Die Technik

Solaranlage und Heizungsanlage sind in einem System integriert. Deshalb wird hier auch die Heizungsanlage beschrieben.

 

Die alte Heizungsanlage:


Niedertemperaturkessel, Brenner mit ca. 13 kW Leistung (Gelbbrenner). FBH mit 4 Wege-Mischer und Radiatorkreis direkt durch den Kessel. 300 l Warmwasserspeicher der über einen 1,1 m² Wärmetauscher beladen wird.


Ölverbrauch im 20 Jahresschnitt 1900 l/Jahr, Wohnfläche 160 m², beheizte Fläche 80 m² FBH 60 m² Radiator.


das Dach ...

Die Kollektoren:

Bei den Kollektoren war die Auswahl sehr schwierig. Wegen der bereits bestehenden PV-Anlage konnte ich nur die Lücken füllen, die auf dem Dach noch frei waren. Die Dachgaube wurde bei der PV-Planung sehr großzügig ausgespart, so dass hier noch einige Quadratmeter zur Verfügung standen. Die Kollektoren verschiedener Hersteller haben unterschiedliche Größen, so dass man mal mehr und mal weniger Fläche, und auch mehr oder weniger verschattete Bereiche belegen konnte.

 

So hatte ich folgende Auswahlmöglichkeiten:


15 bis 16m² Röhrenkollektoren davon etwa 1/3 ohne nennenswerte Verschattung, 1/3 Verschattung ab dem Nachmittag und 2/3 mit Verschattung in den Abendstunden.


Oder

knapp 16 m² Flachkollektoren (6 Stück 120 x 220 cm) – 2 Kollektoren immer unverschattet, 2 Kollektoren ab Nachmittag leicht, Abends dann stark verschattet, insgesamt 4 Kollektoren Abends verschattet.


Oder

18 m² (7 Kollektoren 120 x 220 cm), wobei dann 3 Kollektoren ab Nachmittag leicht und Abends dann stark verschatten wären, insgesamt 5 Kollektoren Abends verschattet.


Oder

20 m² mit den Maßen 106 x 240. Ein schmaler unverschattete Dachbereich kann nur mit diesen Kollektoren belegt werden. Hier sind 2 Kollektoren unverschattet. 1 Kollektor am frühen Morgen leicht verschattet, 2 Kollektoren am Nachmittag leicht verschattet, insgesamt 4 Kollektoren Abends verschattet.

Mit diesen Kollektoren war es möglich einen116 cm hohen und 6 m breiten unverschatteten Dachbereich zu belegen. 

Der Gesamtwirkungsgrad müsste mit diesen schmalen längeren Kollektoren am besten sein, weil ich mit Ihnen erstens die größte Fläche belegen kann, und zweitens 2 106 x 240 cm große Kollektoren in einem Schattenfreien (ab etwa 9:00) Bereich montieren konnte. Ich habe mich also nach Abwägung aller Möglichkeiten für 8 Kollektoren mit 106 x 240 cm entschieden.


 

Die Hydraulik

Einer der wichtigsten Punkte bei der Einbindung einer Solaranlage in die Heizungsanlage ist die richtige Hydraulik. Die Nutzung niedriger Temperaturen erhöht den Wirkungsgrad.

Die Speicher:

Es handelt sich um 2 1000 Liter Speicher mit 13 Anschlüssen von ½ bis 1½ Zoll. Für die Beladung über die Solaranlage habe ich ein Schichtladesystem nach den Plänen des PB montiert. Die Speicher sind insgesamt über 7 Verbindungen parallel gekoppelt.

Isoliert habe ich die Speicher, die mit einem Abstand von nur etwa 3 cm zueinander aufgestellt sind mit PU-Hartschaumplatten mit Alufolie mit einer WLZ von 024 und Steinwolle. Die Speicher stehen auf einer 22mm dicken Holzplatte unter der eine 14 cm dicke PU-Schaumplatte den Wärmeverlust nach unten minimiert. Die senkrechten Wände (Sechseck) bestehen größtenteils aus 2 Lagen 14 cm dickem PU-Schaum. Alle Zwischenräume habe ich mit Steinwolle (WLZ 040) aufgefüllt. Die PU-Platten sind mit PU-Schaum verklebt, es gibt keine Spalten durch die Wärme nach außen dringen kann. Oben sind ebenfalls 2 Lagen des 14 cm dicken PU Schaums angebracht. Der schmale Streifen der oberen Verbindung ist mit nur 14 cm PU-Schaum isoliert. Die Rohre, die die Speicher verbinden und auch das Schichtladesystem befinden sich innerhalb dieser thermischen Hülle. Alle Rohre die aus diesem „Gehäuse“ herauskommen sind ebenfalls mit PU Schaum mit einer dicke von 6 bis 14 cm isoliert, und die durch die eckige Verkleidung entstehenden Hohlräume sind mit Steinwolle aufgefüllt. Die Gesamtkosten der kompletten Isolierung (Speicher, Rohre, WT) hat etwa 450 Euro gekostet. Die von mir in mühsamer Kleinarbeit berechneten Wärmeverluste liegen bei maximal 2 kWh pro Tag normalerweise geht man von 2 bis 3 kWh bei einem 1000 Liter Speicher aus.

An den Speichern wurden außen 3 Temperaturfühler montiert.

Die Schichtung in den Speichern funktioniert sehr gut. Unten im Speicher steigt und fällt die Temperatur mit der Rücklauftemperatur der FBH. Nach dem Duschen kann man einen Rückgang der Spechertemperatur unten im Speicher beobachten, weil die FRIWA 10 bis 15 Grad kaltes Wasser in den unteren Speicherbereich einbringt. Alle Anschlüsse am Speicher sind nach unten geführt um eine Zirkulation im Rohr zu verhindern.

Das Schichtladesystem, das einfach nur aus ein paar Rohren besteht funktioniert hervorragend. Die Solaranlage, bzw. deren Steuerung, kann schon mit den ersten Sonnenstrahlen Leistung in die Speicher bringen, auch wenn die oberen Sensoren 60 Grad und mehr anzeigen. Die Friwa und die FBH sorgen in den frühen Morgenstunden dafür, dass der Speicher unten auf 25 bis 28 Grad abkühlt. Bereits um 9:00 kann die Solaranlage mit gut 30 Grad Wassertemperatur den Speicher aufladen. Der Speicher wird dann zuerst unten nachgeladen, und mit den steigenden Temperaturen im unteren Speicherbereich steigt auch die Temperatur der Kollektoren. Es wird also zuerst das niedrigste Temperaturniveau angehoben um die maximal mögliche Leistung (kWh) zu ernten.


 


Die Solaranlage:

Alle 8 Kollektoren sind parallel angeschlossen. Die Verrohrung besteht aus 28 mm Kupferrohr bis zum Dachboden, die Verteilung auf die Kollektoren erfolgt mit 22mm Kupfer. Die Rohre sind hart verlötet und der letzte Meter zum Kollektor besteht aus 22mm Wellrohr. Die Isolierung habe ich zum größten Teil aus den PU-Schaumplatten gefertigt die ich für den Speicher gekauft habe. Die Rohre sind in 6 bis 14 cm dicke PU-Schaumplatten eingepackt (je nach vorhandenem Platz). Teilweise werden auch Styropoor und Glaswolle verwendet. Das Wellrohr, das teilweise auf dem Dach verläuft ist mit den original Viessmann Schaum-Schläuchen isoliert, die ich zusätzlich mit Alu-Folie und wetterfestem Klebeband geschützt habe. Ein Reflex 60/24 Wärmetauscher und zwei PID-geregelte UPE 25/60 bringen die Wärme in den Speicher. Den Wärmetauscher habe ich selbst ausgewählt, und bin bis heute nicht sicher, ob ein kleinerer auch ausgereicht hätte. Die maximale Durchflussmenge liegt bei über 1000 l/h, also bei gut 50 l/m² Brutto-Kollektorfläche je Stunde. Die Sekundärpumpe des Pufferkreislaufes bringt es auf bis zu 1450 l/h. Die 28mm Rohre, und auch einige Tricks, wie z.B. parallel angeordnete Rohre an der Spüleinrichtung und dem Luftsammler sorgen für einen ungebremsten Durchfluss. Die Verrohrung erfolgte soweit wie möglich nach Tichelmann mit 4 Muffenschiebern für eine Feinregulierung für die auf 4 unterschiedlichen Höhen montierten Kollektoren. Gesamtlänge der Rohre: 40 m 28 mm Kupfer, 25 m 22 mm Kupfer 12 m 22mm Wellrohr. Die Rohrlänge nach Tichelmann beträgt etwa 48 bis 50 m je Kollektor.

Die Solaranlage ging am 04.04.2009 in Betrieb. Obwohl zu diesem Zeitpunkt die Rohre zum Speicher nicht isoliert waren, zeigte sich schon am ersten Tag, dass die Steuerung genau das macht, was ich erwartet habe. Die Speicher werden von unten nach oben aufgeheizt. Das heißt, dass die niedrigste Temperatur zuerst angehoben wird. Die PID-Regelung des Kollektorkreises hält die Kollektortemperatur auf die eingestellte Differenz von 4°C über der Speichertemperatur im unteren Speicherbereich. Die PID-Regelung des Speicherkreises hält die Austrittstemperatur am Wärmetauscher auf 2°C über der unteren Speichertemperatur. Somit wird also zuerst der Verlust der in den Abend und Morgenstunden entstanden ist ausgeglichen, und erst wenn dieses niedere Temperaturniveau angehoben ist, wird der Speicher im Gesamtniveau angehoben. Die Dauerleistung lag im April an sonnigen Tagen bei etwa 13 kW.


 


Die Heizung:

Im EG wird die Wohnung mit einer FBH beheizt (80m²). Die Vorlauftemperaturen liegen bei maximal 38 Grad (bei 0°C Außentemp. etwa 32 bis 33°C). Im OG wo sich auch das Bad befindet wird mit Radiatoren die Wärme verteilt. Seit die neue Steuerung läuft, liegt die Vorlauftemperatur deutlich niedriger, es ist aber trotzdem genau so warm wie vorher (bei 0°C Außentemp. etwa 45°C Vorlauftemperatur). Im Bad wird der Heizkörper-Thermostat nicht mehr benötigt, das Ventil ist immer voll geöffnet. Im Bad und im Wohnzimmer befindet sich jeweils ein Raumfühler, den Raumeinfluss habe ich an der UVR auf 75% eingestellt.

Für die beidem Heizkreise sind 2 BIV-Mischer und 2 Alpha2 25/40 Pumpen (ECO-Pumpen) installiert. Die BIV-Mischer entnehmen das Heizungswasser an 2 Stellen der Speicher. Eine Entnahme in etwa 115 cm Höhe und eine ganz oben. Ohne solare Unterstützung liegt die Temperatur in 115 cm Höhe in der Regel zwischen 30 und 40 Grad, weil der Rücklauf der Heizkörper, der nur wenige Grad unter dessen Vorlauf liegt, auf einer Höhe von 90 cm eingebracht wird.


 

Der Kessel:

Seit der Umstellung der Heizungsanlage, die in den ersten 5 Monaten (Dez. bis März) noch ohne solare Unterstützung lief, haben sich die Brennerstarts deutlich reduziert. Die Mindestlauzeit des Brenners beträgt 45 Minuten (von mir so eingestellt). Der Brenner startet, bei Außentemperaturen von -10 bis +10 Grad, 4 bis maximal 7 mal innerhalb von 24 Stunden. Die Gesamtlaufzeit des Brenners betrug bei minus 10°C Außentemperatur etwa 8 Stunden. Bei minus 5 Grad Nachts und knapp über Null Grad tagsüber läuft der Brenner etwa 6 Stunden täglich. Hier zeigt sich wie viel Reserven vorhanden sind. Bei Minustemperaturen läuft der Brenner in den Morgenstunden 2 bis 3 Stunden durch. Die erste Kesselreinigung brachte ein erstaunliches Ergebnis. Während vor dem Umbau im Kessel bis zu einem Zentimeter dick braun-roter Schlacke lag, und der gesamte Brennraum mehrere Millimeter dick verkrustet war, bot sich jetzt ein ganz anderes Bild. Der Brennraum war im heißen Bereich um den Flammentopf weiß, und die Rauchgaskanäle waren nur mit einer feinen pulverigen Asche-Schicht belegt. Es war noch nie so einfach, den Brennraum zu reinigen. Die Ablagerungen betrugen maximal ein Zehntel des sonst üblichen. Die Abgastemperatur liegt etwa 20 Grad niedriger als vor dem Umbau.

Da die Montage der Solaranlage erst im April 2009 möglich war, konnte ich mich um die Optimierung der Heizungsanlage kümmern. Die vom PB vorgenommenen Grundeinstellungen waren sehr unbefriedigend. Für die Messungen habe ich, wie bei der FRIWA auch, die Sensoren der Solaranlage verwendet.


Bei der Inbetriebnahme heizte der Kessel den Speicher auf 72 °C auf. Die Rücklaufanhebung war auf 50 Grad eingestellt. Die Rücklaufanhebung habe ich in den ersten Wochen bis auf 33 °C, und damit die Vorlauftemperatur des Kessels auf 50 bis 52 °C reduziert. Natürlich habe ich auch ausprobiert, ob eine höhere Pumpendrehzahl die Differenz zwischen Rücklauf und Vorlauf reduziert. Der Vorlauf liegt immer ca. 18 bis 20 Grad höher als der Rücklauf, daran ändert die Pumpendrehzahl nichts.

Obwohl ich den Rücklauf des Kessels bereits weiter unten am Speicher angeschlossen habe als vom PB vorgesehen, kommt es immer wieder vor, dass die Temperatur des Rücklaufs höher liegt als die eingestellte Rücklaufanhebung. Der Mischer der Rücklaufanhebung öffnet dann ganz, sobald die Temperatur des aus dem Speicher kommenden wassers über 33 Grad liegt. Dies hat zur Folge, dass ab diesem Moment die Vorlauftemperatur von der Pumpenleistung abhängig ist. Steht die Pumpe auf Stufe 1 steigt die Vorlauftemperatur an, auf Stufe 2 fällt sie deutlich ab. So habe ich dann die steigende Temperatur akzeptiert.


Der Speicher wird oben auf mindestens 45 °C gehalten. Fällt die Tempeatur darunter, wird nachgeladen.


Leider gibt es in der vom PB programmierten UVR keine Kaminfegerschaltung (ich habe zumindest nichts gefunden). Eine Aktivierung des Brenners über das Menü wollte ich dem Kaminfeger nicht zumuten. Da ich ohnehin ein zusätzliches Relais verwendet habe, um die Schaltausgänge der UVR nicht unnötig zu belasten, habe ich in den Kessel einen Schalter eingebaut, der den Brenner unabhängig von der UVR aktiviert, und auch gleichzeitig die Umwälzpumpe einschaltet.


Um Strom zu sparen wird der Kessel, wenn er nicht gebraucht wird, komplett vom Netz genommen. Ein Relais mit 2 Schaltkontakten versorgt bei Bedarf den Kessel und damit auch seine Sicherheitseinrichtungen mit Strom und steuert gleichzeitig den Brenner an.

Da das PB meinem Wunsch nicht nachgekommen ist, den Kessel nach der Speicherbeladung möglichst weit herunter zu kühlen, um Standverluste zu minimieren, musste ich mir auch hier etwas einfallen lassen. Meine ersten Beobachtungen zeigten, dass die Kesseltemperatur nach der Speicherbeladung von den eingestellten 50 bis 52 auf 65 bis 70 Grad anstieg. Ich konnte zwar über die UVR die Speicherladepumpe beliebig lange weiterlaufen lassen, da aber der Mischer schließt, sobald der Brenner abgeschaltet wird, brachte mir das nichts. Zunächst programmierte ich die Mischersteuerung um, so dass dieser nach dem Abschalten des Brenners den Mischer öffnete. Dadurch konnte ich aber den Kessel nur kurzfristig abkühlen. Die Wassertemperatur fiel sehr schnell auf unter 50 Grad, stieg aber nach dem Abschalten der Pumpe wieder an, weil die Wärme des Gusskessels nur langsam an das Wasser abgegeben wird.

Da der Mischer einen zusätzlichen, einstellbaren Schalter hat, fand ich eine bessere Lösung. Ich habe das Kabel, über das die UVR den Mischer schließt, an diesen Schalter angeschlossen. Nun konnte ich einstellen, wie weit die UVR den Mischer schließen kann. Ich habe diesen Schalter dann auf etwa „1/3 AUF“ eingestellt. Danach habe ich dann ausgetestet, wie lange die Pumpe laufen kann, bis die Vorlauftemperatur auf etwa 47 bis 48 °C fällt. Nun läuft die Pumpe 18 Minuten länger als der Brenner, und in dieser Zeit fällt die Kesseltemperatur auf 45 bis 48°C. Die Restwärme wird jetzt also so weit wie möglich ausgenutzt.

Da die FRIWA mit ihrer kräftigen Pumpe und auch die Heizungspumpen über die selbe Leitung das Wasser aus dem Speicher holen, musste ich danach dann feststellen, dass diese durch den teilweise geöffneten Mischer Wasser durch den Kessel ziehen. Es musste also eine bessere Lösung her. Ein Relais umgeht nun die Mischer-sperr-Schaltung sobald die Pumpe abschaltet. In der UVR musste ich lediglich die Mischerlaufzeit höher stellen als die Pumpennachlaufzeit. Nun wird der Mischer komplett geschlossen sobald die Speicherladepumpe aus geht.

 

August 2009: In der Zwischenzeit habe ich die UVR selbst neu programmiert. Der Kessel hat jetzt eine regelbare Rücklaufanhebung und eine gereglete Restwärmenutzung. Die zusätzlichen Maßnahmen werde ich ausbauen, sobald alles wie gewünscht läuft. Nur die Kamninfegerschaltung werde ich so lassen, da damit auch eine Handregelung möglich ist, die bei einem Defekt der UVR benötigt wird.


Da der Kessel nach dem Brennerstart etwa 3 bis 5 Minuten braucht, bis sich die Kesseltemperatur deutlich erhöht, habe ich den Start der Speicherladepumpe um 4 Minuten verzögert. Mit der alten Einstellung wurde nach dem Brennerstart ein bis 2 Minuten lang kühles Wasser in den oberen Speicherbereich gepumpt, was natürlich zur Folge hatte, dass der Speicher, der ja eigentlich aufgeheizt werden soll, noch weiter herunter gekühlt wurde. Der Kessel hat nach 2 bis 3 Stunden Stillstand noch 35 bis 40 Grad. Da die Rücklaufanhebung auf 33 Grad eingestellt ist, hat der Mischer gleich nach dem Pumpenstart geöffnet, und das 35 Grad warme Wasser in den Speicher gepumpt. Jetzt steht die Pumpe bis der Kessel etwa 48 bis 50 Grad hat (4 Minuten) und somit beginnt die Speicherbeladung auch mit den gewünschten rund 50°C.



Die Frischwasserwärmung

Für warmes Wasser ohne Legionellen habe ich eine sogenannte Frischwasserstation eingebaut. Eine elektronisch geregelte FRIWA arbeitet sehr effektiv und erzeugt keine Verwirbelungen im Speicher. Sie entnimmt das Wasser an der heißesten Stelle des Speichers (ganz oben), kühlt es stark ab und speist es an der kältesten stelle im Speicher (ganz unten) wieder ein.

Ein PWT mit 20 Platten erzeugt das warme Frischwasser. Als Verbrüh- und Verkalkungsschutz habe ich ein 1 Zoll Mischventil montiert, das die Temperatur auf 55°C begrenzt. Für die FRIWA hatte ich keinen Bauplan und habe mir deshalb alle Details aus dem Internet besorgt. Trotz aller Widrigkeiten ist es mir gelungen eine gut arbeitende FRIWA hin zu bekommen, die weniger als 1000 Euro gekostet hat. Bei besseren Vorkenntnissen hätten auch 800 Euro ausgereicht.


Für die PID-Regelung habe ich nach langen Versuchen eine optimale Einstellung gefunden. Sie läuft jetzt mit dem Wert 6-8-5 und die Temperatur ist einigermaßen stabil. Nach der Berechnungsmethode aus der UVR-Anleitung hatte ich die Werte 9-4-10 errechnet, was aber starke Schwankungen verursachte. Der Rücklauf zum Speicher liegt jetzt zwischen 10 und 15 Grad, ein sehr guter Wert. Für diese Messung habe ich einen Fühler der Solarstation verwendet, die erst im April in Betrieb ging.

 

 

Warum überhaupt eine Frischwasserstation?

 

Obwohl ich 20 Jahre lang einen sogenannten Legionellenbrüter(Warmwasserspeicher mit weniger als 60°C) betrieben habe und es damit keine Probleme gab, wollte ich in Zukunft die Legionellengefahr vermeiden. Man wird ja auch älter und anfälliger.

 

Alternativen sind: Ein WW-Speicher der in regelmäßigen Abständen auf 60°C aufgeheizt wird. Ein innenliegender WW-Speicher im Puffer, der aber eigentlich das selbe Problem hat wie jeder andere WW-Speicher. Oder ein Wellrohrwärmetauscher im Puffer.

 

Ein Wellrohrwärmetauscher im Puffer produziert bei unseren Härtegraden (17) bei höheren Temperaturen Kalk, der sich überall im Rohrsystem veteilt, und den Wärmetauscher selbst mit der Zeit unbrauchbar macht.

 

Ein Wellrohrwärmetauscher benötigt auch einen relativ großen warmen Bereich im Puffer. Mit ein paar Litern 45 Grad warmem Wasser lässt sich das kalte Brauchwasser kaum noch ausreichend erwärmen. Eine FRIWA kann den Puffer bis zum letzten Liter nutzen.

Ein Wellrohrwärmetauscher sorgt für "Unruhe" im Speicher. Das kalte Frischwasser das durch ihn fließt, erwärmt sich am Pufferwasser. Das kalte Wellrohr kühlt das Wasser in unmittelbarer Umgebung der Rohres ab, wodurch es nach unten sinkt. Wärmeres Wasser fließt nach, und so entsteht ein Kreislauf im Speicher. Der Specher kühlt so von oben bis unten langsam ab, und man erreicht schneller eine unbrauchbare lauwarme Temperatur als mit einer externen FRIWA. 

 

Besser ist es, das warme Wasser oben zu entnehmen, es auserhalb des Speichers abzukühlen und unten wieder kalt einzulagern.

 

Ein Nachteil der FRIWA ist die teure Regelung, und das sofortige Versagen bei Stromausfall.



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