Thermosiphon-Solarsysteme sind Solarenergieanlagen, die eine natürliche Zirkulation des Arbeitsmediums darstellen. Diese Zirkulation basiert auf Konvektionsströmungen, die sich in Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen bilden.
Was ist ein Thermosiphon?
Der Thermosiphon ist das physikalische Phänomen, durch das sich in einem geschlossenen Kreislauf aufgrund des Dichteunterschieds zwischen den Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen eine Flüssigkeitszirkulation einstellt.
Das Thermosiphon-Prinzip wird bei einigen Solarthermie-Anlagen eingesetzt, wenn es die Rohrstruktur zulässt. Dazu ist es erforderlich, dass der Weg der Wärmeträgerflüssigkeit auf verschiedenen Ebenen verläuft und nicht zu lang ist. Die Bewegung der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen den Solarkollektoren und dem Warmwasserspeicher erfolgt ausschließlich durch Konvektion.
Wofür wird ein Solar-Thermosyphon verwendet?
Ein Thermosiphon-Solarkollektor dient zur Erwärmung des Heizungswassers eines Hauses oder zur Warmwasserbereitung durch erneuerbare Energien.
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:
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Der Sonnenkollektor (Wärmequellen) befindet sich immer auf einem niedrigeren Niveau als der Akkumulator.
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Der Primärkreislauf der Solarthermieanlage ist so kurz wie möglich und hat ein stetiges Gefälle, das eine natürliche Zirkulation ermöglicht.
Thermosyphon thermisches Solarinstallationsdiagramm
Der Kreislauf eines Thermosiphonsystems beginnt in dem Moment, in dem Sonnenstrahlung auf den Sonnenkollektor trifft, mit Werten größer als 200 Watt/m2. Die in den Sonnenkollektoren befindliche Flüssigkeit erwärmt sich.
Wie groß ist der Temperaturunterschied eines Thermosyphons?
Die Temperaturdifferenz im Primärkreis einer Thermosiphon-Solaranlage beträgt je nach Sonneneinstrahlung in der Regel 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.
Arten von Thermosyphonen: horizontal und vertikal
Da der Betrieb des Thermosyphonsystems 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 Speichers mit Hilfsenergie zu beheizen. Dies ist aus drei Gründen wichtig:
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Verbessert die Schichtung.
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Die Wärmeverluste des Tanks steigen linear mit der Lagertemperatur.
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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 verbessert werden, indem separate Solar- und Hilfsspeicher verwendet werden oder indem die Hilfs- und Vorwärmzonen durch eine isolierte Schallwand getrennt werden. Ein Nachteil von Zweitank- oder Segmentspeichersystemen besteht darin, dass der Zulauf die Nebenzone nicht beheizen kann, bis Bedarf besteht.
Grundkomponenten eines Solar-Thermosiphons
Thermosiphon-Solarthermiesysteme haben einen sehr einfachen Aufbau mit wenigen Elementen. Die wichtigsten Elemente sind der Sonnenkollektor und der Akkumulator.
Solarplatten
Bei Thermosiphon-Solarsystemen wird die Zirkulation des Wassers, das durch die Solarmodule zirkuliert, nicht erzwungen. Da es sich nicht um eine Zwangsumwälzung handelt, ist es ratsam, dass der Lastverlust minimal ist, dh dass die Rohre, die das Gitter des Kollektors bilden, einen kreisförmigen Querschnitt und den maximal möglichen Durchmesser haben.
In Bezug auf die Anzahl der angeschlossenen Sonnenkollektoren wird empfohlen, nicht mehr als 10 m2 Kollektoren anzuschließen. Der Grund ist, Ladungsverluste im Sammelkreis zu vermeiden und eine erhebliche Leistungsminderung der Solaranlage zu vermeiden.
Solarspeicher
Der Akkumulator, der in Geräten mit Thermosiphonbetrieb mit indirektem Kreislauf verwendet wird, ist normalerweise vom Doppelhüllentyp. Doppelmantelspeicher haben eine größere thermodynamische Austauschfläche bei minimalem Druckabfall 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.
Verbindungen
Eine weitere zu berücksichtigende Eigenschaft ist, dass die Wassereinlässe der Komponenten des Primärkreislaufs einen ähnlichen Durchmesser wie die Verbindungsleitung haben, um Druckverluste durch Durchflussreduzierungen zu vermeiden.
Wichtig ist auch, dass sich der Kaltwasserzulauf im unteren Teil des Tanks 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 druckfesten Solaranlagen ist es zwingend erforderlich, ein Ausdehnungsgefäß (VE) und ein Manometer hinzuzufügen.
Aufgrund der spezifischen Eigenschaften eines Solar-Thermosyphonsystems ist es nicht möglich, aktive Schutzelemente gegen niedrige Temperaturen (Frost) oder gegen hohe Temperaturen (Überhitzung) zu installieren.
