weißer, glänzender Lack:    0,15
Kupfer, poliert:            0,26
Dachziegel, rot:            0,7       alles für das
Eisen, verrostet:           0,74      Sonnenspektrum
Eisen, verzinkt:            0,89
schwarzer, matter Lack:     0,98

Druck, Wasserdruck, Überdruck

Einheiten: Von den vielen Druckeinheiten, die man in den Physikbüchern findet, brauchen wir nur das bar. Ein bar entspricht dem Druck einer etwa 10,2 m hohen Wassersäule. Wenn ein Druckanzeiger in Atmosphären geeicht ist, zeigt er nur 2% anders als in bar.

Praxis: Der Druck im örtlichen Leitungsnetz beträgt in der Regel einige bar. In Zentralheizungen sind 1,5 bis 2,5 bar üblich. Eine Umwälzpumpe benötigt je nach Wassertemperatur 0,1 bis 0,5 bar.

Tips: Je höher der Druck, desto schwieriger ist die Abdichtung zu realisieren. Der höchste, in Warmwasseranlagen vorkommende Druck kann in der Brauchwasserleitung auftreten, wenn sich das unter Zuleitungsdruck stehende Wasser erwärmt und ausdehnt. Das vorgeschriebene Rückschlagventil verhindert einen Druckausgleich. Zum Schutz der Anlage braucht man ein Überdruckventil, das beim 1,5- bis 2-fachen Wert des Zuleitungsdrucks öffnet. Dichtungen müssen also 100 m Wassersäule aushalten, bei Temperaturen bis 80 grad Celsius.

Emissionskoeffizient

Für dasselbe Spektrum ist der Emissionskoeffizient gleich dem Absorptionskoeffizient. In der Praxis findet aber die Emission in einem langwelligen Spektralbereich statt. Für die Vorderseite eines Kollektors wird eine Beschichtung gewählt, die im Sonnenspektrum ideal schwarz und im tiefen Infrarot ideal reflektierend wirkt. Für die Rückseite darf eine im gesamten Spektrum reflektierende Oberfläche gewählt werden. Beispiel Kupfer, poliert: 0,03.

Fluessigkeiten

Zu kommunizierenden Röhren, freitragender Flüssigkeitssäule und zum Saugheberprinzip ein Bild ohne weitere Worte:

Anmerkung 2007: Doch noch ein Wort zur freitragenden Flüssigkeitssäule. Warum kann eine umgedrehte Flasche leerlaufen, wenn auch nur langsam unter großem Geglucker? Ich denke mal, dass das Wasser drinnnen bleiben würde, wenn die Öffnung so klein wäre, wie die Oberflächenspannung wirkt, oder wenn sie (rein theoretisch) exakt horizontal wäre. Bei einer größeren, etwas aus der Horizontalen gekippten Öffmung muss man sich die beiden unterschiedlich hohen Seiten als die Enden eines Saughebers vorstellen. Auf der höheren Seite wird Luft hochgesaugt, damit auf der tieferen Wasser hinauslaufen kann.

Isolation

Die Güte des Speichers hängt in erster Linie von der Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Isolation ab. Zum Vergleich einige Werte in kcal/m h K:

Kupfer   340
Beton      0,9    
Wasser     0,51
Holz       0,1
PVC        0,14
Steinwolle 0,04
Hartschaum 0,04
Luft       0,002

Ein durch die Isolation führendes Kupferrohr mit einem Materialquerschnitt von 50 Quadratmillimeter leitet also etwa soviel Wärme ab wie ein 0,5 Quadratmeter großes Teil der Isolation. Rohre sollten also aus Kunststoff bestehen und schräg durch die Isolation führen, um den Weg der Wärmeleitung zu verlängern.

Das gleiche Problem bereiten die Boilerfüße bzw die Unterlage. Hartschaum ist meistens nicht stabil genug. Am besten sind alte, trockene Holzbalken.

Der Wert für Luft gilt nur bei absoluter Ruhe, ist also unrealistisch.

Luftablass

Im Wasser sind Gase, die im Lauf der Zeit frei werden. Auch bei Überhitzung entstehender Wasserdampf muss entweichen können. An der höchsten Stelle des Wasserkreislaufs wird deshalb meistens ein automatischer Entlüfter vorgesehen. Ein Prinzipbeispiel dazu im folgenden Bild:

Mittelwert-Bedarfsabschätzung

Wenn ein sehr guter Speicher vorhanden ist, kann die benötigte Kollektorgröße aus Mittelwerten hergeleitet werden.

Aus dem Verbrauch an Warmwasser und der Temperaturdifferenz zwischen Kaltwasser und Brauchwasser errechnet man zuerst den Monatsbedarf. Er liegt im Winter üblicherweise doppelt so hoch wie im Sommer. Daraus ergibt sich der ungünstigste Tagesmittelwert an benötigter Solarenergie.

Aus Tabellen kann man für den Aufstellungsort die mittlere Sonnenscheindauer oder die mittlere, auf die Erdoberfläche treffende Leistung ablesen. Meistens sind noch Korrekturfaktoren wegen örtlicher Abschattung oder geneigter Montage zu berücksichtigen, um die pro Quadratmeter auf den Kollektor treffende Wärme zu erhalten. Über den Anlagenwirkungsgrad kommt man schließlich zur benötigten Kollektorgröße.

Diese leider selten zutreffende Methode führt zu sehr kleiner Kollektorfläche, setzt aber einen großen, extrem gut isolierten Boiler voraus.

Pumpe

Für Umwälzpumpen werden wegen ihrer einfachen Bauart, der langen Lebensdauer und ihrer geringer Geräuschentwicklung Wechselstrom- Kurzschlußläufer verwendet. Das Abdichten reduziert sich bei ihnen auf das wasserfeste Vergießen der Spule. Der Rotor läuft im Wasser und die Lager sind wassergeschmiert. Damit sich dort keine Ablagerungen bilden können, muss die Pumpe jeden Tag mindestens 10 Minuten laufen.

Bei der Auswahl muss man neben mechanischen Gesichtspunkten auch folgende Angaben beachten:
    Fördermenge,
    Zulässiger Temperaturbereich des geförderten Wassers,
    Mindestzulaufdruck (oder Wassersäule) bei der höchsten
            vorkommenden Temperatur,
    Maximal zulässiger Systemdruck.
    Wenn die Umwälzpumpe auch den Kreislauf füllen soll, ist auch der erzielbare Druck bzw. die Höhe der Wassersäule wichtig, wenn die Fördermenge auf Null gesunken ist.

Rückschlagventil

Zwischen Kaltwasserzulauf und Warmwasserboiler ist ein Rückschlagventil vorgeschrieben, weil verhindert werden soll, dass bei Ausdehnung durch Erhitzen (abgestandenes) Boilerwasser in die Frischwasser- Leitung zurückgedrückt wird. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch ein Rückschlagventil innerhalb eines verzweigten Solarkreislaufes, wenn zwei Pumpen abwechselnd auf eine gemeinsame Kollekorleitung arbeiten, und ein Rücklauf in die abgeschaltete Pumpe verhindert werden soll. Dort haben die Ventile natürlich einen größeren Querschnitt und eine schwächere Feder.

Schutzplane

Die Ausführung der Schutzplane ergab sich aus den örtlichen Gegebenheiten. Hier eine Prinzipskizze:

In der Skizze ist der Kollektor in die Horizontale geklappt und von der Seite gesehen gezeichnet. In Natura ist die rechte Seite beim angedeuteten Haus etwa 1 m höher als die Planenrolle. Wenn die aufgewickelte Plane wie bei einer Markise oben montiert worden wäre, wären für die Seile der Zuggewichte mehr Umlenkrollen erforderlich gewesen. Die Walze wäre zum manuellen Aufwickeln unzugänglich und hätte oben den Blick vom Fenster zum Garten behindert.

Nicht dargestellt ist der Magnetauslöser, der die Zugkraft der Gewichte über mehrere Fallhebel auf die geringe Zugkraft eines Elektromagneten umsetzt (Prinzip Mausefalle). Bei Stomausfall ziehen die Gewichte die Plane über die Kollektorröhren.

Schließlich gehört dazu noch eine geschwindigkeitsabhängige Bremse, damit die Gewichte die Plane nicht zu sehr beschleunigen, sondern nach kurzem, schnellem Start sanft weiterziehen. Dazu dient ein 2 m langes Kanalisationsrohr, in das ein Kolben eingepasst wurde, der über ein Seil mit dem vom Magnetauslöser kommenden Seil verbunden ist ( Prinzip Luftpumpe, Stoßdämpfer). Die Bremse wurde wegen der Dreckanfälligkeit im Keller installiert und über ein Seil mit der Anlage verbunden.

Strömung

Noch eine kleine Erinnerung an die Physik von strömenden Flüssigkeiten, soweit sie zum Verständnis der Vorgänge im Solarwasser- Kreislauf benötigt wird:

Temperaturfühler

Ausdehnungsfühler mit Kappillarrohr von üblicherweise etwa 50 cm Länge eignen sich mit dem fest verbundenen Thermostatschalter gut zum Überwachen der Höchsttemperatur eines Boilers. Für Fernthermometer werden heute Widerstandsfühler verwendet, die zum elektronischen Thermometer mitgeliefert werden.

Temperaturfühler am Vakuumrohr:

Die Vakuumröhren von Klöckner haben zwischen Überwurfmutter und Wärmetauscherkopf einen Hals, der nach vorsichtigem Entfernen eines losen Blechringes Platz für einen kleinen Temperaturfühler bietet. Dieser wird zunächst mit einem dünnen (< 2mm Durchmesser), flexiblen Koaxkabel verlötet und mit Schrumpfschlauch isoliert. Nach dem Fixieren mit Zwirn wird das Kabel noch zweimal um den Hals gewickelt und dann an dem Wärmetauscher angebunden. Mit Kreppband wird eine Form mit Öffnung auf der dem Fühler abgewendeten Seite modelliert, in der der Hals bis auf den Durchmesser des Wärmetauschers mit Zweikomponentenkleber ausgegossen wird.

Vakuumröhre

Anmerkungen zum Bild:
Der Wärmetauscher besteht aus zwei tiefgezogenen Edelstahltöpfen, die miteinander verschweißt sind. Der untere ist mit dem (mit Alkohol?) gefüllten Wärmeleitrohr verbunden. Der obere hat ein Röhrchen, durch das die leicht verdampfende Flüssigkeit eingefüllt wurde, und das dann zugelötet wurde.

Die Überwurfmutter dient zum Befestigen am Sammlergehäuse, das vom Wasser durchströmt wird. Unter der Mutter befindet sich auch die spezielle Glas-Metall-Verbindung. Weiter unten werden Wärmeleitrohr und das darauf geschweißte Blech nur noch durch Abstandsteile im Rohr geführt, aber nicht noch einmal befestigt, damit sich alles bei Erwärmung ausdehnen kann.

Am oberen Rohrende ist das Glas von innen durch den Getterniederschlag geschwärzt. Dieser hilft, das Vakuum aufrecht zu erhalten. Wird er weiß, ist er durch eindringende Luft verbraucht. Die Röhre hat dann eine geringere Wirkung.

Wärmetauscher

Allgemein, in Boilern

Aus Kostengründen werden meistens Rohrwärmetauscher verwendet. Für Wasser und Rohre findet man in Tabellen folgende Wärmeübergangskoeffizienten:
    Zwischen Rohr und ruhendem Wasser 350 bis 600 W/m"K
    bei Strömungsgeschw. 1 cm/s 550 bis 800 W/m"K
    bei Strömungsgeschw. 1 m/s 2400 bis 3500 W/m"K

Der größere Wert gilt jeweils für höhere Temperaturdifferenzen, die eine Konvektionsströmung in Gang setzen können, und für das Innere enger Rohre.

Die Leistung eines Wärmetauschers wird meistens in KW angegeben. Dabei müssen die Temperaturangaben bei einem Vergleich mit berücksichtigt werden. Manchmal ist auch nur die Zeit t angegeben, während der man heißes Wasser der Temperatur T1 durch das Rohr schicken muß, um den Boilerinhalt von V Litern von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 aufzuheizen:

            Wärmemenge      spez.Wärme x V x (T3-T2)
Leistung = -------------- = ---------------------------
                Zeit                  t

Wärmetauscher des verwendeten Kollektors

Das Bild zeigt die Anordnung der kleinen Wärmetauscher der Vakuukröhren im Wasserstrom des Sammlerhehäuses.

Zweiwegeventil

Das Zweiwegeventil schaltet die Pumpe an einen von zwei Boilern. Das im folgenden Bild skizzierte Ventil wurde aus handelsüblichen verschraubbaren T-Verzweigungen, Reduzierstücken und einem Messingkolben zusammengesetzt:

Kolben und Führungsstage bestehen aus einer Messing- Gewindestange, auf die zwei Rohrstücke und dazwischen zwei Scheiben gefädelt sind, zwischen denen eine dicke, weiche Gummischeibe gehalten wird. Die Stange wird durch an den Enden in die T-Stücke eingeschraubte Verschlußstücke geführt, in die passende Löcher gebohrt werden. Weil es sehr schwierig ist, so eine Führung abzudichten, wird eine äußere Dichtung mit einem Faltenbalg empfohlen.

Der Verfasser ersetzte den Balg durch ein etwa 25 cm langes Stück aus einem Fahrradschlauch, der sich um den erforderlichen Kolbenhub von 4 cm dehnen ließ, ohne durch den Wasserdruck nennenswert aufgebläht zu werden. Diese Lösung benötigt natürlich einen wesentlich größeren Einbauraum.

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Stand 30.10.06