-
Soll
von Solarkollektoren gewonnene Wärme
zur Heizung oder Heizungsunterstützung
(für kleine
Verbraucher wie Einzel-, Reihen- oder Doppelhäuser) genutzt werden, muss
diese in der Regel zwischengespeichert werden. Der Grund dafür ist die zeitliche
Differenz zwischen Bedarf und Verfügbarkeit. Um dieses Problem
zu lösen,
werden Speicher mit einem Volumen bis 2,5 m3 eingesetzt.
Das Speichermedium ist Wasser, da normalerweise ebenfalls die Bereitstellung
von Warmwasser durch solche so genannte Kombinanlagen erfolgt. Diese
Anlagen ermöglichen
die Speicherung der solar gewonnenen Wärme über mehrere Tagen und arbeiten
effektiv in den Übergangszeiten
[1]. Die in den Sommermonaten gewinnbare Wärme kann so nur zu einem geringen
Teil genutzt werden weil das Speichervolumen zu gering ist. Soll
der mögliche
solare Ertrag des Sommers vollständig
genutzt werden, muss das Speichervolumen deutlich vergrößert werden.
Eine Möglichkeit
dafür stellen
Erdreichwärmespeicher
da. Diese haben ein deutlich größeres Volumen
und als Speichermedium dient normales Erdreich. Der Nachteil von
Erdreich ist die geringere volumetrische Wärmekapazität (70 bis 90 % der von Wasser
[2, 3, 4, 5]), dafür
gibt es aber keine wirkliche Grenze bei der Höhe der Speichertemperatur.
Bei Wasserspeichern liegt diese bei 90 bis 95°C und damit unter den Möglichkeiten,
die Röhrenkollektoren
haben [6]. Für
diese stellen Temperaturen bis 150°C keine Hürde da, allerdings bei niedrigeren
Wirkungsgraden.
-
Solche
Erdreichwärmespeicher
stellen keine Standardlösung
da und werden nur von einigen wenigen Herstellern angeboten [7].
Der Grund dafür
ist, dass angenommen wird, dass Anlagen dieser Größenordnung
einen außerordentlich
schlechten Wirkungsgrad haben [8].
-
In 1 ist
ein denkbares Anlagenschema für
einen Erdreichwärmespeicher
mit Kollektoranlage und Verbraucher dargestellt. Der Speicher ist
quaderförmig
und wird komplett von einer erforderlichen Isolierung umschlossen.
Die vom Kollektor gewonnene Wärme
kann direkt vom Verbraucher genutzt werden oder sie wird in bestimmten
Bereichen des Speichers gespeichert. Wenn im Speicher Wärme mit
einer über
der geforderten Verbrauchstemperatur liegenden Temperatur vorhanden
ist, kann der Verbraucher dem Speicher Wärme entziehen. Da für Häuser aus
dem Bestand die Kollektorfläche
(statistisch sind Flächen
bis 30 m2 möglich) nicht ausreichen, um
den gesamten Heizwärmeverbrauch
zu decken werden immer zusätzliche
Heizungen notwendig sein. Nur für neuzeitliche
Häuser
mit geringem Heizwärmebedarf ist
eine komplette Deckung vorstellbar. Dass bei der bautechnischen
Realisierung solcher Anlagen eine Umfassungswand zum Schutz (gegen
Wurzelwerk oder Feuchtigkeit) erforderlich ist, ist wahrscheinlich. Wie
dies aussehen könnte,
wird in 2 dargestellt. Weiterhin werden in 2 die
möglichen
Positionen von Wärmetauschern
zur Entnahme und Zufuhr dargestellt. Für diese Aufgabe wäre ummanteltes
Kupferrohr sinnvoll, was für
normale Fußbodenheizungen
zum Einsatz kommt. Dieses ist robust, kostengünstig und lässt sich einfach verarbeiten.
Da Kollektoranlagen in der Regel mit einem teuren frostsicheren
Wasser-Glykol-Gemisch betrieben werden müssen, ist es sinnvoll, zwei
getrennte Kreisläufe
für die Zu-
und Abfuhr der Wärme
vorzusehen. Außerdem ermöglichen
getrennte Kreise ganz andere Möglichkeiten
bei dem Betrieb solcher Anlagen. So ist es auch erforderlich, die
Bereiche für
die Zu- und Abfuhr weiter
zu segmentieren, um auf die natürlichen Schwankungen
bei Bedarf und Angebot effektiv reagieren zu können. D.h., unter Berücksichtigung
der herrschenden Temperaturen und der momentanen Anforderungen werden
nur ganz bestimmte Segmente des Speichen be- bzw. entladen. Wie
weit und in welcher Form die beiden Bereiche unterteilt werden, hängt natürlich von
den jeweiligen Bedingungen (Größe des Speichers,
Kollektorfläche,
etc.) ab.
-
Bei
dem Betrieb einer solchen Anlage ist es das natürliche Ziel, so viel wie möglich der
dem Speicher zugeführten
Wärme auch
zu nutzen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die nicht vermeidbaren Wärmeverluste
zu minimieren. Da die Wärmeverluste
im Wesentlichen von der Größe der Oberfläche und
der Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite
der Isolierung abhängen,
ist es zwingend, die Temperatur an der Innenseite der Isolierung
so niedrig wie möglich
zu halten. Die äußere Temperatur
wird durch den natürlichen
Verlauf der Bodentemperatur bestimmt [9,10]. Um die Temperatur an
der Innenseite niedrig zu halten, werden die Wärmetauscher zur Wärmezufuhr
im inneren Bereich des Speichen platziert. Die Wärmetauscher zur Entnahme werden
hingegen eher in den äußeren Bereichen
positioniert, um die Temperatur zu senken. Bei der Platzierung der
Wärmetauscher
für die
Zufuhr ist aber zu berücksichtigen,
dass der mögliche
Wärmeertrag
eines Solarkollektors natürlich
im Wesentlichen von der Einstrahlung aber auch sehr stark von der
Temperatur des Wärmeträgerfluids
abhängt.
Je höher
diese Temperatur ist, desto niedriger ist der Ertrag (bei gleicher
Einstrahlung). Dies bedeutet, man muss einen Kompromiss machen,
um einerseits große
Wärmeerträge zu erhalten,
aber andererseits niedrige Temperaturen im Wandbereich zu behalten. Eine
Positionierung mit maximalem Abstand zu den Wänden würde nur zu hohen Temperaturen
im Inneren führen,
die wiederum weitere Erträge
schmälern werden.
-
Die
Temperaturverläufe
innerhalb des Speichen werden durch die Wärmekapazität und Leitfähigkeit des verwendeten Erdreiches
und natürlich durch
die zugeführte
bzw. entnommene Wärme
bestimmt. Die Wärmekapazität von Erdreich
ist geringer im Vergleich zu Wasser. Die Leitfähigkeit ist stark vom Feuchtigkeitsgehalt
des Materials abhängig.
So kann diese zwischen 'Lehm
feucht' (2,9[W/mK]/[°C]) und 'Lehm trocken' (0,2[W/mK]/[°C]) um den
Faktor 14,5 variieren. Die von Wasser liegt bei 0,6 [W/mK]/[°C] und ist
damit um den Faktor drei größer als
die des trockenen Lehms. Eine möglichst
niedrige Leitfähigkeit
ist wünschenswert,
um ein gezieltes Beladen von bestimmten Bereichen des Speichers
zu ermöglichen
und damit eine Erhöhung
der Temperaturen an den Innenwänden
zu begrenzen. Wenn man davon ausgeht, dass bei dem Bau einer solchen
Anlage das natürlich
vorhandene Erdreich verwendet wird, muss man davon ausgehen, dass
dieses relativ feucht oder gar nass ist. Um diesen Zustand dahingehend
zu verändern,
dass eine maximale Trockenheit im Speicherbereich herrscht, ist
das im Patentanspruch 2 aufgeführte
Trocknungsverfahren einzusetzen.
-
Dieses
Trocknungsverfahren ist eine Kombination aus zwei baulichen Maßnahmen
(3) und einer bestimmten Vorgehensweise bei der
Erstbeladung des Speichen. Dieses Verfahren macht es erforderlich,
dass beim Bau eines Speichers die Außenfläche des Speichermaterials eine
wasserdichte Abdeckung erhält.
Dies könnten
bestimmte Folien oder Teerpappe sein. Des weiteren muss in der Bodenplatte
der Umfassungswand ein Entwässerungsschacht
vorhanden sein. Dieser muss nur in der Lage sein, das sich im unteren
Bereich sammelnde Wasser ableiten zu können. Besteht nicht die Gefahr, dass
Grundwasser eindringt, kann der Schacht mit Kieselsteinen aufgefüllt werden,
um einen zügigen Abfluss
des Wassers zu gewährleisten.
Wenn das Eindringen von Feuchtigkeit oder Wasser zu befürchten ist,
muss der Entwässerungsschacht
nach unten verschlossen werden. Das sich dort sammelnde Wasser muss
dann durch eine Pumpe entfernt werden. Wie dies im Einzelnen erfolgt
soll nicht Bestandteil dieses Patentantrages sein.
-
Weiterhin
ist notwendig, dass es mehrere übereinander
liegende Bereiche für
die Zufuhr von Wärme
gibt. Bei der ersten Beladung des Speichen muss zuerst ausschließlich die
oberste Schicht verwendet werden, weil bekanntermaßen die
Erwärmung
von Erdreich dazu führt,
dass im Bereich der Zufuhr die Feuchtigkeit verdrängt wird,
solange dies nicht durch Barrieren verhindert wird. So sorgt eine Erwärmung auf
35 bis 40°C
bereits für
eine vollständige
Austrocknung. Ist der Bereich um die oberste Schicht bis zum Beginn
da nächsten
darunter liegenden Schicht auf diese Temperatur erwärmt, muss
diese als nächste
erwärmt
werden und so weiter. Mit diesem Vorgehen wird die Feuchtigkeit
in den Bereich der Bodenplatte verdrängt. Die Folien verhindern, dass
die Feuchtigkeit in die Isolierung ausweichen kann. Um den Abfluss
des Wassers zu verbessern, sollte ein leichtes Gefälle in Richtung
des Entwässerungsschachtes
vorhanden sein. Auf diese Weise wird ein Großteil der vorhandenen Feuchtigkeit
aus dem Speicher entfernt. Dass eine gewisse Restfeuchtigkeit übrig bleibt,
scheint unvermeidbar. Das Ziel dieser Vorgehensweise wird aber damit
erreicht, nämlich
eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit und die Schaffung von
absoluter Trockenheit im Bereich der Wärmezufuhr. Nach dieser Trocknungsphase
kann der Speicher dann normal betrieben werden, d.h. entsprechend
der geplanten Be- und
Entladestrategien.
-
Der
Zweck eines Erdreichwärmespeichers ist
es, einem Verbraucher Heizwärme
zur Verfügung zu
stellen, wenn dieser einen entsprechenden Bedarf hat. Dieser Bedarf
ist einmal durch eine bestimmte Menge und die dazugehörige Verbrauchstemperatur gekennzeichnet.
Diese beiden Werte sind natürlich von
der Bauweise des zu versorgenden Gebäudes abhängig und unterliegen starken
Schwankungen durch die sich verändernden
Witterungsbedingungen. Dass ein Speicher so ausgelegt ist, dass
er nach der Inbetriebnahmephase (Trocknung) alle auftretenden Anforderungen
erfüllen
kann, ist unwahrscheinlich. Um nach einer Entladephase (im Verlauf
des Winters) zügig
wieder Wärme
auch mit höherer
Temperatur bereitstellen zu können,
muss eine bestimmte Anzahl von Wärmetauschern
so wie im Patentanspruch 3 beschrieben platziert werden. Bei dieser
Art der Platzierung geschieht der Einbau paarweise, und zwar so,
dass die Wärmetauscher
für die
Zufuhr direkt neben den Wärmetauschern
für die
Entnahme liegen (4). Wird der Speicher wieder
beladen, so müssen
diese paarweise angeordneten (oder nur einige von ihnen) als erstes
zur Beladung verwendet werden. Da sich die zugeführte Wärme nur langsam im Speicher
ausbreitet (besonders wenn das Material getrocknet wurde), werden
zuerst nur die Bereiche um die Wärmetauscherpaare
erwärmt.
Je nach anfallendem solaren Ertrag ist dann relativ schnell wieder ein
Entzug durch den anderen Wärmetauscher
des Paares möglich,
da dieser ebenfalls in dem erwärmten
Bereich liegen.
-
Wenn
die Wärmetauscher
wie in 2 eingebaut werden, d.h. mit gleichmäßigen Abstand
zwischen den einzelnen Schichten, dauert es deutlich länger bis
sich die Wärme
mit entsprechender Temperatur bis zu den Wärmetauscher für den Entzug ausgebreitet
hat.
-
Die
Nutzung der Wärmetauscherpaare
ist nur solange sinnvoll und notwendig, wie das Beladeniveau gering
ist. Ist die Beladung vorgeschritten, ist es unter Umständen effektiver,
auch die äußeren Schichten
zur Wärmeentnahme
zu verwenden.
-
Ist
der Sicher aufgefüllt
und die Wärmebedarfe
setzen wieder ein, ist es erneut sinnvoll, die Wärmetauscherpaare zu benutzen.
Der Grund hierfür
ist, dass die jetzt herrschenden hohen Temperaturen (Voraussetzung
gute sommerliche Wärmeerträge) sich
negativ auf den Ertrag der Kollektoren auswirken. Wird jetzt Wärme entzogen,
kühlt der
Bereich um die Wärmetauscherpaare
ab und verbessert damit den Kollektorwirkungsgrad. Wie lange diese
Vorgehensweise sinnvoll ist, hängt
davon ab, wie hoch die Temperaturen im Außenbereich sind. Sind diese sehr
hoch, kann es sinnvoller sein, dort die Wärme zu entziehen.
-
Literaturhinweise
-
- /1/ N. N., Acht Anlagen – acht Konzepte, Solaranlagen
für Brauchwasser
und Heizung, Zeitschrift Test 3, 1998
- /2/ W. Streicher, Teilsolare Raumheizung, Auslegung und hydraulische
Integration, Habilitationsschrift, Technische Universität Graz,
1996
- /3/ J. Fredy, R. Jürgen,
H. Hermann, Überprüfung eines
Erd-Wärmespeichers,
Bundesministerium für Forschung
und Technologie, Forschungs-Bericht T 81-200, Fachinformationszentrum
Energie, Physik, Mathematik GmbH Karlsruhe, 1981
- /4/ M. Rudi, G. Werner, Numerische Lösung von partiellen Differentialgleichungen
mit finiten Differenzen, Moreno Verlag, 1995
- /5/ K. Gieck, R Gieck, Techniche Formelsammlung, Gieck Verlag,
1995
- /6/ N. N., Große
Leistung, kleine Fläche,
Technische Informationsschrift microtherm, 1994
- /7/ A. Buchta, W. Wuttke, Das Funktionsprinzip des Sand-Solarspeichers,
Informationsmaterial der Firma ECO-Trend, 2002
- /8/ N. Fisch, M Bodmann, L. Kühl, C. Saße, H. Schnürer, Wärmespeicher, Fachinformationzentrum
Karlsruhe, TÜV-Verlag
GmbH, 2005
- /9/ M. Klugescheid, Thermohydraulische Berechnung zur energetischen
Nutzung des oberflächennahen Untergrundes
am Beispiel zweier Standorte in Lomma (Südschweden) und Berlin, Dissertation
Justus-Liebig-Universität, Giessener
Geologische Schriften, 1997
- /10/ K. Hartge, R. Horn, Einführung in die Bodenphysik, Ferdinand
Enke Verlag Stuttgart, 1991