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7.) Prinzip der Anlagestruktur

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7.) Prinzip der Anlagestruktur 68
 
 

7.1.) Anforderung und Beschreibung 68

7.2.) Sommerbetrieb-Klimatisierung 70

7.3.)Wärmepumpenbetrieb 71

7.3.1.) Wirkungsweise im Kollektorkreislauf 71

7.3.2.) Nachtbetrieb mit der Wärmepumpe 72

 7.4.) Zielsetzung beim Anlagebetrieb 72

7.5.) Eckpunkte beim Anlagebetrieb 73
 

 Die Anforderungen an die Solaranlage, welche den gesamten Wärmebedarf in der Heizperiode für ein Einfamilienhaus erbringen soll, sind hoch und nicht ohne weiteres zu erfüllen.
 
 
 
 

7.1.) Anforderung und Beschreibung
 
 

Die äußeren Einflüsse schwanken erheblich, so z.B. die solare Strahlungsenergie, die Außentemperatur oder die meteorologischen Bedingungen, des weiteren ändert sich auch der häusliche Wärmebedarf in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder des Tag- Nachtzykluses.

Damit nun die Anlage ihrer Aufgabe gerecht wird, muß die Struktur flexibel auf die äußeren Bedingungen reagieren. Je nachdem, welche Strahlungswerte, welcher Wärmebedarf vorliegt, muß die Anlage die Wärme über die Luft zentral in die Diele oder den Gang der Wohnung zuführen oder bei höherer Strahlleistung den Wärmeüberschuß in dem Warmwasserspeicher speichern.
Die Luft-Wasser-Wärmetauscher sind als Gegenstromprinzip ausgeführt. Einschübe aus spiralförmig gewendelten Kupferrohr sind mit gewendelten Draht umlötet. Die Fliesrichtungen von Wasser und Luft sind gegeneinander gerichtet. Das ergibt einen hohen Wärmetauscherwirkungsgrad.

Wärmetauscher der Firma Spirotech


 

· Geschlossener Kollektorkreislauf Die erwärmte Luft der Luftkollektoren darf ungünstigerweise nicht direkt für die Heizzwecke verwendet werden. Der große Luftdurchsatz würde trotz einer Filterung die Absorberbleche und Glaskanäle der Kollektoren so stark verschmutzen, daß die Funktion nicht gewährleistet wäre. Die Kollektoren arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf dem die Wärme über Wärmetauscher entzogen wird. · Luft-Wasser-Wärmetauscher Der erste Wärmetauscher im Kollektorkreislauf ist ein Luft-Wasser-Wärmetauscher; das bedeutet, der Wärmetauscher entzieht dem Luftstrom Wärmeenergie und führt sie über einen Wasserkreislauf dem Speicherwasser zu.

Bis zu einer Lufttemperatur von 35°C wird der Luft-Wasser-Wärmetauscher nicht aktiv, denn das Speicherwasser sollte, je nachdem für welche Heizzwecke es verwandt wird, mind. eine Temperatur von ca. 35°C haben.
 
 
 
 
 
 

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Ist im Moment der Volumenstrom des Kollektorkreislaufes bei gegebener Temperatur von 35°C nach dem Luft-Wasser-Wärmetauscher größer als der momentane Zuluftwärmebedarf des Hauses, so wird mit Hilfe eines regelbaren Ventilators der Volumenstrom des Kollektorkreislaufes so lange verringert, bis der Volumenstrom von 35°C den momentanen Zuluftwärmebedarf gerade deckt.

Durch den verringerten Volumenstrom steigt die Temperatur der erwärmten Luft in den Kollektoren über diese 35°C (z.B. auf 70°C). Dieser Temperaturüberschuß von benötigten 35°C auf 70°C wird von dem Luft-Wasser-Wärmetauscher dem Luftstrom entzogen und dem Speicherwasser zugeführt.
 
 

 · Luft-Luft-Wärmetauscher Auf dem Luft-Wasser-Wärmetauscher im Kollektorkreislauf folgen zwei Luft-Luft-Wärmetauscher, die flexibel mit der Abluft-Wärmerückgewinnung installiert sind (siehe Skizze der Anlagestruktur Seite 74 ff.).

Auch diese Luft-Luft-Wärmetauscher entziehen dem Kollektorkreislauf Wärme, um sie einem anderen weiteren Luftstrom, dem Zuluftstrom, zuzuführen. Je nach Gegebenheiten von Außentemperatur und Wärmebedarf besitzt dieser Zuluftstrom ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Temperatur.

Zusammengesetzt wird dieser Zuluftstrom von einem Mindestanteil Frischluft (Außenluft) und einem weiteren größeren Anteil Umluft.
 
 

 · Wärmerückgewinnungsanlage Die Frisch- oder Außenluft wird von der Fortluft in der Wärmerückgewinnungsanlage auf annähernd Raumtemperatur erwärmt, um dann zusammen mit der Umluft von den Luft-Luft-Wärmetauschern auf die benötigte Endtemperatur von ( 25°C) erhitzt zu werden.

Die Wärmerückgewinnungsanlage ist im Prinzip auch ein Luft-Luft-Wärmetauscher wie jene im Kollektorkreislauf, nur wird hier die Wärme von der Fortluft an die Frischluft übertragen, so daß nur geringe Wärmeverluste durch die Lüftung entstehen.

Der Wirkungsgrad bei Luft-Luft-Wärmetauschern liegt bei annähernd gleichem Luftstrom und keiner Kondensation bei 75%; tritt Kondensation der Fortluftfeuchtigkeit auf, erhöht sich der Wirkungsgrad.

Der Wärmerückgewinnungsanlage ist noch ein Wasser-Luft-Wärmetauscher vorgeschaltet.
 
 
 
 

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  · Wasser-Luft-Wärmetauscher Dieser Wasser-Luft-Wärmetauscher hat die Aufgabe, bei sehr kalten Außentemperaturen von unter 0°C die Außenluft von Minusgraden auf ca. 0°C "vorzuwärmen", so daß die Wärmerückgewinnungsanlage immer mit mindestens 0°C temperierter Außenluft beaufschlagt wird.

Die Wärmeenergie stammt aus dem Warmwasserspeicher, aus der kältesten Temperaturschicht von ca. 10°C. Das Speicherwasser, das zuvor das Brauchwasser vor Eintritt in den Speicherkessel von 7°C an der Entnahmestelle vorwärmt, erwärmt jetzt nochmals die Außenluft und erkaltet dabei selbst auf knapp über der Erstarrungstemperatur.
 
 
 
 
 
 

 7.2.) Sommerbetrieb-Klimatisierung
 
 
 
 

In den Sommermonaten, bei hochsommerlichen Außentemperaturen von über 30°C, wird mit Hilfe dieses Wasser-Luft-Wärmetauschers und des kalten Speicherwassers die Außenluft zusammen mit einem großen Anteil Rückluft auf ca. 5°C gekühlt.

Durch diese Abkühlung steigt die relative Luftfeuchtigkeit auf j = 100%, so daß der Taupunkt überschritten wird und Kondensation eintritt. Die Luft wird gewissermaßen getrocknet, denn durch die nachträgliche Erwärmung in der Wärmerückgewinnungsanlage von 5°C und 100% Luftfeuchtigkeit auf 14°C und 55% Luftfeuchtigkeit ist die Luft in der Lage, als Zuluft das Haus zu kühlen und bei weiterer Erwärmung Feuchtigkeit aufzunehmen.

So ist die Solaranlage in der Lage, im Sommer als "Quasi Klimaanlage" zu fungieren und die Räume auf angenehmen 23°C zu halten. Das Speicherwasser erwärmt sich dabei wieder auf 10°C.

Eine weitere Erwärmung des Speicherwassers wird entweder mit der Kühlung (50°C) eines Stirlingmotors (Heißluftmotor) erreicht oder gleich mit dem Luft-Wasser-Wärmetauscher auf 95°C.

Gegen Ende Oktober ist so nahezu der komplette Wasserspeicher auf 95°C Speichertemperatur erwärmt.
 
 
 
 
 
 
 
 

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7.3.)Wärmepumpenbetrieb
 
 
 
 

7.3.1.) Wirkungsweise im Kollektorkreislauf Reicht die Strahlung der Sonne in der winterlichen Heizperiode nicht aus, um genügend Wärme über die Luft-Luft-Wärmetauscher an die Zuluft zu übertragen, wird eine Luft-Luft-Wärmepumpe im Anschluß aktiviert.

Der Verdampfer der Luft-Luft-Wärmepumpe ist im Kollektorkreislauf das letzte Element des Wärmeentzugs; selbst die Abwärme des vorgeschalteten Ventilators wird genutzt.

Der Verdampfer entzieht dem Kollektorkreislauf die Wärme und führt sie, mit Hilfe des Kompressors, über den Kondensator dem Zuluftstrom zu.

Ist der Wärmebedarf durch zu geringe Strahlleistung und kalter Außentemperatur noch immer größer als die Wärmeleistung der Kollektoren, dann wird die Luft-Luft-Wärmepumpe auf ein höheres Leistungsniveau geregelt. Der Verdampfer entzieht dem Kollektorkreislauf noch mehr Wärme, so daß die Temperatur im Kollektorkreislauf weiter sinkt, bis auf jenen Punkt, bei dem durch den verbesserten Wirkungsgrad der Luftkollektoren die Wärmeleistung der Solaranlage gerade dem Wärmebedarf des Hauses entspricht.

Dieses Prinzip gestattet, daß durch genügend tiefes Absenken der Kollektorarbeitstemperatur eine ausreichende Wärmemenge "erwirtschaftet" werden kann.
 
 

· Keine Vereisung des Verdampfers Bei diesen tiefen Arbeitstemperaturen von weit unter 0°C ist das im Kollektorkreislauf enthaltene Luftvolumen mit der darin enthaltenen Feuchtigkeit zu gering, um die Funktion des Verdampfers durch Vereisung zu beeinträchtigen. Am Verdampfer tritt durch den geschlossenen Kollektorkreislauf keine nennenswerte Vereisung auf. Die Feuchtigkeit, die sich trotzdem am Verdampfer niedergeschlagen hat, tropft ab und wird dem Kollektorkreislauf entzogen. Durch diese Eigenart der relativ trockenen Kreislaufluft arbeitet die Luft-Luft-Wärmepumpe im Gegensatz zu freisaugenden Umgebungsluftanlagen auch bei etlichen Minusgraden zufriedenstellend.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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7.3.2.) Nachtbetrieb mit der Wärmepumpe Durch diesen extremen Betriebspunkt kann die Solaranlage selbst bei Nacht den Wärmebedarf über die Luft-Luft-Wärmepumpe decken, sofern ein entleerter Wärmespeicher (Ende Februar) dies nötig und eine genügend hohe Außentemperatur (10°C) dies möglich machen.

Die Wärme tritt hauptsächlich durch Konvektion und Wärmeleitung von außen durch das Kollektorabdeckglas in den Luftkollektor ein und wird über die Wärmepumpe in den Zuluftstrom (Umluft) eingebracht.
 
 

· Aktive Wärmedämmung mittels Wärmepumpe Wird weiter der Dachstuhl bewohnt und beheizt, treten bei diesem Betriebspunkt an der Kollektordachfläche keine Wärmeverluste auf.

Der Wärmestrom durch die Wärmedämmung wird wiederum von dem kühleren Kollektorluftstrom "eingefangen" und über die Wärmepumpe dem Haus wieder zugeführt. Dieses entspricht einer aktiven Wärmedämmung, weil durch den Einsatz elektr. Wärmepumpenenergie ein Transmissionswärmeverlust verhindert wird.
 
 

 Ansonsten wird ein zusätzlicher Wärmebedarf nachts oder an ungünstigen Tagen über die Warmwasserheizung erbracht.
 
 
 
 

7.4.) Zielsetzung beim Anlagebetrieb
 
 
 
 

Die Regelung der Solaranlage sollte am Anfang der Heizperiode versuchen, die Überschußwärme dafür zu verwenden, den Warmwasserspeicher möglichst lang auf 95°C Solltemperatur zu halten.

Danach sollte sie dazu übergehen den täglichen Wärmeüberschuß auf geringstem Temperaturniveau zu sammeln und zu speichern, um im Winter ein Höchstmaß an Wärmegewinn und Effektivität zu erbringen. Benötigte höher temperierte Heizenergie wird dem Warmwasserspeicher entnommen.

Am Ende der Heizperiode wiederum (Ende Februar) muß die Anlage den täglichen Wärmebedarf decken und dafür sorgen, daß genügend Speicherwärme von mind. 60°C für das Brauchwasser bereitsteht.
 
 
 
 

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Ist durch günstige Witterungsbedingungen Mitte - Ende der Heizperiode absehbar, daß der Wärmebedarf ohne weiteres gedeckt werden kann, wird die Solaranlage auf einem höheren Temperaturniveau gefahren, um auf den verstärkten Einsatz der Luft-Luft-Wärmepumpe zu verzichten.

Ein letztes Bestreben muß der sinnvollen Regelung der Volumenströme gelten; dem Kollektorkreislauf genauso wie dem Zuluftstrom, um die Ventilationsverluste gering zu halten.
 
 
 
 

7.5.) Eckpunkte beim Anlagebetrieb
 
 
 
 

Die folgenden Seiten sollen Eckpunkte des Betriebes der Anlage verdeutlichen, angefangen Ende Oktober, bei verschiedenen solaren Strahlleistungen hin über die ganze Heizperiode bis zum Sommerbetrieb.

Der spezifische Wärmeverlust des Hauses entspricht 100 Watt pro °C Temperaturunterschied nach außen.

Auf der Berücksichtigung des Speicherwärmeverlust Ende Oktober von 0,6 KW wurde verzichtet.
 



 
 
 

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8.) Wärmebilanz / Kosten-Nutzen