Solarthermie Systemtechnik

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Systemtechnik: Solarpumpe, Solarregler und Solarrohre im Solarkreislauf

Der Solarkreislauf ist durchaus mit unserem menschlichen Blutkreislauf zu vergleichen: Dort wird das Blut vom Herzen durch ein Gefäßsystem gepumpt – und gelangt in einem stetigen Kreislauf wieder zurück zum Herzen. Auf seinem Weg passiert es die Organe. Das Herz des Solarkreislaufs ist die Solarkreispumpe, das Gehirn der Solarregler. Beides zusammen trägt die Bezeichnung Solarsteuerung. Wir erläutern die Zusammenhänge genauer und geben Tipps, wobei es bei den Komponenten der Systemtechnik ankommt.

Der Solarkreislauf verbindet Solarthermie mit Warmwasser und Heizung
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Komponenten im Solarkreis

Ein wenig anders ist es doch als beim menschlichen Kreislauf: Im Solarkreislauf wird der Wärmeträger, also die Solarflüssigkeit (Solarfluid), im Solarthermie-Kollektor erwärmt und über Solarrohre (s.u.) zum Wärmetauscher im Solarspeicher transportiert. Angetrieben wird der Solarkreis von der Solarpumpe, gesteuert wird er vom Solarregler. Diese beiden Komponenten sind die Hauptbestandteile der Solarsteuerung und einen genaueren Blick wert (s.u.).

Hinweis: Genau genommen besteht die Solarsteuerung aus einigen weiteren Komponenten. Neben dem Solarregler und der Solarpumpe gehören auch die Sensoren für die Temperatur, den Druck und den Volumenstrom sowie einige Ventile und Sicherheitseinrichtungen dazu.

Gut zu wissen: Immer häufiger werden die genannten Bauteile der Solarsteuerung – zusammen mit den verschiedenen Ventilen und Anschlüssen – in einer kompakten Solarstation gebündelt. Dies erleichtert die Montage und Dämmung der Komponenten, erschwert dafür aber ihre Erreichbarkeit bei einer Wartung oder Reparatur. Der größte Vorteil einer Solarstation ist sicherlich die Reduzierung des Wärmeverlustes. Aber auch ihr geringer Platzbedarf kann für manchen Betreiber einer kleinen Solarthermieanlage entscheidend sein.

Solarkreispumpe: Herz der Solaranlage

Umwälzpumpen © amixstudio, stock.adobe.com
Umwälzpumpen © amixstudio, stock.adobe.com

Die Solarpumpe ist im Grunde nichts anderes als eine herkömmliche Umwälzpumpe. Anders als in Heizungsanlagen wälzt die Solarkreispumpe jedoch kein Heizungswasser, sondern das Solarfluid um. Es ist also ihre Aufgabe, die Wärmeträgerflüssigkeit von den Solarkollektoren zum Wärmeübertrager im Speicher und die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit zurück zu den Solarkollektoren zu befördern. Die Solarkreispumpe wird dabei vom Solarregler gesteuert. Von diesem erhält sie die Impulse, wann und wie viel Solarfluid umgewälzt werden muss.

Ohne die Solarkreispumpe geht es nicht
Ohne die Solarkreispumpe geht es nicht
Hinweis: Die am häufigsten zu findende Bauart von Umwälzpumpen im Solarkreis ist die Nassläuferpumpe, eine die Wärmeträgerflüssigkeit durchströmende Kreiselpumpe. Wird ein höherer Pumpendruck benötigt, muss eine komplexere Verdrängerpumpe eingesetzt werden.

Anforderungen an eine Solarkreispumpe

Bei der Auswahl einer passenden Solar-Umwälzpumpe sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

  • Korrosionsbeständigkeit: Die Pumpenbauteile müssen beständig gegen das Frostschutzmittel Propylenglykol im Solarfluid sein.
  • Temperaturbeständigkeit: Die Wärmeträgerflüssigkeit kann Temperaturen von über 110 °C erreichen.
  • Drehzahlregelbarkeit: Die „Matched Flow“ genannte Regelstrategie passt den Volumenstrom der Umwälzpumpe an den Wärmebedarf dynamisch an. Einzukalkulieren sind jedoch höhere Anschaffungskosten.
  • Energieeffizienz: Gradmesser ist der Wirkungsgrad der Pumpe. Bei Hocheffizienzpumpen ist der Stromverbrauch geringer (s.u.).
  • Wartungsfreundlichkeit: Beim Ausbau der Solarpumpe muss auch der Solarkreis entleert werden. Wegen des großen Aufwands sollte die Pumpe wartungsfrei sein.
  • Geräuschemission: Je nach Installationsort der Solarkreispumpe kann eine höhere Geräuschentwicklung störend wirken.
  • Gleichstrommotor: Mit einem 24-V-Gleichstrommotor ausgestattet, kann die Solarkreispumpe unabhängig vom Stromnetz, also mit einer Photovoltaikanlage betrieben werden.

Energieverbrauch von Solarkreispumpen

Solarkreispumpen verbrauchen bis zu 5 Prozent der gewonnenen Solarenergie. Daraus wird deutlich, dass eine optimierte Solarpumpe für die Gesamteffizienz des Systems eine Rolle spielt. Zu einem schlechten Wirkungsgrad führen folgende Faktoren:

  • hydraulische Drosselung der Solarpumpe,
  • falsche Dimensionierung und suboptimaler Betriebsbereich,
  • Asynchronmotor mit zu großem Energieverbrauch.

Installiert werden sollten daher Hocheffizienzpumpen, die hinsichtlich ihres Energiebedarfs optimiert wurden. Dabei handelt es sich um Pumpen mit einem permanent erregten EC-Motor. Diese können den Energieverbrauch um bis zu 80% reduzieren.

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Solarregler: Gehirn der Solaranlage

Multitalent mit vielen Aufgaben: Der Solarregler
Multitalent mit vielen Aufgaben: Der Solarregler

Der Solarregler funktioniert ähnlich wie ein Heizungsthermostat: Über ihn schaltet sich die Solarkreispumpe automatisch ein, wenn die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkollektor höher ist als die des Brauchwassers im Wärmespeicher. Hat die Wassertemperatur das Maximum erreicht, schaltet sich die Pumpe wieder aus. Damit steuert der Solarregler, wann die Solarkreispumpe laufen soll und wann nicht. Das Ziel ist die Optimierung des Wärmeertrags.

Solarthermie Solarsteuerung: Gepumpt wird nur, wenn es sich lohnt
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Funktionsweise eines Solarreglers

Der elektronische Solarregler wird über zwei Temperaturfühler gesteuert. Einer davon ist im Kollektorsystem, und zwar an der heißesten Stelle, dem Vorlauf, eingebaut, der andere im unteren Bereich, also der kältesten Stelle des Speichers. Die Höhe der Temperaturdifferenz bestimmt das Ein- und Ausschalten der Solarpumpe. Übliche Einschalt-Temperaturdifferenzen liegen bei 5 – 7 Kelvin (K), Ausschalt-Temperaturdifferenzen bei 2 Kelvin.

Weitere Funktionen der Solarregelung

Ein Solarregler erfüllt neben der Optimierung des Wärmeertrags noch einige weitere Aufgaben:

  • Schutz der Solarthermie-Kollektoren: Ruht die Solarthermieanlage, weil gerade kein Warmwasser verbraucht wird, können die Kollektoren überhitzen. Der Solarregler ist alarmiert und lässt die Solarkreispumpe anspringen, damit diese das stark erhitzte Solarfluid aus dem Kollektor transportiert. Das funktioniert auch umgekehrt: Bei Gefahr, dass die Flüssigkeit im Kollektor gefriert, wird der Kreislauf in Gang gesetzt und etwas warmes Fluid zurück in den Kollektor Beide Vorgänge laufen energiesparend mit verminderter Drehzahl ab.
  • Zuschaltung des Heizkessels: Ist der Energieertrag bei niedrigen Außentemperaturen generell zu gering, wird die Zusatzheizung für die Wassererwärmung benötigt. Ein entsprechend ausgerüsteter Solarregler sorgt für das Anspringen des Heizkessels.
  • Manuelle Schaltung: Viele Solarregler sind mit einem Pumpenschalter ausgestattet, über den sich die Solarkreispumpe bei Bedarf auch von Hand ein- und ausschalten lässt.
  • Überwachung der Vorgänge: Auf einem Display lassen sich die Werte der Temperaturfühler ablesen. Integrierte Wärmemengenzähler informieren über den Ertrag. Kontrolllampen zeigen Fehler im System an. Manche Geräte erlauben die direkte Übermittlung an den einprogrammierten Handwerksbetrieb.
  • Steuerung aus der Ferne: Stichwort „Smart Home“. Moderne Solarregler verfügen häufig über eine WLAN-Verbindung. Über den PC, per App auch mit Smartphone und Tablet, sind alle Daten 24/7 einseh- und steuerbar.

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Solarrohre: Adern der Solaranlage

Dass die Wärmeträgerflüssigkeit hohe Drücke und Temperaturen erreicht (und zudem nicht nur aus Wasser besteht), stellt keine geringen Anforderungen an das Rohrsystem der Solaranlage. Geeignete Werkstoffe sind daher Kupfer und Stahl:

  • Kupfer ist relativ weich und in einer dünnwandigen Variante sogar biegsam. Beträgt der Durchmesser nicht mehr als 16 mm, ist die Verlegung von Kupferrohren auch an ungünstigen Stellen möglich.
  • Stahl ist besonders beständig, aber auch sehr starr. In vielen Situationen kommen daher für das Verlegen nur die flexiblen Edelstahl-Wellrohre in Betracht. Sie haben allerdings einen höheren Reibungswiderstand als glatte Rohre.
Solarrohre aus Kupfer und Edelstahl
Solarrohre aus Kupfer und Edelstahl
  • Verzinkte Stahlrohre können durch das Polypropylenglykol-Gemisch korrodieren und sind daher als Werkstoff für den Solarkreis ungeeignet.
  • Kunststoffrohre verfügen oft nicht über die notwendige Druck- und/oder Temperaturbeständigkeit und sind daher kritisch zu betrachten.

Weitere Qualitätsmerkmale des Rohrsystems

Der Werkstoff einer Verrohrung ist es nicht das alles entscheidende. Die Qualität hängt noch von drei weiteren Faktoren ab:

  • Isolierung: Für den Wärmeertrag entscheidender als der Werkstoff ist die Dämmung der Solarrohre. Als empfehlenswert erweist sich eine 13–20 mm starke Dämmschicht aus sehr gut temperatur- und UV-beständigem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, abgekürzt EPDM. Zusätzlich isoliert eine schwarze Folienummantelung. Das zweiadrige Kabel zum Anschluss an den Fühler, die sogenannte Fühlerleitung, ist in der Ummantelung integriert.
Tipp: Teuer aber noch stärker wärmedämmend ist eine Aerogel Nanoisolierung mit PVC Schutzmantel. Damit isolierte Solarleitungen übertragen die Sonnenenergie mit größtmöglicher Effizienz. Und: Eine Schichtdicke von 5 mm reicht hier aus.
Hinweis: Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) schreibt folgende Rohrdämmungsstärken vor: Liegen die Rohrleitungen offen und haben einen Innendurchmesser bis 22 mm, muss die Isolierungsschicht mindestens 20 mm stark sein, bei dickeren Rohren sind 30 mm erforderlich. Aber: Bei innenliegenden Rohren (Wände und Decken) muss die Dämmschicht nur halb so dick sein.
  • Rohrdurchmesser: Generell kann gesagt werden, dass der Durchmesser der Rohre den Druckverlust bestimmt. Dieser sollte maximal 3 Millibar pro Meter (mbar/m) betragen. Solarrohre mit einem großen Durchmesser verlieren aufgrund der großen Oberfläche mehr Wärme; außerdem sind sie erheblich teurer. Sehr kleine Rohrdurchmesser können dazu führen, dass zu wenig Wärme von den Kollektoren zum Wärmeübertrager transportiert wird. Oder besser zu merken: Dicke Solarrohre minimieren Druckverluste, dünne Solarrohre minimieren Wärmeverluste. Die meisten Solarrohre weisen einen Durchmesser von 16 mm auf („DN16“).
  • Ausführung: Angeboten werden einläufige und doppelläufige Solarrohre. Einzelleitungen sind die preiswertere Lösung, die Duo-Systeme lassen sich dafür einfacher verlegen. Doppelläufige Solarrohre sind kombinierte Vor- und Rücklaufleitungen. Ältere Systeme hatten nur einen Dämmmantel und damit eine geringere Wärmedämmung. Die heutigen Kombirohre dagegen sind einzeln ummantelt und die Dämmschichten nach Belieben zu verbinden und trennen („Join-Split-Verfahren“).
Joint-Split Rohrleitungen lassen sich flexibel verlegen
Joint-Split Rohrleitungen lassen sich flexibel verlegen

Anschlüsse und Verbindungen

Nur in den seltensten Fällen gestaltet sich der „Solarkreis“ so perfekt wie der Name es vermuten lässt. Meistens gibt es im Rohrsystem etliche Abzweigungen und dementsprechende Verbindungsstellen. Angesichts einer  Lebensdauer der Solarkollektoren von deutlich über 20 Jahren ist die Qualität der Verbindungsstücke ebenso wichtig wie die der Rohrleitungen. Daher sollten an deren Werkstoffe auch die gleichen Anforderungen gestellt werden. Bei starren Rohren, ob aus Stahl oder Kupfer, sind Verbindungen zwischen Rohrstücken über Hartlöten möglich. Bei flexiblen Varianten bieten sich dagegen Pressverbindungen an sowie eine Schneidring- oder Klemmringverschraubung.

Fazit

Solarkollektoren und Pufferspeicher sind das „A und O“ einer Solarthermieanlage. Am „Start“ wird Wärme produziert, am „Ziel“ wird sie genutzt. Ohne die Systemtechnik wäre die Sonnenwärme jedoch nicht nutzbar, blieb das Wasser im Speicher kalt. Der Solarkreislauf ist so einfach wie genial. Mit einem nur geringen Energiebedarf zirkuliert die Wärmeträgerflüssigkeit und erwärmt unser Trink- und Brauchwasser. Dafür sorgen gut aufeinander abgestimmte Komponenten der Solarsteuerung.

Detaillierte Informationen über „Start“ und „Ziel“ des Solarkreislaufs erhalten Sie in unseren Ratgebern Solarthermie Anlage und Solarthermie Speicher.

Solarthermie auf einem Hausdach © Horst Schmidt, stock.adobe.com
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