Forschungsbericht 2010 - Hochschule Ingolstadt

Kompetenzfeld
Erneuerbare Energien
Optimierte Thermosiphon-Solaranlage
Der Trend in der Solarthermie geht zu immer größeren
und komplexeren Anlagen, die nicht nur Warmwasser
erhitzen, sondern auch zur Heizwärmeversorgung beitragen.
Die dabei eingesetzte Anlagentechnik eignet sich
jedoch nur begrenzt für die südlichen Exportmärkte, da
sie technisch zu aufwändig und damit zu kostenintensiv
ist. Für diese Märkte bieten sich besonders Thermo-
siphon-Solaranlagen an. Thermosiphon-Systeme – auch
als Schwerkraft- oder Naturumlaufanlagen bezeichnet –
arbeiten autark ohne Pumpen und elektrische Regelung,
nur aufgrund des Dichteunterschieds von kalter und
warmer Wärmeträgerflüssigkeit (Abbildung 1).
Abbildung 1
Funktionsprinzip einer Thermosiphon-Solaranlage
projeKtZiele
Ziel des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten
Gemeinschaftsprojektes der CitrinSolar GmbH
(Moosburg) und des Kompetenzfelds Erneuerbare
Energien ist es, eine seriennahe und an den Markt an-
gepasste Prototyp-Thermosiphon-Anlage zu entwickeln.
Ausgehend von Bauteil- und Systemversuchen an einer
dem Stand der Technik entsprechenden Referenzanlage
werden für den Prototyp optimierte Systemkonzepte entwickelt
und Bauteile in einer Systemsimulation ausgelegt
und bewertet.
optiMierunGspotenZiAle
Die Schwachstellen von Thermosiphon-Anlagen konnten
im Rahmen des Projektes identifiziert und konstruktiv
behoben werden. Ergebnis ist ein Anlagenprototyp,
der gezielt physikalische Zusammenhänge zur Verhinderung
der Umkehrung der Durchflussrichtung ausnutzt,
die vor allem nachts bei hohen Speichertemperaturen
auftritt. Zudem wurden Strategien zur Kontrolle des
Druckanstiegs durch Volumenausdehnung im Anlagenbetrieb
entwickelt und in das System integriert. Einen
Kosten- und Gewichtsvorteil des Anlagen-Prototyps
bringt die Verwendung eines Vollaluminiumabsorbers
(Abbildung 2), was sogleich ein Alleinstellungsmerkmal
der Anlage ist. Die Verwendung von Aluminium ist möglich,
da Thermosiphon-Anlagen als Paketlösungen angeboten
werden und somit die Werkstoffpaarungen gezielt
aufeinander abgestimmt werden können.
Abbildung 2
Thermosiphon-Prototyp auf der Messe INTERSOLAR 2010, München
systeMdiMensionierunG
Die Dimensionierung der Thermosiphon-Anlage ist auf
einen europäischen 3-4 Personenhaushalt mit einem
Warmwasserbedarf von 2.500 kWh / a ausgelegt. In dieser
Leistungsklasse haben marktübliche Thermosiphon-
Solaranlagen ein Speichervolumen von rund 180 l bei
einer Kollektorfläche von etwa 2 m². Diese Systemgröße
mit einem maximalen Warmwasserdeckungsgrad von
70 % am Standort Málaga bildete die Referenz für die
Anlagenoptimierung.
Das Ergebnis der Optimierungssimulationen ist eine vom
Stand der Technik leicht abweichende Kollektorfläche
von 2,5 m² bei einem Speichervolumen von 165 l. Diese
Anlagenkonfiguration ermöglicht einen jährlichen solaren
Warmwasserdeckungsbeitrag von 80 % am Standort
Málaga.
Um den ästhetischen Anforderungen moderner Thermo-
siphon-Anlagen gerecht zu werden, wird die Speicher-