English 

Stagnationsproblematik in großen thermischen Solaranlagen

Große thermische Solaranlagen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Sie werden für die Warmwasserbereitung mit hohem solaren Deckungsanteil und für die Raumheizungsunterstützung eingesetzt. Solche Kombianlagen gehen im Sommer häufig in den Stillstand, da das Angebot an Solarwärme den Bedarf übersteigt. Unter diesen Bedingungen werden rasch Temperaturen von 200° C überschritten. Solch hohe Stillstandstemperaturen können zu einer thermischen Belastung des Solarkreises führen, die über die Beanspruchung des üblichen Betriebsfalles deutlich hinausgeht und im Extremfall die Solaranlage beschädigt. Es ist also wichtig, die physikalischen Vorgänge im Stagnationsfall zu verstehen und zu kontrollieren.

Abb. 34: Versuchsanlagen am Testdach des ISFH. Hier werden umfangreiche Stagnationsuntersuchungen durchgeführt.

Abb. 34: Versuchsanlagen am Testdach des ISFH. Hier werden umfangreiche Stagnationsuntersuchungen durchgeführt.

Vorgänge bei Stagnation

Als Stagnation wird bei einer thermischen Solaranlage der Zustand bezeichnet, bei dem es bei gleichzeitig hoher Solarstrahlung und ausgeschalteter Pumpe zur Verdampfung des Wärmeträgers im Kollektor kommen kann. Dieser Zustand ist prinzipiell vorgesehen und unkritisch. Gründe für den Stillstand der Solarkreispumpe sind oftmals ein voller Speicher, in seltenen Fällen ist es ein technischer Defekt. Problematisch im Stillstand sind einsetzende Zwei-Phasen-Strömungen, die im ungünstigsten Fall für eine weite Ausbreitung von Dampf und entsprechend hoher Temperaturbelastung im Solarkreis sorgen. Die Armaturen (Membranausdehnungsgefäß, Pumpe, Ventile, Rohrdämmung) und das Wärmeträgermedium selbst sind die gefährdeten Komponenten. Die Reichweite des vom Kollektorfeld produzierten Dampfes hängt u.a. vom Entleerungsverhalten der Kollektoren ab. Hierbei zeigt sich, dass das Vorhandensein von so genannten Flüssigkeitssäcken zu hohen Dampfreichweiten und lang andauernden Verdampfungsvorgängen führt. Werden Flüssigkeitssäcke vermieden, kommt es in einer frühen Phase der Stagnation zum Ausdrücken großer Flüssigkeitsmengen durch den entstehenden Dampf und somit zu einer raschen Abnahme der Dampfproduktionsleistung des Kollektors. Dies ist in Abbildung 35 illustriert.

Abb. 35: Entleerungsverhalten im Stagnationsfall mit und ohne Flüssigkeitssack. Dargestellt ist die Verrohrung innerhalb eines Kollektors. Die Pfeile kennzeichnen die Richtung der Dampfausbreitung.

Abb. 35: Entleerungsverhalten im Stagnationsfall mit und ohne Flüssigkeitssack. Dargestellt ist die Verrohrung innerhalb eines Kollektors. Die Pfeile kennzeichnen die Richtung der Dampfausbreitung.

Stagnationsuntersuchungen am ISFH

Im Rahmen zweier Forschungsprojekte(9),(10) am ISFH werden umfangreiche Experimente an drei Testanlagen zur Analyse der Stagnationsproblematik durchgeführt. Darüber hinaus werden die Kollektorkreise von insgesamt vier Solaranlagen in situ vermessen und die Daten im Hinblick auf das Stillstandsverhalten ausgewertet. Die Größe der untersuchten Kollektorflächen reicht von 9 m2 bis 180 m2 und umfasst unterschiedliche Kollektorbauarten und hydraulische Verschaltungen.

Abb. 36: Hydraulische Verschaltung der drei untersuchten Kollektorfelder. Bei Kollektorfeld FK2 können Versuche mit oben und unten liegenden Leitungen durchgeführt werden. Eingezeichnet sind die Vorlauf- (VL –– ) und Rücklaufleitungen (RL –– ), die gestrichelten Leitungen werden optional verwendet.

Abb. 36: Hydraulische Verschaltung der drei untersuchten Kollektorfelder. Bei Kollektorfeld FK2 können Versuche mit oben und unten liegenden Leitungen durchgeführt werden. Eingezeichnet sind die Vorlauf- (VL –– ) und Rücklaufleitungen (RL –– ), die gestrichelten Leitungen werden optional verwendet.

Ziel der Untersuchungen ist es, das Stagnationsverhalten von größeren Kollektorfeldern qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Des weiteren sollen Handlungsempfehlungen zur Entschärfung der Stagnationsbelastungen erarbeitet werden, welche über die gängigen Empfehlungen – wie z.B. die Vermeidung von Flüssigkeitssäcken – hinaus gehen, da in vielen Großanlagen eine Kollektorfeldverschaltung ohne das Entstehen von Flüssigkeitssäcken kaum möglich ist. Abbildung 34 zeigt das Testdach des ISFH, auf dem drei komplette Solaranlagen montiert und mit umfangreicher Messtechnik zur Charakterisierung des Stagnationsfalles ausgestattet wurden.9 Die Kollektorfelder, die in Abbildung 36 skizziert sind, unterschieden sich in Bauart und hydraulischer Verschaltung. Weitere Kenndaten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das Feld VRK1 besteht aus insgesamt 4 Vakuumröhrenkollektoren, wobei sowohl die Kollektoren als auch die Einzelröhren parallel verschaltet sind. Die Aperturfläche beträgt ca. 12 m2. Die Felder FK2 (20 m2) und FK3 (25 m2) bestehen aus Flachkollektoren, einmal in Harfen- und einmal in Mäanderbauweise.

Tab. 2: Kenndaten der drei installierten Versuchsanlagen am ISFH (VL:Vorlauf, RL: Rücklauf).

Tab. 2: Kenndaten der drei installierten Versuchsanlagen am ISFH (VL:Vorlauf, RL: Rücklauf).

Dampfreichweite und Dampfvolumen

Zur Charakterisierung des Verdampfungsverhaltens wurden bei den Stagnationsversuchen die maximale Dampfreichweite und das maximale Dampfvolumen gemessen. Die Reichweite ließ sich mit einer Vielzahl von Temperatursensoren auf den Rohrleitungen bestimmen, das Dampfvolumen im Kollektorkreis auf Basis vorab gemessener Druck-Volumen-Kennlinien der Ausdehnungsgefäße aus dem gemessenen Anlagendruck.

Die Messperiode im Spätsommer 2004 lieferte aufschlussreiche Messergebnisse hinsichtlich des Verdampfungsverhaltens der Kollektorfelder. Bei einem Ruhedruck von ca. 1,5 bar wurden bei den Versuchen Dampfreichweiten von über 70 m gemessen.

Bei den gängigen Dimensionierungsempfehlungen von Solar-Ausdehnungsgefäßen wird davon ausgegangen, dass im Extremfall das komplette Kollektorfeld und ein kleiner Teil der Anschlussleitungen mit Dampf gefüllt sind. Der Anteil der unter Dampf stehenden Anschlussleitungen wird in der Literatur mit höchstens 7% des Kollektorvolumens abgeschätzt, d.h. das maximale Verdampfungsvolumen wird zu 107% des Kollektorvolumens angenommen. Unsere Messungen haben erheblich höhere relative maximale Dampfvolumina (mDV) ergeben. Die Anlage VRK1 produzierte bis zu 31 l Dampf. Bezogen auf den Kollektorfeldinhalt von 21,3 l ergibt sich daraus ein relatives mDV von 146%. In der Konfiguration mit oben liegendem Vorlauf (VL)- und Rücklauf (RL)-Leitungen erreichte die Anlage FK2 ein relatives mDV von 157%, bei unten liegenden Rohrleitungen waren es sogar 200%. Die Messungen belegen das bessere Verdampfungsverhalten bei unten angebrachten Rohrleitungen. Das relative mDV von Anlage FK3 lag bei 115%.

In situ Vermessung

Im Rahmen eines weiteren Forschungsprojekts11 wird eine Kombi-Solaranlage in Hannover in situ vermessen, und anhand der Daten werden kritische Stillstandszustände identifiziert (Abbildung 37). Das Kollektorfeld besteht aus vier Vakuumröhrenkollektoren mit einer Gesamtaperturfläche von 9 m2, der Speicher hat ein Volumen von 750 Litern.

An insgesamt 27 Tagen im Jahr 2004 (alle in den Monaten August und September) kam es bei dieser Anlage zu Verdampfungsvorgängen im Kollektorkreis, wobei in allen Fällen die Ursache das Erreichen der Maximaltemperatur des Speichers war. An nahezu allen Stagnationstagen reichte der Dampf bis zum Eintritt des Wärmeübertragers in den Speicher. Dieser Zustand ist nicht unproblematisch, da es zu Dampfbildung im Speicher und zum Austritt von Dampf an der Zapfstelle kommen kann. Das relative maximale Dampfvolumen erreichte Werte von bis zu 123%, womit auch an dieser Anlage der für die Auslegung des Ausdehnungsgefäßes empfohlene Wert von 107% überschritten wird. An den Anschlussleitungen der Kollektoren wurden im Stagnationsfall Temperaturen von bis zu 187° C gemessen, innerhalb einer Röhre wurden bis zu 268° C erreicht.

Fazit

Sowohl die Ergebnisse unserer Stagnationsversuche als auch die Messungen an der Betreiberanlage in Hannover zeigen erheblich höhere maximale Dampfvolumina und Dampfreichweiten in den Kollektorkreisen als bisher angenommen. Wäre bei den Testdachanlagen eine Dimensionierung der Ausdehnungsgefäße nach gängigen Richtlinien vorgenommen worden, hätte es in einigen Fällen zum Ansprechen des Sicherheitsventils und damit zum Abblasen des Fluids aus den Anlagen kommen können. Damit wird die Dringlichkeit für die Entwicklung von Methoden zur Vermeidung der Stagnationsbelastungen insbesondere von großen Kollektoranlagen deutlich.

(9) Das Forschungsvorhaben "Stagnationsuntersuchungen in den Kollektorkreisen hochdimensionierter großer thermischer Solaranlagen" wird durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) im Rahmen des Förderkonzepts Solarthermie2000plus unter dem Förderkennzeichen "0329268 A" gefördert. Projektleitung: Dr. W. Eisenmann.

(10) Förderung des Forschungsprojekts "Untersuchungen an einer hochdimensionierten thermischen Solaranlage" durch proKlima (Hannover), Antrags-Nr. "E011007". Projektleitung: Dr. W.Eisenmann

(11) Förderung des Forschungsprojekts "Untersuchungen an einer hochdimensionierten thermischen Solaranlage" durch proKlima (Hannover), Antrags-Nr. "E011007". Projektleitung: Dr. W.Eisenmann

Abb. 37: In situ Vermessung einer 9 m2 Kombi-Solaranlage in Hannover..

Abb. 37: In situ Vermessung einer 9 m2 Kombi-Solaranlage in Hannover.

© 2006-2014 Institut für Solarenergieforschung GmbH, Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal - Tel. 05151-999-100 - info@isfh.de