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Bei hydraulischen Solarthermieanlagen kommen Kollektoren mit Absorberblechen, hinter denen Kupferrohre angebracht sind, zum Einsatz. Durch die Kupferrohre wird die Wärmeträgerflüssigkeit geleitet. Diese kann im Sommer durch Nicht-Abnahme der Wärme überhitzt werden und im Winter durch Frosteinwirkung gefrieren. Um Dampfbildung in den Kollektoren durch Überhitzung zu vermeiden, müssen derartige Anlagen u.a. für hohe Betriebsdrücke (3 bar) ausgelegt sein. Und um das Einfrieren zu vermeiden, sind Frostschutzmittel (Glykole) der Wärmeträgerflüssigkeit (i.d.R. Wasser) beizumischen. Diese erhöhen einerseits den Siedepunkt (geringfügig), verschlechtern jedoch andererseits die spezifische Wärmeaufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit

Wasser kann 4,18 kJ Wärme je kg und K (Kelvin) Temperaturdifferenz aufnehmen, unverdünntes Glykol dagegen nur
ca. 2,5 kJ/(kg · K). Um einen Frostschutz bis ca. -20°C zu erreichen, ist der Wärmeträgerflüssigkeit 40% Frostschutz (1,2-Propylen-Glykol) beizumischen. Die spezifische Wärmeaufnahme sinkt hierbei jedoch um ca. 10% auf 3,8 kJ/kg. Zudem nimmt die Zähigkeit (Viskosität) zu. Dies führt zu höheren Druckverlusten im Leitungssystem.
Eine weitere Möglichkeit ist (wäre) es, bei Frostgefahr im Winter konventionell erwärmtes Heizungswasser durch die Kollektoren fließen zu lassen oder das Anbringen von elektrischen Begleitheizungen. Gerade die elektrische Begleitheizung ist jedoch energetisch betrachtet ineffizient. Zudem können elektrische Begleitheizungen nicht um oder über alle gefährdeten Stellen geführt werden.
Eine weitere Methode ist das teilweise Entleeren gefährdeter Anlagenteile. Verschiedene Hersteller bieten als Lösung sogenannte Drain-Back-Systeme an, deren gefährdete Anlagenteile bei Frostgefahr leer laufen. Dies bedeutet, dass die Rohre mit kontinuierlichem Gefälle verlegt werden müssen.
Einige wichtige Fragen rund um die solarthermischen Anlagen sind hier zusammengetragen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Drain-Back-Anlagen.

Wie können Frostschäden an hydraulischen Solaranlagen vermieden werden?
Es gibt mehrere Möglichkeiten:

• mithilfe von Frostschutzmitteln (Glykol) in der Wärmeträgerflüssigkeit,
• durch Erwärmen mithilfe der Heizungsanlage,
• Anbringen von elektrischen Begleitheizungen,
• Entleeren der frostgefährdeten Anlagenteile.

Wie verändert sich die spezifische Wärmeaufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit durch die Beimischung von Glykolzusätzen?
Mit zunehmender Beimischung von Frostschutzmitteln steigt der Frostschutz. Es sinkt aber hierbei die spezifische Wärmeaufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit bzw. der Sole, ausgedrückt in kJ/(kg · K).

Weshalb benötigen Drain-Back-Systeme keine Frostschutzmittel?
Weil frostgefährdete Bereiche entleert werden.

Wie funktioniert der Frost- und Verdampfungsschutz einer Drain-Back-Anlage?
Mit „Drain-Back-System“ bezeichnet man rückentleerende hydraulische Kollektoranlagen. Bei einer Solarthermieanlage wird die Entleerung des Kollektors und bestimmter Leitungsabschnitte sowohl bei Wärmeüberangebot als auch bei Frostgefahr automatisch (Regelung) durchgeführt. Das Wasser wird in ein Sammelgefäß (Speicher) zugeführt, die entleerten Anlagenabschnitte wie Kollektoren und Leitungsabschnitte füllen sich mit Luft.

Warum werden die Kollektoren auch bei ­Wärmeüberangebot entleert?
Wenn der Wärmespeicher keine weitere Energie mehr aufnehmen kann, weil die maximal Menge (Speicherhöchsttemperatur) erreicht ist, würde es zu Dampfbildung im Kollektor kommen.

Welche Vorteile hat eine Drain-Back-Anlage?

• Derartige Anlagen sind insgesamt mit geringerem Aufwand zu betreiben.
• Da die Anlage nur mit dem sich durch die Anlagenhöhe ergebenen statischen Druck belastet wird, kann auf ein MAG (Membranausdehnungsgefäß), Manometer, Sicherheitsventil und einen Wärmeübertrager verzichtet werden.
• Die regelmäßige Kontrolle sowie der Austausch der Solarflüssigkeit entfallen.
• Reines Wasser kann mehr Wärme aufnehmen und hat eine bessere Fließfähigkeit (geringere Viskosität) als Wasser-Glykol-Gemische (Sole).
• Durch das Entleeren der Kollektoren bei Wärmeüberangebot wird Dampfbildung, in deren Folge es zu Überdruck in der Anlage sowie vorzeitigem Altern der Sole und von Bauteilen kommen könnte, verhindert.

Welche Nachteile hat eine Drain-Back-Anlage?

• Da die eingebaute Pumpe sowohl die statische Höhe als auch die Anlagenwiderstände beim Wiederbefüllen der Kollektoren überwinden muss, ist eine entsprechend leistungsstarke Pumpe erforderlich.
• Alle Anlagenkomponenten sind mit Gefälle (etwa 1-3%) zu verlegen, dass sie leerlaufen können.
• Reines Wasser bietet keinen Korrosionsschutz (Sauerstoffkorrosion).

Wie ist der Funktionsablauf einer Drain-Back-Anlage?
Steigt die Temperatur im Kollektor durch solare Strahlung (S1) um z.B. mehr als 7 K über die Temperatur des Speicherwassers (S2), schließt die Regelung (7) zunächst das Entleerungsventil (6). Gleichzeitig wird die Pumpe (5) eingeschaltet. Sie saugt die Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser) aus dem drucklosen Drain-Back-Behälter (4) und füllt das Leitungssystem (2) und die Kollektoren (1). Die dabei verdrängte Luft gelangt in den Speicher (4). Jetzt bildet das gesamte Leitungssystem einen geschlossenen Kreislauf, in dem die Pumpe nur noch die Widerstände in der Anlage überwinden muss.
Falls vorhanden, kann die zweite Pumpe (5.1) ausgeschaltet werden. Die Systempumpe (5) belädt in Abhängigkeit der Kollektortemperatur drehzahlgeregelt den Pufferspeicher (4). Ist die maximale Pufferspeichertemperatur (z.B. 90°C) am Sensor S2 erreicht, wird die Pumpe ausgeschaltet.
Zur Vermeidung von Dampfbildung in den Kollektoren wird das Belüftungsventil (6) stromlos geschaltet und öffnet sich (stromlos geöffnet). Die Kollektoren entleeren sich und der Drain-Back-Behälter (3) füllt sich wieder mit der Wärmeträgerflüssigkeit Wasser. Durch das abfließende Wasser wird Luft aus dem Drain-Back-Behälter (4) in die Kollektoren gesaugt. Bei Stillstand, in der Nacht, bei fallenden Temperaturen oder wenn keine Wärme mehr abgeführt werden kann, befindet sich so kein Wasser, sondern Luft in den frost- bzw. dampfgefährdeten Kollektoren und Leitungsabschnitten.

Wie kann eine Drain-Back-Anlage Verwendung finden?
Derartige Anlagen können zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung eingebaut werden. Entscheidend sind die Ausführung des Pufferspeichers bzw. dessen Anschlussmöglichkeiten, sowie die eingesetzten Wärmeübertrager.
Es gibt Hersteller, die diese Technik zur direkten Erwärmung des Heizungswassers nutzen. Bei diesen Anlagen wird das kältere Heizungsrücklaufwasser direkt oder indirekt über den wärmeaufnehmenden Kollektor geleitet.
Um alle Möglichkeiten derartiger Anlagen optimal ausschöpfen zu können, ist die Qualität der Anlagenauslegung, geschultes Personal, die fachgerechte Montage sowie gewissenhafte Ausführung unabdingbar.