können sie auch Trinkwasser erwärmen.
Pufferspeicher mit Beladeeinrichtung (Foto: Consolar)
Kombispeicher
Kombiniert man die Funktion eines Warmwasserspeichers mit einem Pufferspeicher, bekommt man einen Kombispeicher. Sie liefern gleichzeitig das Warmwasser für Bad und Dusche und unterstützen die Heizung. Bei ihrer Entwicklung hat es in den letzten Jahren einige innovative Fortschritte gegeben. Man kann sogar sagen, dass sie die Speichertechnik revolutioniert haben. Die Entwickler haben sich immer wieder neue Lösungen für eine effektive Schicht-Ladetechnik ausgedacht.
Kombispeicher (Foto: Schüco)
Kombispeicher unterscheiden sich vor allem in der Art der Trinkwassererwärmung. Man kann vier Methoden unterscheiden:
1.) Trinkwassererwärmung mit einem Tank-im-Tank-Speicher
Vorteile: Schwankungen des Volumenstroms haben keine Auswirkungen auf die Warmwassertemperatur; hohe Entnahmeleistung; keine aufwändige Regelung; kostengünstig für kleine Volumina
Nachteile: geringes Wärmeübertragungsvermögen an das Trinkwasser; Korrosionsschutz notwendig; in Trinkwasserspeicher nachströmendes Kaltwasser beeinträchtigt bei hohen Zapfraten die Wärmeschichtung im umgebenden Pufferspeicher
Anmerkungen: Voraussetzung für Schichtung ist ein bis zum Speicherboden reichender Trinkwassertank bis zum Boden; Trinkwassertankvolumen sollte ein Drittel des Speichervolumens betragen
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
2.) Trinkwassererwärmung über einen externen Wärmeübertrager
Vorteil: sehr gute Schichtung möglich
Nachteile: großes Wärmeübertragungsvermögen nötig; hoher apparativer Aufwand; hoher Regelungsaufwand; Warmwasserzirkulation nur bedingt sinnvoll, weil Rücklauf in unteren Speicherbereich fließt und damit die Schichtung stört
Anmerkung: Verkalkung vorbeugen
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
3.) Trinkwassererwärmung über einen in der gesamten Höhe eingetauchten Wärmeübertrager
Vorteile: technisch einfache Lösung; wenn das Wärmeübertrager-Volumen groß ist, kann die Kapazität ansatzweise wie beim Tank-im-Tank genutzt werden für kurzzeitige Spitzenzapfungen
Nachteil: großes Wärmeübertragungsvermögen nötig; großes Bereitschaftsvolumen oder hohe Bereitschaftstemperatur nötig
Anmerkung: Schichtung vom Trinkwasser-Volumenstrom abhängig
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
4.) Trinkwassererwärmung über einen eingetauchten Wärmeübertrager mit Abströmrohr
Vorteile: gute Schichtung möglich; gute Ausnutzung der Speicherkapazität; geringer Regelaufwand
Nachteile: großes Wärmeübertragungsvermögen nötig; aufwändige Speicherkonstruktion
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
Wie die Solarwärme in den Speicher kommt
Über einen halbeingetauchten Wärmeübertrager
Vorteile: einfaches Konzept; gute Wärmeübertragung
Nachteile: nur "grobe" Schichtung möglich; hoher apparativer Aufwand; zusätzlicher Regelungsaufwand
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
Über einen eingetauchten Wärmeübertrager mit passiver Schichtbeladung
Vorteile: gute Schichtung möglich; geringer apparativer Aufwand; kein zusätzlicher Regelungsaufwand; gute Wärmeübertragung; preisgünstige Lösung
Nachteil: aufwändige Speicherkonstruktion
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
Über einen externen Wärmeübertrager mit aktiver Schichtbeladung
Vorteile: nur Pufferspeicher erforderlich; einfachster Speicheraufbau ohne Einbauten wie Wärmeübertrager oder Schichtbeladeeinrichtung
Nachteile: nur "grobe" Schichtung möglich; hoher apparativer Aufwand; zusätzlicher Regelungsaufwand; evtl. zusätzliche Wärmeverluste durch zwei zusätzliche Anschlüsse für den externen Wärmeübertrager
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
Über einen externen Wärmeübertrager mit passiver Schichtbeladung
Vorteile: gute Schichtung möglich; geringer apparativer Aufwand; kaum zusätzlicher Regelungsaufwand
Nachteil: aufwändige Speicherkonstruktion
Grafik: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Universität Stuttgart
Die Dämmung macht den Unterschied
So unterschiedlich die Solarspeicher-Typen in ihrer Funktion sind, so wichtig ist doch eines für alle: eine gute Wärmedämmung. Die auf dem Markt angebotenen Speicher lassen sich deshalb vor allem in ihrer Dämmqualität unterscheiden. Gute Solarspeicher sind auf ihrer gesamten Oberfläche eng anliegend und lückenlos mit einer mindestens acht Zentimeter dicken Hart- oder zwölf Zentimeter dicken Weichschaumisolierung versehen. Ein paar Zentimeter mehr Dämmung lohnen sich. Es geht weniger Sonnenwärme verloren, kleinere Kollektorflächen reichen für denselben Systemertrag aus.
Effizientes Speicherdesign
Neben einer ausreichende Dämmung entscheidet die Konstruktion darüber, wie gut ein Solarspeicher ist. Hierbei gibt es einige wenige, aber wichtige Punkte zu beachten:
- Gute Solarspeicher haben eine schlanke, zylindrische Form, damit sich in ihnen eine Temperaturschichtung ausbilden kann. So lässt sich das leichtere heiße Wasser im oberen Speicherteil optimal nutzen, ohne dass das gesamte Speichervolumen auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden muss. In manchen Solarspeichern unterstützen spezielle Schichtladesysteme das "Einlagern" des solar erwärmten Wassers je nach Temperaturniveau im Speicher.
- Ein Prallblech sollte verhindern, dass in den Speicher nachfließendes Kaltwasser die Wärmeschichtung zerstört.
- Die Wärmschichtung zerstören können auch Rohrführungen am Speicherkopf, über die das Warmwasser entnommen wird. In der Leitung verbleibendes Wasser kann sich nach der Warmwasserentnahme abkühlen, in den Speicher zurückfallen und dabei die Wärmeschichtung durchmischen. Günstig sind Rohre, die innerhalb des Speichers von oben nach unten durch einen Bodenflansch geführt sind oder außerhalb des Speichers in der Wärmedämmung nach unten verlaufen.
- Wärmeverluste senken auch Speicher, deren sämtlichen Anschlüsse gesammelt an einer Stelle am kälteren Speicherboden durch die Wärmedämmung führen.
Das Solarenergie Informations- und Deminstrationszentrum in Fürth hat auf seiner Internetseite http://www.solid.de eine Marktübersicht zu Solarspeichern veröffentlicht. Sie hilft interessierten Verbrauchern, aber auch Planern und Handwerkern den für ihren Bedarf passenden Solarspeicher zu finden.
Zukunftsmusik: Latentwärmespeicher
So gut ein Wasserspeicher auch gedämmt sein mag, lassen sich Wärmeverluste doch nicht ganz vermeiden. Deshalb denken Solartechniker immer wieder über so genannte Latentwärmespeicher nach. Sie machen sich den Phasenwechsel von Stoffen zunutze. Ändert ein Speichermedium sein Aggregatszustand, zum Beispiel von fest nach flüssig, muss es Wärme aufnehmen. Umgekehrt kann man dem Speichermedium bei einem Phasenwechsel von flüssig nach fest Wärme entziehen. Mögliche Speichermedien sind Salzhydrate und Paraffine. Sotptionsspeicher arbeiten nach dem gleichen Prinzip mit Zeolith als Speichermedium.
Ein Latentwärmespeicher speichert also Wärme, ohne dass sich das Speichermedium aufheizt, das heißt "nicht fühlbar". Vorteile: Latentwärmespeicher haben eine höhere Speicherkapazität als Wasserspeicher und können Wärme praktisch verlustfrei speichern. Mit solchen Speichern ließe sich Sonnenwärme aus dem Sommer für den Winter speichern. Markttaugliche Konzepte haben sich bis jetzt dennoch nicht realisieren lassen. Probleme bereiten derzeit noch die Be- und Entladung der Speicher und der definierte Temperaturbereich, in dem dies geschehen muss.