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Stagnation - thermische Solaranlagen

Autoren
OldBo
08.07.2019
Wenn es in einer thermischen Solaranlage zur Stagnation der Solarflüssigkeit kommt, dann erwärmt dabei sich die Flüssigkeit sehr schnell. Aber die sich ausdehnende Flüssigkeit kommt nicht sofort in das Membranausdehnungsgefäß, sondern es handelt sich um ein länger andauernden Verdampfungsprozess des Fluids (Solarflüssigkeit) im Absorber.
Plattenabsorber
 Plattenabsorber
Quelle: Bosy
Fahnenabsorber
 Fahnenabsorber
Quelle: Bosy
Einbau eines Vorschaltgefässes in einer Solaranlage
 Einbau eines Vorschaltgefässes in einer Solaranlage
Quelle: Bosy
Stagnationskühler
 Stagnationskühler
Quelle: Bosy
Heizleistenkühler
 Heizleistenkühler
Quelle: Bosy
Wasserkühler
 Wasserkühler
Quelle: Bosy
Ausgecrackte Solarflüssigkeit
 Ausgecrackte Solarflüssigkeit
Quelle: Bosy
gealterte Solarflüssigkeit - bosy-online.de
 gealterte Solarflüssigkeit - bosy-online.de
Quelle: Bosy
Geplatzte Kollektorverbindungsrohr
 Geplatzte Kollektorverbindungsrohr
Quelle: Bosy
Falsches Material eines eigentlich überflüssigen Be- und Entlüfters
 Falsches Material eines eigentlich überflüssigen Be- und Entlüfters
Stagnationsphasen
 Stagnationsphasen
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG

Wenn es in einer thermischen Solaranlage zur Stagnation der Solarflüssigkeit kommt, dann erwärmt dabei sich die Flüssigkeit sehr schnell. Aber die sich ausdehnende Flüssigkeit kommt nicht sofort in das Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG), sondern es handelt sich um ein länger andauernden Verdampfungsprozess des Fluids (Solarflüssigkeit) im Absorber. Wichtige Faktoren für diesen Vorgang sind die Kollektorverschaltungen, die Rohrführung und die Armaturenanordnung. Sehr selten wird durch das Ausfallen der Regelung oder der Pumpe ein Stagnationsfall verursacht.

Je höher der Deckungsanteil der Anlage ist, desto größer ist das Überangebot an Energie, was in den Sommermonaten zum Stillstand führt, weil die Kollektorfläche für die Last im Sommer überdimensioniert ist. Die Regelung schaltet die Pumpe aus. Um unerwünschte Effekte (Temperaturbelastungen anderer Komponenten) durch Stagnation zu vermeiden, muss die Restflüssigkeitsmenge reduziert werden. Das hängt von der Konstruktion der Anlage ab. Dabei geht es z.B. um die Verschaltung im Kollektorfeld (Einfluss auf das Entleerungsverhalten), die Position der Anschlussleitungen am Kollektorfeld und die Positionierung des Rückschlagventils relativ zum Anschluss des Membranausdehnungsgefäßes (MAG).

In letzter Zeit kommt wieder immer mehr das Steamback-Verfahren zum Einsatz, das lange Zeit in Vergessenheit geraten war, weil die "Hochdruckprediger" in der Überzahl waren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser-Glykol-Gemisch wenig beansprucht, weil die Verdampfung aufgrund des geringen Anlagendruckes niedrig gehalten wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur (ca. 110 °C) kann das Frostschutzmittel nicht auscracken. Der Vordruck des MAG's ist 0.2 bar über dem statischen Druck und der Fülldruck im kalten Zustand liegt 0.1 bar über dem Vordruck.

Es gilt: Einer der beiden Anschlüsse an das Kollektorfeld muss nach unten weggeführt werden; für die interne Verschaltung muss mindestens einer der beiden Kollektoranschlüsse auf der Unterseite des Kollektors herausgeführt werden.

Das Entleerungsverhalten der Plattenabsorber einen Entleerungsfaktor von 100 %. Fast so gut ist der Entleerungsfaktor beim Fahnenabsorber mit vertikaler Rohranordnung. Danach folgen Fahnenabsorber mit horizontalen Absorberrohren und Vakuumröhrenkollektoren mit Kollektoranschlüssen am oberen Ende des Kollektors. Im Fall eines ungünstigen Entleerungsverhaltens kann die hohe thermische Belastung der Solarflüssigkeit nicht vermindert werden.

Bei den anderen Systemkomponenten existieren zur Verminderung der thermischen Belastung verschiedene Möglichkeiten, z. B.:
  • Leitungen: lange Leitungen zum MAG, die auch größere Abkühlverluste haben, senken die Temperaturbelastung
  • MAG/Gefäßmembran: "hängende" Anbringung des MAGs kann die Überhitzung der Gefäßmembran reduzieren, besser immer ein Vor- bzw. Zwischengefäß einbauen
  • Betriebsdruck erhöhen: um eine Verdampfung im Kollektorkreis zu vermeiden
  • besser > Betriebsdruck so niedrig wie möglich, um eine Verdampfung im Kollektorkreis bei niedrigen Temperaturen zu erreichen
  • gezielte Kondensation: durch zusätzlich installierten Kühlkörper oder externe Solarkreiswärmetauscher als Wärmesenke
  • Drain-Back-System: im Stillstand wird der Kollektor mit Luft gefüllt; geeignet für kleinflächige Anlagen
  • Rückkühlfunktion
Der Einbau aller Sicherheitstechnischen Einrichtungen ist bei thermischen Solaranlagen besonders wichtig.

Der Stagnationsvorgang läuft in 5 Phasen ab:

Phase 1 - Ausdehnung der Wärmeträgerflüssigkeit

Schneller Anstieg der Kollektortemperatur und ein geringer Anstieg des Systemdruckes (der aber unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventiles bleibt), der der Volumenausdehnung der Flüssigkeit im System entspricht, aber ein richtig ausgelegtes MAG und einen richtigen Vordruck des MAG's und Betriebsdruck vorausetzt.
Bei den Überschreiten der in der Regelung eingestellten max. Kollektortemperatur schaltet die Umwälzpumpe ab, damit sie keine weitere Flüssigkeit in die Kollektoren fördert bzw. im Dampf nicht trocken läuft.

Phase 2 - Erste Dampfbildung

Das Wasser der Solarflüssigkeit beginnt zu verdampfen und der Dampf breitet sich aus, wobei die Solarflüssigkeit aus den Kollektoren geschoben wird und die Vor- und Rücklaufleitungen mit Sattdampf gefüllt werden. Die Flüssigkeitstemperatur erreicht fast die Siedetemperatur. Der Systemdruck steigt rasch an. Die maximale Systembelastung hängt von den verbleibenden Flüssigkeitsresten im Kollektor am Ende der 2. Phase ab, was durch das Entleerungsverhalten des Kollektors bzw. des Systems während dieser Phase beeinflusst wird. Bei schlecht entleerenden Kollektoren nehmen die Zeitdauer und die Intensität der nächsten Phase zu. Das führt zur höheren Druck- und Temperaturbelastung.

Wichtig sind die Länge und die Abkühlungsverluste der Leitungen, weil kurze Leitungen und niedrige Abkühlungsverluste höhere Temperaturbelastungen am MAG und anderen Komponenten verursachen. Deswegen sollte der Systemdruck nicht zu hoch gewählt werden, damit das Verdampfen nicht bei zu hohen Temperaturen beginnt.. Das MAG kann zusätzlich durch ein Vor- bzw. Zwischengefäß und eingeschränkt durch einem Wärmetauscher (Stagnationskühler) geschützt werden.

Phase 3 - Leersieden des Kollektors

Dies ist die kritische Phase. Der Wasseranteil der Solarflüssigkeit verdampft. Aus einem Liter Wasser werden 1700 Liter Dampf. Durch die Volumensänderung steigt der Anlagendruck und erreicht seinen Höchstwert. Dabei sollte gewährleistet sein, dass die Solarflüssigkeit vollständig aus den Kollektoren in das MAG gedrückt wird. Die Restflüssigkeit, ein konzentriertes Glykol am Ende der 2. Phase und während der 3. Phase, ist für die Länge und Intensität den beiden Phasen verantwortlich. Bei einem guten Entleerungsverhalten der Anlage werden die Siedetemperaturen (im Bereich 150-200° C bei Flachkollektoren) nur kurzfristig erreicht und belasten dadurch nur eine kleine Menge der Flüssigkeit.

Kann die Flüssigkeit die Kollektoren nicht vollständig über den Rücklauf verlassen, bzw. läuft durch eine falsche Rohrleitungsführung Flüssigkeit nach, so kommt es zu einer weiteren Dampfproduktion, was zu Dampfschlägen in den Leitungen führen kann. Können die Leitungen und das MAG diese Energie nicht mehr aufnehmen, kommt es zu einer weiteren Druckerhöhung und zum Ansprechen des Sicherheitsventils.

Durch das Verkochen (Auscracken) des Glykols, bei länger andauernder Verdampfung bei hohen Temperaturen, kommt es zur Beschädigung der Anlage und zur Bildung von festen Partikeln, die das Rohrnetz verstopfen und zu Verkrustungen in den Kollektoren führen können.
Dieser Punkt wird wird bei größeren Anlagen immer mehr beachtet werden.

Phase 4 - Sattdampf und überhitzter Dampf

Bei leergedrückten Kollektoren und weiterer Energiezufuhr durch die Sonne, wird der Sattdampf in den Kollektor überhitzt. Dieses führt dann nur noch zu einem weiteren geringfügigem Druckanstieg. Der Kollektor wird während dieser Phase zunehmend trocken und die Absorbertemperatur steigt.

Phase 5Wiederbefüllen

Bei sinkender Sonneneinstrahlung fällt die Temperatur wieder unter den Siedepunkt, der Dampf kondensiert, der Druck sinkt ab und die im MAG „zwischengelagerte“ Flüssigkeit wird wieder über den Rücklauf in die Kollektoren gefüllt.

Nach einem solchen Stagnationsfall schaltet die Umwälzpumpe, wenn die eingstellten Temperaturdifferenz entsprechenden vorgeben, wieder an. Wenn das bei hohen Temperaturen geschieht, können im Kollektorkreis erneut Temperaturen bis zu 130 °C (bei höheren Drücken auch darüber) auftreten.

Fazit

Wenn folgende Punkte beachtet werden, dann gibt es keine Stagnationsprobleme

Sollte das Sicherheitsventil (und/oder ein offener Entlüfter) im Stagnationsfall angesprochen haben, muss evtl. Flüssigkeit nachgefüllt werden. Ein Grund mehr, das MAG nicht zu klein auszulegen. Eigentlich sollte das MAG nicht nur das durch Erwärmung entstehende Ausdehnungsvolumen aufnehmen können, sondern auch den gesammten Inhalt der Kollektoren und der Rohrleitungen. Außerdem sollte jede Anlage ein Vor- bzw. Zwischengefäß haben.

Wenn eine Anlage oft in Stagnation geht, dann sollte möglichst regelmäßig eine Inspektion bzw. Wartung durchgeführt werden.

Alterung der Solarflüssigkeit
Beim Normalbetrieb und bei gutem Entleerungsverhalten des Kollektors treten keine sehr hohen Temperaturen (max. bis 100 °C) auf bzw. ist die Einwirkung auf das Medium kurzfristig und betrifft nur eine kleine Menge. In diesem Fall findet nur das Verdampfen von Wasser statt.
Beim Stagnationsfall dagegen sind in Flachkollektoren Temperaturen von ca. 200 °C möglich und bei den Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren können Temperaturen von über 300 °C erreicht werden. Eine schlechte Entleerung hat zur Folge, dass die Restflüssigkeit nicht mehr verdampft und über sehr lange Zeit wesentlich höheren thermischen Belastungen (höher als der Siedepunkt des reinen Glykols) ausgesetzt wird. Die Alterung des Wärmeträgers zeichnet sich durch Dunkelfärbung und eine Absenkung des pH-Wertes aus, die sich bei Stagnation in wenigen Stunden bei den Vakuum-Röhrenkollektoren einstellt. Dabei können sich vermehrt feste, nicht wieder auflösbare, dunkle Rückstände bilden.

Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.

Durch eine Verzunderung (Oxidation) und einer Vercrackung (Überhitzung) können die schützenden Bestandteile der Solarflüssigkeit sehr schnell verbraucht werden. Die Übersäuerung der Flüssigkeit ist korrosiv und  führt zur Bildung von teerartigen Zersetzungsprodukten, die nicht mehr löslich sind und zu Verklebungen innerhalb des Solarkreises bis hin zur Zerstörung der Solaranlage führen können. Diese Gesichtspunkte werden bei Stagnationsanlagen viel zu wenig beachtet.
Beispiel

8,8 l sind im Kollektor und 4,4 l in der Rohrleitung? Bei 22 Cu Außen, wären das 14 m Rücklauflänge. 

In der Rohrleitung ist bei guter Hydraulik kein Dampf!  Wo soll der herkommen?
Es verdampft ein Schnapsglas voll Wasser zu Dampf. Volumenänderung auf das ca.1700fache. Der drückt das Wasser in Richtung MAG. 

Dann kann kein Wasser mehr Verdampfen, da es einfach weg sein sollte!
Der aus dem Schnapsglas entstanden Dampf wird jetzt nur noch überhitzt, bis zur Stagnationstemperatur von 190 bis zu 230°C. 

Da passiert nur noch eine maginale Volumenänderung.

Nach der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz von Gay-Lussac, das gilt in diesem Fall für Druck konstant und keine Änderung der Massen, also ein geschlossenes System:

V/T = const      V1 / V2 = T1/T2

ergibt sich für die Verdampfungstemperatur von 130°C und die Stagnationstemperatur von 190°C bei einsetzten in obige Formel (Kelvin beachten)

463K/403K = 1,148

Das sind dann also 15% Volumenänderung auf das Kollektorvolumen.

In diesem Fall 1,3 l

Diese 1,3 l sind aber nur theoretisch da. Sobald diese dann in die isolierte Rohrleitung kommen, erfolgt ja keine weitere Wärmezufuhr mehr und der Dampf kühlt ab, zieht sich wieder auf das Sattdampfvolumen zurück bzw. kondensiert ein geringer Teil.

Demzufolge ist nach einer gewissen Zeit nur noch im Kollektor der überhitzte Dampf.

Verdampft dagegen noch ein Schnapsglas voll Wasser entstehen daraus 1262 Schnapsgläser voll Dampf oder aus eben 0,04 werden 50 l Sattdampf.

Diese Dampfmenge findet dann keinen Platz mehr im System. Es kommt zur erheblichen Drückerhöhung und zu Dampfschlägen in Richtung MAG. Dauert dieser Vorgang länger an, also es wird mehr Dampf produziert wie die Leitung durch Kondensation aufnehmen kann, steigt der Druck weiter und es kommt zum Ansprechen des Sicherheitsventils. Die Solaranlage bläst ab und kann auch noch weitere Schäden nehmen. Quelle: Busokunde
Selbstregelnde Solarkollektoren
Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit schaltender Absorberschicht
 Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit schaltender Absorberschicht
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Oberhalb von 75 °C Kollektortemperatur erhöht sich die Abstrahlung um ein Vielfaches. So wird im Stagnationsfall eine Überhitzung und Dampfbildung zuverlässig verhindert.
 Oberhalb von 75 °C Kollektortemperatur erhöht sich die Abstrahlung um ein Vielfaches. So wird im Stagnationsfall eine Überhitzung und Dampfbildung zuverlässig verhindert.
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Vakuum-Röhrenkollektor „Vitosol 300-T“ mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
 Vakuum-Röhrenkollektor „Vitosol 300-T“ mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Die Firma Viessmann bietet schaltende Flach- und Röhrenkollektoren an, die Solarthermie-Anlagen vor Überhitzung schützen sollen. Die selbstregelnden Solar-Kollektoren verhindern eine Überhitzung und Dampfbildung. Das Problem in der Praxis ist, dass große Solar-Kollektorflächen im Sommer zu langen Stagnationszeiten mit Dampfbildung führen, weil die zur Verfügung stehende Wärme nicht genutzt werden kann.
Mit einer neuen Absorberbeschichtung im Flachkollektor "Vitosol 200-F" steht jetzt neben der Phasenwechsel-Temperaturabschaltung im Vakuum-Röhrenkollektor "Vitosol 300-T" ein selbstregelnder Solar-Kollektor zur Verfügung, der eine Überhitzung und Dampfbildung zuverlässig verhindert. Diese arbeiten unabhängig von Anlagengestaltung und der vorhandenen Regelungseinstellungen.

Der patentierte Flachkollektor "Vitosol 200-F" mit schaltender Absorberschicht unterbindet bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die weitere Energieaufnahme. Das Prinzip beruht auf einer Absorberbeschichtung mit schaltenden Schichten, die abhängig von der Kollektortemperatur ihre Kristallstruktur und damit ihren Absorptions- bzw. Reflexionsgrad verändert.

Über einer Absorbertemperatur von ca. 75 °C ändert sich die Kristallstruktur, wodurch sich die Reflexion der auftreffende Solarstrahlung stark erhöht. So sinkt bei steigenden Kollektortemperaturen die Leistung, die Stagnationstemperaturen sind geringer und eine Stagnation (Dampfbildung) wird unterbunden.

Der Vakuum-Röhrenkollektor "Vitosol 300-T" mit Phasenwechsel-Temperaturabschaltung nutzt das Heatpipe-Technik. Die solare Wärme verdampft die Flüssigkeit innerhalb der Heatpipe und übergibt die Wärme nach der anschließenden Verflüssigung im Kondensator an den Pufferspeicher.

Der Dampf in der Heatpipe kann bei Temperaturen über 145 °C nicht mehr kondensieren. Durch diese Phasenwechsel-Temperaturabschaltung wird die Wärmeübergabe unterbrochen und die Anlage ist gegen zu hohe Stagnationstemperaturen geschützt. Erst bei niedrigeren Kollektortemperaturen starte der Kreislauf in der Heatpipe erneut.

Beschattungssysteme - thermische Solaranlagen
Beschattungsmöglichkeiten
 Beschattungsmöglichkeiten
Quelle: LAMILUX Heinrich Strunz GmbH
Besonders in thermischen Solaranlagen für die Heizungsunterstützung, aber auch bei überdimensionierten Anlagen, kommt es hauptsächlich in den Sommermonaten zur Stagnation, die sich grundsätzlich negativ auf die Bauteile und die Solarflüssigkeit auswirken. Auch wenn eine Solaranlage in dieser Zeit keine Wärmeabnahme hat, so z. B. in der Urlaubszeit, werden besondere Maßnahmen notwendig.

Natürlich ist eine Anlage, die nur zur Trinkwassererwärmung verwendet werden soll, richtig auszulegen. Weniger ist hier ein wenig mehr. Diese Anlagen werden nicht in Stagnation gehen. Bei diesen Anlagen ist auch die Möglichkeit einer Rückkühlung über die Kollektoren (Flachkollektoren) während der Nachtstunden regelungstechnisch vorgesehen. Vakuumröhrenanlagen benötigen besondere Kühlelemente (Heizkörper, Flächenheizung), weil diese schlecht über die Wärmetauscher an den Kollektoren kühlen können.

Thermische Solaranlagen, die zur Heizungsunterstützung ausgelegt werden, sind in den Sommermonaten logischerweise immer zu groß ausgelegt. Ein größerer Pufferspeicher oder eine Veränderung der Steilheit der Kollektoren würde keinen nenneswerten Erfolg bringen. Auch eine natürliche Beschattung durch Laubbäume würde die Leistung während der Übergangszeiten mindern.

Wenn diese Anlagen nicht geteilt werden können, so ist hier der Einsatz eines Beschattungssystems notwendig. Diese Systeme sind in der Fenstertechnik bekannt und müssten nur auf die Solartechnik (Flachkollektoren) umgesetzt werden. Diese Rollos oder Jalousien könnten automatisch betrieben werden. Vakuumröhren können nur mit Außenelementen beschattet werden, was evtl. Probleme mit der Windlast bringen könnte. Ein automatisches Drehen der Röhren ist noch nicht auf dem Markt.

Wenn jemand ein Beschattungssystem kennt, freue ich mich auf eine E-Mail.
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