Kleine und kompakte Schaltstationen - Effizienz ist gefragt

Lange galt die Solarwärmetechnik als ausgereift und weitestgehend ausgereizt. Richtig ist das wohl für den klassischen Flachkollektor, doch was die
Systemtechnik anbelangt, steckt noch viel Potenzial in der immer noch jungen Solartechnik. Besonders Hersteller von Solarstationen eilen zurzeit von Innovation zu Innovation. Eine davon: Hocheffizienzpumpen der Energieeffizienzklasse A. Mittlerweile bieten viele Hersteller Pumpengruppen mit Energiesparpumpe an, etwa PAW, Meibes System-Technik, der Solarreglerhersteller Resol, Gebr. Tuxhorn, Watts oder der Schweizer Solarreglerhersteller TEM.

Vortex-Sensoren im Kommen
Nicht nur Energiesparpumpen sind ein aktuelles Thema für die Hersteller von Pumpengruppen. Immer mehr setzen sich auch die Vortex-Sensoren durch, die das dänische Unternehmen Grundfos vor etwa drei Jahren erstmals vorstellte. Bereits auf der ISH 2007 hatte Resol eine erste Solarstation mit diesen Volumenstromsensoren präsentiert. Inzwischen greifen etliche Armaturenspezialisten darauf zurück, beispielsweise PAW, Tuxhorn, Oventrop, Watts oder TEM. „Wir haben den Vortex Flow Sensor in ein eigenes Gehäuse integriert, das einen Kugelhahn zur Absperrung und einen KFE-Hahn zum Spülen, Füllen und Entleeren besitzt“, berichtet Udo Link, Produktmanager Solar bei Watts. So verbindet Watts mehrere Funktionen in einem Bauteil, um einen möglichst kompakten Aufbau zu gewährleisten. Außerdem hat man anstelle des Kunststoffgehäuses, das Grundfos einsetzt, lieber auf Metall zurückgegriffen. Optional kann Watts auch einen Druckdirektsensor einbauen. Für den Endkunden, aber auch für den Servicetechniker, bietet der Regler die Möglichkeit, die Daten wie Betriebsstunden und Erträge zu speichern. „Die Daten kann man auf einer ganz normalen SD-Karte ablegen“, so Link. Bisher war die Funktionskontrolle von Solaranlagen ein Schwachpunkt. Der Kunde kann nicht feststellen, ob seine Anlage einen vernünftigen Ertrag bringt. Denn der Kessel heizt munter nach, wenn die Solaranlage nicht richtig arbeitet, weil zum Beispiel der Kollektorfühler nicht optimal montiert ist oder weil eine defekte Schwerkraftbremse über Nacht zu erheblichen Verlusten führt. Und ein separater, Mehrkosten verursachender Wärmezähler ist in kaum einer Solaranlage eingebaut. In der neuen Generation der Solarstationen, die über einen Solarregler mit integriertem Wärmezähler verfügen, ist die Ertragsmessung nun dank der Sensoren (Temperaturdifferenz aus Vor- und Rücklauf, Volumenstrom) fester Bestandteil. Damit kann der Endverbraucher abschätzen, ob seine Anlage einen erwarteten Ertrag liefert oder eben auch nicht.
Die neuen Produkte, die die Hersteller als Messe-Highlights präsentieren, sind das eine. Das andere ist, inwieweit sich die effizienten Solarstationen bereits in den auf dem Markt angebotenen Solarpaketen wiederfinden.

Konkurrenz wächst
Viele Komponenten für Solarstationen wie zum Beispiel die Solarsicherheitsventile kommen schon länger von Zulieferern aus Italien. Mittlerweile bieten einige dieser Firmen wie Caleffi oder Lovato eigene Solarstationen an. Aus Spanien kommt das Unternehmen Orkli, das ebenfalls Solarstationen für den deutschen Markt liefert. Ein neuer Hersteller aus Deutschland ist Afriso. Das Unternehmen stellte im Frühjahr in Frankfurt auf der ISH seine Solarstation vor.

Kollektorfühler überflüssig
Ein neuer Hersteller ist auch Autic Solar. Das Unternehmen hat ein Konzept für eine Solarstation entwickelt, die ohne Kollektorfühler auskommt. Hier registrieren Sensoren den Druckanstieg im Solarkreis, der auftritt, wenn die Sonne auf das Kollektorfeld scheint. „Eine der Herausforderungen war es, einen Sensor zu entwickeln, der Druckveränderungen in Bereich von 100 mbar zuverlässig messen kann“, so Geschäftsführer Oswald Hauser. Sobald der Regler den Druckanstieg registriert, startet die Energiesparpumpe. Zunächst wird das Fluid aber noch nicht durch den Speicher gepumpt. Ein Dreiwegeventil und eine Rückschlagklappe sperren den Speicher ab, sodass der Solarkreis in der Station kurzgeschlossen wird. Erst wenn die Temperatur im Solarkreis höher ist als im Speicher öffnet das Ventil. Die Station enthält auch einen Flügelrad-Volumenstrommesser für die Wärmemengenmessung.
Auch Resol hat ein kollektorfühlerloses System entwickelt und damit einen Award auf der diesjährigen Intersolar gewonnen. Die Solarstation steuert die Solaranlage nicht nur ohne Temperatursensor am Kollektor, sondern auch ohne einen im Speicher. Wie funktioniert das? Beim Installieren gibt der Monteur dem Regler Daten wie Ort, Kollektorneigung, Ausrichtung, Datum und Uhrzeit vor. Aus den vorgegebenen Daten errechnet der Regler, wann der jeweilige Sonnenaufgang ist und wann es sich lohnt, die Pumpe kurz zu starten, damit er über die Temperaturfühler in Vor- und Rücklauf der Station feststellen kann, ob bereits Solarertrag zu holen ist. Einen Vorteil sieht der Resol-Chef Rudolf Pfeil darin, dass die Anlage abends länger Solarwärme erntet, weil sie mit einer kleineren Temperaturdifferenz gesteuert werden kann. Dazu komme die schnellere Montage. Und: Die Gefahr des Fühlerausfalls etwa durch pickende Vögel oder Marderfraß am Kabel bestehe nicht.

Integrierter Stagnationskühler
Im Jahr 2005 hatten Forschungsergebnisse des Freiburger Fraunhofer ISE Aufsehen erregt. Die Forscher bestimmten die Dampfproduktion und die daraus resultierenden Reichweiten im Rohrnetz während der Stagnation. Ein Ergebnis war, dass (abhängig vom Kollektortyp) der Dampf etliche Meter weit in die Verbindungsrohre vordringen kann. Bei Solaranlagen in Häusern mit Dachzentralen, bei denen die Haustechnik direkt unter dem Dach installiert ist, besteht dort die Gefahr, dass heißer Dampf bis zur Solarstation gelangt. Gefährdet ist dann die Membran des Ausdehnungsgefäßes (MAG), die nicht mehr als 100°C übersteht.
Bei Kollektoren mit hoher Dampfproduktion kann sogar die Solarstation im Keller betroffen sein. Zum Schutz des MAG empfehlen die meisten Solarsystemanbieter darum bei ungünstigen Verhältnissen ein Vorschaltgefäß. PAW hat nun eine spezielle Variante entwickelt, die das Problem anders löst. Dazu ist ein Stagnationskühler in Form eines Rohres direkt hinter den Armaturen der Station innerhalb der Isolierschale eingebaut. Die Isolierung des Kühlers ist oben und unten offen, sodass über einen Kamineffekt die Wärme abgeführt werden kann. Der Kühler dient als Kühlstrecke vor dem MAG und wird im Solarvorlauf angeschlossen.
PAW wartet mit einer weiteren Neuheit auf: Der „Drainbloc“ ist eine spezielle Solarstation für Drainback-Solaranlagen. In ihm ist ein Auffangbehälter aus Edelstahl eingebaut. Kommt es zum Stillstand der Solaranlage, fließt der Wärmeträger aus dem Kollektorkreis in diesen Auffangbehälter. Ein Überhitzen des Wärmeträgers ist dadurch ausgeschlossen. Man kann die Solaranlage auch mit Wasser betreiben, denn die Gefahr des Einfrierens bei Frost besteht nicht. Ein weiterer Vorteil: Komponenten wie ein MAG oder ein Entlüfter sind in Drainback-Anlagen generell nicht nötig.
Startet die Solaranlage erneut, muss die Pumpe die Anlage zunächst wieder befüllen. PAW setzt auch hier eine Hocheffizienzpumpe ein. Die effiziente Pumpe lohnt sich bei Drainback-Anlagen besonders, denn zum Befüllen der Anlage wird eine größere Pumpenleistung benötigt als bei konventionellen Solaranlagen. Außerdem reduziert die integrierte Regelung nach der Anlaufphase die Pumpenleistung. „Sie wird drehzahlgeregelt, und dadurch optimal an die Betriebsbedingungen angepasst“, sagt PAW-Mitarbeiter Jörg Vehmeier.

Übergabestationen gewinnen an Bedeutung
Neben den Solarstationen, die die Solarwärme über einen im Speicher integrierten Solarwärmetauscher einspeisen, gibt es auf dem Markt auch sogenannte Übergabestationen oder Trennsysteme, die mit einem Plattenwärmetauscher Solarkreis und Speicherwasser trennen. Waren sie früher großen Solaranlagen vorbehalten, bei denen die nötige Übertragungsleistung nur mit einem Plattenwärmetauscher erreichbar ist, so werden sie mittlerweile auch bei kleineren Anlagen für das Ein- oder Zweifamilienhaus immer beliebter. Ein Vorteil: Mit Trennsystemen kann man einen Pufferspeicher einfach durch das Schalten eines Ventils je nach Sonnenschein in zwei verschiedenen Ebenen beladen. In den Speicher integrierte Schichtlanzen sind dafür nicht nötig.
Ein neues Modell für kleine Solaranlagen kommt von PAW. Die „SolexMini“ kann im Highflow-Betrieb bei einem Volumenstrom von 40 l/(m² · h) 6,25 kW übertragen und reicht damit für Kollektorfelder bis 12,5 m2 aus. Das entspricht einer häufig zur Heizungsunterstützung eingesetzten Fläche. Bei reduziertem Volumenstrom steigt die Leistung. So kann beispielsweise bei einer Durchflussmenge von
25 l/(m² · h) 10 kW Solarwärmeleistung in den Puffer gespeist werden. Die Anlage darf dann bis zu 20 m² Kollektorfläche umfassen. Auch Meibes hat mit dem Solartrennsystem „M“ ein Modell für Einfamilienhausanlagen entwickelt. Mit 7 kW Übertragungsleistung ist es für Solaranlagen mit bis zu 12 m² Kollektorfläche geeignet. Wie die Solarstation „S“ bietet Meibes auch das Trennsystem mit Energiesparpumpen von Wilo, Grundfos oder Laing an. Für Großanlagen bis 150 m² Kollektorfläche bietet Meibes die Solarstation „XXL“ an. Für mittlere Anlagen ist die Solarstation „XL“ mit 25 kW Übertragungsleistung gedacht.
25 kW Übertragungsleistung sind ein typischer Wert. Diese Leistung erreicht zum Beispiel auch die „Megasphere“ von Taconova. Oventrop fertigt mit der „Regusol X Uno“ neben dem 25-kW-Modell auch eine Variante mit 15 kW an. Die 25-kW-Gruppe „Regusol X-Duo“ verfügt über ein Umschaltventil zur Schichtladung. Alternativ kann man mit dem Trennsystem auch einen zweiten Speicher beladen. Für beide Varianten gibt es von Oventrop einen Nachrüstsatz, mit dem man ein zweites Kollektorfeld anschließen kann.
Watts Industries bietet mit der „SÜ 8040-CS“ eine Übergabestation für größere Leistungen bis 45 kW an. Die Schichtladeeinheit ist hier optional. Mit einer Leistung von 36 kW (bei Lowflow) kann die „Exol-AR“ von Lovato in Anlagen mit bis zu 80 m² Kollektorfläche zum Einsatz kommen. Lovato setzt einen Vortex-Flow-Sensor im Sekundärkreis ein, um die Drehzahl der Pumpen zu steuern.
Die Station „Solar X“ von Kamo regelt die Beladung des Puffers nicht wie
üblich über die Temperaturdifferenz zwischen Kollektorfühler und Speicherfühler. Die Regelung „Duo Control“ steuert die Anlage zunächst über eine feste Zieltemperatur des Puffers. Erst wenn diese im Puffer erreicht ist, wird auf Temperaturdifferenzregelung umgeschaltet. Von dieser Doppelstrategie verspricht sich Kamo einen deutlichen Vorteil: Um bis zu 20% soll die Wärmeübertragung effizienter sein als bei konventionellen Reglungen.

Kaskaden bieten Betriebssicherheit
Eine besondere Lösung für Großanlagen hat PAW realisiert. Die „SolexMax“ lässt sich kaskadieren. Bis zu vier Trennsysteme können parallel geschaltet werden. Mit der Kaskade kann sie in der Lowflow-Version bei bis zu 430 m² gro-ßen Kollektorfeldern eingesetzt werden. Bei der Highflow-Variante sind es bis zu 180?m². Der Vorteil der Kaskade: Falls an einer Einheit eine Störung auftreten sollte, steht die Solaranlage nicht komplett still. Die anderen Einheiten arbeiten weiter und ernten Sonnenenergie. Die Trennsysteme werten Störmeldungen der Pumpen automatisch aus und es gibt einen Volumenstromzähler zur Wärmemengenerfassung. PAW setzt auch hier drehzahlgeregelte Hocheffizienzpumpen ein.
Ein spezieller Typ, der für Trinkwassersysteme gedacht ist, ist die „SolexMax TW“. Auch diesen Typ gibt es in Highflow- und Lowflow-Ausführung und er ist kaskadierbar. Während bei kleinen Solaranlagen Übergabestationen in der Regel nur für Heizungsunterstützung eingesetzt werden und die Solarwärme in einen Pufferspeicher einspeisen, können sie bei größeren Solaranlagen in Hotels oder Sportanlagen auch zum Laden eines Trinkwasserspeichers genutzt werden.

Fazit
Ob für kleine Solaranlagen im Einfamilienhaus oder für die solarthermische Großanlage eines Hotels: Der Markt bietet eine breite Auswahl von standardisierten Pumpengruppen für immer ausgefeiltere Solarthermiesysteme.

Autor: Dr. Jens-Peter Meyer