Bei einer Thermosiphonanlage wird...

Bei einer Thermosiphonanlage wird die unterschiedliche spezifische Dichte des Wassers bei unterschiedlicher Temperatur genutzt, um den Wasserkreislauf anzutreiben. Erhitztes Wasser steigt aufgrund seines geringeren spezifischen Gewichts zum Sammelbehälter auf, während gleichzeitig kälteres Wasser in einer anderen Leitung abwärts zum Erhitzer sinkt.

Im Kollektor wird eine Flüssigkeit - bei Thermosiphonanlagen meist reines Brauchwasser ohne Zusätze - durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Sie steigt dadurch im Kollektor nach oben. Dieser besitzt oben einen Auslass , der fest mit einem Warmwasserspeicher verbunden ist. Wärmeverluste oder Warmwasserverbrauch führt zur Abkühlung; das abgekühlte Wasser sinkt im Speicher nach unten und fließt durch dessen unteren Auslass wieder zurück in den Kollektor, um dort wieder erwärmt zu werden. Öffnet man das Entnahmeventil des Speichers, drückt das Frischwasser das Warmwasser aus dem Speicher und füllt diesen gleichzeitig wieder auf.

Wichtig ist dabei, dass der Solarspeicher zumindest teilweise oberhalb des Kollektors liegt, da sonst keine dauerhafte Zirkulation zustande kommt. Häufig findet man Speicher und Kollektor als Kompaktanlage. Die Thermosiphonanlagen arbeiten mit einem direkten Kreislauf, das heißt der Solarkreis wird vom Brauchwasser durchflossen (keine Systemtrennung). Dadurch wird neben der Pumpe auch der Wärmetauscher eingespart, was die Anlagenkosten weiter senkt. Allerdings erfordert diese Bauweise einen frostfreien Aufstellungsort, da im exponierten Kollektor keine frostgeschützte Solarflüssigkeit, sondern Trinkwasser dem Frost ausgesetzt ist. Außerdem muss insbesondere der Solarkollektor – speziell hinsichtlich der Materialauswahl – trinkwassergerecht ausgeführt werden.


Dieses Prinzip wird in warmen Ländern insbesondere zur Warmwasserbereitung benutzt. Die Anlagen sind kostengünstig und aufgrund fehlender beweglicher Teile zuverlässig und wartungsarm. Übliche Anlagen haben 2m⊃2; Kollektorfläche und können damit einen 300-Liter-Speicher mit Warmwasser versorgen.

Bivalente Speicher

 Häufig sind Solarspeicher bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmeübertrager des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z. B. einen zweiten Wärmeübertrager im oberen Speicherbereich zum Anschluss an einen konventionellen oder Biomasse-Heizkessel. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke). Alternativ kann dazu auch ein elektronisch geregelter Durchlauferhitzer verwendet werden, dieser muss für Zulauftemperaturen von über 20 °C spezifiziert sein; gängige Durchlauferhitzer sind dies meist nicht. Die Warmwassererwärmung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Kombispeicher oder Tank-im-Tank-Systeme

Neben reinen Trinkwasserspeichern gibt es auch so genannte Kombispeicher oder Tank-im-Tank-Systeme, die gleichzeitig der Heizungsunterstützung dienen. Diese Behälter werden vom Wasser aus der Zentralheizungsanlage durchflossen, das im unteren Bereich solar aufgewärmt, im oberen Bereich bei Bedarf aus dem Heizkessel nachgeheizt wird. Im Inneren dieses Heizwasser-Speichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Behälter oder ein dickes gewendeltes Rohr, durch den oder das das Trinkwasser fließt und – ähnlich einem Durchlauferhitzer – dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen ein wesentlich höheres Gesamtvolumen auf als reine Trinkwasserspeicher (mindestens doppeltes Volumen); der vorgehaltene Anteil an erwärmtem Trinkwasser ist aber wesentlich geringer (etwa 80 bis 200 Liter). Solche Anlagen eignen sich daher auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber nicht auf Warmwassertanks mit mehr als 400 Liter zurückgreifen wollen, die besondere Schutzmaßnahmen gegen Legionellen erfordern. 

Solarpufferspeicher beinhalten Heizungswasser

Solarpufferspeicher beinhalten Heizungswasser – kein Trinkwasser. Ein Solarpufferspeicher verfügt i.d.R. über einen Wärmeübertrager im unteren Bereich des Speichers. Die Solaranlage erwärmt das Heizungswasser. Erzielt die Solaranlage nicht ausreichend hohe Pufferspeicher-Temperaturen, kann eine sonstige konventionelle Wärmequelle (z. B. Holzkessel, Elektroeinschraubheizstab, Öl- oder Gasheizung) das Pufferwasser ohne die notwendige Verwendung eines Wärmetauschers direkt nachheizen. Trinkwasser kann mit Hilfe einer Frischwasserstation erzeugt werden. Die Frischwasserstation verwendet dazu die Wärme aus dem Pufferspeicher. Die Frischwasserstation erwärmt und regelt die gewünschte Temperatur für das gezapfte Warmwasser. Dazu dient ein entsprechend dem Warmwasserbedarf dimensionierter Plattenwärmetauscher in Verbindung mit einer Steuerungseinheit für die Durchflussregelung. Ein Legionellenbefall des Trinkwassers wird bei der Trinkwassererwärmung durch Pufferspeicher in Verbindung mit einer Frischwasserstation praktisch ausgeschlossen. 

Abdampfen der Solarflüssigkeit

Die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert – bei flüssigkeitsgefüllten Anlagen – die Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher bzw. Speicher. Allgemein gilt, dass unter Grenzbedingungen in Hitzeperioden es zum Abdampfen der Solarflüssigkeit kommen kann was wiederum zur Stagnation des Kollektors führt.

Wasser-Propylenglycol-Lösung

Zumeist ist die Solarflüssigkeit eine Wasser-Propylenglycol-Lösung, die einen niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser hat, damit wird die Anlage vor Frostschäden geschützt. Der Siedepunkt der Solarflüssigkeit ist wesentlich höher als von reinem Wasser. Besonders in Drucksystemen treten dadurch unter Genzbedingungen in Hitzeperioden, bei ungenügenden Wärmeverbrauch, sehr hohe Temperaturen und Drücke im Solarkreislauf auf. Das Leitungsystem einschließlich der Dichtungen müssen dafür ausgelegt sein. Geht bei zu hohen Temperaturen die Solarflüssigkeit trotzdem in die Dampfphase über, führt dies zum Anlagenstillstand; ein entstehender Dampfdruck wird über Sicherheitsgefäße (Ausdehnungsgefäße) abgebaut. Der Zustand und der Wechsel der Solarflüssigkeit wird bei der Wartung geprüfet, da die Lösung durch häufige Aggregatswechsel altert. Die heute verwendeten Mischungen sind ungiftig und chemisch relativ stabil.

Je höher die Glykolkonzentration ist, desto tiefere Temperaturen kann der Solarkreislauf ohne Schaden überstehen. Eine Konzentration von über 50 % sollte jedoch vermieden werden, da sich die spezifische Wärmekapazität des Gemisches vermindert. Auch wird die Pumpe nicht mehr zuverlässig gekühlt. Die Viskosität des Gemisches und damit die erforderliche Pumpenarbeit und Stromaufnahme erhöhen sich. Insgesamt sinkt damit der Wirkungsgrad der Anlage. Im Extremfall kann es zu Startschwierigkeiten der Pumpe kommen. Sollte die Anlage sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt sein, so bildet sich bei ausreichendem Glykolanteil ein Wassereisgemisch, das die Leitungen aber nicht zerstört. Heatpipes werden von der Solarfüssigkeit nicht geschützt. Die Frostfestigkeit von Heatpipes ist je nach Hersteller ungefähr bei −30 °C. 

Bei Reinwassersystemen muss nicht..

Es gibt Systeme, die direkt mit Wasser (genauer Reinwasser) als Solarflüssigkeit arbeiten. Der Reinheitsgrad muss nicht besonders hoch sein. Normales Trinkwasser oder gefiltertes Regenwasser reicht aus. Bei direktduchflossenen Röhrenkollektoren mit geschlossenen Solarkreisläfen bei denen eine Restmenge von Licht auf das Wasser trifft werden manchmal chemische Zusätze verwendet die eine Algenbildungen im Wassers hemmen. Bei Reinwassersystemen muss nicht zwingend ein Wärmetauscher zwischen Solarkreislauf und Speicher vorhanden sein. Dies erleichtert auch die Einbindung einer Solaranlage in bestehende Heizungssysteme. Im Winter ist sicherzustellen, dass die Kollektoren nicht einfrieren. Dazu wird die Außentemperatur überwacht und bei Bedarf wärmeres Wasser durch den Kollektor geleitet. Der hierzu erforderliche Energiebedarf (Pumpe, Warmwasser) kann aufgerechnet werden mit verschiedenen Einsparungen wie z. B. dem besseren Wirkungsgrad durch den Verzicht auf einen Frostschutzzusatz. Die höhere Wärmekapazität und die geringere Viskosität von reinem Wasser hat daher weniger Pumpenarbeit zur Folge. Ähnlich arbeiten auch „Drain-back-Systeme“, bei denen der Solarkreislauf automatisch nur dann mit Wasser gefüllt wird, wenn die Kollektoren ausreichend warm sind und der Speicher aufnahmefähig ist. Sobald die automatische Regelung die Pumpe abstellt, läuft das Wasser in ein integriertes Auffanggefäß. Unter Grenzbedingungen, in Hitzeperioden, treten im Solarkreislauf geringere Temperaturen auf, da Reinwasser einen niedrigern Siedepunkt hat, als einen Propylenglykol-Wasser-Lösung. Besonders in Drucklossystemen ist es damit auch möglich Leitungen, Pumpen und andere Komponenten aus Polypropylen zu verwenden. 

Kupferrohre der Nennweiten DN 15

Im Umfeld von Einfamilienhäusern werden im Allgemeinen Kupferrohre der Nennweiten DN 15 bis DN 25 oder Edelstahlwellrohre verwendet, auch können geeignete Verbundrohre zum Einsatz kommen, die sowohl temperaturbeständig als auch chemisch beständig sind. Zink im Rohrsystem darf an keiner Stelle verwendet werden, wenn ein Glykolgemisch verwendet wird. Alle Leitungen werden – obwohl nicht erwähnt – meist nach der Energieeinsparverordnung nur mit einer nahezu 100-%-Wärmedämmung versehen, welche in der Lage ist, dauerhaft Temperaturen von mindestens 110 °C zu widerstehen. Im Außenbereich kommen blechummantelte Mineralwollschalen sowie geschäumtes EPDM in Frage, mögliche Schäden durch UV-Strahlungseinwirkung, Witterungseinflüsse sowie Vogelfraß zu mindern. Im Innenbereich lassen sich Dämmstoffe aus der Heizungstechnik nicht verwenden, da die sehr heißen Kollektor-/Solarflüssigkeitstemperaturen diese zerstören würden. Es werden auch spezielle Isolierungen auf Aerogel-Basis (Spaceloft) angeboten, dabei entsprechen 10 mm Isolierung einer EPDM-Isolierung mit 40 mm.

Volumeter zum Einstellen der Flüssigkeitsmenge, Temperaturmessgerät und Manometer sowie eine Befüll- und Entleerungsvorrichtung komplettieren die Solaranlage.

Ein Schmutzfänger ist nicht vorgeschrieben; ist einer vorhanden, sollte der Siebeinsatz wegen der möglichen Ausbildung eines unnötigen Strömungswiderstands nur kurzzeitig bei laufender Anlage – über einen schaltbaren Bypass – zum Einsatz kommen.

Als Umwälzpumpen werden meist Heizungspumpen verwendet, die zum Schutz vor den hohen Temperaturen in den kalten Rücklauf gesetzt werden. Da der Volumenstrom des Solarkreises viel kleiner als der eines Heizungskreises ist, sind die Heizungspumpen für kleine Solaranlagen oft überdimensioniert. Solarpumpen sind oft elektronisch über die Solarsteuerung geregelt, außerdem für kleine Volumenströme ausgelegt und deshalb stromsparend. Dafür einsetzbar sind fast alle kleinen Heizungspumpen, die keine eigene Elektronik besitzen, aber auch spezielle Pumpen mit Elektronik, die mit einer zusätzlichen Regelspannung, aus der Solarelektronik, eine PWM-Regelung erlauben. Damit defekte Pumpen ohne Entleeren des Solarkreislaufs ausgewechselt werden können, sollten diese zwischen zwei Absperrschiebern montiert werden. Ein Rückflussverhinderer im Rücklauf verhindert die mögliche Schwerkraftzirkulation, einer im Vorlauf vermeidet Rückströmung und damit Auskühlung des Speichers.

Um Wärmeverluste in den Anschlussrohren durch rohrinterne Zirkulation zu verringern, sollten die Rohre in Form einer Thermosiphon-Konvektionsbremse angeordnet sein – sofern die Speicheranschlüsse nicht schon in dieser Form konstruiert sind. Für Drainbacksysteme gelten etwas andere Richtlinien.

Druckanlagen Membranausdehnungsgefäß (MAG)

Zu den Sicherheitseinrichtungen gehören bei Druckanlagen Membranausdehnungsgefäß (MAG) und Sicherheitsventil. Die Größe des MAGs ergibt sich aus dem Ausdehnungswasservolumen zuzüglich dem kompletten Flüssigkeitsdampf des Kreislaufes. Die Ableitung des SVs soll sicherstellen, dass heißes Spritzwasser keine Gefahr darstellt. Ein blockierbarer Entlüfter mit Sammelstrecke am höchsten Anlagenpunkt sorgt dafür, dass angesammelte Luft entlüftet werden kann. Damit wird gewährleistet, dass die Wärme kontinuierlich von Nur-Flüssigkeit aufgenommen und transportiert werden kann und der Kreislauf nicht unterbrochen ist. 

Solarregler - Solarstation

Ein Solarregler besteht aus verschiedenen Regel- und Steuerkreisen. Er verarbeitet eingestellte Temperaturwerte, Temperaturmesswerte sowie gemessene Temperaturdifferenzen. In Abhängigkeit von den eingestellten und den gemessenen Werten werden Pumpen und/oder Ventile geschaltet. Die Temperaturen werden mit Fühlern (meist Heißleiter, Pt-100-Kaltleiter, oder Thermoelemente) im Vorlauf des Kollektors, im Rücklauf aus dem Wärmespeicher und meist an einer oder seltener an mehreren Stellen in ihm gemessen; liegt die Kollektortemperatur etwa 3–5 °C über der Speichertemperatur, schaltet die Pumpe ein, bei Unterschreitung eines Grenzwertes schaltet sie aus. Komplexere Steueranlagen können zum Beispiel mehrere Kollektoranlagen mit unterschiedlicher Einstrahlung oder mehrere Speicher bzw. mehrere Solarwärmeübertrager verwalten. Weitere Temperaturmesswerte können im Regler zur Information aufgenommen und zur Anzeige gebracht werden, wie auch ein Betriebsstundenzähler zu Wirtschaftlichkeitsberechnungen nützlich sein kann. Manche Regler generieren aus den Messwerten Tendenz- und Plausibilitätswerte.

Für Ein- und Zweifamilienhäuser wird die Minimalausstattung, bestehend aus Pumpe, Regler, einigen Armaturen und den Sicherheitseinrichtungen, in einer kompakten Einheit angeboten, die je nach Fabrikat Solarregler, Kompaktstation oder Solarstation heißt. Sie ist etwas größer als ein Schuhkarton und von einem Wärmedämmkasten umgeben, in dem sich die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf, zwei Temperaturfühler, die Anschlüsse für das Membranausdehnungsgefäß und die Abblaseleitung sowie für die Netzversorgung befinden. Diese Kompakteinheiten sind jedoch wenig wartungs- beziehungsweise reparaturfreundlich