Solare Nahwärme: Systemanbindungen von 3- und 4-Leiter-Netzen

Das Kollektorfeld kann theoretisch auch auf der Heizzentrale montiert sein. Um den Vorteil des eingesparten zweiten Solarleiters zu nutzen, befindet es sich in der Praxis jedoch zumeist auf weiter entfernten Gebäuden der Nahwärmesiedlung.

Die Solarwärme wird über die Kollektorkreispumpe P1 und die Speicherladepumpe P2 vom Kollektorfeld in den oberen Bereich des mit Heizungswasser gefüllten Pufferspeichers transportiert.

Dreileiternetz (1 solar; 2 konventionell) mit Nacherwärmung außerhalb des Puffers bei normaler Netzrücklaufströmung

Dreileiternetz (1 solar; 2 konventionell) mit Nacherwärmung außerhalb des Puffers bei umgekehrter Netzrücklaufströmung

Der konventionelle Wärmeerzeuger (Kessel o. ä.) sorgt dafür, dass bei zu geringer Erwärmung des Solarpufferspeichers das Netzwasser auf die Soll-Vorlauftemperatur erwärmt wird. Er ist dem Solarpuffer zumeist nachgeschaltet. Anlagen mit Dreileiternetzen und Nachheizung im oberen Teil des Pufferspeichers sind der ZfS nicht bekannt.

Der Kessel kann durch einen Bypass umgangen werden (Ventil V3), wenn die Austrittstemperatur aus dem Solarpuffer höher liegt als die Soll-Netzvorlauftemperatur (Vermeidung von Wärmeverlusten durch unnötige Kesseldurchströmung).

Die Rücklaufbeimischung (Ventil V2) verhindert, dass zu heißes Wasser aus dem Pufferspeicher oder aus dem Kessel (z. B. 90 °C) in den Netzvorlauf strömt.

Die Strömungsverhältnisse im 3-Leiter-Netz sind komplex:

Das Fördervolumen der Speicherladepumpe P2 wird aus der Rücklaufleitung der Wärmeübergabestation des Gebäudes entnommen, auf dem das Kollektorfeld installiert ist. Ist der Volumenstrom durch die Wärmeübergabestation (Strömungspfeil C) größer als das Fördervolumen der Pufferladepumpe P2, zieht sich die Pumpe P2 ihr Wasser ausschließlich aus dem Strömungspfad C, und ein Teilstrom von C strömt ins Netz zurück (Strömungspfeil A).

Ist der Volumenstrom C durch die Wärmeübergabestation kleiner als das Fördervolumen der Ladepumpe P2, zieht P2 auch ein Teilvolumen aus dem Netzrücklauf (Strömungspfeil B). Je nachdem welche Strömungsrichtung (A oder B) sich in der Leitung von der Wärmeübergabestation zum Netzrücklauf einstellt, hat die Rücklauftemperatur aus der hauseigenen Wärmeübergabestation einen mehr oder minder großen Einfluss auf die Eintrittstemperatur in den Kollektorkreiswärmetauscher und damit auf die Solarsystemeffizienz.

Ist der Puffer oben wärmer als der Netzrücklauf, strömt der Netzrücklauf durch den Solarspeicher (Strömungspfad D). Ist der Puffer oben kälter als der Netzrücklauf, strömt der Netzrücklauf am Solarspeicher vorbei (Ventil V1 in Stellung "Speicherumgehung"). Der Solarspeicher wird dann durch die Pumpe P2 von oben nach unten durchströmt (Strömungspfad E). Dadurch gelangt das kältere Wasser aus dem unteren Pufferbereich in den Netzrücklauf und kühlt diesen ab, was zu erhöhtem Energiebedarf des Kessels führt. Maßnahmen zur Unterbindung dieses Effektes sind im Bericht zur Nahwärme-Solaranlage im Wohngebiet "ehemalige Kaserne Normand" in Speyer (Seite 14 unten, beschrieben. Der regelungstechnische Aufwand ist jedoch erheblich. Es ist zweifelhaft, ob er angesichts des damit erhöhten Fehlerpotentials sinnvoll ist.

Die Strömungsrichtung im Netzrücklauf kehrt sich um, wenn der Volumenstrom der Netzpumpe P3 geringer ist als das Fördervolumen der Ladepumpe P2. Dies kommt meistens im Sommer vor, wenn die Netzpumpe aufgrund geringer Wärmeabnahme nur wenig Volumen fördert. Dann zieht die Ladepumpe P2 das gesamte Volumen aus dem Rücklauf der Wärmeübergabestation, das Volumen aus dem unteren Bereich des Solarpufferspeichers (Strömungspfad F) und aus dem Netzrücklauf des weiter entfernten Wärmenetzes (Strömungspfad G). Bei dieser Umkehrströmung wird der Solarpufferspeicher von oben nach unten durchströmt und durchgeladen.

Ist der Solarpufferspeicher im Laufe dieser Durchladung unten wärmer als die Soll-Netzvorlauftemperatur, besteht keine Möglichkeit zur Abkühlung des Netzvorlaufs. Die Netzvorlauftemperatur wird dann überhöht. Die Wärmeübergabestationen müssen für die erhöhte Vorlauftemperatur zugelassen sein. Außerdem steigen die Netzverluste an.

• Die Installation der Verrohrung ist etwas kostengünstiger (ein Solarleiter entfällt).
• Die Verluste im Solarnetz sind etwas niedriger (ein Solarleiter entfällt).

• Die Planung der Hydraulik und der Regelung ist aufwändiger, weil komplexere Strömungsvorgänge vorliegen.
• Eine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der Hausübergabestation durch die Ladepumpe P2 kann nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
• Überhöhung der Netztemperatur bei Umkehrströmung. Die Wärmeübergabestationen müssen für die erhöhte Temperatur ausgelegt sein. Außerdem Anstieg der Netzverluste.
• Es gibt keine optimale Position des Regelfühlers zum Einschalten der Speicherladepumpe P2.

• Die Kollektorkreispumpe P1 geht in Betrieb, wenn entweder eine bestimmte Mindesteinstrahlung erreicht ist (strahlungsgeführte Regelung), oder die Temperatur in einem Kollektor um einen definierten Wert höher ist als die Temperatur des Einschaltfühlers (Temperaturdifferenzregelung; zur Position des Einschaltfühlers s. nächster Spiegelpunkt). Die Ladepumpe P2 schaltet ein, wenn die Temperatur im Kollektorkreis am Eintritt in den Wärmetauscher um einen definierten Wert höher ist als die Temperatur am Einschaltfühler.
• Für den Einschaltfühler gibt es jedoch keine optimale Position. Mögliche Positionen sind:
  • Speicher unten Position (I) (nicht empfehlenswert): Nachteil: Die Position gibt nicht die Einlauftemperatur in den Solarwärmetauscher an, zudem weit entfernt von der Solarstation
  • Eintrittstemperatur in den Solarwärmetauscher Position (II) (empfohlen): Nachteil: Der Fühler kühlt ab, wenn die Speicherladepumpe P2 ausgeschaltet ist, und misst dann eine zu niedrige Einschalttemperatur. Die richtige Einschalttemperatur wird erst dann gemessen, wenn P2 läuft. Dies kann zu mehrmaligem Ein- und Ausschalten von P2 beim Anfahren führen. Es ist dennoch die beste Position.
• Sind die Kollektorfelder auf mehrere Gebäude verteilt, empfehlen wir selbst bei gleicher Orientierung und Neigung für jedes Kollektorfeld eine eigene Regelung zur Beladung des Pufferspeichers, da in jeder Station andere Temperaturverhältnisse am Einschaltfühler vorliegen.
• Wegen der Umkehrströmung im Netzrücklauf muss die Netzpumpe P3 im Netzvorlauf montiert sein