Wenn es in einer thermischen Solaranlage zur Stagnation der Solarflüssigkeit kommt, dann erwärmt dabei sich die Flüssigkeit sehr schnell. Aber die sich ausdehnende Flüssigkeit kommt nicht sofort in das Membranausdehnungsgefäß, sondern es handelt sich um ein länger andauernden Verdampfungsprozess des Fluids (Solarflüssigkeit) im Absorber. Wichtige Faktoren für diesen Vorgang sind die Kollektorverschaltungen, die Rohrführung, die Armaturen- und Gefäßanordnung. Sehr selten wird durch Ausfallen der Regelung oder der Pumpe ein Stagnationsfall verursacht. Wenn es aber zur Stagnation kommt, dann muss die Anlage richtig gebaut sein, damit sie eigensicher ist.
Je höher der Deckungsanteil der Anlage ist, desto größer ist das Überangebot an Energie, was in den Sommermonaten zum Stillstand führt, weil die Kollektorfläche für die Last im Sommer überdimensioniert ist. Die Regelung schaltet die Pumpe aus. Um unerwünschte Effekte (Temperaturbelastungen anderer Komponenten) durch Stagnation zu vermeiden, muss die Restflüssigkeitsmenge reduziert werden. Das hängt von der Konstruktion der Anlage ab. Dabei geht es z.B. um die Verschaltung im Kollektorfeld (Einfluss auf das Entleerungsverhalten), die Position der Anschlussleitungen am Kollektorfeld und die Positionierung des Rückschlagventils relativ zum Anschluss des Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG).
In letzter Zeit kommt wieder immer mehr das Steamback-Verfahren zum Einsatz, das lange Zeit in Vergessenheit geraten war, weil die "Hochdruckprediger" in der Überzahl waren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser-Glykol-Gemisch wenig beansprucht, weil die Verdampfung aufgrund des geringen Anlagendruckes niedrig gehalten wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur (ca. 110 °C) kann das Frostschutzmittel nicht auscracken. Der Vordruck des MAG's ist 0.2 bar über dem statischen Druck und der Fülldruck im kalten Zustand liegt 0.1 bar über dem Vordruck.
Es gilt: Einer der beiden Anschlüsse an das Kollektorfeld muss nach unten weggeführt werden; für die interne Verschaltung muss mindestens einer der beiden Kollektoranschlüsse auf der Unterseite des Kollektors herausgeführt werden.

Plattenabsorber
Das Entleerungsverhalten der Plattenabsorber hat einen Entleerungsfaktor von 100 %. Fast so gut ist der Entleerungsfaktor beim Fahnenabsorber mit vertikaler Rohranordnung. Danach folgen Fahnenabsorber mit horizontalen Absorberrohren und Vakuumröhrenkollektoren mit Kollektoranschlüssen am oberen Ende des Kollektors. Im Fall eines ungünstigen Entleerungsverhaltens kann die hohe thermische Belastung der Solarflüssigkeit nicht vermindert werden.

Fahnenabsorber
Bei den anderen Systemkomponenten existieren zur Verminderung der thermischen Belastung verschiedene Möglichkeiten, z. B.:
  • Leitungen: lange Leitungen zum MAG, die auch größere Abkühlverluste haben, senken die Temperaturbelastung
  • MAG/Gefäßmembran: "hängende" Anbringung des MAGs kann die Überhitzung der Gefäßmembran reduzieren, besser immer ein Vor-bzw. Zwischengefäß einbauen
  • Betriebsdruck erhöhen: um eine Verdampfung im Kollektorkreis zu vermeiden
  • besser > Betriebsdruck so niedrig wie möglich, um eine Verdampfung im Kollektorkreis bei niedrigen Temperaturen zu erreichen
  • gezielte Kondensation: durch zusätzlich installierten Kühlkörper oder externe Solarkreiswärmetauscher als Wärmesenke
  • Drain-Back-System: im Stillstand wird der Kollektor mit Luft gefüllt; geeignet für kleinflächige Anlagen
Der Stagnationsvorgang läuft in 5 Phasen ab
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Phase 1 - Ausdehnung der Wärmeträgerflüssigkeit
Schneller Anstieg der Kollektortemperatur und ein geringer Anstieg des Systemdruckes (der aber unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventiles bleibt), der der Volumenausdehnung der Flüssigkeit im System entspricht, aber ein richtig ausgelegtes MAG und einen richtigen Vordruck des MAG's und Betriebsdruck voraussetzt.
Bei dem Überschreiten der in der Regelung eingestellten max. Kollektortemperatur schaltet die Umwälzpumpe ab, damit sie keine weitere Flüssigkeit in die Kollektoren fördert bzw. im Dampf nicht trocken läuft.
Phase 2 - Erste Dampfbildung
Das Wasser der Solarflüssigkeit beginnt zu verdampfen und der Dampf breitet sich aus, wobei die Solarflüssigkeit aus den Kollektoren geschoben wird und die Vor- und Rücklaufleitungen mit Sattdampf gefüllt werden. Die Flüssigkeitstemperatur erreicht fast die Siedetemperatur. Der Systemdruck steigt rasch an. Die maximale Systembelastung hängt von den verbleibenden Flüssigkeitsresten im Kollektor am Ende der 2. Phase ab, was durch das Entleerungsverhalten des Kollektors bzw. des Systems während dieser Phase beeinflusst wird. Bei schlecht entleerenden Kollektoren nehmen die Zeitdauer und die Intensität der nächsten Phase zu. Das führt zur höheren Druck- und Temperaturbelastung.

Wichtig sind die Länge und die Abkühlungsverluste der Leitungen, weil kurze Leitungen und niedrige Abkühlungsverluste höhere Temperaturbelastungen am MAG und anderen Komponenten verursachen. Deswegen sollte der Systemdruck nicht zu hoch gewählt werden, damit das Verdampfen nicht bei zu hohen Temperaturen beginnt.. Das MAG kann zusätzlich durch ein Vor- bzw. Zwischengefäß und eingeschränkt durch einem Wärmetauscher (Stagnationskühler) geschützt werden.

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Vorschaltgefäß
Heizleistenkühler

Stagnationskühler (Luftkühler)
Wasserkühler mit thernischer Ablaufsicherung (TAS)
Phase 3 - Leersieden des Kollektors
Dies ist die kritische Phase. Der Wasseranteil der Solarflüssigkeit verdampft. Aus einem Liter Wasser werden 1700 Liter Dampf. Durch die Volumensänderung steigt der Anlagendruck und erreicht seinen Höchstwert. Dabei sollte gewährleistet sein, dass die Solarflüssigkeit vollständig aus den Kollektoren in das MAG gedrückt wird. Die Restflüssigkeit, ein konzentriertes Glykol am Ende der 2. Phase und während der 3. Phase, ist für die Länge und Intensität den beiden Phasen verantwortlich. Bei einem guten Entleerungsverhalten der Anlage werden die Siedetemperaturen (im Bereich 150-200 °C bei Flachkollektoren) nur kurzfristig erreicht und belasten dadurch nur eine kleine Menge der Flüssigkeit.
Kann die Flüssigkeit die Kollektoren nicht vollständig über den Rücklauf verlassen, bzw. läuft durch eine falsche Rohrleitungsführung Flüssigkeit nach, so kommt es zu einer weiteren Dampfproduktion, was zu Dampfschlägen in den Leitungen führen kann. Können die Leitungen und das MAG diese Energie nicht mehr aufnehmen, kommt es zu einer weiteren Druckerhöhung und zum Ansprechen des Sicherheitsventils.
Durch das Verkochen (Auscracken) des Glykols, bei länger andauernder Verdampfung bei hohen Temperaturen, kommt es zur Beschädigung der Anlage und zur Bildung von festen Partikeln, die das Rohrnetz verstopfen und zu Verkrustungen in den Kollektoren führen können.

Dieser Punkt wird bei größeren Anlagen immer mehr beachtet werden.

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Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Beispiel
Sind z. B. 8,8 l in den Kollektoren und 4,4 l in der Rohrleitung?
In der Rohrleitung ist bei guter Hydraulik kein Dampf! Wo soll der herkommen?
Es verdampft ein "Schnapsglas" voll Wasser zu Dampf. Volumenänderung auf das 1700fache. Der drückt das Wasser in Richtung MAG.
Dann kann kein Wasser mehr Verdampfen, da es einfach nicht mehr vorhanden sein sollte!
Der aus dem "Schnapsglas" entstanden Dampf wird jetzt nur noch überhitzt, bis zur Stagnationstemperatur von 190 bis zu 230°C.
Da passiert nur noch eine maginale Volumenänderung.
Nach der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz von Gay-Lussac, das gilt in diesem Fall für Druck konstant und keine Änderung der Massen, also ein geschlossenes System:
V / T = const      V1 / V2 = T1 / T2
ergibt sich für die Verdampfungstemperatur von 130°C und die Stagnationstemperatur von 190°C bei einsetzten in obige Formel (Kelvin beachten)
463K/403K=1,14
Das sind dann also 15% Volumenänderung auf das Kollektorvolumen.

In diesem Fall 1,3 l
Diese 1,3 l sind aber nur theoretisch da. Sobald diese dann in die isolierte Rohrleitung kommen, erfolgt ja keine weitere Wärmezufuhr mehr und der Dampf kühlt ab, zieht sich wieder auf das Sattdampfvolumen zurück bzw. kondensiert ein geringer Teil.
Demzufolge ist nach einer gewissen Zeit nur noch im Kollektor der überhitzte Dampf.
Verdampft dagegen noch ein Schnapsglas voll Wasser entstehen daraus 1262 Schnapsgläser voll Dampf oder aus eben 0,04 werden 50 l Sattdampf.
Diese Dampfmenge findet dann keinen Platz mehr im System. Es kommt zur erheblichen Drückerhöhung und zu Dampfschlägen in Richtung MAG. Dauert dieser Vorgang länger an, also es wird mehr Dampf produziert wie die Leitung durch Kondensation aufnehmen kann, steigt der Druck weiter und es kommt zum Ansprechen des Sicherheitsventils. Die Solaranlage bläst ab und kann auch noch weitere Schäden nehmen. Quelle: Busokunde
Phase 4 - Sattdampf und überhitzter Dampf
Bei leergedrückten Kollektoren und weiterer Energiezufuhr durch die Sonne, wird der Sattdampf in den Kollektor überhitzt. Dieses führt dann nur noch zu einem weiteren geringfügigem Druckanstieg. Der Kollektor wird während dieser Phase zunehmend trocken und die Absorbertemperatur steigt.
Phase 5 - Wiederbefüllen
Bei sinkender Sonneneinstrahlung fällt die Temperatur wieder unter den Siedepunkt, der Dampf kondensiert, der Druck sinkt ab und die im MAG „zwischengelagerte“ Flüssigkeit wird wieder über den Rücklauf in die Kollektoren gefüllt.
Nach einem solchen Stagnationsfall schaltet die Umwälzpumpe, wenn die eingstellten Temperaturdifferenz entsprechenden vorgeben, wieder an. Wenn das bei hohen Temperaturen geschieht, können im Kollektorkreis erneut Temperaturen bis zu 130 °C (bei höheren Drücken auch darüber) auftreten.
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Fazit
Wenn folgende Punkte beachtet werden, dann gibt es keine Stagnationsprobleme.
      •  Die Kollektoren müssen sich von der Bauart her nach unten entleeren können
      •  Die Kollektoren müssen dann auch so eingebaut werden
      •  Die Rohrleitung darf nur mit Gefälle nach unten verlegt werden
      •  Bei heizungsunterstützenden Anlagen ist ein Vorschaltgefäß bzw. Zwischengefäß zwingend einzubauen.
      •  Das MAG ist großzügiger gegen über der Berechnung zu bemessen, damit der Druck auch während der Verdampfungsphase konstant bleibt.


Solarfluid: Ausgangszustand (pH 8,2)
und stark gealtert (pH 6,8) - Zerstörtes Solarfluid mit unlöslichen Zersetzungsprodukten
Quelle: BDH


Erscheinungsbild temperaturbelasteter
Solarfluide
Quelle: Clariant International Ltd.

Verzunderung
In einer thermischen Solaranlage kann es zu einer Sauerstoffbildung durch Zunder in den Kollektoren und an den Rohrwandungen der Kupferleitungen kommen. Zunder entsteht auf der einen Seite durch das Hartlöten der Kupfer-, Messing- und Rotgussteile und auf der anderen Seite auch durch die Sonneneinstrahlung auf die leeren Kollektoren. Das ist dann der Fall, wenn die unbefüllten Kollektoren ungeschützt, also ohne Abdeckung über längere Zeit der Einstrahlung ausgesetzt sind. Die Gründe für entleerte Kollektoren können ein Flüssigkeitsverlust sein oder sie sind durch eine Stagnation leergedrückt. Hier sollte auf jeden Fall jede Anlage schon vor der Befüllung fachgerecht gespült und gereinigt werden. Außerdem ist die Solarflüssigkeit regelmäßig überprüft werden, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Vercrackung
Eine Vercrackung (Spaltung) ist eine thermische Zersetzung  von organischen Stoffen, die zu nieder- und höhermolekularen Verbindungen und zu Kohlenstoff führen kann. In thermischen Solaranlagen treten im Stagnationsfall hohe Temperaturen auf. So können in Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren Temperaturen von über 300 °C und mit Flachkollektoren von ca. 200 °C auftreten. Die Folgen sind ein Verstopfen der Kollektoren und Leitungen. Außerdem ist der Korrosionsschutz des Wärmeträgers aufgehoben.
In Anlagen, die auf eine Stagnation ausgelegt werden, sollten höhersiedende Glykole (z. B. Antifrogen® SOL HT ) eingesetzt werden.

Durch eine Verzunderung (Oxidation) und einer Vercrackung (Überhitzung) können die schützenden Bestandteile der Solarflüssigkeit sehr schnell verbraucht werden crackt aus. Die Übersäuerung der Flüssigkeit ist korrosiv und führt zur Bildung von teerartigen Zersetzungsprodukten, die nicht mehr löslich sind und zu Verklebungen innerhalb des Solarkreises bis hin zur Zerstörung der Solaranlage führen können. Diese Gesichtspunkte werden bei Stagnationsanlagen viel zu wenig beachtet.

Vercracktes Glykol – ein unterschätztes Phänomen - Dr. Achim Stankowiak,  Leitung Anwendungstechnik  Clariant (Deutschland)

Reinigung vercrackter Solaranlagen
Wenn die Solarflüssigkeit in einer thermischen Solaranlage vercrackt wurde und dadurch teerartigen Zersetzungsprodukten vorhanden sind, dann müssen diesie mit einem geeigneten Reinigungsmittel (z. B. Solarclin®) beseitigt werden.
Bei dem Reinigungsvorgang muss die überhitzte Solarflüssigkeit möglichst vollständig aus der Solaranlage entfernt werden. Nur dann ist einen optimaler Reinigungseffekt möglich, denn eine Verdünnung durch die noch vorhandene vercrackte Solarflüssigkeit oder Wasser, das noch durch einen erfolglosen Spülversuch vorhanden ist, verringern die Wirkung der Reinigungsflüssigkeit.
Vor dem Spülvorgang müssen die Kollektoren abgedeckt werden. Danach wird das System mit einer neutralen, farblosen, schwach hygroskopischen, leicht beweglichen, hochsiedenden Reinigungsflüssigkeit befüllt und einige Stunden mit 50 bis 60 °C umgewälzt. Höhere Temperaturen sollten vermieden werden, um die Dichtungswerkstoffe der Solaranlage zu schonen. Die Dauer des Spülvorganges hängt vom Grad der Verschmutzung ab. Nach beendeter Reinigung ist die Reinigungsflüsssigkeit vollständig abzulassen. Verbliebene Reste können durch Klarspülen mit Wasser und nachfolgendem Ausblasen durch Druckluft entfernt werden.
Danach kann die Anlage wieder mit einer möglichst vollständig verdampfbare Solarflüssigkeit befüllt werden.
Beim Umgang mit der Reinigungsflüssigkeit sind die für brennbare Flüssigkeiten üblichen und bei der Handhabung von Chemikalien notwendigen Vorsichts- und arbeitshygienischen Schutzmaßnahmen sowie die im Sicherheitsdatenblatt enthaltenen Angaben sorgfältig zu beachten.
Außerdem muss die Flüssigkeit unter Beachtung der Sonderabfallvorschriften einer hierfür zugelassenen Sonderabfallverbrennungsanlage zugeführt werden. Verschüttete oder ausgelaufene Flüssigkeit mit z. B. Sand, Kieselgur, Säurebinder, Universalbinder oder Sägemehl aufnehmen und vorschriftsmäßig beseitigen.

SOLARCLIN® - Reinigungsmedium für thermische Solaranlage
TYFOCOR® LS® - nahezu vollständig verdampfbare Spezial-Wärmeträgerflüssigkeit - TYFOROP Chemie GmbH
Sollte das Sicherheitsventil (und/oder ein offener Entlüfter) im Stagnationsfall angesprochen haben, muss evtl. Flüssigkeit nachgefüllt werden. Ein Grund mehr, das MAG nicht zu klein auszulegen. Eigentlich sollte das MAG nicht nur das durch Erwärmung entstehende Ausdehnungsvolumen aufnehmen können, sondern auch den gesamten Inhalt der Kollektoren und der Rohrleitungen. Außerdem sollte jede Anlage ein Vor- bzw. Zwischengefäß haben.
Wenn eine Anlage oft in Stagnation geht, dann sollte möglichst regelmäßig eine Inspektion bzw. Wartung mit den geeigneten Messgeräten durchgeführt werden.
Quelle: Gerhard Götze KG

Besonders in Anlagen, die in Stagnation gehen können, sollten Sicherheitsventile in Vollmetallausführung eingesetzt werden. Bei diesen Ventilen ist der Einstelldruck durch eine Plombenkappe gesichert. Der Kegel ist durch eine Rändelmutter anlüftbar und das Oberteil ist abnehmbar, ohne dass der Einstelldruck verändert wird. Eine eingebaute Membrane verhindert das Eindringen des Mediums in den Federraum.

Alle Werkstoffe sind geeignet für Spitzentemperaturen bis 160 °C.

Wartungs- und Montageanleitung
Schäden durch zu hoher Temperatur bzw. hohem Druck


Oberhalb von 75 °C Kollektortemperatur erhöht sich die Abstrahlung um ein Vielfaches. So wird im Stagnationsfall eine Überhitzung und Dampfbildung zuverlässig verhindert.
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG

Innovative Kollektoren schützen die Anlage vor Überhitzung und können eine Stagnation auch ohne Beschattungssysteme vermeiden

Volumenstromregelung - Solarthermiekreislauf
Wichtig für die richtige Funktion einer thermischen Solaranlage ist der passende Volumenstrom für die jeweilige Betriebsart. Eine Möglichkeit ist es, die Strömungsgeschwindigkeit möglichst gering zu planen. Dabei verbleibt die Solarflüssigkeit länger in den Solarkollektoren und wird dadurch auf höhere Temperaturen erwärmt. Eine Alternative ist eine höhere Strömungsgeschwindigkeit. Dabei durchfließt die Solarflüssigkeit die Kollektoren in kürzerer Zeit und nimmt weniger Wärme auf. Auch eine Kombination beider Verfahren wird angewendet. Dabei wird der Volumenstrom der Solarflüssigkeit automatisch reguliert, um immer einen passenden Durchfluss zu erzielen. Jedes Prinzip hat Vor- und Nachteile um thermische Solaranlagen z. B. für die Warmwasser-Bereitung oder Heizungsunterstützung zu realisieren. Die Volumenströme zu den Speichern und an den Kollektoren werden mit Flowmeter und Taco-Setter eingestellt.
Volumenstrom-Regelungskonzepte:
Low Flow
Das Low-Flow-Prinzip arbeitet mit kleinen Volumenströmen (<25 Liter Solarflüssigkeit pro Stunde und pro m2 installierter Kollektorfläche [7 - 25 l/m² h]) und dadurch mit hohen nutzbaren Temperaturdifferenzen bzw. hoher thermischer Spreizung zwischen dem Wärmespeicher (Trinkwassererwärmer, Pufferspeicher) und den Solarkollektoren. Mit dem Low-Flow-Prinzip ist eine solare Heizungsunterstützung realisierbar.
Vorteile
  • Langsame Zirkulation, daduruch große thermische Spreizung und höhere Temperaturen.
  • Durch das geringe Solarflüssigkeitsvolumen ist eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit der Solaranlage möglich. In kurzer Zeit kann viel nutzbare Solarwärme gewonnen werden.
  • Durch die höheren Temperaturen innerhalb des Solarkreislaufes ist die Gefahr der thermischen Stagnation geringer.
Nachteile
Es ist ein komplexer Wärmespeicher notwendig, in dem die eingespeiste Solarwärme thermisch geschichtet werden muss. Ein Schichtenspeicher ist teuerer (Anschaffung und Regelungstechnik) als ein einfacher Pufferspeicher.
High Flow
Das High-Flow-Prinzip arbeitet mit einem Volumenstrom zwischen 30 und 80 Liter pro Stunde und pro m2 Kollektorfläche.
Vorteile
  • Die aufgenommene Wärme wird schnell abtransportiert.
  • Geringe Wärmeverluste aufgrund eines niedrigen Temperaturniveaus in den Kollektoren.
  • Hohe Wirkungsgrade, wenn die Kollektoren im optimalen Temperaturniveau arbeiten.
  • Die Anlagen können mit einfachen Speichern betrieben werden, weil eine Schichtung nicht notwendig ist.
  • Vermeidung bzw. Verringerung einer Stagnationsgefahr, was eine Alterung der Solarflüssigkeit ("Vercrackung") und die Belastung der Kollektoren und Anlagenteile verringert.
Nachteile
  • Hoher Strombedarf bei den Umwälzpumpen durch die große Volumenströme
  • Langsames Erwärmens des Speichers
  • Häufiges Zuschalten eines anderen Wärmeerzeugers für Dusch-, Wasch- und Heizzwecke. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Gesamt-Systems.

Matched Flow
Der Begriff "Matched-Flow" wird in der Solarthermie und dem Heizungsbau (hydraulischer Abgleich) für Anlagen verwendet, in denen der Volumenstrom den Verhältnissen angepasst wird. Innnerhalb des Solarkreislaufes wird der Volumenstrom der Solarflüssigkeit der jeweils einfallenden Solarenergie dynamisch geregelt. Bei dieser Betriebsart werden die Vorteile der Low-Flow- und High-Flow-Systeme verbunden (das hohe Temperaturniveau bei dem Low-Fow-Prinzip und die schnelle Einbringung der von der Sonne gewonnenen Wärme in den Wärmespeicher bei dem High-Flow-Prinzip). Hier ist eine drehzahlgeregelte Solarpumpe, die den Volumenstrom dynamisch angepasst, notwendig, was höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu den anderen Betriebsarten zur Folge hat.

Drain-Back
Die Regelung hat die Pumpe ausgeschaltet, wenn der Kollektor nicht wärmer ist als der untere Speicherteil oder der Speicher zu überhitzen droht. Das Solarkreiswasser läuft rückwärts durch die Pumpe in das Rücklaufgefäß, so dass im Kollektor keine Frost- oder  Überhitzungsgefahr besteht.
Die Sonne erwärmt den Kollektor, die Regelung schaltet die Pumpe auf hoher Leistungsstufe ein. Damit verdrängt das Solarkreiswasser die Luft aus dem Kollektor und drückt sie in das Rücklaufgefäß, dessen Inhalt größer ist als der Gesamtinhalt von Verrohrung und Kollektor. Nach ca. 6 Minuten wird die Pumpe auf eine niedrigere Leistung zurückgeschaltet, um Strom zu sparen, denn nun ist die Luft in das Rücklaufgefäß verdrängt und die Pumpe muss nur noch die Widerstände der Rohrleitungen, des Kollektors und des Rücklaufgefässes überwinden.
Vorteile
  •   Reines Wasser als Wärmeträgermedium altert nicht und hat keine zusätzlichen Korrosionsprobleme und Glykol kann nicht Auscracken
  •   Reines Wasser hat bessere Wärmeübertragungseigenschaften als Wasser-Glykolgemische (spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität)
  •   Wasser ist kostengünstiger
  •   Der Kollektorkreislauf arbeitet mit niedrigen Drücken
  •   Der Wartungsaufwand ist gering
Nachteile
  •   Die Auswahl der Kollektoren ist begrenzt
  •   Die Planung und Installation des Kollektorkreislaufes muss fachgerecht durchgeführt werden
  •   Die Installation erfordert speziell geschultes Personal
  •   Das Befüllen heißer Kollektoren können zu Dampfstößen führen
  •   Die speziellen Kollektorarten haben anlagenbedingt kleine Strömungsgeschwindigkeiten und ungünstige Wärmeübergänge, die den Vorteil der besseren wärmetechnischen Eigenschaften von Wasser wieder aufheben können

Kühlfunktion / Rückkühlfunktion
Kühl- oder Rückkühlfunktionen sind regelungstechnische Einrichtungen, die in thermischen Solaranlagen eingesetzt werden. Sie sind notwendig, wenn eine Anlage nicht nur zur Trinkwassererwärmung, sondern auch zur Heizungsunterstützung ausgelegt wurde. Da solche Anlagen im Sommerbetrieb zu viel Wärme erzeugen, gehen sie häufig aufgrund zu hoher Temperaturen (>110 °C) in Stagnation.<br> Fachlich gesehen ist die Stagnation ein geplanter Betriebszustand. Das setzt aber voraus, dass die Anlage eigensicher konstruiert und ausgelegt wurde. Auch in Zeiträumen ohne Wärmeverbrauch (längere Abwesenheit, z. B. Urlaub) geht eine Anlage in Stagnation. Wenn eine Stagnation aufgrund der negativen Vorgänge (Vercrackung, Verzunderung) nicht stattfinden soll oder für den Stagnationsvorgang nicht geeignet ist (z. B. ungeeignete Rohrführung), dann ist eine Kühl- oder Rückkühlfunktion die erste Wahl. Ausgereifte Beschattungssysteme bietet der Markt zur Zeit nicht an. Um eine Stagnation zu vermeiden muss eine passende Temperaturdifferenzregelung eingesetzt werden. Dabei wird die Aufnahmekapazität des Pufferspeichers als Grundlage für die überschüssige Wärme genutzt. Wenn z. B. eine Speichertemperatur von 70 °C voreingestellt ist, so kann im Fall einer  drohenden thermischen Stagnation eine weitere Aufheizung erlaubt bzw. eingestellt werden. Diese zusätzlich aufgenommene Wärme wird nicht benötigt, aber im Fall einer Überhitzung der Solarthermieanlage geht es primär darum, Schäden durch die überschüssige Wärme zu vermeiden. Diese Wärme kann durch einen künstlichen Verbraucher (z. B. Heizkörper im Keller, Swimmingpool, Kühlschlangen im Erdreich) an die Umgebung abgeführt werden. Neben dieser Kühlfunktion kann auch eine Rückkühlfunktion eingesetzt werden. Durch die Kollektorkühlfunktion wird die Speichertemperatur erhöht. Dabei läuft die Solarpumpe nach Sonnenuntergang weiter, um den Speicher mit der dann kühleren Solarflüssigkeit wieder herunterzukühlen.

Kollektorkühlung
Wenn der Speicher bis zur "Begrenzungstemperatur, Speicher unten" beladen ist, wird die Solarkreispumpe abgeschaltet. Steigt die Kollektortemperatur auf den eingestellten Wert der Kollektorkühlung (z. B. 110 °C) an, wird die Solarkreispumpe wieder eingeschaltet, bis die Kollektortemperatur um 10 oder 15 K gesunken ist. Diese zusätzliche Intervallbeladung des Speichers sorgt dafür, dass der Kollektor nur selten oder gar nicht in Stagnation gelangt. Die Anlage schaltet ganz ab, wenn die "Begrenzungstemperatur, Speicher unten" um 5 K überschritten wird.
Der Grundeinstellwert der Kollektorkühlung ist 110 °C; die Starttemperatur kann zwischen 100 bis 150 °C eingestellt werden.
Speicherkühlung
Wenn die "Speicherkühlung" aktiviert ist, wird sie eingeschaltet, wenn die Kollektortemperatur um 2 K unter die eingestellte "Speichertemperatur, unten" sinkt. Die überschüssige Speicherenergie (Speicher kühlen) wird über den Kollektor abgegeben bis der eingestellte Sollwert der Speicherkühlung erreicht ist. Die "Speicherkühlung" kann nur bei eingeschalteter "Kollektorkühlung" aktiviert werden.
Die Grundeinstellwert der Speicherkühlung ist 60 °C; die Abschalttemperatur kann zwischen 30 bis 90 °C eingestellt werden.


Speicher-System zum Anschluss an Solarregler SUNGO S
Quelle: Wagner Solar GmbH
Elektronische Temperatur-Differenzregelung - Vitosolic 200 Typ SD4
Temperaturdifferenzregelung
Die Temperaturdifferenzregelung (Delta-T-Regelung) wird hauptsächlich in thermischen Solaranlagen eingesetzt. Sie schaltet die Solarpumpe immer dann ein, wenn zwischen dem Ausgang des Solarkollektors und dem Solarspeicher (Pufferspeicher) unten am Kollektor-Rücklauf die eingestellte Temperaturdifferenz (5 bis 8 °C [5 bis 8 K]) überschritten wird. Das Einschalten der Pumpe ist nicht an eine bestimmte Temperatur im Kollektor gebunden, sondern an einen Temperaturunterschied zwischen Kollektor und Speicher. So ist die Pumpe nur dann in Betrieb, wenn Wärme transportiert werden soll.


Temperatur-Differenz-Controller STDC


Quelle: SOREL® Mikroelektronik GmbH
Anlagenschutz bei Solarthermieanlagen

Priorität-Schutzfunktion
Der Anlagenschutz soll eine Überhitzung der im System verbauten Komponenten durch Zwangsabschaltung der Solarpumpe verhindern. Wird der Wert "AS Tein" am Kollektor überschritten, wird die Pumpe nach 60 Sekunden ausgeschaltet, um den Kollektor z.B. vor Dampfschlägen zu schützen. Die Pumpe wird erst wieder eingeschaltet, wenn der Wert "AS Taus" am Kollektor unterschritten wird.
Anlagenschutz-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: EIN
AS Tein - Einstellbereich: 60 °C bis 150 °C / Voreinstellung: 120 °C
AS Taus - Einstellbereich: 50 °C bis Tein minus 5 °C / Voreinstellung: 115 °C
Achtung: Bei Anlagenschutz (ein) kommt es zu erhöhten Stillstandstemperaturen im Solarkollektor und somit erhöhtem Anlagendruck. Unbedingt die Betriebsanleitungen der Anlagenkomponenten beachten.

Kollektorschutz
Der Kollektorschutz verhindert, das der Kollektor bei zu hohen Temperaturen überhitzt. Eine Zwangseinschaltung der Pumpe sorgt dafür, das der Kollektor über den Speicher gekühlt wird. Wird der Wert "KS Tein" am Kollektor überschritten, wird die Pumpe eingeschaltet, um den Kollektor zu kühlen. Die Pumpe wird abgeschaltet, wenn der Wert "KS Taus" am Kollektor unterschritten oder wenn die maximale Speichertemperatur KS Tmax Sp. erreicht wird.
Kollektorschutz-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
KS Tein - Einstellbereich: 60°C bis 150°C / Voreinstellung: 110°C
KS Taus - Einstellbereich: 50°C bis Tein minus 5°C / Voreinstellung: 100°C
KS Tmax Sp. - Einstellbereich: 0°C bis 140°C / Voreinstellung: 90°C
Gefahr: Bei Kollektorschutz (ein) wird der Speicher über den eingestellten Wert "Tmax S2" aufgeheizt, was zu Verbrühungen und Anlagenschäden führen kann.
Gefahr. In Systemen mit Pool ist der Kollektorschutz deaktiviert.

Kollektor-Alarm
Wenn diese Temperatur am Kollektorfühler bei eingeschalteter Solarpumpe überschritten ist, wird nach einer Minute eine Warnung bzw. Fehlermeldung ausgelöst. In der Anzeige erfolgt ein ensprechender Warnhinweis.
Kollektoralarm-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
Kol.Alarm - Einstellbereich: 60 °C bis 299 °C / Voreinstellung: 115 °C

Rückkühlung
In Anlagenhydrauliken mit Solar wird bei aktivierter Rückkühlfunktion überschüssige Energie aus dem Speicher zurück zum Kollektor geführt. Das erfolgt nur, wenn die Temperatur im Speicher größer als der Wert "Rückkühl Tsoll" und der Kollektor mindestens 20°C kälter als der Speicher ist und bis die Speichertemperatur auf den Wert "Rückkühl Tsoll" gefallen ist.
Rückkühlung-Einstellbereich: EIN / AUS / Voreinstellung: AUS
RK Tsoll - Einstellbereich: 0°C bis 99°C / Voreinstellung: 70°C

TDC Solarregler - SOREL® Mikroelektronik GmbH
Beschattungssysteme
Besonders in thermischen Solaranlagen für die Heizungsunterstützung, aber auch bei überdimensionierten Anlagen, kommt es hauptsächlich in den Sommermonaten zur Stagnation., die sich grundsätzlich negativ auf die Bauteile und die Solarflüssigkeit auswirken. Auch wenn eine Solaranlage in dieser Zeit keine Wärmeabnahme hat, so z. B. in der Urlaubszeit, werden besondere Maßnahmen notwendig.
Natürlich ist eine Anlage, die nur zur Trinkwassererwärmung verwendet werden soll, richtig auszulegen. Weniger ist hier ein wenig mehr. Diese Anlagen werden nicht in Stagnation gehen. Bei diesen Anlagen ist auch die Möglichkeit einer Rückkühlung über die Kollektoren (Flachkollektoren) während der Nachtstunden regelungstechnisch vorgesehen. Vakuumröhrenanlagen benötigen besondere Kühlelemente (Heizkörper, Flächenheizung), weil diese schlecht über die Wärmetauscher an den Kollektoren kühlen können.
Thermische Solaranlagen, die zur Heizungsunterstützung ausgelegt werden, sind in den Sommermonaten logischerweise immer zu groß ausgelegt. Ein größerer Pufferspeicher oder eine Veränderung der Steilheit der Kollektoren würde keinen nenneswerten Erfolg bringen. Auch eine natürliche Beschattung durch Laubbäume würde die Leistung während der Übergangszeiten mindern.
Wenn diese Anlagen nicht geteilt werden können, so ist hier der Einsatz eines Beschattungssystems notwendig. Diese Systeme sind in der Fenstertechnik bekannt und müssten nur auf die Solartechnik (Flachkollektoren) umgesetzt werden. Diese Rollos oder Jalousien könnten automatisch betrieben werden. Vakuumröhren können nur mit Außenelementen beschattet werden, was evtl. Probleme mit der Windlast bringen könnte. Ein automatisches Drehen der Röhren ist noch nicht auf dem Markt.
Beschattungsmöglichkeiten
Quelle: LAMILUX Heinrich Strunz GmbH
Bei Vakuum-Röhrenkollektoren ist jede Vakuum-Röhre über die Längsachse drehbar. Dadurch können sie optimal zur Sonne ausgerichtet werden. Aber auch das Drehen aus der Sonne, was in Anlagen zur Heizungsunterstützung im Sommerbetrieb ist möglich. Denn diese Anlagen sind nur für die Trinkwassererwärmung im Sommerbetrieb immer viel zu groß ausgelegt. Die Folge ist, dass diese Anlagen mit hoher Temperatur in Stagnation gehen. In vielen Fällen wird durch die Ausrichtung der Röhren mit den Absorberflächen eine unnötiges Abführen von überschüssiger Wärme durch sinnfreie Lösungen (Pool, Heizkörper an der Außenwand oder im Keller) oder eine Beschattung unnötig.
Wenn jemand ein Beschattungssytem speziell für Solaranlagen kennt, freue ich mich auf eine E-Mail
Verschattungssysteme machen die Solarthermie unwirtschaftlich
Die Firma Viessmann bietet schaltende Flach- und Röhrenkollektoren an, die Solarthermie-Anlagen vor Überhitzung schützen sollen. Die selbstregelnden Solar-Kollektoren verhindern eine Überhitzung und Dampfbildung. Das Problem in der Praxis ist, dass große Solar-Kollektorflächen im Sommer zu langen Stagnationszeiten mit Dampfbildung führen, weil die zur Verfügung stehende Wärme nicht genutzt werden kann.
Mit einer neuen Absorberbeschichtung im Flachkollektor "Vitosol 200-F" steht jetzt neben der Phasenwechsel-Temperaturabschaltung im Vakuum-Röhrenkollektor "Vitosol 300-T" ein selbstregelnder Solar-Kollektor zur Verfügung, der eine Überhitzung und Dampfbildung zuverlässig verhindert. Diese arbeiten unabhängig von Anlagengestaltung und der vorhandenen Regelungseinstellungen.


Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit schaltender Absorberschicht

Vakuum-Röhrenkollektor „Vitosol 300-T“ mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG

Der patentierte Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit schaltender Absorberschicht unterbindet bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die weitere Energieaufnahme. Das Prinzip beruht auf einer Absorberbeschichtung mit schaltenden Schichten, die abhängig von der Kollektortemperatur ihre Kristallstruktur und damit ihren Absorptions- bzw. Reflexionsgrad verändert.
Über einer Absorbertemperatur von ca. 75 °C ändert sich die Kristallstruktur, wodurch sich die Reflexion der auftreffende Solarstrahlung stark erhöht. So sinkt bei steigenden Kollektortemperaturen die Leistung, die Stagnationstemperaturen sind geringer und eine Stagnation (Dampfbildung) wird unterbunden.
Der Vakuum-Röhrenkollektor "Vitosol 300-T" mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung nutzt das Heatpipe-Technik. Die solare Wärme verdampft die Flüssigkeit innerhalb der Heatpipe und übergibt die Wärme nach der anschließenden Verflüssigung im Kondensator an den Pufferspeicher.
Der Dampf in der Heatpipe kann bei Temperaturen über 145 °C nicht mehr kondensieren. Durch diese Phasenwechsel-Temperaturabschaltung wird die Wärmeübergabe unterbrochen und die Anlage ist gegen zu hohe Stagnationstemperaturen geschützt. Erst bei niedrigeren Kollektortemperaturen starte der Kreislauf in der Heatpipe erneut.
Wenn eine Anlage ohne Dampfbildung gewünscht wird, dann bietet sich das Drain-Back-System (DBS) an. Hier werden die Kollektoren vor dem Erreichen der Verdampfungstemperatur entleert. Diese Anlagen kommen auch ohne Frostschutzmittel aus.
Alterung der Solarflüssigkeit
Beim Normalbetrieb und bei gutem Entleerungsverhalten des Kollektors treten keine sehr hohen Temperaturen (max. bis 100 °C) auf bzw. ist die Einwirkung auf das Medium kurzfristig und betrifft nur eine kleine Menge. In diesem Fall findet nur das Verdampfen von Wasser statt.
Beim Stagnationsfall dagegen sind in Flachkollektoren Temperaturen von ca. 200 °C möglich und bei den Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren können Temperaturen von über 300 °C erreicht werden. Eine schlechte Entleerung hat zur Folge, dass die Restflüssigkeit nicht mehr verdampft und über sehr lange Zeit wesentlich höheren thermischen Belastungen (höher als der Siedepunkt des reinen Glykols) ausgesetzt wird. Die Alterung des Wärmeträgers zeichnet sich durch Dunkelfärbung und eine Absenkung des pH-Wertes aus, die sich bei Stagnation in wenigen Stunden bei den Vakuum-Röhrenkollektoren einstellt. Dabei können sich vermehrt feste, nicht wieder auflösbare, dunkle Rückstände bilden.

feste Partikel
Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.

ausgecrackte Solarflüssigkeit
Nur mit richtig dimensionierten und angeordneten Spülstutzen können Flüssigkeitssysteme richtig gereinigt und fachgerecht luftfrei gespült werden. Das Spülen und Reinigen von Heizungs-, Kühl- und Solaranlagen ist in verschiedenen Normen vorgeschrieben. Dabei sollen z. B. vor dem endgültigem Befüllen in der Anlage der zweifache Wasserinhalt (ÖNORM) durchfließen.  Außerdem sehen die Normen die “abschnittsweise Spülung” vor.     > mehr
Durch eine passende Ausrichtung kann eine Stagnation evtl. minimiert oder verhindert werden.
Kollektor-Ausrichtung
Kollektor-Neigung
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