Solarthermie: Erneuerbare Energie für eine zuverlässige Warmwasserversorgung

Einleitung

Energiekosten, Energieunabhängigkeit und Systemzuverlässigkeit sind zu zentralen Themen auf dem europäischen Heizungsmarkt geworden. Daher suchen Hersteller und Gebäudeeigentümer zunehmend nach Lösungen, die erneuerbare Energien effizienter nutzen und gleichzeitig Komfort und Sicherheit gewährleisten.

In diesem Zusammenhang bestand die Herausforderung unseres Kunden darin, die kostenlose Solarenergie bestmöglich zu nutzen, unerwünschte Sicherheitsabschaltungen bei hoher Sonneneinstrahlung zu vermeiden und die elektrische Zusatzheizung nur dann zu aktivieren, wenn sie tatsächlich benötigt wird.

Markttrends

Die jüngsten Schwankungen der Öl- und Gaspreise beschleunigen die Suche nach Heizlösungen, die die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern reduzieren. Gleichzeitig gewinnen erneuerbare Heiztechnologien in ganz Europa weiter an Bedeutung. Wärmepumpen verbreiten sich zunehmend, während Solarthermie weiterhin eine relevante Lösung für die erneuerbare Warmwasserbereitung darstellt.

Das Ziel wird immer klarer: Erneuerbare Energie soll genutzt werden, wann immer sie verfügbar ist – bei gleichzeitigem Erhalt von Komfort, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Um diese Anforderungen effektiv zu erfüllen, ist es wichtig zu verstehen, wie Solarenergie aufgenommen, gespeichert und bei Bedarf durch zusätzliche Energie ergänzt wird.

Wie funktioniert ein thermosiphonisches Solar-Warmwassersystem?

Solarthermische Kollektoren nehmen die Energie der Sonneneinstrahlung auf und übertragen die Wärme über einen Wärmetauscher auf das Wasser in einem Warmwasserspeicher. Dieser Speicher dient dazu, Wärmeenergie zu speichern und Temperaturunterschiede zwischen Erwärmung und Verbrauch auszugleichen. Die erforderliche Kollektorfläche und Speichergröße hängen vom Warmwasserbedarf und von der verfügbaren Sonneneinstrahlung ab.

Das System benötigt keine Umwälzpumpe. Die Wasserzirkulation erfolgt ausschließlich durch ein thermodynamisches Prinzip, den sogenannten Thermosiphon-Effekt.

Das Prinzip beruht darauf, dass kaltes Wasser eine höhere Dichte als warmes Wasser besitzt. Es ist dadurch schwerer und sinkt nach unten. Gleichzeitig strebt jedes thermodynamische System nach einem Gleichgewichtszustand. Dadurch entsteht eine natürliche Bewegung, die als thermische Konvektion bezeichnet wird und für die Zirkulation zwischen warmem und kaltem Wasser sorgt.

Aus diesem Grund wird der Solarkollektor immer unterhalb des Warmwasserspeichers installiert. Kaltes Wasser aus dem Speicher fließt über eine abwärtsführende Leitung zum Kollektor. Während es sich dort erwärmt, steigt das warme Wasser auf natürliche Weise nach oben, wird durch das nachströmende kalte Wasser verdrängt und fließt zurück in den Speicher.

Dieser Kreislauf zwischen Speicher, Rohrleitungen und Kollektor erwärmt das Wasser, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Anschließend kann der Verbraucher das warme Wasser aus dem oberen Bereich des Speichers entnehmen.

Bei ausreichender Sonneneinstrahlung kann ein solches System einen erheblichen Anteil des Warmwasserbedarfs decken, ohne auf konventionelle Heizquellen zurückgreifen zu müssen. Die verfügbare Solarenergie schwankt jedoch naturgemäß je nach Wetterbedingungen, Jahreszeit und Warmwasserverbrauch.

Aus diesem Grund verfügen viele solare Warmwasserspeicher über ein elektrisches Zusatzheizelement, das die erforderliche Wassertemperatur aufrechterhält, wenn die Solarenergie allein nicht ausreicht.

Eine zuverlässige Temperaturregelung ist daher entscheidend, um:

• die erforderliche Wassertemperatur aufrechtzuerhalten,
• das elektrische Zusatzheizelement zu steuern,
• unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden,
• das System vor Überhitzung zu schützen,
• eine gleichbleibende Warmwasserverfügbarkeit sicherzustellen.

Backup-Lösung von Cotherm

Die Temperaturregelungslösungen von Cotherm können in solare Warmwasserspeichersysteme integriert werden, um die elektrische Zusatzheizung zu steuern.

Die TUS-Thermostatlösung von Cotherm erfüllt dabei zwei Funktionen gleichzeitig: Sie dient sowohl der Temperaturregelung als auch der Sicherheitsabschaltung.

Kennzahlen

• Regeltemperatur: 65 °C
• Sicherheitstemperatur: 115 °C
• Projektvolumen: 300.000 Stück pro Jahr
• Projektdauer: innerhalb von 6 Monaten abgeschlossen

Wichtige Projektschritte

1. Definition des gewünschten Komfortniveaus
2. Simulation der Sicherheitsregelung des Speichers bei hohen Temperaturen
3. Voreinstellung des TUS-Thermostats auf Grundlage von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics)
4. Auswahl geeigneter Warmwasserbereiter für Tests und Durchführung von Feldtests
5. Start des Serienproduktionsprozesses

Der Thermostat überwacht die Wassertemperatur und steuert das Heizelement, sobald zusätzliche Energie erforderlich ist. Gleichzeitig schützt eine integrierte Sicherheitsfunktion das System vor abnormaler Überhitzung.

Die Sicherheitstemperatur ist bewusst hoch eingestellt, um unnötige Sicherheitsabschaltungen während des normalen Betriebs zu vermeiden. Dabei wird berücksichtigt, dass das Wasser im Speicher Temperaturen von bis zu +115 °C erreichen kann.

Die kabelgebundenen Cotherm-Steckthermostate der TUS-Serie bieten Herstellern somit eine kompakte Lösung, die Temperaturregelung, Sicherheit und eine einfache Integration mit Tauchheizelementen kombiniert. Die Montage erfolgt direkt über eine Schraubverbindung am Heizelement, wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt.

Für Hersteller von Solar-Warmwasserbereitern, Speichern für erneuerbare Energien oder hybriden Warmwassersystemen bietet Cotherm Temperaturregelungslösungen, die Energieeffizienz, Sicherheit und einen zuverlässigen Warmwasserkomfort miteinander verbinden.

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