Einen großen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz leistet insbesondere die intelligente Regelung. Sie steuert bedarfsgerecht die Kollektorpumpe und überwacht alle notwendigen Systemtemperaturen. Die Basisaufgabe eines Regelgerätes innerhalb einer Solaranlage besteht darin, über eine Solarkreispumpe die Warmwasserbereitung so zu steuern, dass bei unzureichender Sonneneinstrahlung nicht unnötig viel elektrische Energie für diese Pumpe verbraucht wird.
Regelung per Temperaturdifferenz
Dazu bietet sich die Temperaturdifferenzsteuerung an. Hierbei werden die Temperaturen von Sonnenkollektor und Warmwasserspeicher miteinander verglichen. Erreicht der Kollektor eine Temperatur, die im Vergleich zum WW-Speicher einen bestimmten Wert überschreitet, geht die Solarkreispumpe in Betrieb. Diese pumpt dann die Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Sonnenkollektor so lange durch den Wärmetauscher im Speicher, bis dort das gewünschte bzw. zulässige Temperaturniveau erreicht ist. Im Idealfall führt dies zu einer permanenten Nutzung der gesamten Sonnenenergie zur Trinkwassererwärmung. Diese Form der Solarregelung ergänzt in vielen Fällen die bereits vorhandene Heizungsregelung und erfolgt oft autark, ist also nicht in das Regelsystem der gesamten Heizungsanlage eingebunden.
Bei einem großem Warmwasserbedarf oder auch in Schlechtwetterphasen kann die thermische Solaranlage den Wärmebedarf nicht komplett decken. Deshalb werden bivalente Speicher oder Thermosiphonspeicher eingesetzt. Sie ermöglichen es, dass der Behälterinhalt wahlweise mit Sonnenenergie und – bei Bedarf – zusätzlich über einen konventionellen Wärmeerzeuger erwärmt wird. Reicht der solare Ertrag nicht aus, wird bei einer Unterversorgung der obere Teil des Speichers (Bereitschaftsteil) über den konventionellen Wärmeerzeuger nachgeheizt (Bild 1).
Nachheizen vermeiden
Im täglichen Betrieb kann es immer wieder vorkommen, dass der obere Teil des WW-Speichers auskühlt und der Kessel nachheizt. Und dies, obwohl bereits die Sonne scheint und deshalb in Kürze ausreichend solare Wärme zur Verfügung steht, um den kompletten Solarspeicher zu erwärmen. Ein Nachheizen durch den Kessel wäre also überflüssig. Bei einem abgestimmten System lässt sich dies vermeiden. Dazu muss der Solarregler allerdings mit der Kessel- bzw. Brennersteuerung kommunizieren können. Dies ist jedoch mit einem autarken Solarregler nicht möglich. Den größten Nutzen bringen Systeme, die also auch intelligente und kommunikative Einbindungsmöglichkeiten von thermischen Solaranlagen in das Gesamtsystem bieten. So lassen sich z.B. die Buderus Regelsysteme Logamatic 2000, 4000 und EMS mit entsprechenden Modulen ergänzen (Bild 2). Dadurch wird eine effiziente Kombination von Solar- und Kesselreglung ermöglicht. Die Integration des Produkts umfasst im Wesentlichen drei Möglichkeiten der Nutzung von solarer Energie: solare Trinkwassererwärmung, solare Heizungsunterstützung oder die Kombination aus beidem.
Das wichtigste Ziel einer effizienten und wirtschaftlichen Nutzung solarer Energie lautet: Sobald diese ausreichend zur Verfügung steht, muss der Betrieb eines im System vorhandenen konventionellen Wärmeerzeugers, wie z.B. eines Öl- oder Gas-Heizkessels, unterbunden werden. Deshalb stehen Funktionen wie „Nachladeoptimierung“ und eine variable Steuerung des Volumenstroms mit einer „Low-Flow/High-Flow-Regelung” zur Verfügung.
Praktische Nachladeoptimierung
Die Funktion „Nachladeoptimierung“ optimiert die Trinkwasser-Nachheizung über den Heizkessel. Dies erfolgt durch das Absenken des Warmwasser-Sollwertes in Abhängigkeit vom solaren Ertrag und der Kapazität des Solarspeichers. Anhand einer entsprechenden Parametrierung durch den Heizungsfachmann kann die Regelung vorausschauend und selbstständig entscheiden, ob Warmwasser vom Kessel nachgeladen werden muss, oder ob die Solaranlage ausreichend Wärme zur Verfügung stellen kann.
Für die Absenkung des Warmwasser-Sollwertes werden die beiden sich ergänzenden Verfahren „Ermittlung des solaren Ertrages“ und „Ermittlung der Kapazität des Solarspeichers“ angewendet. Sobald die Sonneneinstrahlung z.B. am frühen Morgen beginnt, hat die Absenkung des WW-Sollwertes über den solaren Ertrag die größte Bedeutung. Zum besseren Verständnis hilft ein Blick auf die Temperaturen im WW-Speicher: Aufgrund von Warmwasserentnahme aus dem Speicher und wegen des Kaltwassereintritts im unteren Bereich des Speichers liegt die Temperatur am Solar-Referenzfühler (FSS) auf Temperatur-Niveau des eingetretenen Kaltwassers. Um den solaren Ertrag zu errechnen, wird nun über das Regelgerät die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur im Speicher anhand der Temperaturfühler FW und FSS überwacht. Aus diesen beiden Werten ermittelt das Regelgerät einen Temperaturwert, um den der eigentliche Warmwasser-Sollwert reduziert wird. Daraus resultiert: Je weiter die Solaranlage den unteren Speicherbereich aufgeheizt hat, desto mehr kann die vom Kessel zu erzeugende WW-Temperatur abgesenkt werden. Weil das Regelgerät von diesem Zeitpunkt an mit dem neuen WW-Sollwert arbeitet, wird das Nachheizen durch den konventionellen Wärmeerzeuger unterdrückt (Bild 3).
10 % weniger Brennstoff
Eine weitere Optimierungs-Möglichkeit bietet die Ermittlung der noch im WW-Speicher vorhandenen Wärmemenge (Kapazität). Dieses Verfahren zur Absenkung des WW-Sollwertes ist vor allem bei nachlassender Sonneneinstrahlung wirksam und kommt deshalb tendenziell eher in den Nachmittagsstunden zum Einsatz. Misst hierbei der Solar-Referenzfühler FSS eine Temperatur, die im Bereich der gewünschten Speichermindesttemperatur liegt, wird intern wiederum ein neuer Wert für die Absenkung des WW-Sollwertes berechnet.
Um einen gewissen WW-Komfort zu gewährleisten, darf der Sollwert aber nicht beliebig abgesenkt werden. Der Anlagenbetreiber sollte am besten selbst entscheiden, wo die für ihn niedrigste WW-Temperaturschwelle liegen darf.
Untersuchungen haben ergeben, dass eine in das Gesamtregelsystem eingebundene solare Trinkwassererwärmung gegenüber einer herkömmlichen autarken Solarregelung über eine einfache Temperaturdifferenzsteuerung bis zu 10 % an Brennstoff einsparen kann. Darüber hinaus kann die Lebensdauer der Heizungsanlage aufgrund der reduzierten Brennerstarts um bis zu 24 % verlängert werden. Auch die Umwälzpumpe zwischen Sonnenkollektor und Warmwasser-Speicher arbeitet nur, wenn dies erforderlich ist – und stets mit angemessener Drehzahl (Bild 4).
Variabler Volumenstrom
Sobald die Solaranlage in Betrieb ist, überwacht das Regelgerät ständig über einen im Speicher angebrachten Schwellenfühler FW den Temperaturzustand des gespeicherten Wassers. Abhängig von einer eingestellten Schwellentemperatur schaltet die Regelung zwischen geringem Volumenstrom (Low-Flow) und großem Volumenstrom (High-Flow) um. Ist die Temperatur am Schwellenfühler FW niedriger als der eingestellte Schwellenwert, geht die Regelung auf Low-Flow-Betrieb. Der Sonnenkollektor wird also bei geringer Speichertemperatur mit einem kleinen Volumenstrom durchströmt. Mit der daraus resultierenden höheren Vorlauftemperatur wird das Wasser im Speicher schnellstmöglich erwärmt. Die Regelung variiert dabei den Volumenstrom so, dass zwischen Sonnenkollektor und Speicher möglichst immer eine definierte Temperaturdifferenz eingehalten wird. Sollte durch geringe Sonneneinstrahlung die Temperaturdifferenz bei einem kleinst zulässigen Volumenstrom unter einen eingestellten Minimalwert absinken, schaltet die Solarkreispumpe ab (Bild 5).
Überschreitet die Temperatur am Schwellenfühler FW den eingestellten Wert, ist der WW-Bedarf gedeckt. Die Regelung schaltet nun in den High-Flow-Betrieb um. Bei geringerer Vorlauftemperatur und einem gleichzeitig großen Volumenstrom verringern sich die Abstrahlverluste, die Wärmeenergie wird besonders effizient genutzt. Das Regelgerät variiert in diesem Betriebszustand den Volumenstrom so, dass möglichst eine Temperaturdifferenz von 15 K zwischen dem Sonnenkollektor (Fühler FSK) und dem Speicher (Referenzfühler FSS1) eingehalten wird. Fällt die Temperaturdifferenz aufgrund geringer Sonneneinstrahlung bei einem Volumenstrom von 30 % unter den eingestellten Minimalwert von 5 K, schaltet die Solarkreispumpe ab (Bild 6).
Ergänzend hierzu ist mit einer entsprechenden regelungstechnischen Ausstattung zudem eine Funktion zur Heizungsunterstützung über die Puffer-Bypass-Schaltung realisierbar.
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Unser Autor Reiner Koch ist Produktmanager Buderus Deutschland bei der Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar
