6.) Der Wärmespeicher 57
6.1.2.) Speichermedium Luft 59
6.4.2.) Erwärmung des Speicher 65
Die Intensität der Sonnenstrahlung ist in zeitlicher Hinsicht sehr ungleichmäßig verteilt; nachts und bei ungünstigen Schlechtwetterperioden ist keine ausreichende Nutzung möglich; in Schönwetterperioden dagegen übersteigt das Angebot meist den Bedarf.
Solarthermische Systeme benötigen deshalb Speicher für Wärmeenergie,
um hier einen Ausgleich zu schaffen. Benötigt werden spezielle, wärmeisolierte
Speicherbehälter, die mit dem Speichermedium gefüllt und mit
geeigneten Lade- und Entladevorrichtungen versehen sind.
· Paraffine oder Salzhydrate (Latentspeichermaterialien) oder
· Gestein (Kies)
Ein ideales Speichermedium sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
¨ hohe spezifische Masse (geringes Volumen),
¨ geringe Kosten,
¨ keine oder nur unwesentliche Alterungserscheinungen,
¨ keine Toxizität,
¨ keine Feuer- bzw. Explosionsgefahr,
¨ keine korrodierenden Eigenschaften,
¨ Eignung für den betreffenden Temperaturbereich,
.
¨ einfache Integration in das Gebäude bzw. das System,
¨ schnelle Wärmeaufnahme und -abgabe (gute Speicherdynamik),
¨ geringe Stillstandsverluste,
¨ vernachlässigbarer Energieaufwand
beim Laden bzw. Entladen.
Die o.g. Materialien stellen jedoch gute Kompromisse dar, wobei aber im jeweiligen Anwendungsfall genau geprüft werden muß welches System am besten geeignet ist. Eine Übersicht über die Eigenschaften der wichtigsten Speichermaterialien im interessanten Temperaturbereich zeigen die Tabellen 10 und 11.
Wichtig ist dabei vor allem die spezifische Wärme pro Volumeneinheit,
da sie den Rauminhalt und gleichzeitig die Verluste des Speichers bestimmt.
Tabelle 10:
Eigenschaften von Speichermaterialien I (Speicherung sensibler Wärme)
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kg/m³ |
pro Gewichtseinheit pro Volumeneinheit kJ/kg K kJ/m³K
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*) Schüttdichte 80%
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Tabelle 11:
Eigenschaften von Speichermaterialien II (Speicherung latenter Wärme)
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(°C) |
(kg/l) |
(Wh/l) |
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Beim Laden des Speichers strömt die erwärmte Luft von oben nach unten durch die Speicher und gibt ihre Energie ab. Bei der Speicherentladung wird die vom Haus kommende kühle Luft unten in den Speicher geleitet und verläßt diesen erwärmt am oberen Ende. Gut ausgelegte Gesteinsspeicher arbeiten zuverlässig und benötigen kaum Wartungsaufwand.
Kritische Punkte sind der Energieverbrauch der Ventilatoren, sowie -
vor allem, sofern der Speicher in den Sommermonaten zur Kühlung eingesetzt
wird und damit durch feuchtwarme Luft befeuchtet wird - eventuelle Geruchsbelästigung
durch Algen oder sonstige Mikroorganismen im Speicher.
.
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Der in diesen Temperaturbereich interessierende Übergang ist der vom festen zum flüssigen Aggregatzustand. Hierzu wird - bei konstanter Temperatur des Materials - Energie benötigt, die umgekehrt als Erstarrungswärme beim Übergang in den festen Zustand wieder freigesetzt wird. Durch die Auswahl eines geeigneten Speichermaterials kann die Umwandlungstemperatur dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden.
Ein idealer Latentspeicher speichert also Energie und setzt sie wieder
frei, bei konstantem Temperaturniveau, so daß also entweder der Speicher
selbst ein geringeres Volumen beansprucht oder bei niedrigerer Temperatur
betrieben werden kann, was beides zu geringeren thermischen Verlusten führt.
Latentwärmespeicher besitzen hingegen auch nachteilige Punkte.
· Sekretation der einzelnen Komponenten:
Es ist billig, nicht toxisch, und - bei entsprechenden Vorkehrungen
- kaum korrodierend; die Installation der Komponenten ist Stand der Technik
und bereitet keine Schwierigkeiten; Wasser besitzt eine hohe spezifische
Wärme aller leicht verfügbaren Materialien, weist keine Alterungserscheinungen
auf und kann im Temperaturbereich von 0°C - 98°C gefahrlos verwendet
werden.
6.2.)
Speicherbehälter (allgemein)
Eine Übersicht über die Vor- und Nachteile gibt die Tabelle
12.
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Tabelle 12:
Materialien für Warmwasser-Speichertanks.
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schweißbar, gute Raumausnutzung |
ung der innen Oberfläche notwendig |
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über 100°C möglich |
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einfache Herstellung der Anschlüße, große Auswahl (Volumen, Form) |
begrenzung, kompliziertere Herstellung geringere Festig- keit |
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oder Mauerwerk |
oder kubisch |
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preiswerte Herstellung keine Korrosion |
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Großspeicher mit einer Durchschnittlichen Verweildauer von einigen Monaten benötigen deshalb - trotz des geringeren Oberflächenvolumenverhältnisses - eine erheblich bessere Isolation als ein Kleinspeicher, der nur den Energiebedarf einiger weniger Tage speichert.
Als Isolationsmaterial hat sich in erster Linie Mineralwolle bewährt;
da ausgeschäumte Kunststoffe bei erhöhter Temperatur zur Schrumpfung
neigen und im Brandfall aufgrund der Feuergefährlichkeit bzw. der
Qualmentwicklung als kritische Komponenten einzustufen sind.
.
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Der Übergang zwischen den kühleren und wärmeren Wasserschichten
erfolgt bei entsprechender Auslegung des Speichers (gute Wandisolation;
Prallblechen an den Wassereingangsstutzen sowie horizontalen Trennschotten
der Wasserschichten) kontinuierlich.
6.3.)
Handhabung und Regelung des Wärmespeicher
Sehr wichtig ist bei Wärmespeicher für Solarenergiesysteme eine gute Regelbarkeit, also ein weiter Temperaturbereich, in dem die bereitgestellte Wärme genutzt werden kann.
Dies gilt ganz allgemein für alle Komponenten des Systems: Sie müssen sich entweder selbständig, passiv oder durch Regelelemente derart betreiben lassen, daß sowohl bei schönem als auch bei schlechtem Wetter ein Maximum an verwertbarer Energie gewonnen werden kann.
Speziell für den Speichertank bedeutet das, die Stratifikation (Separierung thermischer Schichten) gezielt zu unterstützen, um im jeweiligen Bedarfsfall immer Speicherwasser mit der idealen Temperatur zu Verfügung zu haben.
Das gilt sowohl für die Aufheizphase als auch für die Wärmeentnahmephase.
Durch den Einbau spezieller Trennschotten wird ein selbständiges
Durchmischen durch thermische Strömungen unterbunden; ein behäbiges
Durchdringen des Speicherwassers durch diese Trennschotten muß dagegen
möglich sein.
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Die Rückspeisung wie auch die Entnahme erfolgt immer in der Speicherzone, die dem jeweiligen Bedarfsfall entspricht.
Um z.B. nicht Speicherwasser mit relativ hoher Temperatur (hier über 20°C) zum Erwärmen des Brauchwassers zu verschwenden; wird das Brauchwasser, bevor es in den Speicherkessel fließt, von ca. 7°C an der Entnahmestelle auf nahezu 20°C vorgewärmt.
Der Rückfluß des nun erkalteten Speicherwassers erfolgt in die 10°C Zone.
Mit der Wärmeenergie, die jetzt noch in der 10°C Zone bis zum Erstarrungspunkt gespeichert ist, wird bei entsprechender Außentemperatur die Frischluft von z.B. möglichen minus 15°C auf ca. 0°C vorgewärmt (Wasser- Luft-Wärmetauscher), so daß restlos alle zur Verfügung stehende Speicherenergie genutzt wird.
So erkalten von unten her immer weitere Speicherschichten auf knapp über 0°C, so daß am Ende der Heizperiode nur noch eine oder zwei Speicherschichten von 40°C und 60°C übrig bleiben.
Das erkaltete Speicherwasser wird zur Kühlung des Hauses im Hochsommer
gespeichert.
Ein Durchmischen, verbunden mit einer Tempraturabnahme der Wärmeeinspeisung bei zu großer Schichtstärke, wird somit vermieden.
Speicherwasser mit mindestens 60°C muß auch am Ende der Heizperiode
in genügender Menge zur Verfügung stehen, um der Legionellenbildung
in Brauchwasser vorzubeugen. Notfalls muß die Temperatur des Brauchwassers
im Speicherkessel durch elektr. Zuheizen auf 60°C erhöht werden.
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Durch diese Maßnahme werden die Energieverluste im höher temperierten Speicherbereich verringert; denn der gleichgebliebenen Außenfläche steht eine nun höhere Energiemenge gegenüber. Die Wärmeverluste durch die Wärmedämmung sind nicht von der Energiemenge anhängig, sondern nur von deren Temperatur.
Mit dem Latentspeicherstoff, Bariumhydroxid, wird bei 78°C (Schmelzpunkt
von Ba (OH)
) mehr als doppelt
soviel Wärmeenergie pro Volumeneinheit gespeichert wie mit Wasser
bei der selben Temperatur.
Wird dieses Speichersalz in einen Behälter gefüllt (evtl.
Edelstahl) und in einer Speicherschicht des Wassertanks deponiert so ergeben
sich die Vorteile der hohen Energiespeicherdichte, verbunden mit der einfachen
Handhabung des Speicherwassers in der Heizanlage.
Eine weitere Erwärmung (auf 40°C - 50°C) erfolgt dann entweder über den Umweg der Kühlung eines Stirlingmotors (Heißluftmotors) bei der Stromerzugung oder direkt durch die Luftkollektoren mit Hilfe eines Luft-Wasser-Wärmetauschers.
Auch bei der Erwärmung des Speichers ist so eine flexible Entnahme
und Rückspeisung des Wassers notwendig.
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Diese Bedingungen schreiben eine nach oben wachsende Schichtstärke der Wärmedämmung vor. Beträgt die Stärke der Wärmedämmung am Fuß des Speichers 10 cm, so können es am Kopf 30 - 50 cm sein.
Als preisgünstiges Dämmmaterial bietet sich, wie bereits erwähnt,
Glas- oder Mineralwolle an. Dies Diagramm 22 zeigt den Wärmedurchgangskoeffizienten
in Abhängigkeit von der Dämmstärke.
Diagramm 22:
Güte der Speicherdämmung
.
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Mit einem Speichervolumen von 40m³ und 30 cm Wärmedämmung
im Durchschnitt ergibt sich dann ein ständiger Wärmeverlust von
ca. 600 Watt Wärmeenergie aus dem Speicher. Diese 600 Watt Wärmeenergie
sind nicht verloren, sie heizen den Kellerraum in dem sich der Speicher
befindet, auf ca. 35°C, und der Keller gibt die Wärme an die darüberliegenden
Wohnräume weiter.
Die nächste Abbildung 6 zeigt eine Prinzipskizze des Speichertank.
Abbildung 6:
