Wärmeübertrager in der Solarthermie: Solarstation, externer Wärmeübertrager und Speicherladung

Warum die Solarthermie einen Wärmeübertrager braucht

Eine Solarthermieanlage nutzt Sonnenwärme, um das Wasser in einem Speicher zu erwärmen. Solarkreis und Speicherwasser sind dabei meist voneinander getrennt. Ein Wärmeübertrager gibt die Wärme vom einen Kreislauf an den anderen weiter, ohne dass sich die Flüssigkeiten vermischen.

Diese Trennung ist vor allem dann wichtig, wenn im Solarkreis ein anderes Medium zirkuliert als im Speicher, etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch als Frostschutz, oder wenn auf beiden Seiten unterschiedliche Druck- und Betriebsbedingungen herrschen. Der Wärmeübertrager ist damit die thermische Schnittstelle zwischen Kollektor und Speicher. Bauart und Einbindung entscheiden mit darüber, wie gut die Wärme im Speicher ankommt.

Nicht jede Anlage arbeitet mit einem eigenen Bauteil außerhalb des Speichers. Häufig ist der Wärmeübertrager als Rohrwendel in den Speicher integriert, in anderen Anlagen sitzt ein externer Wärmeübertrager zwischen den Kreisläufen. Welche Lösung passt, hängt unter anderem vom Anlagenkonzept, von der benötigten Übertragungsleistung und vom Aufbau des Speichers ab.

Solarstation und Wärmeübertrager: wer welche Aufgabe hat

Die Solarstation fasst wichtige Komponenten des Solarkreises zusammen. Je nach Ausführung gehören dazu eine Umwälzpumpe, Absperr- und Rückschlagarmaturen sowie Anzeigen oder Anschlüsse zur Überwachung. Eine Regelung schaltet die Pumpe in der Regel abhängig von den gemessenen Temperaturen ein und aus.

Der Wärmeübertrager hat eine andere Aufgabe: Er gibt die Wärme aus dem Solarkreis an den Speicherkreis ab. Bei einer Speicherwendel liegt die Übertragungsfläche im Speicher selbst, bei einem externen Wärmeübertrager koppelt ein separates Bauteil die beiden Kreisläufe thermisch.

Solarstation und Wärmeübertrager sind deshalb als Teile eines Systems zu betrachten. Eine leistungsstarke Pumpe allein garantiert noch keine gute Speicherladung. Ebenso wenig genügt eine große Übertragungsfläche, wenn die Kreisläufe nicht aufeinander abgestimmt sind oder die Regelung die Wärmeabgabe nicht sinnvoll steuert.

Interner oder externer Wärmeübertrager?

Beide Lösungen erfüllen dieselbe Aufgabe, unterscheiden sich aber in Aufbau, Platzbedarf und Spielraum bei der Einbindung.

Wärmeübertrager im Speicher

Eine Rohrwendel im Speicher ist eine kompakte und verbreitete Lösung. Das erwärmte Medium aus dem Solarkreis strömt durch die Wendel und gibt seine Wärme an das umgebende Speicherwasser ab. Die Wärme geht dabei durch die Rohrwand, die Flüssigkeiten bleiben getrennt.

Für die Schichtung im Speicher spielt die Lage der Wendel eine Rolle. Wärmeres Wasser steigt nach oben, kühleres sammelt sich unten. Liegt die Wendel im unteren Speicherbereich, wird die Solarwärme dort eingebracht, wo sich das kühlere Wasser befindet, und die Temperaturschichtung kann bei geeigneter Auslegung erhalten bleiben. Wie sich ein Speicher im Einzelfall verhält, hängt allerdings von seiner Geometrie, der Einströmung und der Betriebsweise ab.

Ein integrierter Wärmeübertrager spart externe Verrohrung und zusätzliche Bauteile. Übertragungsfläche und Lage im Speicher sind dafür durch den Speicheraufbau vorgegeben. Das ist bei der Beurteilung zu berücksichtigen, vor allem wenn die Anlage eine bestimmte Ladeleistung erreichen soll.

Externer Wärmeübertrager

Ein externer Wärmeübertrager sitzt außerhalb des Speichers. Häufig sind das kompakte Plattenwärmeübertrager: Die beiden Flüssigkeiten strömen in getrennten Kanälen aneinander vorbei und geben Wärme durch dünne Metallplatten weiter.

Für die Speicherladung ist dann ein zusätzlicher Kreis beziehungsweise eine entsprechende hydraulische Einbindung nötig. Eine zweite Pumpe fördert das Speicherwasser durch den Wärmeübertrager und zurück in den Speicher. Das lässt mehr Spielraum bei Auswahl und Dimensionierung des Wärmeübertragers, verlangt aber eine sorgfältige Abstimmung von Pumpen, Leitungen und Regelung.

Ein externer Apparat lässt sich zudem gut zugänglich anordnen. Dem stehen zusätzliche Anschlüsse, mehr Platzbedarf und mögliche Wärmeverluste in den Leitungen gegenüber. Ob diese Bauart Vorteile bringt, lässt sich daher nicht pauschal sagen.

Worauf es bei der Auslegung ankommt

Die Auslegung richtet sich nach dem Wärmebedarf und den Betriebsbedingungen der Anlage. Wichtige Größen sind die gewünschte Übertragungsleistung, die Temperaturen auf beiden Seiten des Wärmeübertragers und die verfügbaren Volumenströme. Auch der Druckverlust zählt, denn er bestimmt, welche Förderleistung die Pumpen aufbringen müssen.

Wirksam überträgt ein Wärmeübertrager Wärme nur, wenn zwischen beiden Seiten ein ausreichender Temperaturunterschied besteht. Wird dieser kleiner, braucht es für dieselbe Leistung mehr Übertragungsfläche oder einen angepassten Volumenstrom. Leistungsangaben zu einem Bauteil sind deshalb immer im Zusammenhang mit den vorgesehenen Betriebsbedingungen zu lesen und nicht als feste Größe.

Bei externen Lösungen gehören auch Rohrführung und Lage der Temperaturfühler zur Planung. Ungünstige Leitungswege verursachen Wärmeverluste und zusätzliche hydraulische Widerstände. Die Fühler müssen Temperaturen erfassen, die für die Regelung tatsächlich aussagekräftig sind. Wie sie genau anzuordnen sind, hängt vom Anlagenkonzept ab.

Bei der Auslegung sollten Fachleute die Komponenten gemeinsam betrachten: Kollektorfeld, Speicher, Wärmeübertrager, Pumpen und Regelung. Wer nur ein Teil ändert, kann die Betriebsweise der gesamten Anlage beeinflussen.

So läuft die Speicherladung ab

Liefern die Kollektoren genug Wärme, vergleicht die Regelung üblicherweise die gemessenen Temperaturen. Sind die Bedingungen für eine Wärmeübertragung erfüllt, schaltet sie die Pumpe des Solarkreises ein. Das erwärmte Medium strömt zum Wärmeübertrager und gibt dort seine Wärme an das Speicherwasser ab.

Bei einer Speicherwendel gelangt die Wärme direkt über die Rohrwand in den Speicher. Bei einem externen Wärmeübertrager fördert zusätzlich eine Pumpe das Speicherwasser durch das Bauteil, anschließend fließt das erwärmte Wasser in den Speicher zurück. Sind die festgelegten Betriebsbedingungen nicht mehr erfüllt, beendet oder drosselt die Regelung die Förderung.

Eine gleichmäßige Durchwärmung des ganzen Speichers ist dabei nicht immer das Ziel. Je nach Nutzung kann es sinnvoll sein, die Wärme gezielt in einen bestimmten Bereich einzubringen, damit die Temperaturschichtung erhalten bleibt. Dafür müssen Wärmeübertrager, Einbindung und Regelung zusammenpassen. Ob das Trinkwasser anschließend direkt im Speicher oder im Durchfluss über eine Frischwasserstation erwärmt wird, ist eine eigene Frage der Anlagenplanung.

Fazit

Der Wärmeübertrager ist die Schnittstelle, über die eine Solarthermieanlage ihre Wärme in den Speicher einbringt. Eine integrierte Speicherwendel ist kompakt, ein externer Wärmeübertrager bietet mehr Spielraum bei der Einbindung. Entscheidend ist, dass Wärmeübertrager, Solarstation, Speicher und Regelung aufeinander abgestimmt sind. Wie Wärmeübertrager in einer anderen Anlage der Gebäudetechnik arbeiten, zeigt der Beitrag zur Wärmerückgewinnung in der Lüftung; alle Beiträge bündelt die Rubrik Wärmeübertragung.