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Kollektor-Spiegel gegen Dampfbildung

Viessmanns neuer Weg bei Stagnation

Rein äußerlich unterscheiden sich die neuen Vitosol Kollektoren 100-FM und 200-FM nicht von den alten. Die Flachkollektoren mit bzw. ohne schaltende Schicht sind in der Erscheinung völlig identisch. Hier im Bild der Vorgänger-Vitosol 200-FM ohne ThermProtect. Bild: Viessmann

Die Nahaufnahme zeigt den neuen Vitosol 200-FM mit schaltender Absorberschicht. Bildlich gesprochen arbeitet der Absorber bei steigenden Temperaturen wie ein Spiegel, dessen Reflexionsfähigkeit sich erhöht, sobald Dampfbildung droht. Bild: Viessmann

Ab einer Temperatur von etwa 75 °C verändert sich die Kristallstruktur in einer der Ebenen der Beschichtung des Absorbers. Diese besteht aus Vanadiumdioxid (VO2). Bild: Viessmann

Der Emissionsfaktor , der bei ThermProtect unter normalen Betriebsbedingungen laut Viessmann rund 6% beträgt, wächst ab 75 °C mit steigender Kollektortemperatur auf bis zu über 40% an. Der Temperaturanstieg flacht immer mehr ab, bis bei 130 °C der Kollektor in den Stillstand übergeht. Bild: Viessmann

„Durch die Berücksichtigung der Auslegung in den Solarpaketen wird dem Handwerker die richtige Dimensionierung meist schon vorgegeben“, sagt Ralf Orths, zuständig für Solarthermieprojekte bei der Wagner Solar GmbH. Bild: Wagner Solar

 

Viessmann hat mit seinen neuen Vitosol-Kollektoren „100-FM“ und „200-FM“ als erster Hersteller sogenannte modulierende Kollektoren auf den Markt gebracht. Das Prinzip ist faszinierend. Wird es für die Branche richtungsweisend sein?

Die Stagnation von Solaranlagen ist seit Langem ein vieldiskutiertes Thema. Ziel der neuesten Entwicklungen ist, bei Stagnation Dampfbildung oder gar Dampfschläge zu vermeiden, um Schäden an Anlagenkomponenten oder dem Wärmeträgermedium zu verhindern, bzw. die Langlebigkeit der Solarthermieanlage in allen ihren Komponenten zu erhalten. Viessmann hat diesen Schutz nun über den Absorber selbst erreicht, indem dieser die Stillstandstemperatur im Kollektor auf maximal 145 °C begrenzt. Der Absorber beginnt
ab einer Kollektortemperatur von etwa 75 °C die Energieaufnahme „abzuschalten“.

Spiegel im Kollektor
Wie wird das erreicht? Bildlich gesprochen arbeitet der Absorber mit der neuen, „ThermProtect“ genannten selektiven Beschichtung bei steigenden Temperaturen wie ein Spiegel, dessen Reflexionsfähigkeit sich erhöht, sobald Dampfbildung droht. Mit steigender Kollektor-Temperatur verändert der Absorber seine physikalischen Eigenschaften: Ab einer Temperatur von etwa 75 °C beginnt die Kris­tallstruktur der Absorberbeschichtung sich zu verändern und zunehmend Energie wieder abzustrahlen. Viessmann bezeichnet diese Temperaturschwelle als „Schalttemperatur“. Ab ihr verändert sich die Kris­tallstruktur in einer der Ebenen der Beschichtung des Absorbers. Diese besteht aus Vanadiumdioxid (VO2).
Dieser hochschmelzende, schwarze Feststoff ist an sich kein neuer Wunderstoff. Er kommt beispielsweise als Schutzbeschichtung auf Fensterflächen zum Einsatz, um vor allem in warmen Regionen die Sonneneinstrahlung zu reduzieren und so eine übermäßige Erwärmung der Räume zu vermeiden. Seine Eigenschaft, bei zunehmender Temperatur die Wärmeabstrahlung zu verstärken, macht ihn darüber hinaus zu einem geeigneten Beschichtungsmaterial für hitzeabweisende Glasflächen, beispielsweise zum Schutz von empfindlichen Messgeräten. Den Einsatz dieses Materials in einen Solarkollektor hat Viessmann nun als Erster vollzogen.

Emissionsfaktor wächst
Mit der Veränderung der Struktur verändern sich die optischen Eigenschaften der Kristalle. In Zahlen ausgedrückt: Der Emissionsfaktor , der bei ThermProtect unter normalen Betriebsbedingungen laut Viessmann rund 6 % beträgt, wächst ab 75 °C mit steigender Kollektortemperatur auf bis zu über 40 % an. Der schaltende Flachkollektor reduziert seine Wärmeproduktion jedoch erst dann, wenn der Speicher bereits vollständig beladen ist. Der Temperaturanstieg flacht immer mehr ab, bis bei 130 °C der Kollektor in den Stillstand übergeht. Ab dann erfährt die Temperaturkurve über die im Absorber stattfindenden Veränderungen einen starken Knick, sodass im Kollektor eine Maximaltemperatur von etwa 145 °C gehalten wird (s. Grafik). Laut Viessmann werden Überhitzung und Dampfbildung in Verbindung mit dem bei der Inbetriebnahme eingestellten Systemüberdruck von 3 bar im Kollektor erst gar nicht möglich. Nach Angaben von Viessmann ist der Wandel der Kristallstrukturen unbegrenzt reversibel, kann also immer wieder rückgängig gemacht und wiederholt werden.

Brisantes Thema Stagnation
Rennt Viessmann mit seinen neuen Vitosol Kollektoren 100-FM und 200-FM, die als erste Kollektoren auf dem Markt durch Abschaltung die Gefahr einer Dampfbildung bei Stagnation wirksam von selbst unterbinden sollen, offene Türen ein oder handelt es sich um einen echten Fortschritt? Fragt man in der Branche, dann sind die Ansätze zur Vermeidung von Problemen bei Stagnation so vielfältig wie die Branche selbst. Deutlich wird aber auch, dass die meisten Hersteller in der Stagnation dann kein Problem sehen, wenn die Anlagenauslegung korrekt ist und sie richtig gebaut wurde. Für den Installateur ist die Stagnation folglich auch ein heikles Thema, weil er mit ihr Probleme bekommt, wenn die Anlage nicht gewissenhaft ausgelegt und gebaut wurde – Dampfbildung bei Stagnation kann eben auch anzeigen, dass ein Solarteur schlecht gearbeitet hat.
An den neuen Viessmann-Kollektoren scheiden sich die Geister. „Ziel der Solarbranche muss es sein, die größtmögliche Effizienz zu erzielen und die erwirtschafteten Solarerträge zu maximieren“, sagt beispielsweise Wilfried Grießhaber, Produktmanager Solarwärme-Systeme und Speicher-Technik beim Kollektor-Pionier Paradigma. Die Gefahr der Dampfbildung bei Stagnation von Kollektoren könne und müsse anders in den Griff zu bekommen sein.

Berechtigte Skepsis?
Die Allendorfer argumentieren anders: „Der Wirkungsgrad des Kollektors nimmt erst bei hohen Temperaturen ab, dies geschieht aber nicht auf Kosten des nutzbaren Ertrags, da ausschließlich nicht benötigte Überschusswärme vermieden wird“, sagt Viessmann-Sprecher Wolfgang Rogatty. Dem stehe der Vorteil gegenüber, dass die Verringerung ja gerade bewirke, dass das Wärmeträgermedium im Kollektor nicht mehr verdampft. „Hier zeigt sich auch ein Vorteil gegenüber Drainback-Systemen: Die Anlage kann nach einer Stagnationsphase schneller wieder in Betrieb gehen. Sollen Drainback-Anlagen bei heißen Kollektoren wieder in Betrieb gehen, kommt es unweigerlich zur Verdampfung des Mediums. Dies führt zu Druckschlägen und zur Belastung des Mediums“, so Rogatty.
Klar ist, dass sich die neuen Kollektoren in der Praxis bewähren müssen. Manche Hersteller wie Buderus sehen indes überhaupt keine Notwendigkeit, das Thema Stagnation technisch neu aufzugreifen: „Buderus-Kollektoren haben aufgrund der Geometrie ihrer Absorber ein sehr gutes Entleerungsverhalten, die Membranausdehnungsgefäße in den angebotenen Paketen sind großzügig dimensioniert und wir setzen nur hochwertige Glykole ein“, sagt Buderus-Sprecher Jörg Bonkowski: „Rückmeldungen aus dem Feld zeigen, dass wir robuste Systeme anbieten.“ Man empfehle die eigensichere Ausführung von Solaranlagen. „Zusammen mit dem günstigen Entleerungsverhalten unserer Kollektoren und den vergleichsweise niedrigen Stagnationstemperaturen von unter 200 °C führt dies dazu, dass wir Flachkollektor-Systeme mit hohen Einsparungen bei gleichzeitig langer Lebensdauer des Solarfluids realisieren können“, so Bonkowski. „Vor diesem Hintergrund sehen wir keine Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen.“
Werden modulierende Kollektoren richtungsweisend sein oder sind sie nur ein weiterer Ansatz unter vielen, bereits bewährten? Modulation verspricht Plus: Laut Viessmann sind die für nicht schaltende Kollektoren bisher empfohlenen Stagnationskühler bzw. Vorschaltgefäße nicht mehr erforderlich. Außerdem reduziere sich die Größe der Membran-Ausdehnungsgefäße, da keine Ausdehnung mehr ausgeglichen werden muss, die durch Verdampfung entsteht. Da eine Dampfbildung nicht mehr berücksich­tigt werden müsse, ergeben sich auch flexiblere Möglichkeiten bei der Verlegung der hydraulischen Leitungen sowie ein geringerer Installationsaufwand an sich, da ja auf einige Komponenten verzichtet werden könne. Was auch noch verlockend ist: Die neuen ThermProtect-Kollektoren sind nicht teurer als die alten, die noch nicht mit dem neuen Absorber ausgestattet sind.

Autor: Dittmar Koop

 

Bewährte Wege aus der Dampfproblematik

Andere Flach- und Röhrenkollektorhersteller bzw. -anbieter sind auch nicht untätig gewesen, sodass es heute eine Vielzahl physikalischer Lösungen der Dampfproblematik gibt, die ausgereift sind und gut funktionieren – keine Auslegungs- und Installationsfehler vorausgesetzt, was insbesondere für Drainback-Systeme gilt. Letztere könnten wieder mehr werden. Hier stellvertretend für die Vielfalt nur drei Beispiele:
Beim Röhrenkollektorhersteller AkoTec schalten die Röhren bei einer Temperatur von 100 °C ab. Die Hysterese beträgt zwar ca. 15 °C, was bedeutet, dass die Röhren unter Umständen 115 °C heiß werden können. Sie haben dann aber nur noch eine sehr geringe Leistung. „Die Abschaltung bei 100 °C empfehlen wir bei allen solarthermischen Anlagen mit Heizungsunterstützung mit gering ausgelegtem Speichervolumen“, sagt AkoTec-Geschäftsführer Reinhold Weiser, „eine große Speicherauslegung für den Sommerfall der Überhitzung, wie er teilweise in der Praxis durchgeführt wird, erüb­rigt sich damit. Das Volumen des MAG reduziert sich auf weniger als die Hälfte.“ Vercracking sei ausgeschlossen, selbst bei billigem, eigentlich ungeeignetem Glykol. „Der Kollektor mit 100-Grad-Abschaltung ist für viele Installateure einfach, sicher und wird inzwischen sehr häufig eingesetzt“, berichtet er.
Röhrenkollektorpionier Paradigma (Ritter Gruppe) setzt seit mehr als 12 Jahren beim Thema Stagnationssicherheit auf die Verwendung von reinem Wasser als Wärmeträger. „Wasser als Solarfluid ist unbegrenzt haltbar und beliebig oft mit hohen Temperaturen beaufschlagbar und verdampfbar“, argumentiert Wilfried Grießhaber, Produktmanager Solarwärme-Systeme und Speicher-Technik bei Paradigma. Dampfbildung und Dampfreichweiten werden durch sehr geringe Kollektor­inhalte (weniger als 1 l/m2) reduziert. „Sollte bei kürzeren Leitungslängen der Dampf bis zum Speicher gelangen, stellt dies kein Problem dar, da alle temperatursensiblen Komponenten so im Solarrücklauf platziert sind, dass sie vor Überhitzung geschützt sind“, berichtet Grießhaber, „im Solarvorlauf findet sich zwischen Kollektor und Speicher als einzige zugelassene Komponente nur ein hitze- und dampfbeständiger Spül- und Befüllhahn.“ Dieses Konzept habe sich bereits über 60 000-mal im Feld bewährt, Stagnationsprobleme seien inzwischen völlig unbekannt.
Vielfalt zeigt sich auch so: Selbst die bereits in die Geschichtsbücher eingetragenen Drainback-Systeme erleben ein Revival. Vaillant hat mit den „auroFLOW plus“- und „auroSTEP plus“-Systemen in diesem Jahr Drainback-Systeme in Deutschland auf den Markt gebracht. Das „auroFLOW plus“-System ist eine Solarstation mit einem Solarflüssigkeitsbehälter. Stoppt die Solaranlage den Betrieb, läuft die gesamte Solarflüssigkeit zurück in den Behälter der Station. Das System ist modular aufgebaut. „Für Anlagen bis 6 Kollektoren reicht die Basisstation VPM 15 D. Bis zu 12 Kollektoren kann die VPM 30 D abdecken“, berichtet Guido Weißmüller, Produktmanager für Solarsysteme bei der Vaillant Group. Das „auroSTEP plus“-System ist ein Drainback System für die solare Trinkwassererwärmung und ist mit drei unterschiedlichen Speichergrößen erhältlich. Die Solarflüssigkeit wird dabei in der Rohrschlange des Solarspeichers vorgehalten und reicht für den Betrieb mit bis zu drei Kollektoren aus.

 

 

Nachgefragt

Für den Installateur ist die Stagnation ein heikles Thema, weil er mit ihr Probleme bekommt, wenn die Anlage nicht gewissenhaft ausgelegt und gebaut wurde. Der Cölber Systemanbieter Wagner Solar GmbH begegnet der Situation von Überkapazitäten im Sommer, indem in den Solarpaketen und in spezieller Zuarbeit für den Fachplaner oder Handwerker auf die Art der Betriebsführung eingegangen wird. Fragen dazu an Ralf ­Orths, zuständig für Solarthermieprojekte bei Wagner Solar.

IKZ-HAUSTECHNIK: Herr Orths, wie schützt man ein Membranausdehnungsgefäß?

Ralf Orths: Bei größer dimensionierten Anlagen, wie z. B. zur Unterstützung der Raumheizung, bei der von einer Stagnation im Sommer ausgegangen werden muss, ist grundsätzlich ein Vorgefäß zum Schutz des eigentlichen MAG´s vor den hohen Temperaturen und somit vor einem vorzeitigen Verschleiß vorgesehen. Unsere Strategie ist außerdem, die Anlage mit dem gerade ausreichenden Anfangsdruck zu befüllen. Einfach gesagt, Vordruck Ausdehnungsgefäß Anlagenhöhe in m x 0,1 + 0,3 bar Überdruck = der Vordruck des MAG’s. Der Fülldruck der Anlage dann noch einmal 0,3 bar höher, um eine ausreichende Vorlage im MAG vorzusehen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Das war’s schon?

Ralf Orths: In Einzelfällen gehen wir noch auf die Einbaulage der Kollektoren ein, bezüglich der Selbstentleerung bei Dampfbildung. Im Stagnationsfall kommt es dann beim gewählten niedrigen Systemdruck schon bei Temperaturen um 130 °C, kurz nachdem auch die aktiven Temperatursicherungsfunktionen des Reglers keine Wirkung mehr entfalten (Kollektorkühlung – Kurzbetrieb der Pumpe, um erhöhte Wärmeverluste in den Anschlussleitungen zu generieren), zur Dampfbildung im Kollektor und Flüssigkeit wird aus dem Kollektor Richtung MAG verdrängt.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wie verhält es sich mit dem Systemdruck?

Ralf Orths: Der Systemdruck steigt langsam an, während der Kollektor sich durch Dampfbildung entleert. Der Abblasedruck (6 bar) wird dabei nicht erreicht. Die frühe Verdampfung bewirkt geringere Temperaturen im System und somit eine geringere Belastung der Leitungskomponenten, Armaturen und der Flüssigkeit. Das Vorgefäß wird meist noch von heißer Flüssigkeit erreicht, aber zum MAG geht es dann weitgehend kalt weiter. Automatische Entlüfter bei Kleinanlagen gehören eigentlich der Geschichte an, sodass im Stagnationsfall kein Dampf austritt und der Betrieb der Anlage nach dem Kondensieren des Dampfes und der Unterschreitung der Ausschalttemperatur (Kollektormaximaltemperatur) wieder möglich ist.

IKZ-HAUSTECHNIK: Was sagen Sie dem Handwerker?

Ralf Orths: Durch die Berücksichtigung dieser Auslegung in den Solarpaketen wird dem Handwerker die richtige Dimensionierung meist schon vorgegeben. Wenn er dann auch noch an die passende Voreinstellung des MAG’s denkt, ist ein zuverlässiger dauerhafter Betrieb sichergestellt. Hilfestellung leistet unser technischer Support im Rahmen der Auslegungsunterstützung, aber auch die einfache Nutzung des Inbetriebnahmeprotokolls, welches in einer Checkliste alle wichtigen Punkte aufführt und dem Handwerker wie dem Endkunden wichtige Informationen über den Status der Anlage bietet.

IKZ-HAUSTECHNIK: Was halten Sie von dem Ansatz von Viessmann?

Ralf Orths: Die Idee mit den schaltenden Schichten ist ein interessanter Ansatz, doch hätte ich den tatsächlichen Schaltpunkt eher höher gelegt. Temperaturen bis zu 110 °C  im Kollektor gehören bei Solarsystemen für die Trinkwasserbereitung und Heizungsunterstützung insbesondere beim Einsatz von Frischwasserstationen mit einer zusätzlich erforderlichen Überhöhung der Pufferspeichertemperatur zum regulären Betriebsspektrum, bei der eine Ertragsminderung nicht wünschenswert ist. Nach dem Leistungsdiagramm der schaltenden Schicht zu urteilen, ist schon bei 75 °C Kollektortemperatur beginnend mit einer einsetzenden Minderung der Leistungsfähigkeit zu rechnen. Die Temperatur der Solargflüssigkeit liegt dann noch etwas darunter. Die Beeinflussung des Absorptionsgrades kann zwar zu einer Vereinfachung der Auslegung und Kontrolle der Temperaturen führen – vor allem bei heizungsunterstützenden Anlagen mit eher üppig ausgelegten Kollektorflächen, allerdings könnte damit auch der spezifische Kollektor­ertrag sinken und damit die Wirtschaftlichkeit. Gleichzeitig steigt auch bei den schaltenden Schichten die Kollektortemperatur weiter an, sofern keine Wärmeabnahme vorhanden ist. Bei groß ausgelegten Kollektorflächen wird die Stagnationstemperatur dadurch dennoch erreicht werden – dafür voraussichtlich aber seltener als bei einer nicht schaltenden Beschichtung. D. h., auch in diesen Fällen ist die richtige Dimensionierung des MAG’s und Vorgefäßes weiterhin das zentrale Kriterium.

 

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