Solarthermie

Der Plan eine Solarthermie-Anlage auf’s Dach zu setzten war schon lange da. Ein Schacht vom Keller zum Dach für die Leitungen sowie ein 300 Liter Warmwasser-Speicher mit separatem Wärmetauscheranschluß waren schon beim Hausbau berücksichtigt. Trotzdem sollte es noch 15 Jahre dauern, bis das erste warme Wasser vom Dach kam – einfach deshalb weil andere Aufgaben wie z.B. Kinder wichtiger waren und außerdem war da noch die alte Heckflosse in der Garage…. Link zur Heckflosse

Die im Selbstbau erstellte Solarthermie-Anlage wird in den folgenden Einträgen näher beschrieben und es ist geplant die Erfahrungen im Betrieb im Blog zu dokumentieren.

Erste Gedanken….

Die Faustformel „2qm Kollektorfläche pro Person“ für warmes Brauchwasser ist sicher ein guter Richtwert. Wir haben auf dem Dach jedoch Platz für deutlich mehr Quadratmeter, und wollten neben der Bauchwassererwärmung auch eine Heizungsunterstützung realisieren. Selbst wenn wir später noch Photovoltaik-Module installieren möchten, sind 20qm Solarthermie-Fläche vor allem unter der Bedingung „Drain-Back-Bauweise“ (dazu später mehr)  kein Problem. Im folgenden Foto ist der erste Teil mit 10 qm zu sehen:

Warum Drainback ?

Eine Internetrecherche zeigte schnell, daß großflächige (herkömmliche) Solarthermie-Anlagen in Einfamilienhäusern vor allem ein Problem haben: Im Sommer ist viel zu viel Wärme-Energie da, die man „irgendwie“ loswerden muß (z.B. Kühler mit Gebläse, Garage heizen oder ähnlichen Unsinn). Außerdem besteht bei diesen Anlagen immer die Gefahr der Überhitzung bei Störfällen.

Das Ziel war eine Anlage zu bauen, die bei Störfällen wie Stromausfall, Elektronikdefekt, Pumpendefekt usw. eigensicher ist und die man einfach „abschalten“ kann. Die Lösung: Eine Anlage mit Drain-Back-Speicher !

 

 

 

Der Vorteil der Drainback-Anlagen besteht darin, daß im Ruhezustand (Solar-Pumpe aus) die Kollektoren mit Luft und nicht wie bei herkömmlichen Anlagen mit Wasser gefüllt sind. Dies hat im Vergleich mehrere Vorteile: Es gibt in den Kollektoren kein Wasser das im Sommer kochen oder im Winter einfrieren kann. An unserer Anlage haben wir im Sommer Kollektor-Temperaturen bis zu 200°C gemessen und nach Spezifikation kann der Kollektor das verkraften. Um es klar zu sagen: Im Störfall oder auch während eines Urlaubs, in dem die Anlage absichtlich ausgeschaltet wird, kann der Anlage nichts passieren. Ein Frostschutzmittel ist auch nicht notwendig. Notwendig ist jedoch ein kleiner Speicher auf dem Dachboden, der die Wassermenge aus den Kollektoren aufnehmen kann (= Drain-Back-Speicher), und eine Montage der Kollektoren und der oberen Rohrleitungen mit ca 0,5% Gefälle, wodurch das selbstständige Zurücklaufen des Wasser sichergestellt ist.

Der Spaß und das erste Einschalten

Der gesamte Aufbau der Anlage fand im Sommer 2018 statt und hat sehr viel Spaß gemacht. Auch die unterschiedlichen Disziplinen Mechanik, Wasser, Elektronik, Software waren äußerst interessant. Als dann schließlich die Pumpe zum ersten Mal bei strahlendem Sonnenschein eingeschaltet wurde, war das ziemlich beeindruckend wie die Kollektoren wie ein Durchlauferhitzer arbeiten und der 300 Liter Speicher ruck-zuck auf 50°C aufgeheizt war.

Die Architektur

Unsere Philosophie ist die Einfachheit. Dementsprechend ist der Aufbau der Anlage (dazu unten mehr). Keine Kompromisse wollten wir bei der Zustandsüberwachung eingehen: Neben den diversen Temperatur-Sensoren, gibt es eine System-Druck-Überwachung und auch eine Messung des Wasserstands im Drain-Back-Speicher. Nur so kann man sicherstellen, daß die Solar-Pumpe nie trockenläuft.

Der einzelnen Baugruppen:

 1) Der mechanische Außenaufbau

Für die mechanische Befestigung der 5 Kollektoren wurden insgesamt 14 Dachhaken (alles V2A) gesetzt und die Dachpfannen mit der Flex so bearbeitet, daß die Pfannen wieder richtig und dichtend sitzen. Auf diese Dachhaken wurden 2 durchgehende Item-Alu-Profil-Stangen 40×40 mm² geschraubt, auf die wiederum die Kollektoren mit V2A-Edelstahl-Klemmen befestigt wurden. Etwas problematisch war die Realisierung des 0,5% Gefälles, da alle Dachhacken mit unterschiedlich langen Verlängerungen ausgeführt werden mußten. Die sich insgesamt ergebende „Schiefheit“ der Kollektoren-Gruppe von 25mm fällt von weitem nicht auf.

Ein Abrutschen nach unten wurde durch je 2 Haken (40x4mm², V2A) pro Kollektor verhindert:

Die beiden Rohrdurchführungen sind nicht optimal. Für diese Dachpfannen gibt es seitens des Herstellers keine speziellen Lösungen. Da blieb nur das Improvisieren mit Zink-Blech. Dicht ist es jedenfalls.

 2) Die Rohrverlegung im Dachboden

Für die Rücklaufleitung im Dachboden wurden günstige Trockenbauschienen aneinander geschraubt und mit dem geforderten Gefälle auf die Dachbalken geschraubt und darauf das isolierte Edelstahl-Wellrohr (DN20, 1″) mit Kabelbindern fixiert:

Hier ist der Übergang der Rücklaufleitung zum 22mm Kupferrohr im Schacht zum Keller:

Das Rohr vom oberen Kollektor-Anschluß muß im Querschnitt etwas kleiner sein DN16 3/4″ (Siphon-Effekt). Hier ist der Anschluß zum Drain-Back-Speicher zu sehen:

 3) Der Drain-Back-Speicher

Das Datenblatt der Kollektoren liefert das Wasservolumen pro Kollektor, desweiteren kann man über den Querschnitt und die Länge der Edelstahl-Wellrohre deren Wasservolumen ausrechnen. Insgesamt ergab sich bei uns rechnerisch 15 Liter. Dieses Volumen muß der Drain-Back-Speicher im Ruhezustand aufnehmen. Wir haben uns für ein 24 Liter Edelstahl-Druckausdehnungs-Gefäß entschieden. Der Gummi-Sack wurde ausgebaut und an der oberen Seite eine Messing-Verschraubung angebracht (siehe Bild oben). Es wurden noch weitere Modifizierungen vorgenommen (Einbau Wasserschalter und anderes) die weiter unten beschrieben sind.

 

 

 

Im ersten Bild ist das Edelstahlgefäß selbst zu sehen, im zweiten und dritten Bild der untere Flansch, der mit dem Gefäß verschraubt wird. Der Flansch hat an der Unterseite einen 3/4″-Anschluß, an dem das zweite 22mm Kupferrohr angeschlossen ist.

(Die beiden Kugelhahn-Ventile mit dem blauen Griff in den Bildern sind überflüssige Relikte. Dies war der Nachbau eines Vorschlags aus dem Internet, um den Wasserstand im Behälter außen über einen durchsichtigen Schlauch – im ersten Bild zu sehen – sichtbar zu machen. Die Ventile waren nur zur Sicherheit bei Schlauchbruch vorgesehen und im Normalfall geschlossen. Die Anordnung ist aber unbrauchbar, weil durch Lufttaschen in den Zuleitungen der Flüssigkeitsstand im Schlauch außen nicht richtig angezeigt wird. Die Höhe des Flüssigkeitsstand im Behälter wird inzwischen anders gemessen (siehe unten)).

4) Die Solar-Pumpe

Als Solar-Pumpe wurde das Modell UPM3 Solar 15-145 130 CZA von Grundfos gekauft. Die Förderhöhe von 14,5m ist wahrscheinlich überdimensioniert. Wichtig ist die Möglichkeit der Regelbarkeit der Fördermenge (über ein PWM-Signal)

5) Warm-Wassser-Speicher

Der schon vorhandene 300 Liter Speicher mit 2 Wärmetauscher-Anschlüssen:

6) Die Temperaturmessung

Die Temperaturmessung mit einem Fehler < 1° ist schwierig. Es gibt noch weitere Aspekte wie die Langzeitstabilität oder die Austauschbarkeit, die bei der Auswahl der Sensoren eingehen. Nach reiflicher Recherche sind wir zu dem Entschluß gekommen, die sehr genau gefertigten PT1000-Sensoren in Kombination mit dem guten alten OP07-Operationsverstärker  zu verwenden. Die spezifizierte (und auch gemessene) Fertigungs-Toleranz der PT1000-Widerstände ist sehr klein. Die gemessene Offset-Toleranz der OP07 ist deutlich größer und lag bei unseren Exemplaren bei ca. 2°. Dieser Offset konnte wie im Datenblatt beschrieben über ein Trimm-Potentiometer wegkalibriert werden. Danach war die Übereinstimmung der insgesamt 5 aufgebauten Temperatur-Kreise ziemlich gut. Die konkrete Bestückung ist im Schaltplan zu sehen. Der (unübliche) Serienwiderstand zum PT1000 ist so dimensioniert, daß der AD-Konverter-Bereich des AT-Mega für -10°C bis 200°C optimal genutzt wird.

Die PT1000-Sensoren selbst wurden über Ebay in China für ca. 1€/Stück bestellt. Die Integration in ein kleines Kupferrohr mit Wärmeleitpaste (in der abgeplatteten Spitze) und Abdichtung mit Silikon war unkritisch für die normalen Sensoren bis 100°C:

Für den besonders wichtigen Sensor am oberen Kollektor-Ausgang mußte ein spezieller Aufbau gewählt werden: Da hier Temperaturen bis zu ca. 200°C enstehen, konnten die normalen Kabelisolierungen nicht verwendet werden. Im Bild ist unsere Lösung mit einem Stück Leiterplatte und Silikon-Schlauch-isolierten Kabeln zu sehen:

 

7) Die Druckmessung

Für die (visuelle) Druckmessung wurde ein Manometer aus einem Baumarkt für ca. 5€ verbaut. Für den sicheren Betrieb der Solar-Anlage ist die aber auch ein elektrisches Signal für die Elektronik notwendig. Es gibt natürlich viele fix-und-fertig zu kaufende Drucksensoren. Nur sind die erstens ziemlich teuer und meistens bzgl. Auflösung völlig überdimensioniert. In unserem Fall will man – grob gesagt – nur wissen, ob der Druck im System 0 oder 1 oder 2 Bar ist.  Nach längerer Suche sind wir bei folgender Lösung angelangt: Wie wäre es , wenn man die Zeiger-Nadel im vorhandenen mechanischen Manometer nach hinten verlängert, eine reflektierende Folie darunter aufklebt, im Halbkreis einige Reflektions-Lichtschranken anbringt, diese nacheinander abfragt bis die Reflektionsfolie gefunden ist und so der Druck elektrisch bekannt ist:

Mit dem Reflektionslichtschranken-Typ ITR8307 haben wir eine ziemlich kleine Bauform gefunden, die es erlaubt insgesamt 10 Stück im Meßbereich 0-2Bar anzuordnen.  Im Kästchen darunter ist die Abfrage-Elektronik untergebracht (im wesentlichen ein CD4017).  Hier einige Detailbilder:

 

Die Anordnung funktioniert einwandfrei und hat tatsächlich (nach Optimierung der Fläche der Reflektionsfolie) eine Auflöung von 0,2Bar. Preisgünstiger gehts nicht: Die 10 Lichtschranken kosteten 3€.

8) Die Wasserstandsmessung und weitere Massnahmen

im Drain-Back-Behälter

Für die  Wasserstandsmessung im Drain-Back-Speicher haben wir viele Überlegungen angestellt. Eigentlich gibt es für die Messung einer Füllstandshöhe dutzende Lösungen (=> Internet). In unserem Fall handelt es sich jedoch um einem geschlossenen Behälter, der unter Druck steht, von sehr heißem Wasser durchflossen wird und in den man aus Korrosionsgründen nur Edelstahl verbauen sollte. Es gibt Systeme, die mit Ultraschall arbeiten, die aber in robusten Edelstahlausführungen zu teuer und zu präzise sind. Wir brauchen – ähnlich wie bei der Druckmessung – nur eine grobe Auflösung.

Die Lösung: Es gibt für Aquarien Schwimmer-Schalter mit Reedkontakten, die vollkommen geschlossen sind und in Edelstahl verfügbar sind (ca. 3€/Stück):

Wir haben insgesamt  3 Stück im oberen Bereich des Drain-Back-Speichers verbaut. Der jeweilige Wasserstand wird über die 3 Reedkontake von der Elektronik abgefragt  und folgendermaßen ausgewertet:  Sind alle Kontakte geschlossen ist der Wasserstand ok und die grüne LED leuchtet. Ist nur der oberste Kontakt offen, ist prinzipiell noch genügend Wasser im System (LED gelb an) und die Solar-Anlage kann weiter laufen. Sobald auch der 2 Reedkontakt offen ist, wird die Pumpe gesperrt und die rote LED leuchtet. Ist auch der dritte Kontakt offen, blinkt die rote LED zusätzlich.

Weitere Einbauten im Drain-Back-Speicher: Bei ersten Versuchen die Anlage zu betreiben, tauchte ein Problem auf: Im Drain-Back-Gefäß ergießt sich das heiße Wasser von oben im freien Fall auf den unteren Flansch, also die Ansaugleitung der Solar-Pumpe. Durch den freien Fall wird sehr viel Luft mitgerissen und landet schließlich auch in der Pumpe. Es enstehen sehr laute Geräusche und außerdem ist es nicht gut die Pumpe dauerhaft so zu betreiben. Die Lösung: Im Speicher-Gefäß wurden insgesamt 3 Ebenen aus Edelstahlblech eingebaut, über die das Wasser sehr sanft herunterplätschern kann:

Die 3 Bleche haben das Problem vollständig gelöst. Die Pumpe läuft jetzt sehr leise. Im Bild sind auch die 3 Wasser-Schalter zu sehen. Eine kleine Herausforderung gab es dann aber doch noch: Die Bleche mußten so geformt werden, daß das ganze durch die Flanschöffnung passt oder wenn es nicht ging, so unterteilt/geschlitzt werden, daß die Teilbleche durch die Öffnung passen, um dann im Gefäß montiert zu werden (z.B. die im Bild zu sehende 4-Teilung des unteren dritten Blechs; das zweite Blech ist geschlitzt, um es in in den Flansch „einzudrehen“).

9) Die Elektronik

Herzstück der Elektronik ist ein AT-Mega 16 mit folgenden Aufgaben:

• AD-Wandlung der diversen Temperaturen
• Ansteuerung LCD-Anzeige
• PWM-Ansteuerung Solar-Pumpe
• Drucküberwachung
• Wasserstandsüberwachung
• Steuerung Heizungsunterstützung

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10) Software

Die Software hat im Grunde genommen eine sehr einfache Aufgabe: Sobald die Temperatur im Kollektor größer ist als die Temperatur im Speicher, wird die Pumpe eingeschaltet. Im Detail ist da jedoch einiges mehr zu berücksichtigen. Neben der Überwachungsfunktion (Druck, Wasserstand) sind Maximal-, Minimal- und Differenz-Temperaturen zu berücksichtigen. Z.B. zeigt sich in der Praxis, daß die Differenz- Temperatur Kollektor-Speicher mindestens 10°C betragen sollte, bevor die Pumpe gestartet wird, weil durch den Wasser-Fluß nach dem Pumpen-Start diese Differenz sofort reduziert wird und so eventuell ein „pulsierender“ Betrieb (Pumpe an/aus) enstehen würde. Die diversen Parameter, die in der Software definiert sind,  sind sicherlich optimierbar.

Wir sind keine Software-Profis und da sind im Quellcode bestimmt „haarsträubende“ Design-Schwächen zu finden…in der Praxis funktioniert’s jedenfalls. Für die LCD-Anzeige wurden die Routinen von Simon Kueppers verwendet.

Software:  main.pdf

https://github.com/gerry501501/Solarthermics

11) Preise und erwartete Einsparung

• 5 Kollektoren KS2100 TLP AC von Hewalex  650€ (Sonderangebot Ebay Kleinanzeigen) (wichtig ist die Harfen-Form!)
• Item-Profil 40x40mm² 12m + Zubehör ca. 175€ (Ebay)
• Edelstahl Befestigungs-Material ca. 160€ (Ebay)
• Solar-Pumpe: UPM3 Solar 15-145 130 CZA von Grundfos ca. 100€ (Ebay)
• Kupferrohr 22mm 20m ca. 100€ (Baumarkt)
• Rohr-Isolierung ca. 85€  (Wimex e.K.)
• Edelstahlwellrohr DN20 15m + DN16 5m ca. 60€ (Ebay)
• Edelstahl Drain-Back-Speicher (Druckausdehnungsgefäß) ca. 50€ (Ebay)
• Messing-Verschraubungen ca. 50€ (Wimex e.K.)
• Elektronik <50€
• alle weiteren Kleinteile <50€

Unsere bisherigen Gas-Kosten lagen bei etwa 1200€/Jahr. Da wir auch mit Holz heizen, schätzen wir den Warmwasseranteil auf ca. 400€. Wir denken/hoffen, daß wir mit der Solar-Anlage mindestens 400€ pro Jahr sparen können. Wir werden berichten.

12) Offene Frage

Zu einem Thema haben wir bisher gar nichts gefunden (Überhaupt ist für die Drain-Back-Technologie im Internet wenig praktisches zu finden): Wie ist der optimale Wasserdruck im System? Es gibt theoretisch die Möglichkeit das Ganze als offenes System (Druck=0) zu betreiben oder aber – wie in unserem Fall – ein Überdruck-System zu verwenden. Beide Systeme haben Vor- und Nachteile. Das offene System hat prinzipbedingt immer neuen Sauerstoff im Wasser, was wohl zu Korrosions -Problemen führt. Das Überdruck-System hat dieses Problem nicht (wirklich nicht?), ist aber komplizierter. Kommentare zu diesem Thema sind willkommen!

13) Gedanken zur Einfachheit…

Wie man diversen Webseiten über Solarthermie-Anlagen entnehmen kann, sind der Kompliziertheit und der Verschachtelung mit anderen Anlagen wie zb. der Heizung und weiteren separaten Speichern usw. keine Grenzen gesetzt. Als Konsequenz sind unter anderem diverse Ventile oder Mischer,  zusätzliche Pumpen und eine immer komplizierter werdende elektronische Steuerung einzubauen.

Meine beruflichen und privaten Erfahrungen haben mich jedoch eins gelehrt: Je komplizierter das System, desto störanfälliger ist es auch. Oder anders gesagt: Wenn kein Ventil da ist, kann da auch nichts korrodieren, verklemmen oder undicht werden.  Unser Ziel war es daher eine Anlage zu bauen, die mit minimalen (und wartungsfreien) Bauteilen auskommt: In unserem System ist im eigentlichen Wasser-Kreislauf nur die regelbare Solarpumpe verbaut, jedoch keine Ventile oder Mischer, keine Durchflussmesser, keine Schwerkraftbremsen oder sonstiges (Bemerkung: Natürlich gibt es das Befüll- und ein Überdruck-Ventil und ein Manometer).

Unsere Philosophie für die elektronische Regelung ist ähnlich: Eine übergreifenede Steuerung für alle Systeme also dem Solar-, Warmwasser- und Heizungs-Kreis gibt es nicht. Jedes System arbeitet unabhängig für sich: Der Gas-Heizkessel überwacht nur „seine“ Vorlauftemperatur, die Warmwasser-Bereitung über die Gas-Heizung „schaut“ nur auf die Brauchwasser-Temperatur im oberen Speicherbereich und der Solar-Kreis überwacht nur sein System. Uns ist klar, daß durch diese Vorgehensweise die Effizienz der Wärmegewinnung eventuell etwas leidet und ausgefeiltere Systeme, wie z.B. solche, die mit Schicht-Speichern arbeiten oder die die Wettervorhersage mit einbeziehen oder ähnliches, besser abschneiden. Das alles widerspricht aber der Forderung nach Einfachheit.

Für die geplante Heizungsunterstützung durch das Solar-System gibt es einen vierten unabhängigen Regelkreis: Falls die Temperatur im Warmwasser-Speicher eine Grenztemperatur (z.B. 55 oder 60°C) erreicht und überschreitet, wird die vorhandene Pumpe im Warmwasser-Gas-Kessel-Kreislauf eingeschaltet und so umgekehrt Wärme vom Warmwasser-Speicher in den Kessel gepumpt und so die Vorlauftemperatur der Heizung erhöht. Dieser letzte Schritt ist aber noch nicht erprobt und dafür müßte eigentlich der Warmwasser-Speicher größer sein. Mal sehen.

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