SolarDrain – Selbstentleerende Kollektorsysteme zur Vermeidung von Stagnationsproblemen in großen solarthermischen Anlagen

Solarthermische Anlagen mit Kollektorflächen &gt,100 m² gewinnen im Bereich der nach¬haltigen Generierung von Wärme in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen national als auch international zunehmend an Bedeutung. Angesichts des riesigen Marktpotenzials und der guten Positionierung österreichischer Unternehmen in diesem Bereich, ist es unbedingt erforderlich, verstärkt technologisches Grundlagenwissen in diesem Bereich aufzubauen. Eine wichtige technologische Fragestellung bei großen solarthermischen Anlagen liegt in der Erreichung eines unproblematischen Stagnationsverhaltens. Gerade ein unauffälliges Verhalten im Betriebszustand der Stagnation ist ein entscheidender Aspekt bei der Minimierung betriebsgebundener Kosten (Wartungsarbeiten), der Maximierung der System- und Komponentenlebensdauer sowie der zuverlässigen Erfüllung von

Solarthermische Anlagen mit Kollektorflächen > 100 m² gewinnen im Bereich der nachhaltigen Generierung von Wärme in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen sowohl national als auch international zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grund ist die Erreichung eines unproblematischen Stagnationsverhaltens von großem Interesse. Gerade bei der Minimierung der betriebsgebundenen Kosten (Wartungsarbeiten), der Maximierung der System- und Komponen­tenlebensdauer sowie der zuverlässigen Erfüllung von Ertragsgarantien ist ein unauffälliges Stagnationsverhalten ein entscheidender Aspekt.

Das Prinzip der Systemteilentleerung bietet einen möglichen Lösungsansatz. Im Wesentlichen basiert dieses Konzept auf einer Entleerung des Kollektorfeldes in einen Behälter direkt unterhalb der Kollektoren bei Stillstand der Pumpe. Bei diesem Vorgang kommt es zum Austausch der während des Betriebs im Behälter befindlichen Luft mit dem im Kollektor vorhandenen Wärmeträgermedium. Aufgrund der Schwerkraft fließt das Wärmeträgermedium über die Rücklaufleitung in den Behälter. Dadurch wird die im Behälter befindliche Systemluft verdrängt und die Kollektoren sowie die zwischen dem Behälter und den Kollektoren vorhandenen Leitungen über die Vorlaufleitung mit dieser Luft gefüllt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Art des Drain-Backprinzips besteht darin, dass es sich um ein geschlossenes System handelt und somit kein kontinuierlicher Sauerstoffeintrag in das System erfolgt. Weiters sind sämtliche Bereiche unterhalb des Behälters stets mit Wärmeträgermedium gefüllt und es kann daher die Rohrführung für diesen Bereich flexibel gestaltet werden. Durch die Montage des Behälters direkt unterhalb der Kollektoren sind nur geringe Förderhöhen und daraus resultierend geringe Pumpenergien für den Füllvorgang der Kollektoren notwendig.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes (Projektteam: AEE INTEC, Sunlumo, Ökotech, S.O.L.I.D.) galt es, ein zuverlässiges Gesamtsystemkonzept für teilentleerende solarthermische Anlagen >100 m² zu entwickeln. Dazu konnten in einem ersten Arbeitsschritt die wesentlichen, systemrelevanten Einflussparameter wie folgt identifiziert werden:

• Die Dimension des Fallrohres in Verbindung mit dem Füll- und Betriebsvolumenstrom und der Geometrie des Einströmrohres,
• die Dimension und Geometrie des Entleerbehälters in Verbindung mit der jeweiligen Anlagenkonstellation und der Druckentwicklung in Folge von Restflüssigkeit in den Kollektoren im Stagnationszustand und
• ein angepasstes Regelungskonzept (Befüllvolumenstrom und Betriebsvolumenstrom).

Insbesondere die Charakterisierung der sich im Falle einer Systementleerung oder Systembefüllung einstellenden Zweiphasenströmung (Fluid und Luft) in Abhängigkeit von der Fallrohrdimension, der Einlaufgeometrie, dem Volumenstrom, dem Wärmeträger und der Fluidtemperatur erwies sich als komplex. Anhand einer Vielzahl von experimentellen Untersuchungen wurden Zusammenhänge hergestellt, die einerseits die einfache Bestimmung des notwendigen Befüllvolumenstroms für die Entlüftung des Systems  und ein vollständig gefülltes Fallrohr, und andererseits die einfache Bestimmung des notwendigen Betriebsvolumenstroms, der diese Leitung gerade noch gefüllt hält, ermöglichen.  Dabei wird die Stromaufnahme der Primärkreispumpe durch Drehzahlregelung minimiert. Neben dem Fallrohrdurchmesser zeigten sich die Einlaufgeometrie des Fallrohres in den Entleerbehälter  und der Wärmeträger als weitere sensitive Größen.  Eine doppelte Umlenkung des Fallrohres um jeweils 90° erwies sich als günstig. Die Fluidtemperatur hingegen beeinflusste die Höhe der Volumenströme nur unwesentlich, zeigte aber einen Einfluss auf die Dauer von Füll- und Entleervorgängen. Die Befüll- und Entleerzeit war bei höheren Temperaturen deutlich kürzer.

Zur Bestimmung des Volumens des Entleerbehälters und der Druckentwicklung wurde ein Berechnungstool entwickelt, das die Aufnahme der Anlagenvolumina oberhalb des Behälters, die Flüssigkeitsdehnung in Folge eines Temperaturanstiegs im Betrieb sowie die Druckentwicklung in Folge von Verdampfung von Restflüssigkeitsmengen im Kollektor (Stagnationsfall) berücksichtigt.

Solarthermische Anlagen mit Kollektorflächen > 100 m² gewinnen im Bereich der nachhaltigen Generierung von Wärme in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen sowohl national als auch international zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grund ist die Erreichung eines unproblematischen Stagnationsverhaltens von großem Interesse. Gerade bei der Minimierung der betriebsgebundenen Kosten (Wartungsarbeiten), der Maximierung der System- und Komponen­tenlebensdauer sowie der zuverlässigen Erfüllung von Ertragsgarantien ist ein unauffälliges Stagnationsverhalten ein entscheidender Aspekt.

Das Prinzip der Systemteilentleerung bietet einen möglichen Lösungsansatz. Im Wesentlichen basiert dieses Konzept auf einer Entleerung des Kollektorfeldes in einen Behälter direkt unterhalb der Kollektoren bei Stillstand der Pumpe. Bei diesem Vorgang kommt es zum Austausch der während des Betriebs im Behälter befindlichen Luft mit dem im Kollektor vorhandenen Wärmeträgermedium. Aufgrund der Schwerkraft fließt das Wärmeträgermedium über die Rücklaufleitung in den Behälter. Dadurch wird die im Behälter befindliche Systemluft verdrängt und die Kollektoren sowie die zwischen dem Behälter und den Kollektoren vorhandenen Leitungen über die Vorlaufleitung mit dieser Luft gefüllt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Art des Drain-Backprinzips besteht darin, dass es sich um ein geschlossenes System handelt und somit kein kontinuierlicher Sauerstoffeintrag in das System erfolgt. Weiters sind sämtliche Bereiche unterhalb des Behälters stets mit Wärmeträgermedium gefüllt und es kann daher die Rohrführung für diesen Bereich flexibel gestaltet werden. Durch die Montage des Behälters direkt unterhalb der Kollektoren sind nur geringe Förderhöhen und daraus resultierend geringe Pumpenergien für den Füllvorgang der Kollektoren notwendig.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes (Projektteam: AEE INTEC, Sunlumo, Ökotech, S.O.L.I.D.) galt es, ein zuverlässiges Gesamtsystemkonzept für teilentleerende solarthermische Anlagen >100 m² zu entwickeln. Dazu konnten in einem ersten Arbeitsschritt die wesentlichen, systemrelevanten Einflussparameter wie folgt identifiziert werden:

• Die Dimension des Fallrohres in Verbindung mit dem Füll- und Betriebsvolumenstrom und der Geometrie des Einströmrohres,
• die Dimension und Geometrie des Entleerbehälters in Verbindung mit der jeweiligen Anlagenkonstellation und der Druckentwicklung in Folge von Restflüssigkeit in den Kollektoren im Stagnationszustand und
• ein angepasstes Regelungskonzept (Befüllvolumenstrom und Betriebsvolumenstrom).

Insbesondere die Charakterisierung der sich im Falle einer Systementleerung oder Systembefüllung einstellenden Zweiphasenströmung (Fluid und Luft) in Abhängigkeit von der Fallrohrdimension, der Einlaufgeometrie, dem Volumenstrom, dem Wärmeträger und der Fluidtemperatur erwies sich als komplex. Anhand einer Vielzahl von experimentellen Untersuchungen wurden Zusammenhänge hergestellt, die einerseits die einfache Bestimmung des notwendigen Befüllvolumenstroms für die Entlüftung des Systems  und ein vollständig gefülltes Fallrohr, und andererseits die einfache Bestimmung des notwendigen Betriebsvolumenstroms, der diese Leitung gerade noch gefüllt hält, ermöglichen.  Dabei wird die Stromaufnahme der Primärkreispumpe durch Drehzahlregelung minimiert. Neben dem Fallrohrdurchmesser zeigten sich die Einlaufgeometrie des Fallrohres in den Entleerbehälter  und der Wärmeträger als weitere sensitive Größen.  Eine doppelte Umlenkung des Fallrohres um jeweils 90° erwies sich als günstig. Die Fluidtemperatur hingegen beeinflusste die Höhe der Volumenströme nur unwesentlich, zeigte aber einen Einfluss auf die Dauer von Füll- und Entleervorgängen. Die Befüll- und Entleerzeit war bei höheren Temperaturen deutlich kürzer.

Zur Bestimmung des Volumens des Entleerbehälters und der Druckentwicklung wurde ein Berechnungstool entwickelt, das die Aufnahme der Anlagenvolumina oberhalb des Behälters, die Flüssigkeitsdehnung in Folge eines Temperaturanstiegs im Betrieb sowie die Druckentwicklung in Folge von Verdampfung von Restflüssigkeitsmengen im Kollektor (Stagnationsfall) berücksichtigt.

Eine Validierung der oben genannten Erkenntnisse und Dimensionierungswerkzeuge erfolgte mittels detaillierter messtechnischer Untersuchungen an sechs verschiedenen 25 m² großen Flachkollektorfeldern. Dabei wurden Standardgroßflächenkollektoren mit zwei verschiedenen internen Hydrauliken und sechs verschiedenen Kollektorfeldhydrauliken im Labor von AEE INTEC untersucht. Ein zentraler Schwerpunkt lag dabei auf der Bestimmung des Einflusses der unterschiedlichen Hydrauliken auf den verbleibenden Restflüssigkeitsanteil im Kollektor und dem in Folge von Stagnation (Dampfbildung) entstehenden Druckanstieg im System. Deutlich wurde dabei, dass grundsätzlich sowohl die Hydraulik von Einzelkollektoren als auch die Feldhydraulik einen zentralen Einfluss auf das generelle Funktionsprinzip und die Restflüssigkeitsmenge haben. Die verwendeten Standard­kollektoren zeigten zwar ein grundsätzlich günstiges Entleerverhalten, interne Flüssigkeitssäcke (Sammler, Kollektorverbinder, durchhängende Absorberrohre, etc.) führten aber trotzdem zu Restflüssigkeitsmengen, die bei gegebener Dimensionierung des Entleerbehälters je nach Art der Kollektorfeldhydraulik eine Druckerhöhung um etwa 1,0 bis 1,9 bar im Stagnationsfall zur Folge hatten. Der normale Betriebsdruck lag dabei im Bereich von etwa 0,8 bis 1,5 bar auf Kollektorebene. Trotz der grundsätzlich sehr guten Ergebnisse, könnten konsequent für dieses Funktionsprinzip entwickelte Kollektoren mit optimiertem Entleerverhalten noch günstigere Resultate erzielen. Nicht zuletzt erscheint dieses Prinzip auch hinsichtlich des Potenzials, Frostschutzmittel durch reines Wasser zu ersetzen, sehr interessant und würde neben dem unproblematischen Stagnationsverhalten einen weiteren entscheidenden Vorteil bieten.

Schließlich wurde basierend auf den erzielten Erkenntnissen eine reale Anlage zur Einspeisung in ein Mikronetz mit 100 m² Kollektorfläche nach dem Funktionsprinzip teilentleerender Systeme geplant und umgesetzt. Der Entleerbehälter wurde dabei mit 210 Litern festgelegt. Da die Anlage ein Gewerbegebiet mit Wärme versorgt, besteht im Sommer eine reduzierte Abnahme, wodurch immer wieder Stagnationszustände auftreten. Deshalb kann das Konzept eines teilentleerenden Systems in diesem Fall gut getestet werden. Die Anlage wurde von AEE INTEC im Sommer 2013 messtechnisch begleitet und detailliert analysiert. Die Resultate zeigten ein äußerst zufriedenstellendes Betriebsverhalten mit unproblematischen Füll- und Entleervorgängen und unproblematischem Stagnationsverhalten. Eine wärmetechnische Analyse ergab, dass entgegen der ursprünglichen Erwartung durch den Einsatz eines gut gedämmten Entleerbehälters geringere Gesamtwärmeverluste als bei einem vergleichbaren Standardsystem auftreten. Ebenso zeigt der elektrische Aufwand für den Pumpenstrom bei entsprechender Regelung keine signifikanten Nachteile gegenüber einem Standardsystem.

Die Ergebnisse des gegenständlichen Projektes haben gezeigt, dass das entwickelte Prinzip eines teilentleerenden Systems nicht nur bei Kleinanlagen, sondern auch bei großen solarthermischen Anlagen gut eingesetzt werden kann und zu einem unproblematischen Stagnationsverhalten mit geringer Systembelastung führt. Gleichzeitig konnten spezielle Dimensionierungsansätze für die kritischen Komponenten entwickelt, erprobt und validiert und viele systemrelevante Erkenntnisse generiert werden.

Schließlich wurde basierend auf den erzielten Erkenntnissen eine reale Anlage zur Einspeisung in ein Mikronetz mit 100 m² Kollektorfläche nach dem Funktionsprinzip teilentleerender Systeme geplant und umgesetzt. Der Entleerbehälter wurde dabei mit 210 Litern festgelegt. Da die Anlage ein Gewerbegebiet mit Wärme versorgt, besteht im Sommer eine reduzierte Abnahme, wodurch immer wieder Stagnationszustände auftreten. Deshalb kann das Konzept eines teilentleerenden Systems in diesem Fall gut getestet werden. Die Anlage wurde von AEE INTEC im Sommer 2013 messtechnisch begleitet und detailliert analysiert. Die Resultate zeigten ein äußerst zufriedenstellendes Betriebsverhalten mit unproblematischen Füll- und Entleervorgängen und unproblematischem Stagnationsverhalten. Eine wärmetechnische Analyse ergab, dass entgegen der ursprünglichen Erwartung durch den Einsatz eines gut gedämmten Entleerbehälters geringere Gesamtwärmeverluste als bei einem vergleichbaren Standardsystem auftreten. Ebenso zeigt der elektrische Aufwand für den Pumpenstrom bei entsprechender Regelung keine signifikanten Nachteile gegenüber einem Standardsystem.

Die Ergebnisse des gegenständlichen Projektes haben gezeigt, dass das entwickelte Prinzip eines teilentleerenden Systems nicht nur bei Kleinanlagen, sondern auch bei großen solarthermischen Anlagen gut eingesetzt werden kann und zu einem unproblematischen Stagnationsverhalten mit geringer Systembelastung führt. Gleichzeitig konnten spezielle Dimensionierungsansätze für die kritischen Komponenten entwickelt, erprobt und validiert und viele systemrelevante Erkenntnisse generiert werden.

. Konnten bei Anwendungen im Bereich der Einfamilienhäuser schon zahlreiche Erfahrungen gewonnen werden, die zur Entwicklung von entsprechenden technischen Lösungen führten, so existieren im Bereich von großen solarthermischen Anwendungen keine praxistauglichen Lösungsansätze. Einen interessanten Ansatz bietet das bisher nur in Kleinanlagen (Solare Warmwasser¬bereitung in Einfamilienhäusern) angewandte Prinzip einer Systemteilent¬leerung. Das Konzept basiert auf einer Entleerung der Kollektoren bei Stillstand der Umwälzpumpe in einen Behälter direkt unterhalb der Kollektoren. Dabei kommt es zu einem Austausch der während der Normalbetriebszeit im Behälter befindlichen Luft mit dem im Kollektor vorhandenen Wärmeträgermedium. Kann der Kollektor vollständig entleert werden, wird dadurch sichergestellt, dass es zu keiner Dampfbildung im Kollektor und somit zu keinen negativen Auswirkungen auf die Systemfunktion bzw. die Lebensdauer kommt. Voraussetzung hierfür ist eine entsprechende interne Kollektorhydraulik, die eine möglichst weitgehend vollständige Entleerung ermöglicht. Der Vorteil im Vergleich zu Drain-Back Anlagen liegt darin begründet, dass die restlichen Anlagenbereiche (von der Kollektorunterkante bis zum Speicher) gefüllt bleiben und dadurch die Rohrführung unterhalb des Aufnahmebehälters flexibel erfolgen kann. Des Weiteren bleibt bei der Anlagenbefüllung für die Pumpe nur eine kleine Förderhöhe zu bewerkstelligen, was einerseits kleinere Pumpen bedeutet und andererseits einen schnellen, zuverlässigen und selbsttätigen Füll- und Entlüftungsprozess ermöglicht. Einen weiteren Vorteil bietet die Ausführung als quasi geschlossenes System. Dadurch erfolgt kein Luftaustausch mit der Atmosphäre und wegen des im System vorhandenen Luftvolumens kann auf ein Membranausdehnungsgefäß verzichtet werden. Diese Vorteile basieren auf einer speziellen Hydraulik in der Entleer-, Befüll-, und Entgasungseinheit. Diese übernimmt neben dem wechselweisen Aufnehmen von Luft und Wärmeträgermedium die selbsttätige „Belüftung“ des Kollektors im Entleerungsfall sowie die vollständige Abscheidung von Luft im Normalbetrieb. Aufgrund der bisher experimentell erfolgten Entwicklung der Entleer-, Befüll-, und Entgasungseinheit für Kleinanlagen, sind wesentliche physikalische Zusammenhänge zur Funktionsweise bisher nicht bekannt und ein einfaches „up-scale“ auf große Anlagen ist aktuell nicht möglich. Vor diesem Hintergrund zielt das gegenständliche Projektvorhaben auf die grundlegende Entwicklung eines funktionellen Systemkonzeptes, das aufbauend auf dem beschriebenen Prinzip (bei Kleinanlagen), die Umsetzung eines teilentleerenden Systems in großen solarthermischen Anlagen (&gt,100 m²) ermöglicht. Neben dem messtechnisch unterstützten Aufbau einer grundsätzlichen Wissensbasis zu teilentleerenden Systemen, ist die Entwicklung einer fundierten Berechnungsmethode, welche die wesentlichen Funktionen (Entleerung, Befüllung und Entgasung) in theoretisch-physikalischen Zusammenhängen beschreibt und in Abhängigkeit von relevanten Parametern (Größe des Kollektorfeldes, Volumenstrom, Temperatur, Medium, etc.) die Bestimmung der Geometrien der neuralgischen Komponenten erlaubt, ein zentraler Bestandteil des Projektes. Damit würden die Grundlagen geschaffen werden, ein gesichert unproblematisches Stagnationsverhalten bei großen solarthermischen Anlagen zu erreichen, die Zuverlässigkeit sowie die Ertragssicherheit der Technologie weiter zu verbessern und eine rasche Markteinführung großer Solaranlagen zu unterstützen.