Solarwärme sicher und effizient nutzen Solare Trinkwassererwärmung und der Schutz vor Verbrühungsgefahr

In Solarspeichern können Betriebstemperaturen auftreten, die das zu erwärmende Trinkwasser auf deutlich höhere Temperaturen als 60°C aufheizen. Besonders während der Sommermonate lässt es sich nicht vermeiden, dass mehr Solarwärme vom Kollektorkreislauf in den Speicher gefördert wird als tatsächlich verbraucht wird. Auch beim erneuten Anfahren der Solaranlage strömt an sonnigen Tagen zunächst Solarflüssigkeit mit Temperaturen von teilweise über 100°C in den Wärmetauscher, sodass dieser Wärmeschub die Warmwassertemperatur stark ansteigen lassen kann.
Die hohen Temperaturen in einem Solar-Warmwassersystem, die im Gegensatz zur konventionellen Trinkwassererwärmung auftreten können, müssen bei der Installation sämtlicher Anlagenkomponenten berücksichtigt werden [1]. Werden Solarthermieanlagen für die Warmwasserbereitung eingesetzt, muss für den Benutzer ein wirksamer Verbrühschutz gewährleistet sein. Die Begrenzung der Warmwasser-Auslauftemperatur ist deshalb bei thermischen Solaranlagen eine zwingend notwendige Sicherheitseinrichtung.

Zwei Verfahrensweisen
Der Schutz vor Verbrühungsgefahr kann auf zwei verschiedene Arten gewährleistet werden:

• Mischung des erwärmten Trinkwassers mit kaltem Trinkwasser durch eine thermostatisch gesteuerte Mischarmatur.
• Erwärmung des Trinkwassers auf eine voreingestellte maximale Entnahmetemperatur durch Erwärmung im Durchflussprinzip mit elektronisch geregelter Zufuhr von Wärmeenergie.

Welche dieser Verfahrensweisen Anwendung findet, richtet sich nach der gewählten Speicherart sowie danach, ob die solarthermische Anlage rein zur Warmwasserbereitung oder auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden soll. Dies erfordert zunächst eine Betrachtung der gängigsten Bauarten von Solarspeichern.


Die Warmwasserstation „Megafresh“ erwärmt das Trinkwasser mit der Wärmeenergie aus dem Pufferspeicher über einen Plattenwärmetauscher aus Edelstahl. Eine drehzahlgeregelte Pumpe sorgt zusammen mit der elektronischen Regelung für eine konstante und gradgenaue Entnahmetemperatur. Für den Zirkulationskreislauf ist eine zweite Umwälzpumpe integriert.

Solar-Warmwasserspeicher
Für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern werden für die Trinkwassererwärmung häufig Solarspeicher eingesetzt, in denen das Trinkwasser durch den Speicherinhalt entweder in einem integrierten Behälter (Tank-im-Tank-Prinzip) oder in einem Wärmetauscher (Durchlaufprinzip) erwärmt wird.
Um Verbrühungen beim Zapfen von Warmwasser zu vermeiden, ist deshalb am Warmwasserabgang des Speichers oder an den Entnahmestellen ein thermostatisches Mischventil vorzuschalten [2]. Ein starker Anstieg der Warmwassertemperatur ist besonders bei Solar-Kombispeichern gegeben, da im Sommer überschüssige Wärme nicht an die Raumheizung abgegeben oder in einem großen Puffervolumen gespeichert werden kann.


Wird das Trinkwasser innerhalb des Solarspeichers in einem Tank oder Wärmetauscher erwärmt, muss die Warmwassertemperatur am Speicheraustritt durch ein thermostatisches Mischventil begrenzt werden.

Pufferspeicher für Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung
Beim Einsatz von Wärmeerzeugern, die Erneuerbare Energien nutzen oder nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, wird die produzierte Heizwärme in einem Pufferspeicher bevorratet. Durch den Pufferspeicher können lange Brenner- bzw. Aggregatlaufzeiten erreicht und gleichzeitig die kostenlose Solarwärme effizient ausgenutzt werden. Ein kennzeichnendes Merkmal von Pufferspeichern ist das Schichtungsprinzip, sodass im oberen Speicherbereich schnell die benötigte Nutztemperatur verfügbar ist. Solarthermieanlagen für die Heizungsunterstützung können als Ein- oder Zwei-Speicher-Anlage ausgeführt werden.
Bei Zwei-Speicher-Anlagen wird das Trinkwasser in einem separaten Speicher erwärmt. Dadurch ergibt sich jedoch ein größeres Puffervolumen, der Solarertrag muss auf zwei Speicher verteilt werden. Darüber hinaus beansprucht der zweite Speicher zusätzlichen Platz im Heizraum. Auch ist eine Speicher-Bevorratung des erwärmten Trinkwassers nicht immer gewünscht oder erforderlich.
Eine weitere Variante stellen deshalb Pufferspeicher dar, die durch einen integrierten Rohrwendel-Wärmetauscher das Trinkwasser im Durchfluss erwärmen. Die Warmwasserbereitung ist mit diesem Prinzip jedoch nicht regelbar, da die Erwärmung des Trinkwassers von der Temperatur des Speicherinhalts abhängig ist.


Der Taconova Mischer „Universal“.

Verbrühschutz durch elektronische Temperaturregelung
Eine außerhalb des Solar- bzw. Pufferspeichers angeordnete Trinkwassererwärmung bietet die Möglichkeit, das Wasser ebenfalls im Durchflussprinzip genau nach Bedarf zu erwärmen und gleichzeitig die gespeicherte Energie vorrangig für die Heizungsunterstützung zu nutzen. Hierzu werden als Pumpengruppe mit Plattenwärmetauscher vorgefertigte Warmwasserstationen eingesetzt, die mit der Energie aus dem Pufferspeicher das Trinkwasser im Durchlaufprinzip erwärmen. Das Trinkwasser wird hierbei genau nach Bedarf mit konstanter Entnahmetemperatur erwärmt. Die Speicherbevorratung entfällt, sodass damit auch eine hygienische Warmwasserversorgung gewährleistet ist.
Durch die Anordnung der Trinkwassererwärmung außerhalb des Pufferspeichers bleibt somit auch der Schichtungsaufbau frei von Störeinflüssen. Die von Taconova entwickelte  Warmwasserstation „Megafresh“ beispielsweise erwärmt das Trinkwasser über einen Edelstahl-Plattenwärmetauscher. Über das Temperaturprogramm der elektronischen Regelung kann die Warmwasser-Auslauftemperatur zwischen 45 und 55°C gewählt werden. Je nach verfügbarer Wärmeleistung aus dem Pufferspeicher wird eine Warmwasserleistung von bis zu 40 l/min erreicht. Die schnelle Reaktionsfähigkeit der Regelung schützt den Nutzer vor Verbrühungsgefahr. Möglich wird dies durch den am Warmwasser-Austritt des Plattenwärmetauschers platzierten „Tacocontrol“-Sensor, der permanent Temperatur und Durchflussmenge ermittelt. Anhand der Messdaten wird laufend die Drehzahl der stufenlos von 17 bis 100% modulierenden Umwälzpumpe geregelt, sodass eine konstante Warmwasser-Entnahmetemperatur gewährleistet ist. Ohne zusätzliche Sicherheitseinrichtungen ist so der Nutzer gleichzeitig vor Verbrühungsgefahr geschützt.


Durch die Temperaturregelung der elektronisch geregelten Warmwasserstation ist gleichzeitig der Schutz vor Verbrühungsgefahr gegeben.

Effizient und bedarfsgerecht
Die bedarfsgerechte Trinkwassererwärmung über eine externe Pumpengruppe mit Plattenwärmetauscher ermöglicht einerseits die Unabhängigkeit von der Speicherbevorratung, erfüllt aber gleichzeitig auch den geforderten Schutz vor Verbrühungsgefahr und Legionellen. Bei geladenem Pufferspeicher sind bei Bedarf große Warmwassermengen verfügbar. Gespeicherte Solarwärme kann damit so effizient wie möglich für die Heizungsunterstützung genutzt werden, während dem Nutzer warmes Wasser bedarfsgerecht und genau in der eingestellten Temperatur zur Verfügung steht.
Die Trinkwassererwärmung ist mit diesem Prinzip auch von der Art der Wärmeerzeugung unabhängig. Die Beladung des Pufferspeichers kann durch Solarwärme, Gas- oder Ölheizkessel, Pellet- oder Festbrennstoffkessel oder Wärmepumpen erfolgen. Die elektronische Regelung der von Taconova entwickelten Warmwasserstation bewirkt außerdem, dass auf der Primärseite nur die zur Temperaturerhöhung benötigte Heizwassermenge durch den Plattenwärmetauscher strömt, sodass stets die größtmögliche Temperaturdifferenz gegeben ist. Dies sorgt für eine niedrige Rücklauftemperatur zum Pufferspeicher und verhindert darüber hinaus übermäßige Kalkausfällungen im Plattenwärmetauscher.

Literatur
[1] Feurich Sanitärtechnik, 9. Auflage, Bd. 2, 7.10 Thermische Solaranlagen
[2] BDH-Informationsblatt Nr. 17, Thermische Solaranlagen – Teil 2: Praxistipps zur Dimensionierung und Installation; Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e.V.; Januar 2004

Autor: Wolfgang Heinl

KONTAKT:
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