Solarthermie mit Drain Back und Heizungsunterstützung

[Elektronik_Markus]

Die Gesamtanlage soll ein Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung (gesamt 166qm) mit
möglichst hoher Solar-Deckung versorgen.
Bis jetzt sind in jeder Etage eine Vaillant VCW 195 mit je 7 Heizkörpern vorhanden.
Später soll dann nur noch eine Gasheizung verbleiben, in der warmen Jahreszeit wird diese ausgeschaltet,
sie soll lediglich Solare Versorgungslücken überbrücken.
Baulich steht das EFH ca. 30m von der Garage entfernt, in der sich die gesamte
Solar Anlage (6x23=138 CPC Röhren, gesamt 15kw bei 5 Kelvin) geplant ist.

Die Gesamtanlage teilt sich in folgende Bereiche

1. Primärkreislauf DrainBack bis Wärmetauscher
2. Sekundärkreislauf ab Wärmetauscher und Solar-Speicher
3. Hausversorgung per Fernwärmeleitung
4. Hygienespeicher als Zentrale Wärmequelle Haus
5. Gasheizung für Solare Versorgungslücken
6. Kollektive Warmwasserversorgung beider Einzelwohnungen

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1. Primärkreislauf DrainBack bis Wärmetauscher

Die Solarthermieanlage mit DrainBack - System wird mit kalkfreiem Wasser glykolfrei,
ohne Frostschutzmittel betrieben.
Beim diesem drucklosen System wird der Solarkreislauf nach jedem Betrieb oder
Stromausfall automatisch entleert.
Es wird erst wieder befüllt, wenn die Temperatur der Kollektoren unter 90 Grad liegt
oder die Sonne am nächsten Tag erneut scheint.
In der Nacht, bei fallenden Temperaturen oder wenn der Solar-Speicher voll ist, wird die Pumpe abgeschaltet
und es befindet sich kein Wasser, sondern nur Luft in den Kollektoren und den Leitungen
oberhalb des DrainBack Gefäß.
Das Wasser aus Kollektoren und Leitungen sammelt sich im DrainBack Gefäß.
Die erzeugte Wärme wird im Wärmetauscher an das Heizungswasser abgegeben.
Die eingesetzte PWM - Pumpe (rot A) wird je nach Temperaturangebot gesteuert
Voraussetzung für eine DrainBack Anlage ist es, dass alle Leitungen inklusive der
Kollektoren steigend mit mindestens 1% Steigung verlegt werden können.
Nur so ist eine vollständige Entleerung sichergestellt.

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2. Sekundärkreislauf ab Wärmetauscher

Sobald die Wärmetauschertemperatur über der Solar-Speichertemperatur liegt, wird die
Sekundärkreislaufpumpe eingeschaltet.
Die eingesetzte PWM - Pumpe (rot B) wird je nach Temperaturangebot gesteuert.
Das erwärmte Heizungswasser wird in ein Edelstahl-Schichtrohr geleitet, welches das Wasser
im Verhältnis 1:10 verlangsamt und automatisch im richtigen Temperaturbereich "einschichtet".
Die beiden 1000 Liter Solar-Speicher werden mit einer elektrischen Ventilsteuerung ausgestattet,
die es ermöglicht die Solar-Speicher je nach Temperaturangebot seriell oder parallel zu betreiben.
Auf der Ansaugseite der Pumpe (rot B), erfolgt die Schlamm und Magnetitabscheidung des
Sekundärkreislaufs.
Faustformel: 1kW erwärmt 1000l Wasser in einer Stunde um 1 Grad.
Für die 20 Kelvin Temperturerhöhung sind ca 20 kWh notwendig.
Genauer sind es ca. 23 kWh
Die Solar-Speicher sind bei 80 Grad voll, können dann nutzbar 40 Kelvin = 92kwh abgeben.
Nutzbar ist der Solar-Speicher nur bis 40 Grad herunter, ab da macht es keinen Sinn ihn
noch weiter zu melken.


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3. Hausversorgung per Fernwärmeleitung

Am wärmsten Punkt des Solar-Speichers 1 wird oben das Wasser von Pumpe (rot C Heizkreisverteiler)
mit der gewünschten Temperatur via Fernwärmeleitung ins Haus befördert.
Das Dreiwegeventil (rot D) stellt solange einen Kreislauf zurück zum Solar-Speicher her, bis
die gesamte Fernwärmeleitung auf das gewünschten Temperaturniveau des Hygienespeichers
angehoben ist, dann erst wird auf die Beladung des Hygienespeichers umgeschaltet.
So findet keine Auskühlung des Hygienespeichers durch die Anfangs noch kalte Fernwärmeleitung statt.

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4. Hygienespeicher als Zentrale Wärmequelle Haus

Der Hygienespeicher 300 Liter besitzt oben einen Wärmetauscher für die Trinkwassererwärmung
hoher Schüttleistung (20 Liter / Minute).
Er wird beladen wahlweise mittels Fernwärmeleitung aus den Solar-Speicher oder der Gasheizung.
Wasser für die Heizkreise der beiden Wohnungen, kann wahlweise oben oder mittig entnommen werden.
Dies hängt vom Wärmebedarf und der Aussentemperatur ab.
Die einzelnen Heizkreise entziehen dem Hygienespeicher die Wärme nur bis zu
einer Temperatur von minimal 50 Grad, welches die minimale Warmwassertemperatur darstellt.
Dann wird aus dem Solar-Speicher bis zu 6 x mit max. 40K nachgeheizt.
Mehr als 80 Grad sollte der Hygienespeicher aber nicht befüllt werden, so hohe Temperaturen
kann das Verbrühschutzventil für Warmwasser nicht heruntermischen.

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5. Gasheizung für Solare Versorgungslücken

Sobald die beiden Solar-Speicher bis auf 40 Grad abgemolken sind, aber noch Wärmebedarf besteht,
springt hier die vorhandene Gasheizung ein.
Sie erwärmt bei 20KW Leistung den gesamten 300 Liter Hygienespeicher schnell und ohne zu takten
innerhalb kurzer Zeit auf 60 Grad.
Der separate Warmwasserumschaltteil wird hierbei in der Gasheizung nicht benötigt.

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6. Kollektive Warmwasserversorgung beider Einzelwohnungen

Im Gegensatz zur Heizung ist die Warmwasserversorgung zusammen ausgeführt, dies spart
die Kosten eines zweiten Hygienespeichers.
Beim öffnen einer Zapfstelle wird das kalte Trinkwasser wird über eine Sicherheitsbaugruppe mit
Rückflussverhinderer in den Hygienespeicher-Wärmetauscher geleitet, dort wird es beim hindurchfliessen
erwärmt und verlässt den Hygienespeicher oben wieder.
Anschliessend wird das eventuell zu warme Wasser mittels Verbrühschutzventil auf 55 Grad temperiert.
Das kalte Wasser dazu wird über das Ventil (Rot H) geleitet.
Solange die Zirkulationspumpe eingeschaltet ist, zirkuliert das warme Wasser mit der eingestellten Temperatur.
Fäll die Temperatur im Kreislauf wird über Ventil (Rot E zu F) das Wasser zur erneuten Erwärmung
in den Hygienespeicher-Wärmetauscher geleitet.

 

[Austro-Diesel]

Ich nehme an, du meinst 15 kW bei 5° C Außentemperatur? Bei 5 K wäre das schon sehr, sehr phantastisch!

Bei welcher Wetterlage soll diese Leistung realisierbar sein? Und über welche Stundenzahl kann man sich auch nur annähernd diese Leistung erwarten?

 

[Elektronik_Markus]

Die 15KW ergeben sich aus der Leistungstabelle Keymark SC0058-16 , dieses SunExtreme CPC-XL (2,5kw mal 6 Vakuumröhrenkollektor) bei 5K Temperaturhub. Dies gilt natürlich nur bei voller Sonneneinstrahlung pro Stunde. Vakuumröhrenkollektoren sind nahezu Aussentemperaturunabhängig.

 

[Nano]

Vorweg: Ich bin kein Heizungsprofi, mein unqualifizierter Eindruck: Da hat jemand ziemlich viel rumgetüftelt und versucht zu optimieren. Nach meinem Gefühl ist das für die zu beheizende Wohnfläche overengineered, ich würde eine simplere Lösung ohne Röhrenkollektoren, ohne WT, Drainback und mit weniger Puffern und Wärmeverlusten vorziehen. Passt denn ins Haus kein größerer Puffer der direkt von der ST befüllt werden kann?

Das Hauptproblem der ST ist doch, dass im Winter nicht mehr die erforderlichen Vorlauftemperaturen erreicht werden, ich würde deshalb alles daran setzen, diese runterzubringen durch spezielle HK oder mehr HK-Fläche bzw Reduzierung des Wärmebedarfs. Eine 20kW Therme für 166 m2 ? Wie hoch ist denn der aktuelle Jahreswärmebedarf ?

 

[Austro-Diesel]

Okay, 15 kW im Sommer.

Was erwartest du dir davon "an den Rändern" der kalten Jahreszeit, so Mitte Februar bis April und von Oktober bis Mitte November bei Sonnenscheinzeiten von im besten Fall 6 bis 8 Stunden?

 

[Elektronik_Markus]

Das Wohnhaus ohne Keller bietet keinen Platz für einen großen Speicher, es passt gerade der 300 Liter rein. Die Kollektoren bringen bei Regen immer noch 50 Grad, die Steuerung befüllt den Speicher 1 bei Regen also nicht vollständig.
Vorlauftemperaturen im Haus um 50 Grad genügen bei - 10 Grad Aussentemperatur letzten Winter, das Haus ist gut isoliert.
Der Jahresverbrauch liegt gesamt Warmwasser und Heizung bei 14000 bis 18000 kWh Gasverbrauch je nach Winter-Temperaturen und dauer. Die alten 20kW Gasthermen wurden wegen Warmwasserbereitung eingebaut.
Ich erwarte das auserhalb der kalten Jahreszeit und viel Sonnenstunden, die Gasheizung aus bleiben kann.

 

[Austro-Diesel]

Wie gesagt, in den Randwochen der Heizperiode ist eine erfolgreiche Heizungsunterstützung denkbar.

Das Thema sind die wenigen Sonnenstunden wegen der langen Nächte und die vielen, sehr oft direkt aufeinanderfolgenden Schlechtwettertage. Eine PV-Anlage bringt im Dezember und Jänner grob ein Fünftel des Juni-Ertrages, im Oktober und März immerhin schon die Hälfte. Mit Solarthermie wird das recht ähnlich sein, wobei die ganz schwachen Tage bei Solarthermie gar nichts bringen wohingegen die Photovoltaik noch immer irgendetwas (= Vernachlässigbares) liefert.

Wenn du nun die absoluten Gas-Verbrauchszahlen über die Monate studierst wirst du wahrscheinlich herauslesen, dass rund die Hälfte des Gasverbrauches im Dezember und Jänner anfallen, nochmal recht viel mit größerer täglicher Schwankungsbreite im November und Februar, der Rest spielt anteilsmäßig eine untergeordnete Rolle. Und nur in diesem Zeitfenster Oktober, März, April sowie zur sommerlichen Brauchwassererzeugung ist die Anlage voll ertragsfähig.

Ich fürchte daher, dass du das Geld, das in diese gut ausgetüftelte Anlage stecken musst, nicht wieder siehst.

Alleine 39 Temperaturfühler sinnbringend auszuwerten kann schon ein spannendes Hobby sein! In der Mess- und Regeltechnik gilt wohl derselbe Satz wie in meiner Branche Maschinenbau: Wer viel misst, misst Mist!


Selber hatte ich eine nicht unähnliche Idee: Die neue Pelletheizung in den Übergangsmonaten mit einer kleinen Luft-Wasser-Wärmepumpe zu entlasten, die von der sowieso geplanten PV-Anlage nach Möglichkeit versorgt werden sollte. Dazu habe ich einen übergroßen Pufferspeicher implementiert, der tagsüber "geerntete" Wärmepumpen-Wärme in die Nacht mitnehmen können sollte. Die Wärmepumpe sollte natürlich nur mit dem Überschuss des selbst produziertem Strom laufen.

Ich habe den Solarertrag dann diese Heizperiode über beobachtet (und die war eher mild, dafür überraschend lang, also im Sinne der Überlegungen förderlich) und und Stromüberschüsse mit einer Arbeitszahl von 4 in Wärmeenergie umgerechnet und vom Pelletverbrauch abgezogen.

Trotz eigentlich überschaubarer Zusatzinvestitionen in die kleine Wärmepumpe geht die Rechnung nicht auf: Für 300 Euro Ersparnis pro Jahr bei 6.000 Euro WP-Kosten gibt es kein Land in Sicht. Dazu kommt die Komplexität der Anlage, was die Wartungskosten treibt und womöglich den Fehlerteufel anlockt.


Überlege, ob nicht eine elektrifizierte Version deiner Überlegungen technisch einfacher und allgemein nützlicher sein könnte. Photovoltaik liefert am bescheidensten Wintertag noch irgendetwas Nützliches.

Mit einem Wärmepumpen-Brauchwasserspeicher ist das Warmwasser auch "gratis". Und für Überschüsse gibt es Geld, die Anlage selbst ist aktuell MWSt.-frei. Sollte mal eine Wärmepumpe angedacht werden ist elektrischer Strom auch immer eine gute "Währung".

 

[Nano]

Ich erwarte das auserhalb der kalten Jahreszeit und viel Sonnenstunden, die Gasheizung aus bleiben kann

Zwischen Mai und Oktober war das bei uns in der Regel immer so, für WW wird ja nicht besonders viel Energie benötigt.
Ich bin jetzt nicht unbedingt der WP Fan, aber hast du mal überlegt anstelle der ST eine PV mit WP zu installieren? Der Wärmebedarf deines Hauses ist ja recht niedrig.
@Austro-Diesel Gedankenübertragung ?

 

[Elektronik_Markus]

Ihr habt auch interessente Betrachtungen und Gedanken, muss ich auch noch mal mich Informieren.

Eine Wärmepumpen-Brauchwasserspeicher also ein Speicher wo die WP oben drauf sitz, ist glaube ich in einer Wohnung zu laut und entzieht der Wohnung Wärmeenergie, da kein Keller vorhanden.

Die 39 Temperaturfühler muss ich ja nicht alle anschließen und als Regelgröße verarbeiten.

Die Anlagenhydraulik geht doch so oder sind Fehler darin?

 

[h5py]

Beim diesem drucklosen System wird der Solarkreislauf nach jedem Betrieb oder
Stromausfall automatisch entleert.

Ich bin im Lesen von hydraulischen Plänen nicht besonders bewandert. Daher die Frage: Wo verbleibt das Wasser, wenn die Kollektoren entleert werden?

 

[Austro-Diesel]

Das Wasser wird in einem offenen Tank gesammelt, der das abfließende Volumen aufnehmen kann.

Die Brauchwasser-Wärmepumpe kann ihre Zu- und Abluft auch von außen beziehen. Betriebsgeräusche sind nicht ganz unwesentlich, korrekt. Möchte ich nicht unbedingt im Zimmer nebenan haben.

 

[h5py]

Das Wasser wird in einem offenen Tank gesammelt, der das abfließende Volumen aufnehmen kann.

Ah, der rote Tank bei Punkt 13. Danke. Bedeutet diese Anlagen nicht mit Stagnation zu kämpfen haben?

@Elektronik_Markus
Womit soll denn die Anlage geregelt / gesteuert werden?

 

[Nano]

@Elektronik_Markus Die 30m Zuleitung im Erdreich finde ich für ST suboptimal, da bleibt ne Menge Energie im Erdreich und es schreit ja geradezu nach einer PV/WP Lösung, die würde ich allerdings so realisieren, dass es auch zum Heizen taugt und die Gastherme komplett übrig ist. Bei dem geringen Energiebedarf, den dein Haus hat, würde ich gleich Nägel mit Köpfen machen und eine möglichst simple WP Lösung wählen.

 

[Elektronik_Markus]

Das ist der Vorteil von Drain Back Anlage, wenn die Pumpe aus ist sind die Vakuumröhrenkollektoren leer und kein Wasser Stagniert. Es darf aber nicht wieder in den zu Heißen Vakuumröhrenkollektoren reingestartet werden, um Dampfschläge zu verhindern.

Die Anlagensteuerung muss selbst gebaut und programmiert werden, weil Drainback-Steuerungen selten sind. Individuelle Lösungen mit Wärmetauscher sind selten voll funktionsfähig (Sorel).

Eine Fernwärmeleitung hat laut Datenblatt Wärmeleitfähigkeit 0,0219 W/(mK) bei 50 °C.

 

[Nano]

Ich bin jetzt mal faul und versuche nicht herauszufinden, wie man daraus die Verlustleistung berechnet.
Das Netz meint zwischen 7 und 40W/m.
Nehmen wir mal nur 10 W an, dann haben wir 300 W bei 30 m (mal 2 für Hin- und Rücklauf ?)......egal, also einige kWh Verluste jeden Tag, den die ST in der Übergangszeit erst einmal bringen muss plus Verluste für WT etc etc....