Thermosiphon - "Heat Trap Siphon"

Schwerkraftbremse - Rückschlagklappe - Rückschlagventil
Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Veränderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines WVU eingetragen sind.
   
Bevor man sich mit dem Einbau eines Thermosiphons befasst, muss geklärt werden, wodurch die Wärmeverluste verursacht werden.
 
 
In Rohrleitungen, die vom Speicher wegführen, kann abhängig von der Temperatur, dem Material der Rohrleitungen, der Güte der Rohrdämmung und der Art der Rohrführung, die sogenannte Eigen-, Natur-, Gegenstrom-, In-Rohr- bzw. Mikrozirkulation auftreten.
Diese Zirkulation entsteht dadurch, dass sich das warme Wasser an den Rohrwänden abkühlt und im Zentrum des Rohres unabgekühlt nach oben steigt. Je länger die erste senkrechte Strecke (Anlaufstrecke) ist, desto größer wird sich diese Zirkulation auswirken. Dies passiert besonders an schlecht- oder nichtwärmegedämmten Stellen wie Speicheranschlüssen, Armaturen oder Pumpen, jedoch auch abgeschwächt bei gutwärmegedämmten Leitungen. Auch der Rohrdurchmesser hat einen Einfluss auf diese Mikrozirkulation. Das abgekühlte Wasser sinkt an den Rohrwänden nach unten und horizontal in den Speicher, wo es sich mit dem Speicherwasser mischt, dieses abkühlt und sogar die  Speicherschichtung durcheinanderbringt.
Thermosiphon (Heat Trap Siphon)

Die wärmeführenden Rohrleitungen sollten vom Speicher immer zuerst nach unten geführt werden. Dadurch wird verhindert, dass warmes Wasser vom Speicher in die Rohrleitungen aufsteigen kann.
Warmes Wasser wird aus dem Speicher abgezogen und fließt in der Rohrmitte nach oben. Über solche Leitungen können beträchtliche Energiemengen verloren gehen. Abhilfe kann ein so genannter Thermosiphon schaffen. Wird die Leitung zuerst nach unten verlegt, so sammelt sich das kalte Wasser am Grund des Siphons und kann nicht weiter in den Speicher fließen. Die Tiefe des Siphons sollte mindestens 3 bis 12 x den Rohrdurchmesser haben. Labormessungen haben ergeben, dass der Siphon aus Rohrmaterial mit einer geringen Wärmeleitung (Edelstahl - 1.4404 -, Edelstahl-Wellrohr oder Kunststoffrohr) eingesetzt werden sollte. Die Praxis hat aber auch mit Stahl- oder Kupferrohr hinnehmbare Erfolge gezeigt.
In größeren Anlagen können die verschiedenen Verteilleitungen am Verteiler mit einem eigenen Siphon ausgestattet werden. Durch die kleineren Rohrdurchmesser kann so die Eigenzirkulation durch einer geringeren Tiefe besser begegnet werden.
Ob die Schleife gedämmt werden sollte, wird in der "Fachwelt" heiß diskutiert. Eigentlich ist jede nicht gedämmte Rohrleitung oder Anschluss ein unnötiger Wärmeverlust. Versuche haben ergeben, dass eine Dämmung des Siphons die Funktion nicht beeinträchtigt.

 

Konvektionsbremse (Heat Trap)
Bei der Konvektionsbremse handelt es sich um einen Thermosiphon, der in das waagerechte Rohr am Speicher oder in den Speicheranschluss integriert ist. Die Wirksamkeit ist aber von dem Rohr- oder Speicherstutzenmaterial abhängig. Evtl. wird bei diesen Anschlüssen ein zusätzlicher Thermosiphon notwendig.

 

 

Konvektionssperre (Heat Trap Fitting)
Konvektionssperren unterbrechen die Zirkulation im Rohr. Hierbei handelt es sich um Ventile, die so konstruiert sind, dass sie den Durchfluss  der Schwerkraftzirkulation entgegenwirken. Dies erreicht man durch eine Feder oder bei waagerechtem Einbau durch ein Eigengewicht des Schließteiles. Anlagenabhängig kann es notwendig sein, dass diese Armatur nicht dichtschließend ist, damit ein Druckausgleich stattfinden kann.
Diese Ventile schließen nicht absolut dicht, damit die Volumenänderung des Wassers im Speicher nicht behindert wird. Evtl. sind im Warmwasser- und Kaltwasseranschluss verschiedene Bauteile notwendig.
 

 


Eine Schwerkraftbremse soll eine unerwünschte (Schwerkraft)Zirkulation in Heizungs- oder Solar-Systemen oder Warmwasserinstallationen verhindern.
Rückschlagklappe - waagerechter Einbau
Quelle: ESSKA.de GmbH
Rückschlagklappen (Schwerkraftbremsen) schließen auf Grund des Gewichtes der metallischen Klappe, wenn z.B. die Umwälzpumpe abgeschaltet wird oder ein Wärmeträger (Wasser, Sole, Luft) zurückströmen will. Es gibt sie für je nach dem Verwendungszweck in den verschiedensten Bauformen.
Schwerkraftbremse-Pumpe
Quelle: Gestra AG
Rückschlagklappe - Zwischenflanscheinbau
Quelle: Danfoss

Rückschlagventil
Quelle: Gestra
Scheibenrückschlagventil
Quelle: Wagner
Bei federbelasteteten Rückschlagventilen wird das Schließelement in einer Richtung durch die Feder geschlossen und in der anderen Richtung durch den Volumenstrom freigegeben.
Die Absperrung wird mit einer Feder ausgelöst, die eine Kugel, einen Kegel, eine Klappe oder eine Membran in den jeweiligen Sitz drückt. Im Gegensatz zu Schwerkraftbremsen sollen diese Bauteile auch das Rückströmen des Wärmeträgers verhindern.
Für den nachträglichen Einbau in bestehende Anlöagen werden Scheibenrückschlagventile angeboten, die auf der Drucksseite der Pumpe eingebaut werden können. Wichtig ist bei diesen Bauteilen ist eine Luftschleuse, die verhindert, dass sich bei Stillstand eine Luftblase in der Pumpe bildet. dies würden ein Druckaufbau beim Wiedereinschalten verhindern.
In Trinkwasserleitungen dürfen nur nach DVGW-zugelassene Rückflussverhinderer eingebaut werden, die das Zurückströmen 100%ig verhindern, also dicht schließen.
Rückschlagventil für Solaranlagen
Quelle: CALEFFI Armaturen GmbH
Das Rückschlagventil in einer thermischen Solaranlage muss für Systemtemperaturen bis 200°C und für den Einsatz eines Frostschutzmittels (z.B. Glycol) geeignet sein. Meistens sind diese Bauteile in den Kompaktstationen eingebaut.
Der Kugelhahn muss so angeordnet werden, dass die Solarflüssigkeit nicht über 90 °C kommt. Der Griff ist aus einem Material gefertig, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Somit kann es auch bei höheren Temperaturen betätigt werden.
Kugelhahn mit eingebautem Rückschlagventil
Quelle: CALEFFI Armaturen GmbH
Magnetventil
Oftmals erreicht man mit einer Schwerkraftbremse oder einem Thermosiphon nicht die Unterbrechung der Schwerkraftwirkung in der Warmwasser- und Zirkulationsleitung. Hier kann der Einbau eines für Trinkwasser zugelassenem Magnetventil in der Zirkulationsleitung Abhilfe schaffen.
Diese Ventile dürfen nicht in die Warm- bzw. Kaltwasserleitung eingebaut werden, weil es durch das schlagartige Absperren zu Druckschlägen (Wasserschläge) kommen kann.
Quelle: Danfoss
Der Thermosiphon kann mit einer Wärmedämmschleife verglichen werden.
Gegen Wärme-Wanderschaft - Martin Streich

Thermosiphon-Solaranlagen
Prinzip einer Thermosiphon-Solaranlagen
Quelle: Udo Leuschner

Bei den Thermosiphon-Systemen wird der Wärmeträger (Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch) durch das Schwerkraftprinzip in den Speicher (Doppelmantelspeicher) transportiert. Im Kollektor erwärmt sich die Flüssigkeit und verringert ihre Dichte und bekommt gegenüber der kalten Flüssigkeit einen Auftrieb. Die warme Flüssigkeit steigt in den Speicher und gibt dort die Wärme ab. Die Temperatur wird kleiner und und die Flüssigkeit strömt zurück zum Kollektor (Absorber).
Natürlich muss bei diesem System der Speicher über dem Kollektor angeordnet sein, damit der Kreislauf in Betrieb gehen kann. Thermosiphon-Anlagen können dadurch preiswert erstellt und betrieben werden, da eine aufwendige Regelung und eine Umwälzpumpe nicht benötigt werden. Die Anordnung dieser Anlagen auf dem Dach sind in Mittel- und Nordeuropa sind eher selten, da sie evtl. gegen bestehende Bauordnungen verstoßen und auch als "unmodern" angesehen. Es werden lieber technisch aufwendige Anlagen erstellt.
Diese Anlagen können mit Flachkollektoren, Vakuumflachkollektoren und Vakuumröhren-Kollektoren ausgeführt werden. Unterschiede liegen hier lediglich im Kollektortyp und dessen Leistungsfähigkeit. Vakuumröhren-Kollektoren haben den höchsten und Flachkollektoren den niedrigsten Wirkungsgrad.
In südlichen Ländern kommt man mit weniger technischem Aufwand aus, weil die Anlagen ohne Frostschutzmittel auskommen. Diese einfachen Anlagen sieht man auf fasst allen Dächern. Für Zeiten mit wenig Solarwärme können die drucklosen Anlagen mit einer Elektrozusatzheizung (Heizstab/Heizpatrone) oder Druckanlagen mit einem Durchlauferhitzer (DLE) erweitert werden.


Aguasol Unibody
Quelle: Aquasol DK
Technische Daten - Aquasol DK

Der Unibody aus Dänemark ist für das nordische Klima entwickelt. Aguasol ist die einzige Solaranlage, die in einer hochwärmegedämmten, integrierten Schale eingekapselt ist. Die Schale bietet eine Reihe von Vorteilen. Unter anderen schützt die "Climatecover" den Warmwasserspeicher (190 Liter) vor Wärmeverlust in der Nacht, bei Wind und Wetter und eliminiert sämtliche Wärmebrücken. Die Fittings und Verrohrung sitzen hinter dem Schirm und sind gegen das Wetter geschütz, was bedeutet, dass die Anlage auch bei einer Temperatur unter 0 °C funktioniert.
Die Anlage kann auf dem Dach montiert oder im Garten aufgestellt werden. In Skandinavien werden solche Anlagen gerne in Ferienhäusern eingebaut, da diese hauptsächlich im Frühjahr, Sommer und Herbst bewohnt sind und kann, da sie ohne Pumpe effizient arbeiten, in Gebieten ohne Stromversorgung eingesetzt werden.

1 Solarabsorber  - 2 Speicher  - 3 Kaltwasserzulauf (drucklos)   - 4 Solar-Vor- und Rücklauf - 5 Elektrozusatzheizung - 6 Dachbefestigung - 7 Mischarmatur - 8 Entnahme
Quelle: oku Obermaier GmbH



Speicher für eine Thermosiphonsolaranlage
Quelle: Austria Email AG / Bosy

Die einfachste Bauart eines Speichers ist der Doppelmantelspeicher, der schon zu Zeiten der Schwerkraftheizung eingesetzt wurde, weil er geringe heizungsseitige Widerstände hat und das gesamte Speicherwasser voll durchwärmt. Diese Speicher wurden aus verzinktem Stahlbech hergestellt, was den Einsatz von Kupferrohren problematisch machte (Fließregel). Die heutigen Speicher sind in der Regel aus emailiertem Stahlblech oder Edelstahl. 

Heutzutage werden diese Speicher in Thermosiphon-Systemen eingesetzt. Hier durchströmt der Wärmeträger (Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch) aufgrund des Schwerkraftprinzips den Doppelmantel.
Im Kollektor (Absorber) erwärmt sich die Flüssigkeit und verringert dabei ihre Dichte und bekommt gegenüber der kalten Flüssigkeit im Doppelmantel einen Auftrieb. Die warme Flüssigkeit steigt in den Doppelmantel und gibt dort die Wärme an das Trinkwasser ab. Die Temperatur fällt ab und und die Flüssigkeit strömt zurück zum Kollektor (Absorber).  Deswegen muss der Speicher immer über dem Kollektor (Absorber) angeordnet sein.
Der Einsatz in Anlagen mit Kaminofen und Wassertasche kann dieser Speicher auch eingesetzt werden, wenn kein Stromanschluss vorhanden ist (z. B. Ferienhaus, Berghüttte). Dabei übernimmt der Speicher in Verbindung mit einer Thermischen Ablaufsicherung (TAS) oder als offene Anlage die Sicherheitseinrichtungen.

 

Thermosiphonspeicher
In dem Thermosiphonspeicher (Schichtenladespeicher) wird das Funktionsprinzip ausgenutzt, dass warmes Wasser eine geringere Dichte hat als kaltes und daher leichter ist und nach oben steigt. Um den Wärmetauscher (Solar- oder Heizungsanlage) ein Wärmeleitrohr angeordnet. Das Wärmeleitrohr ist unten mit einer Öffnung versehen, durch die das zu erwärmende Trinkwasser einströmt. Das Wasser erwärmt sich und steigt im Wärmeleitrohr nach oben, ohne sich mit dem umgebenden kälteren Wasser im Speicher zu vermischen. Im oberen Bereich dieses Wärmeleitrohrs sind in regelmäßigen Abständen Ausströmöffnungen mit temperaturgesteuerten Rückschlagklappen eingesetzt, durch die das erwärmte Wasser in die Schicht des Speichers mit gleicher Temperatur gelangt.
Thermosiphonspeicher - Trinkwasser
Thermosiphonspeicher für Heizungs- und Trinkwasser
Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH

Thermosiphonanlage - "Luft-Heizer"
Solar Air heater
Quelle: Richard Lewis
Eine andere Art von Thermosiphonanlage ist ein "Luft-Heizer", der auch mit einen Luftbrunnen kombiniert werden könnte.
Dies ist ein solarer Lufterhitzer, der die Wärme der Sonne benutzt, um Luft vorgewärmt in ein Haus zu fördern. Dabei wird auch Wärme in einem Steinbett gespeichert. Auch nachdem die Sonne untergeht, wird die Wärme aus den Steinen nach dem Thermosiphoneffekt weiter arbeiten.
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