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Thermische Stagnation bei Solarthermieanlagen

Thermische Stagnation ist ein häufiges Phänomen bei Solarthermieanlagen. Vor allem in den Sommermonaten kommt es vor, dass im Solarspeicher kein Wärmebedarf vorliegt. Die Regelung erkennt diese Situation und bringt den Solarkreislauf zum Erliegen. Prinzipiell ist die Stagnation ein normaler Bestandteil des Betriebes einer Solarthermieanlage und nicht zwangsläufig problematisch, so lange die Stillstandszeiten nicht überhand nehmen. In manchen Fällen kann es jedoch zu Komplikationen kommen.
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Ablauf der Stagnation

Künstlerische Darstellung des Solarkreislaufes während
eines Wärmestaus, Bild: Kara @ Fotolia.com

Kino at the German language Wikipedia [GFDL
(http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0
(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)],
via Wikimedia Commons
Stoppt die Solarregelung den Kreislauf (oder ist ein Bauteil wie Pumpe, Regler oder Temperaturfühler defekt) steht die Flüssigkeit im Solarkreislauf und den Kollektoren still. Die inzwischen sehr gut untersuchte thermische Stagnation verläuft in fünf Phasen (siehe auch: Das Verhalten von Solarsystemen im Stagnationsfall vom AEE - Institut für Nachhaltige Technologien - PDF).

Stagnation verläuft in fünf Phasen

In der ersten Phase (Ausdehnung, erste Verdampfung) steigt die Hitze in den Kollektoren durch die Sonneneinstrahlung bedingt stark an. Die maximale Stillstandstemperatur und den maximalen Betriebsdruck, auf die der Kollektor ausgelegt ist, finden Sie im Datenblatt des Kollektors. Ab einem bestimmten Temperaturniveau, das von der Beschaffenheit der Solarflüssigkeit und dem herrschenden Systemdruck mit abhängt, beginnt diese zu verdampfen und das Volumen des Wärmeträgers nimmt zu.

In der zweiten Phase (Verdampfen der Solarflüssigkeit) der Stagnation erreicht die Flüssigkeit ihren Siedepunkt und es verdampfen Teile der Solarflüssigkeit. Der Druck in der Anlage steigt weiter. Dadurch werden die flüssigen Teile der Flüssigkeit in das Membranausdehnungsgefäß (MAG) gedrückt.

In der dritten Phase (Leersieden der Kollektoren) erreicht der Druck seinen Maximalwert. Auch die Temperaturen steigen weiter an. Diese Phase ist die wichtigste im fünfphasigen Ablauf der Stagnation. Die Reste der verbliebenen Flüssigkeit in den Kollektoren sieden langsam leer. Es ist entscheidend, dass die Anlage so gebaut ist, dass möglichst wenig bis keine keine Flüssigkeit in den Kollektoren verbleibt. Je länger dies nämlich der Fall ist, desto eher kann Dampf entstehen, der zu Schäden führen könnte oder zu einem Cracken der Solarfüssigkeit (siehe unten).

In der vierten Phase (Überhitzung) erreichen die Temperaturen im Kollektor ihren Höchstwert und der Druck nimmt leicht ab. Diese Phase der Überhitzung dauert so lange an, bis die Einstrahlung so weit zurückgeht, bis die Temperaturen den Stagnationspunkt wieder unterschreiten. Sobald das der Fall ist, beginnt

Phase Fünf: die Kollektoren füllen sich wieder. Bei einem Rückgang der solaren Einstrahlung sinken der Druck im System ebenso wie die Temperaturen wieder ab. Der Dampf im System kondensiert wieder zu Flüssigkeit und der Wärmeträger gelangt zurück in die Kollektoren. Tritt Wärmebedarf auf, kann die Solarthermieanlage wieder in den Betrieb gehen.

Ist thermische Stagnation ein Problem?

Im Prinzip tritt die Stagnation genau dann auf, wenn die Wärme aus der Solaranlage gar nicht benötigt wird. Insofern geht keine Wärme verloren. Das beschriebene Stagnationsverhalten stellt für sich betrachtet kein Problem dar, so lange die Anlage eigensicher erstellt worden ist, also selbst im Falle eines schweren Fehlers für sich und andere sicher bleibt. Überhitzung und Kreislaufstillstand zählen zu normalen Vorgängen innerhalb des Solaranlagenbetriebes.

Der entstehende Dampf wird bei einer guten Anlage in ausreichendem Maße vom Membranausdehnungsgefäß (MAG) aufgenommen. Sinken die Temperaturen, kondensiert der Dampf wieder und die Solarflüssigkeit läuft in die Kollektoren zurück. Ist das MAG nicht gut geplant, kann es durch die Hitze und das ansteigende Dampfvolumen vorkommen, dass das Sicherheitsventil ansprechen muss, um den Druck in der Anlage zu mindern.

Problematisch wird es, wenn die Stagnation sehr oft auftritt und die Solaranlage oder die Solarflüssigkeit Schäden nehmen, weil die Anlage nicht korrekt auf Stagnation hin ausgelegt worden ist. So treten nach längerer Stillstandszeit eventuell zu hohe Temperaturen auf und der hohe Druck verursacht Schäden oder die Solarflüssigkeit "crackt". Durch das Vercracken zersetzt sich die Solarflüssigkeit zu verschiedenen Substanzen, die den Betrieb behindern oder direkt schädlich einwirken. Deshalb sollte man regelmäßig überprüfen, ob Menge und Qualität der Solarflüssigkeit noch den Sollvorgaben entsprechen. Ist das nicht der Fall, sollten die Anlagenkomponenten gewissenhaft gereinigt und die Solarflüssigkeit ersetzt werden.

In seltenen Fällen kann es sich aber auch um einen technischen Defekt an der Pumpe oder anderen Bauteilen handeln. Deshalb ist eine regelmäßige Wartung einer Solarthermieanlage nach allen vorliegenden Erfahrungen dringend anzuraten.

Weitere Ratgeber zum Thema & Fachbetriebe aus Ihrer Region

Um sich ein Bild von der Komplexität einer Solarthermieanlage und möglicher Fehlerquellen zu machen, können Sie einmal einen Blick in das Informationsblatt 34 "Betriebssicherheit thermische Solaranlagen" des Bundesindustrieverbandes Deutschland Haus- Energie- und Umwelttechnik e.V. (BDH) werfen. Im verlinkten PDF finden Sie eine Fülle Beispiele, wo und weshalb im praktischen Betrieb einer Solarthermieanlage Störungen auftreten können und wie man in den jeweiligen Fällen Abhilfe schaffen oder Vorsorge treffen kann, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Auch das Problemfeld der thermischen Stagnation finden Sie dort detailliert erläutert.

Eine weitere interessante Lektüre ist in diesem Zusammenhang das Informationsblatt 44 des BDH. Es ist als Grundlageninformation rund um Übergabeprotokoll, Inspektion und Wartung einer Solarthermieanlage gedacht, liefert aber einen guten Überblick über die Einzelkomponenten und Zusammenhänge der Solaranlage.

Eine weitere gute Quelle ist der Bericht über die Untersuchungen des Institutes für Solarenergieforschung GmbH Hameln / Emmerthal. Dort wurden große und mittelgroße Solarthermieanlagen auf ihr Stagnationsverhalten hin untersucht.

Der erste Ansprechpartner in diesen Fragen sollte natürlich immer ein kompetenter Fachbetrieb für Solarthermie sein.


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Dieser Artikel wurde erstellt von: Thorben Frahm, Redakteur www.Solaranlagen-Portal.com