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Installation solarthermischer

Solar-Thermosiphon: Typen, Funktionsweise und Eigenschaften

Solar-Thermosiphon: Typen, Funktionsweise und Eigenschaften

Thermosiphon-Solarsysteme sind Solarenergieanlagen, die eine natürliche Zirkulation des Arbeitsmediums darstellen. Diese Zirkulation basiert auf Konvektionsströmungen, die sich in Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen bilden.

Der Thermosiphon ist das physikalische Phänomen, durch das in einem Hydraulikkreislauf aufgrund des einzigen Dichteunterschieds zwischen Flüssigkeitsvolumina bei unterschiedlichen Temperaturen eine konvektive Zirkulation entsteht. Das Thermosiphon-Prinzip wird bei manchen Solarthermie-Anlagen eingesetzt, wenn es die Rohrstruktur zulässt, also der Kältemittelweg auf mehreren Ebenen verläuft und nicht zu lang ist (wie in der vorgestellten Anlage). Die Bewegung der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen Solarkollektor und Warmwasserspeicher erfolgt ausschließlich durch Konvektion.

Wenn wir einen Wassertank von unten erhitzen, verliert das Bodenwasser beim Erhitzen an Dichte und steigt an die Oberfläche, wo es abkühlt. Dann kehrt es zum Boden des Behälters zurück und es entsteht eine natürliche Zirkulationsströmung.

Dies ist das Funktionsprinzip einer Thermosyphon-Einheit, bei der Folgendes wesentlich ist:

  • Der Sonnenkollektor (Wärmequellen) befindet sich immer auf einem niedrigeren Niveau als der Akkumulator.
  • Der Primärkreislauf der Solarthermieanlage ist so kurz wie möglich und hat ein stetiges Gefälle, das eine natürliche Zirkulation ermöglicht.

Wie funktioniert ein Solar-Thermosyphon?

Solarthermisches Energiesystem durch HeizkörperDer Kreislauf eines Thermosiphonsystems beginnt in dem Moment, in dem Sonnenstrahlung auf den Sonnenkollektor trifft, mit Werten größer als 200 Watt/m 2 . Die in den Sonnenkollektoren befindliche Flüssigkeit erwärmt sich. Aufgrund dieser Temperaturerhöhung variiert die Flussdichte geringfügig. Diese Schwankung reicht aus, damit die Flüssigkeit durch den Primärkreislauf zum Akkumulator zirkulieren kann. Kalte Flüssigkeit ist dichter und neigt dazu, nach unten zu gehen, ebenso neigt heiße Flüssigkeit dazu, nach oben zu steigen. Sobald sich das Fluid im Speicher befindet, findet ein Wärmeaustausch durch einen thermodynamischen Konvektionsprozess statt.

Der Betrieb im Primärkreislauf dieser regenerativen Energieanlage erfolgt per Thermosyphon. Die übliche Temperaturdifferenz an den Kollektormündungen (T2-T1) beträgt je nach Sonneneinstrahlung meist 5 bis 15 Grad Celsius.

Beim Aufheizen wird das Wasser im Speicher temperaturmäßig geschichtet, dh der obere Teil wird mit heißem Wasser belegt und das kältere Wasser verbleibt im unteren Teil. In vertikalen Speichern kann dieser Temperaturunterschied 15 °C erreichen. Bei horizontalen Speichern sinkt diese Differenz auf nur noch 4-5 Grad Celsius.

Das im Akkumulator angesammelte Wasser erhöht seine thermische Energie und steht nun hauptsächlich für die Nutzung als Heizung oder Warmwasserbereitung zur Verfügung.

Arten von Thermosyphonen: horizontal und vertikal

Da der Betrieb des Thermosyphon-Systems von der Schichtung des Wassers im Speicher abhängt, sind vertikale Speicher effektiver. Außerdem ist es wünschenswert, die Standheizung möglichst weit oben im Speicher anzuordnen, um bei Bedarf nur den oberen Teil des Tanks mit Hilfsenergie zu beheizen. Dies ist aus drei Gründen wichtig:

  • Verbessert die Schichtung.
  • Die Wärmeverluste des Tanks steigen linear mit der Lagertemperatur.
  • Der Solarkollektor arbeitet effizienter bei einer niedrigeren Kollektoreintrittstemperatur.

Um die Gesamthöhe der Einheit zu verringern, werden jedoch häufig horizontale Tanks verwendet. Die Leistung von Thermosiphonsystemen mit horizontalen Tanks wird durch die Leitung zwischen der Hochtemperatur-Hilfszone am oberen Ende des Tanks und der Solarzone und durch das Mischen der Strömungsinjektionspunkte beeinflusst.

Die Leistung dieser Systeme kann durch die Verwendung separater Solar- und Hilfsspeicher oder durch die Trennung der Hilfs- und Vorwärmzone durch eine isolierte Schallwand verbessert werden. Ein Nachteil von Zweitank- oder Segmenttanksystemen besteht darin, dass der Zulauf die Nebenzone nicht beheizen kann, bis Bedarf besteht.

Grundkomponenten eines Solarstrahlers

Thermosiphon-Solarthermiesysteme haben einen sehr einfachen Aufbau mit wenigen Elementen. Die wichtigsten Elemente sind der Sonnenkollektor und der Akkumulator. 

Bei diesen Systemen wird die Zirkulation des Wassers, das durch die Sonnenkollektoren zirkuliert, nicht erzwungen. Da es sich nicht um einen Zwangsumlauf handelt, ist es zweckmäßig, dass der Lastverlust minimal ist, dh dass die Rohre, die das Gitter des Kollektors bilden, einen möglichst großen Durchmesser haben.

In Bezug auf die Anzahl der anzuschließenden Sonnenkollektoren wird empfohlen, nicht mehr als 10 m 2 Kollektoren anzuschließen. Der Grund dafür, nicht zu viele Solarkollektoren anzuschließen, besteht darin, Ladungsverluste im Sammelkreis zu vermeiden und eine erhebliche Verringerung der Leistung der Anlage zu vermeiden.

Der Akkumulator, der in Geräten mit Thermosiphonbetrieb mit indirektem Kreislauf verwendet wird, ist normalerweise vom Doppelhüllentyp. Doppelmantelspeicher haben eine größere thermodynamische Austauschfläche bei minimalem Druckverlust im Kreislauf.

Die Anordnung des Speichers erleichtert die natürliche Zirkulation. In diesem Fall wäre die beste Konfiguration, vertikale Speicher verwenden zu können, um die Temperaturschichtung auszunutzen. Die Bedingungen der ästhetischen Integration bedeuten jedoch, dass die meisten Einheiten horizontale Akkumulatoren enthalten.

Eine weitere zu berücksichtigende Eigenschaft ist, dass die Wassereinlässe der Komponenten des Primärkreises einen ähnlichen Durchmesser wie die Verbindungsleitung haben, um Druckverluste durch Durchflussreduzierungen zu vermeiden.

Wichtig ist auch, dass sich der Kaltwasserzulauf im unteren Teil des Speichers befindet, um zu verhindern, dass dieser den Warmwasserbereich auskühlt, wenn neues Wasser einströmt.

Sicherheitselemente einer Thermosiphon-Solaranlage

Um den Primärkreislauf vor Überdruck zu schützen, muss ein Sicherheitsventil (VS) installiert werden, das kein Trenn- oder Absperrelement hat, das die Installation hydraulisch isoliert.

Dies ist das einzig notwendige Sicherheitselement in Anlagen, die mit Umgebungsdruck arbeiten. Bei druckbeaufschlagten Anlagen ist es zwingend erforderlich, ein Ausdehnungsgefäß (VE) und ein Manometer hinzuzufügen.

Aufgrund der spezifischen Eigenschaften dieser Anlagen ist es nicht möglich, aktive Schutzelemente gegen niedrige Temperaturen (Frost) oder gegen hohe Temperaturen (Überhitzung) zu installieren.

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Erscheinungsdatum: 22. September 2015
Geändert am: 16. September 2019