Projekt 05616/01

Solar-Warmwasser-Schichtenspeicher in umweltverträglicher Kunststoffbauweise

Projektträger

CONSOLAR Energiespeicher- undRegelungssysteme GmbH
Gewerbestr. 7
79539 Lörrach
Telefon: 07621/42228-30

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Problematik der Legionellen-Keime, die in klassischen Solarspeichern gute Wachstumsvoraussetzungen finden, erfordert neue, hygienische und dennoch effiziente und kostengünstige Speicherkonzepte.
Gegenstand des Entwicklungsprojektes ist ein Warmwasser-Schichtenspeicher, der durch sein Funktionsprinzip die Wasserhygiene garantiert bei gleichzeitig effizienter Nutzung der Solarwärme. Herzstück des drucklosen Kunststoff-Speichers sind Naturumlauf-Wärmetauscher, die ohne den Betrieb von Umwälzpumpen eine geschichtete Be- und Entladung ermöglichen. Das Brauchwasser wird dabei im Durchlauf erwärmt. Bei der Konstruktion sollen umweltverträgliche Materialien verwendet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt wurde in zwei Phasen bearbeitet. Inhalt der ersten Phase (Juli 94 bis Mai 95) war die Entwicklung des Systems von der Grundfunktion zu einem den anfangs definierten Anforderungen entsprechenden Gerät. Schwerpunkte dieser Entwicklungsphase waren: materialkundliche und experimentelle Untersuchung des Polypropylentanks, Materialauswahl und geometrische Optimierung der Dämmung, Untersuchung und Dimensionierung der Wärmetauscher mit den dazugehörenden Leitstrukturen und geeigneten Vorrichtungen zur Strömungsführung, Untersuchung von Vorrichtungen zur Regelung des Speicherwasserstroms durch die Thermosiphontauscher, Entwicklung einer für den Speicher optimierten Regellogik mit Hilfe experimenteller Untersuchungen und Simulationsrechnungen, Langzeittests von Funktionsmustern im realen Einsatz.
Die sich anschließende zweite Entwicklungsphase (bis September 96) hatte als Schwerpunkt die fertigungsorientierte Ausarbeitung der Konstruktion des Speichers. Die Werkzeuge für die Komponenten wurden in Abstimmung mit den Herstellern konstruiert und gebaut. Nach Behebung diverser Probleme wurden die Komponenten für eine Nullserie von 15 Speichern hergestellt. Der Großteil der Nullserienspeicher wurde mit Meßtechnik ausgestattet und im realen Einsatz oder auf Prüfständen interessierter Firmen getestet. Aufbauend auf den Ergebnissen der Nullserienentwicklung und -tests wurde die Konstruktion für die Serienfertigung überarbeitet und optimiert.


Ergebnisse und Diskussion

Der Speicherbehälter mit 500 l Inhalt wird als überdruckloser Tank in korrosionsfreier und langlebiger Kunststoffbauweise ausgeführt. Das Be- und Entladesystem garantiert stabile Temperaturschichtungen. Zur Isolation wird ein in dieser Anwendung neuartiger recyclingfähiger Kunststoffschaum (expandiertes Polypropylen) verwendet, der bei Herstellung, Benutzung und Entsorgung ökologisch unbedenklich ist. Dank des leicht demontierbaren Aufbaus und der Verwendung weniger unterschiedlicher Materialien ist eine Wiederverwendung der Komponenten oder das Rückführen in den Stoffkreislauf möglich. Das geringe Gewicht und die abnehmbaren Isolationshalbschalen erleichtern die Installation des Speichers. Wegen der Trennung von Brauchwasser und Speichermedium findet an den Ripprohrwärme-tauschern außen keine Verkalkung statt.
Die Beladung des Speichers erfolgt über den Solarwärmetauscher, der spiralförmig auf dem Boden des Behälters liegt. Die Rippenrohrspirale befindet sich in einem Kunststoffgehäuse. Das kalte Speicherwasser kann in dem Wärmetauschergehäuse direkt auf nutzbare Endtemperatur erwärmt werden und durch ein Rohr in den oberen Speicherbereich gelangen, wo es sofort nutzbar ist. Die Logik des neu entwickelten Solarreglers basiert auf zwei Lademodi: Topladung bei Nutztemperatur und bei niedrigeren Temperaturen Vorwärmung des Speicherwassers im unteren Drittel durch ein hierfür entwickeltes Beladeventil.
Die Erzeugung von warmem Wasser erfolgt in einem analog aufgebauten Wärmetauscher, der sich oben im Speicher befindet und in einem Abströmrohr das abgekühlte Speicherwasser nach unten führt.
Durch die starke Umströmung der Rippenrohrspiralen werden sehr gute Wärmeübertragungswerte erreicht. Die geschichtete Be- und Entladung ist äußerst vermischungsarm.
Auf den Einsatz eines Regelorgans zur Anpassung des Speicherwasserstroms an die aktuelle Warmwasserzapfrate wurde verzichtet, um das System nicht kompliziert und störanfällig zu machen. Daher ergeben sich in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers und der Zapfrate unterschiedliche Temperaturen des im Warmwasserwärmetauschers abgekühlten abströmenden Speicherwassers.
Der Speicher wird über einen weiteren Wärmetauscher mit der Heizungsanlage gekoppelt und kann zur Heizungsunterstützung genutzt werden. Hierfür wurden unterschiedliche Integrations- und Regelkonzepte entwickelt und getestet. Zwei Regler-Serien (CONTROL 500 und CONTROL 600) beinhalten eine an die Schichtenladevorrichtung angepaßte Solarladelogik sowie Funktionen für die Heizungsintegration.
Am FhG-ISE wurde 1995 ein Funktionsmuster des Speichers vermessen. Am ITW der Universität Stuttgart wurde 1998 ein Serienspeicher vermessen. Außerdem wurden dort das Speichersystem modelliert (TRNSYS) und Jahressimulationen durchgeführt. Die Anwendung als Kombispeicher (kombinierte Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung) brachte gute Ergebnisse.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Neuentwicklung CONUS 500 wurde auf Fachtagungen, bei vielen Vorträgen, auf Messen (u.a. ISH) und in zahlreichen Fachveröffentlichungen vorgestellt. Diese Öffentlichkeitsmaßnahmen werden fortgeführt.


Fazit

Mit dem neu entwickelten Solarspeicher CONUS 500 wurde ein System geschaffen, das sich deutlich von herkömmlichen Speichern unterscheidet, insbesondere in der hygienischen Warmwasserbereitung im Durchlauf und in der geschichteten Solarbeladung. Gegenüber vergleichbaren Speichern mit indirekter Warmwasserbereitung ermöglicht es eine höhere Ausbeute an Solarenergie.
Der Speicher ist in der Fachwelt und bei einschlägigen Solarfirmen auf großes Interesse gestoßen. Die Vermarktung erfolgt über ein Vertragshändlernetz, die Speicher, Regler und Zubehör über Heizungsbau- und Installationsbetriebe vertreiben. Preislich liegt der CONUS 500 vergleichsweise günstig.
Der CONUS 500 wird seit mittlerweile über 3 Jahren in Serie gefertigt. Es wurden bis Frühjahr 1999 weit über 1000 Speicher dieses Typs verkauft. Für die Fertigung der Einzelkomponenten des Speichers sind Spezialfirmen beauftragt. Die Montage zum fertigen Produkt erfolgt in einer eigens hierfür eingerichteten Produktionshalle in Lörrach. Mehrere Arbeitsplätze, unter anderem für behinderte Mitarbeiter, wurden und werden hierdurch geschaffen.