Erstellen Sie zwei schematische Zeichnungen eines Kollektor mit Hafenabsorber von denen einer nach Tichelmann und einer im Widerspruch zu Tichelmann angeschlossen ist.
Was hat es jeweils zur Folge, wenn die Leitungen im Solarkreis zu groß bzw. zu klein ausgelegt werden?
Werden Rohleitungen zu groß ausgelegt, so kann es zu Schwierigkeiten bei der Entlüftung
kommen. Zudem steigen die erheblichen Wärmeverluste des Leitungssystems unnötig.
Bei zu kleiner Auslegung sind die Druckverluste zu hoch und die Wärmeaufnahme ist ineffizienter
Nennen Sie die zwei wichtigsten Gründe, warum dem Wasser des Solarkreislaufs Propylenglykol und Additive beigemischt werden. Was sind die beiden hierdurch entstehenden wesentlichen Nachteile?
Es wird beigemischt, um im Winter Frostschäden zu vermeiden.
Bei Temperaturen über 170 °C (bei Stagnation möglich) zersetzt sich das Glykol
(Vercrackung, siehe Abbildung). Die resultierenden Ablagerungen können
insbesondere Röhrenkollektoren bis zur Unbrauchbarkeit blockieren. Des
weiteren bildet sich Säure, die die Solarflüssigkeit korrosiv werden lässt
Was wird unter Vercrackung verstanden und wie kommt Sie Zustande?
Vercrackung ist die Zersetzung vom Glykol-Gemisch, die Zustande kommt, wenn Temperaturen von über 170 °C (bei Stagnation des Gemischs möglich) erreicht werden.
Hat die Höhendifferenz zwischen Speichertank und Kollektor einen Einfluss auf die von der Pumpe zu erbringende Druckdifferenz?
Nein. Die Pumpen haben lediglich die Aufgabe der Umwälzung. Das heißt es müssen lediglich Drücke aus Rohrreibungsverlusten von der Pumpe bereitgestellt werden.
Bei einem geschlossenen Kreislauf, muss die Pumpe dem nach oben zu förderenden Medium potenzielle Energie beifügen, da dieses an Höhe gewinnt. Beim Rückfließen gibt dieses Wasser jedoch diesen Teil an Energie wieder ab. Lediglich Reibungsverluste müssen berücksichtigt werden.
Nennen Sie die wesentliche Größe, die bei Pumpen mit variabler Drehzahl durch Veränderung der Drehzahl eingestellt werden kann.
Der Volumenstrom
Solaranlagen haben wie auch Wärmepumpen eine Arbeitszahl. Erklären Sie den Zusammenhang und geben Sie einen typischen Wert einer solaren Arbeitszahl.
Was wird bei Solaranlagen unter Stagnation verstanden und wie wird sie bei der Dimensionierung eines MAGs quantitativ berücksichtigt.
Stagnation kommt Zustande, wenn das solare Energieangebot den Energiebedarf übersteigt. Dann wird häufig die Pumpe abgeschaltet und das Wasser stagniert.
Da bei Stagnation das Wasser sich jedoch auf über 120 °C erhitzen kann und somit ein höheres Volumen hat, wird ein Membrasausdehnungsgefäß benötigt. Dort kann bei steigendem Druck, aufgrund von Verdampfung des Gemischs im Solarkollektor, das Gemisch hineinexpandieren.
Erklären Sie mittels einer Skizze die Funktion eines Membranausdehnungsgefäßes.
In einem geschlossenen Behälter befindet sich auf der einen Seite einer Membran das variable Flüssigkeitsvolumen, auf der anderen Seite ist ein kompressibles Luftpolster, dessen Druck mit einer Luftpumpe bei Montage eingestellt werden kann.
Dehnt sich das Gemisch nun aus, so drückt es das Luftpolster nach unten und ein Teil der Flüssigkeit läuft in das MAG. Nimmt die Temperatur wieder ab, so drückt das Luftpolster das Gemisch wieder heraus.
Erklären Sie die Physik eines Schichtspeichers und darauf aufbauend, wie es zu Wärmeverlusten durch Mikrozirkulation kommt.
Aufgrund des physikalischen Effekts, dass Wasser bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Dichte hat (dichteste Form bei 4 °C), lagert sich das kalte Wasser unten und wird nach oben geschichtet mit wärmerem Wasser.
Besonders bei Wasserentnahme oder -einspeisung kann es zu ungewünschten Turbulenzen kommen, die eine unerwünschte Durchmischung verursachen.
Erstellen Sie eine aussagekräftige Skizze eines Bivalenten Trinkwasserspeichers mit internen Wärmeübertragern, aus der die Flussrichtung aller Fluide hervorgeht.
Wie unterscheiden sich ein Kombispeicher und ein bivalenter Trinkwasserspeicher?
Kombispeicher:
Der Kombispeicher besteht aus mehreren Bereichen oder Zonen, die getrennt voneinander entweder für Heizwasser oder Trinkwasser genutzt werden.
In einem Kombispeicher werden also sowohl die Heizung als auch das Trinkwasser in einem einzigen Gerät gespeichert und erwärmt. Der Vorteil ist, dass er Platz spart und beide Systeme effizient kombinieren kann.
Bivalenter Trinkwasserspeicher:
Ein bivalenter Trinkwasserspeicher ist speziell für die Trinkwassererwärmung konzipiert und nutzt zwei verschiedene Wärmequellen (bivalent), um das Wasser zu erwärmen.
Typischerweise wird dieser Speicher mit zwei Wärmequellen betrieben, zum Beispiel mit einer Solarthermieanlage und einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe.
Begründen Sie mit Worten der Mathematik, warum ein großer thermischer Speicher geringere Wärmeverluste hat, als zwei kleine Speicher gleichen Volumens.
Die Wärmeübertragung ist proportional zur Oberfläche des WÜT, daher steigen die thermischen Verluste eines thermischen Speichers falls die Oberfläche im Verhältnis zu dem Volumen ansteigt.
Wenn der Speicher ein kugelförmiges oder zylindrisches Volumen hat, wächst die Oberfläche in Relation zur Volumenvergrößerung langsamer als das Volumen selbst. Für einen Würfel zum Beispiel wächst die Oberfläche mit der Potenz 2, das Volumen mit der Potenz 3. Das bedeutet: Wenn der Speicher größer wird, vergrößert sich das Volumen schneller als die Oberfläche.
Was ist Legionellose, wodurch wird sie Verursacht und wie kann ihre Verbreitung anlagentechnisch Vorgebeugt werden?
Legionellose wird auch als Legionärskrankheit bezeichnet und entsteht durch die Aufnahme von Legionellen durch die Lunge.
Legionellen können zu schweren und auch oftmals tödlichen Lungenentzündungen führen. Die Mikroorganismen vermehren sich rasch im warmen Wasser. Insbesondere beim Duschen werden sie mit dem Sprühnebel über die Lunge aufgenommen.
Daher schreibt der Gesetzgeber für Anlagen mit einem Trinkwasservolumen ab 400 l regelmäßige Wassererhitzung auf über 60°C vor. Auch in kleineren Anlagen sollte Trinkwasser nicht lange bei Temperaturen über 25°C gelagert werden, ohne schließlich Temperaturen über 60°C ausgesetzt zu sein. In Durchlauferhitzern (Frischwasserstationen) hat das Trinkwasser naturgemäß keine langen Verweilzeit
Heizungssysteme kommen teilweise ohne Pufferung aus, teilweise ist die Pufferung erforderlich. Erklären Sie die Zusammenhänge und nennen Sie für beide Heizungsarten Beispiele.
Heizungssysteme können entweder mit oder ohne Pufferung betrieben werden, je nach Art der Wärmequelle und den Betriebsbedingungen.
Ohne Pufferung:
Gas-, Öl- und Elektroheizungen: Diese Systeme können Wärme direkt und bedarfsgerecht liefern. Sie passen ihre Wärmeproduktion schnell dem aktuellen Bedarf an und benötigen keine Speicherung überschüssiger Wärme.
Mit Pufferung:
Wärmepumpen, Solarthermieanlagen und Pelletheizungen: Diese Systeme produzieren nicht konstant Wärme, sondern können je nach Bedingungen (z.B. Außentemperatur oder Sonneneinstrahlung) Schwankungen aufweisen. Eine Pufferung speichert überschüssige Wärme, um sie bei höherem Bedarf oder in Zeiten geringer Produktion (z.B. nachts) zu nutzen.
Welches sind die wesentlichen Aktoren‐Gruppen einer geo‐solarthermischen Anlage? Nennen Sie wesentliche Eingangsgrößen einer Regelung auf Basis derer die Aktoren angesteuert werden.
Die wesentlichen Aktoren-Gruppen einer geo-solarthermischen Anlage sind:
Pumpen: Sie fördern das Wärmeträgerfluid zwischen den Komponenten (z.B. von den Solarkollektoren zum Speicher oder von der Wärmepumpe zum Erdkollektor).
Absperrventile: Regulieren den Durchfluss von Flüssigkeiten im System.
Wärmetauscher: Übertragen Wärme zwischen verschiedenen Kreisläufen.
Heizstäbe (optional): Unterstützen die Wärmeversorgung bei Bedarf.
Wesentliche Eingangsgrößen für die Regelung sind:
Temperaturen: z.B. der Solarkollektoren, des Pufferspeichers und der Erdwärmequelle.
Wärmebedarf: Temperaturdifferenzen im Gebäude.
Solarstrahlung: Für die Bestimmung der Effizienz der Solarthermie.
Fördermengen: Durchflussraten von Wärmeträgerflüssigkeit.
Erklären Sie die wesentlichen Komponenten, die in einer Solarstation zusammengefasst sind.
Absperrventil Temperaturvorlauf
Absperrventil Temperaturrücklauf
Sicherheitsventil
Manometer
Anschluss Ausdehnungsgefäß
Pumpe
Volumenstromanzeige
Kollektoren: Diese sammeln die Sonnenstrahlung und wandeln sie in Wärme um. Sie sind meist auf Dächern montiert.
Wärmeträgerflüssigkeit: In den Kollektoren zirkuliert eine Flüssigkeit (oft Wasser oder eine Mischung mit Frostschutzmittel), die die aufgenommene Wärme transportiert.
Wärmetauscher: Hier wird die Wärme aus der Wärmeträgerflüssigkeit auf Wasser übertragen, das dann für Heizung oder Warmwasser genutzt werden kann.
Speicher: Der erwärmte Wasser wird in einem Speicher (oft ein Warmwasserspeicher) gespeichert, um ihn bei Bedarf, z. B. am Abend, abzurufen.
Pumpe: Diese sorgt dafür, dass die Wärmeträgerflüssigkeit durch das System zirkuliert.
Warum ist zur Befüllung des Solarkreises eine weitere Pumpe notwendig?
Die Systemeigene Pumpe kann die Befüllung nicht übernehmen, weil sie für den normalen Betrieb ausgelegt ist, nicht für den schnellen Flüssigkeitsdurchfluss beim Befüllen. Sie ist nicht stark genug, um Luft aus dem System zu entfernen oder den Druck schnell genug aufzubauen, was bei der Erstbefüllung notwendig ist. Eine spezielle Befüllpumpe sorgt dafür, dass das System korrekt und luftfrei gefüllt wird.
Erstellen Sie eine aussagekräftig beschriftete Skizze einer solaren Thermosiphonanlage und erklären Sie die ihr zugrundeliegende Physik.
Hauptsächlich in sonnenreichen Regionen mit wenig Frost kommen solarthermische Kleinanlagen nach dem Thermosiphonprinzip zum Einsatz (Asien und Mittelmeerregion …)
Die Temperatur des Wassers im Kollektor ist höher als die im darüber gelegenen Tank. Das Kollektorwasser hat somit eine geringer Dichte resultierend in einer Auftriebskraft, die eine Zirkulation zwischen Tank und Kollektor zur Folge hat.
Was ist sind ein Drain‐Back‐System und dessen Vorteile? Was muss beim der Installation beachtet werden?
Eine Systemvariante, die ebenfalls eher in südlicheren Regionen zum Einsatz kommt, basiert auf dem Drain‐Back‐Prinzip. Wasser ohne Frostschutz wird zu Betriebsbeginn gegen den hydrostatischen Druck in das Kollektorfeld gedrückt. Ist die Anlage nicht in Betrieb (nachts / im Winter), so läuft das Wasser zurück in einen Speichertank.
Derartige Systeme haben weder Probleme mit Stagnation, noch mit Frost. Voraussetzung sind eine Pumpe mit größerer Förderhöhe sowie die Rohrführung mit stetigem Gefälle zum Tank.
Was ist eine ErP‐Kennzeichnung einer Gebäudethermischen Verbundanlage?
Die ErP-Kennzeichnung einer gebäudethermischen Verbundanlage bewertet die Energieeffizienz des gesamten Heizsystems. Sie hilft Verbrauchern, energiesparende Systeme zu vergleichen, und fördert den Einsatz effizienter Technologien wie Wärmepumpen und Solarthermie.
Das Energielabel einer gebäudethermischen Verbundanlage enthält:
Effizienzklasse (A+++ bis G) → Gibt die Energieeffizienz des Gesamtsystems an
Schallleistungspegel (dB(A)) → Wichtig für Wärmepumpen
Jahreszeitbedingte Raumheizungsenergieeffizienz (ηsηs) → Wichtiger Wert für die Gesamtbewertung
Nennleistung (kW) → Heizleistung der Anlage
Warmwasserbereitungsprofil (z. B. S, M, L, XL) → Klassifizierung der Warmwasserbereitungsfähigkeit
Warum und wie unterscheiden sich die Werte der solaren Energieeinsparung und des Deckungsgrads?
Solare Energieeinsparung: Gibt an, wie viel Energie durch Solarstrom im Vergleich zu anderen Energiequellen eingespart wird (absolute Zahl).
Deckungsgrad: Zeigt, wie viel Prozent des Gesamtenergiebedarfs eines Haushalts durch Solarstrom gedeckt wird (relative Zahl).
Bei der Dimensionierung einer solarthermischen Anlage hat die Kollektorfläche einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Erklären Sie mit den Begriffen flächenspezifischer Systemertrag und Deckungsgrad die Zusammenhänge.
Größere Fläche = Größere thermische Energie
—> Das führt auch zu höherem Deckungsgrad
Jedoch stehen die hohen Investitionskosten oft nicht in Relation. Man hat meist im Sommer viel zu viel überschüssige Energie. Das Wasser stagniert somit deutlich öfter, wodurch auch das Glykol-Gemisch häufiger ausgetauscht werden muss.
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