Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Die in den letzten Jahren erzielte Effizienzsteigerung von thermischen Kollektoren führte einerseits zu den gewünschten höheren Solarerträgen, brachte andererseits aber höhere thermische Belastungen des Solarsystems im Stagnationsfall mit sich. Vor allem thermische Solarsysteme zur Heizungsunterstützung (Kombisysteme) erreichen im Sommer aufgrund des fehlenden Verbrauchs häufig den Zustand der Stagnation. Da das Gesamtsystem im Stagnationsfall sehr hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist, kommt es bei ungünstigem bzw. falschem Systemdesign häufig zu Schäden und Problemen an der Anlage (Schäden an Komponenten infolge zu hoher Temperaturbelastung, Abblasen des Sicherheitsventils, Kondensationsschläge, Degradation des Wärmeträgers, etc.). Der Großteil dieser Defekte ist bei entsprechendem Wissen über die Vorgänge im Stagnationszustand aber bereits in der Planungsphase zu vermeiden.

Im Rahmen dieses Projektes wurden mit den 7 beteiligten Industriepartnern konkrete Ansätze und Lösungen zur Erreichung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten erarbeitet.

Als wichtigste Kenngröße und Maßzahl zur Beurteilung des Stagnationsverhaltens von Kollektoren und Systemen wurde die spezifische maximale Dampfleistung erkannt. Sie erlaubt eine Klassifizierung von unterschiedlichen Kollektortypen bzw. Verschaltungsvarianten sowie die Errechnung der maximalen Reichweite des Dampfes. Den wichtigsten Einfluss auf die spezifische maximale Dampfleistung hat neben der solaren Einstrahlung das Entleerungsverhalten des Kollektors und des Systems. Anhand zahlreicher Messungen am Versuchsstand der AEE INTEC (innerhalb von zwei Messperioden - Sommerhalbjahr 2001 und 2002) an repräsentativen Einzelkollektoren (1. Messperiode, 6m², 6 Typen) sowie an typischen Verschaltungen von Einzelkollektoren (2. Messperiode, 24 m², 3 Typen, 8 Varianten) wurden Einflüsse auf das Entleerungsverhalten untersucht. Die Klasse der gut entleerenden Kollektoren und Systeme hat bei maximal möglicher solarer Einstrahlung eine spezifische maximale Dampfleistung von <= 50 W je m² Kollektorfläche, die Klasse der schlecht entleerenden Flachkollektoren und Systeme hingegen eine spezifische maximale Dampfleistung von bis zu 120 W/m² (Vakuumröhrenkollektor bis 140 W/m²).

Alle getesteten Verschaltungsvarianten (24 m², 3 Typen, 8 Varianten) zeigten gegenüber demjenigen der Einzelkollektoren nur einen geringen Einfluss auf das Entleerungsverhalten. Allerdings sind dabei Grundsätze in der Leitungsführung zu beachten. Der Einsatz gut entleerender Kollektoren und Systeme ist Voraussetzung für stagnationssicheren und damit langen sowie wartungsarmen Betrieb der Systeme.

Neben der Beschaffenheit von Kollektoren, Verschaltung und Rohrführung ist die richtige Anordnung des Rückschlagventils innerhalb der Rücklaufgruppe (folgende Reihenfolge: Rückschlagventil - Anschluss Ausdehnungsgefäß - Rücklaufleitung) ein wesentliches Kriterium zum Erreichen niederer spezifischer Dampfleistungen.

Ist bei einem bestimmten System die errechnete Dampfreichweite so groß, dass temperaturempfindliche Bauelemente erreicht werden können, so wurden einige praxistaugliche Maßnahmen erarbeitet, diese zu begrenzen. Die aus heutiger Sicht günstigste ist der Einsatz eines preiswerten einfachen Stagnationskühlers vor dem Ausdehnungsgefäß, der in geeigneter geodätischer Lage montiert, ohne Einsatz von Hilfsenergie, die Dampfreichweite auf unkritische Bereiche einschränkt.

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden die bisher üblichen Dimensionierungsrichtlinien für das Membranausdehnungsgefäß, unter Berücksichtigung der Vorgänge während des Stagnationszustandes, entscheidend modifiziert und in einfachen Termen praxistauglich zusammengefasst.

Als eine der Quellen von Kondensationsdruckschlägen wurden Dampfblaseneinschlüsse verursacht durch Mischung eines Dampf- und eines Flüssigkeitsstromes im Bereich von T-Stücken innerhalb des Kollektors und im Verlaufe der vom Dampf erreichten Rohrleitungen erkannt. Ebenso verursachen Kondensatansammlungen in Rohrsenken und längeren horizontalen Leitungen Kondensationsschläge. Gut entleerende Kollektoren und Systeme sowie konsequent fallende Verlegung von Rohrleitungen minimieren die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Druckschlägen. Obwohl Kondensationsdruckschläge akustisch stark störende Ereignisse darstellen können, wurden bei den vorliegenden hochfrequenten Messungen (Auflösung 20 ms) keine unzulässigen Druckbelastungen von Systemkomponenten festgestellt.

Die in der ersten Messperiode (Sommerhalbjahr 2001) eingesetzten Wärmeträgermedien wurden analytisch untersucht und mit den gemessenen thermischen Stagnationsbelastungen verglichen. Dabei zeigte sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen analytisch nachweisbarem Abbau der Reservealkalität und der thermischen Belastung der Restflüssigkeitsmenge im Stagnationsfall. Autoklaventests bei Temperaturen von 160 °C, 200 °C und 235 °C über einen Zeitraum von 6 Wochen an den beiden eingesetzten Medien TYFOCORâ LS und TYFOCORâ L zeigten den thermischen Abbau und die Belastungsgrenzen. Auf die Praxis übertragen bestätigen die Ergebnisse der Wärmeträgeruntersuchungen die Notwendigkeit einer möglichst vollständigen Entleerung der Kollektoren im Stagnationsfall, sodass das Medium - wenn überhaupt, dann nur in möglichst geringer Menge während des "Leersiedens" - erhöhten Temperaturen unterworfen ist.

Die Ergebnisse dieses Projektes wurden bei 5 internationalen Veranstaltungen sowie in 2 Fachmagazinen veröffentlicht.

Projektleiter:
DI Robert Hausner, Ing. Christian Fink, Ing. Waldemar Wagner, Richard Riva
AEE INTEC, Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE, Institut für Nachhaltige Technologien

Projektpartner:

• Sonnenkraft Vertriebs - GmbH
• GREENoneTEC Solarindustrie GmbH
• S.O.L.I.D. Gesmb
• HÖKOTECH GesmbH
• Tyforop Chemie GmbH
• RESOL - Elektronische Regelungen GmbH
• Gebr. Tuxhorn GmbH & Co KG

Kontakt

Ing. Christian Fink
AEE Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
Feldgasse 19
A 8200 Gleisdorf
E-Mail: c.fink@aee.at