Moderne Funktionskontrolle im Solarregler

Moderne Regler von Solarthermieanlagen verwenden zahlreiche Sensoren. Das Unternehmen Ritter aus Karlsbad misst neben verschiedenen Temperaturen auch den Volumenstrom durch den Kollektor und den Druck in der Anlage. Mit diesen Daten und einer klugen Software weiß der Regler jederzeit, ob die Solaranlage in Ordnung ist, meldet eventuelle Störungen, Defekte oder Montagefehler und behebt manche Kleinigkeit selbstständig, ohne den Service zu bemühen. Im Folgenden wird beschrieben, welche Funktionskontrollen, Tests, Meldungen und Reparaturroutinen dabei stattfinden.

Eine Solarregelung soll sicherstellen, dass jede Solaranlage die maximalen Solarerträge erzielt, die an ihrem Standort und mit der gegebenen Konfiguration (Kollektor-Wirkungsgrad, Speichergröße, tägliche Wärmeabnahme etc.) möglich sind. Voraussetzung dafür ist ein störungsfreier Betrieb der Solaranlage, damit die im Kollektorfeld entstehende Wärme von der Solarpumpe in den Speicher befördert und dort zur Verfügung gestellt wird. Dies sichert eine im Regler integrierte Funktionskontrolle. Zusätzlich berechnet sie ständig die ermittelten Solarerträge und speichert sie stromausfallsicher.

Zusammenfassend kann man sagen: Funktionskontrolle = Ertragssicherung + Wärmemengenzählung.

Die solare Leistung wird über den gemessenen Volumenstrom multipliziert mit Wärmekapazität und Dichte sowie der Differenz aus Solarvor- und -rücklauftemperatur berechnet. Gibt es keinen Rücklauffühler, wird stattdessen die Speichertemperatur eingesetzt. Gibt es keinen Vorlauffühler, wird dafür die Kollektortemperatur verwendet. Dabei unterschlägt man allerdings die Rohrleitungsverluste und überschätzt so die Solarerträge.

Ertragssicherung mittels Funktionskontrolle

1. Gelangt die Wärme vom Kollektor in den Speicher?

Wird die durch die Sonneneinstrahlung im Kollektorfeld entstehende Wärme nicht abgeholt, dann steigt dort die Temperatur an bis das Wärmeträgermedium verdampft und die Solarpumpe abgestellt werden muss, damit Dampfschläge vermieden und hitzeempfindliche Komponenten nicht beschädigt werden. Ist vorher der Speicher nicht voll beladen worden, dann meldet der Regler eine Störung, denn es ging Solarertrag verloren. Dabei ist es komfortabel, dass die Funktionskontrolle den Handwerker gleich auf die Ursache des Problems hinweist, indem sie die folgenden Störungsursachen differenziert:

• Zu niedriger Anlagendruck Das Wärmeträgermedium siedet zu früh. Dies kann meist an der Temperatur des Kollektorfühlers während der Stagnation erkannt werden, wenn dieser die Siedetemperatur anzeigt. Diese lässt Rückschlüsse auf den ¬Anlagendruck zu.
• Defekte Solarpumpe oder Blockade im Solarkreis Dies erkennt der Regler am Ausbleiben von Temperaturänderungen am Kollektor- und Solarrücklauffühler nach dem Einschalten der Pumpe. Verfügt der Regler über eine PWM-Pumpe, dann erkennt er über das Returnsignal auch eine Pumpenstörung. Ein Volumenstromsensor ergänzt die Diagnose, doch muss auch die Sensorfunktion selbst kontrolliert werden. Gibt es bei eingeschalteter Pumpe keinen messbaren Volumenstrom, dann kann anhand der Temperaturänderungen kurz nach dem Einschalten darauf geschlossen werden, ob der Sensor defekt ist oder wirklich kein Durchsatz herrscht.
• Luft im Solarkreis Steht Luft im Rücklaufrohr über der Solarpumpe, erkennt der Regler dies daran, dass wie bei einer defekten Pumpe kein Durchsatz mehr besteht, wenn das Wärmeträgermedium sich erwärmt hat und dadurch Luft ausgegast ist. Beim Abkühlen der Anlage ist meist wieder Durchsatz möglich. Dieses Störbild eines zeitlich schwankenden Durchsatzes kann mit einem Volumenstromsensor besser erkannt werden. Bei Anlagen mit zwei parallelen Kollektorfeldern gleicher Ausrichtung mit je einem Kollektorfühler kann Luft auch daran erkannt werden, dass die zwei Fühler bei Einstrahlung und laufender Pumpe sehr unterschiedliche Temperaturen melden.
• Zu wenig Durchsatz im Solarkreis Ist Durchsatz vorhanden, aber bei hoher Einstrahlung wird die Temperaturspreizung über dem Kollektor auch bei kaltem Speicher immer zu hoch, dann ist der hydraulische Widerstand im Solarkreis zu hoch. Entweder wurde die Anlage falsch gebaut (zu enge Rohre, zu schwache Pumpe, zu viele Kollektoren in Reihe usw.) oder es liegt eine Verschmutzung vor (Ablagerungen, Fremdkörper, verbrauchte Filter oder überaltertes Frostschutzmittel).

• Kollektorfühler an falscher Position Wurden die Vor- und Rücklaufrohre bei der Montage vertauscht, dann sitzt der Kollektorfühler im Eintritt des Kollektorfelds statt im Austritt. Dadurch steigt die Temperatur am Fühler bei Einstrahlung zwar an, fällt aber durch das Einschalten der Solarpumpe innerhalb weniger Sekunden steil ab, so dass die Pumpe gleich wieder ausschaltet. Später kommt es dann im Kollektor zum Verdampfen des Wärmeträgers, d.h., die Kollektortemperatur steigt nun sehr schnell bis über den Schwellenwert hinaus, obwohl die Pumpe mitläuft. Dieser Fehler wird am charakteristischen steilen Abfall der Kollektortemperatur beim Einschalten der Pumpe vor Verdampfen des Wärmeträgers erkannt, z. B. am Vormittag eines sonnigen Tages.

Steckt der Kollektorfühler nicht richtig in seiner Fühlerhülse, dann schaltet die Solarpumpe zu spät ein, so dass das Wärmeträgermedium unter Umständen vorher schon siedet. Diese Fühlerstörung wird an einer untypisch trägen Reaktion des Fühlers auf das Einschalten der Solarpumpe erkannt.

• Speichertemperaturfühler an falscher Position Hier werden unterschiedliche Defekte erkannt, z. B. wenn die Fühlerspitze in der Speicherisolierung steckt statt in der Fühlerhülse. Man verliert dabei zwar zunächst keine Solarwärme, riskiert aber das Überhitzen der Komponenten im Solarkreis und damit ihren Ausfall. Der Solarregler erkennt die Störung, wenn die Solarrücklauftemperatur sehr hohe Werte erreicht, ohne dass die Speichertemperatur in gleicher Weise mit ansteigt. Werden bei einem Zweispeichersystem die Speicherfühler vertauscht oder das Umschaltventil falsch angeschlossen, so erkennt dies der Solarregler anhand des Vergleichs der Solarrücklauftemperatur mit der Temperatur desjenigen Speichers, auf den das Umschaltventil aus seiner Sicht geschaltet sein müsste.

2. Bleibt die Wärme im Speicher oder gibt es Fehlzirkulation?

Durch thermischen Auftrieb kann es besonders nachts zu einem Schwerkraftumlauf kommen. Dies muss durch eine mechanische Rückflussverhinderung gestoppt werden. Ist diese ausgefallen, erkennt dies der Regler über einen Vergleich der Kollektor- mit der Außentemperatur, nachdem die charakteristische Auskühlzeit verstrichen ist. Die Solarrücklauftemperatur und die Temperatur im Vorlaufrohr vor dem Speicher sollten sich gemeinsam an die Temperatur im Aufstellraum der Solarstation annähern. Letztere wird an Tagen ermittelt, an denen Solarrücklauf- und -vorlauffühler nach Abstellen der Solarpumpe beide konform und monoton auf eine Temperatur zwischen 10 und 30 °C auskühlen. Stehen diese Fühler nicht zur Verfügung, dann muss der Verlauf der Kollektortemperatur im Tagesverlauf betrachtet werden. Richtig ist eine exponentielle Auskühlung nach Sonnenuntergang. Auffällig ist ein schneller Wiederanstieg nach einer längeren Abkühlphase, ohne dass die Solarpumpe angelaufen wäre. Eine nächtliche Fehlzirkulation entgegen der normalen Fließrichtung kann durch kurzes Einschalten der Solarpumpe bestätigt werden, wodurch die Kollektortemperatur innerhalb weniger Sekunden merklich absinkt. Das im Vorlaufrohr aufgestiegene heiße Wasser wird durch das Pumpen zurückgedrängt. Eine Fehlzirkulation in Richtung der normalen Fließrichtung kann bei Speichern mit untenliegenden Solarvorlauf-Anschlüssen oder liegenden Speichern auftreten. Sie ist am besten daran zu erkennen, dass der Solarrücklauffühler nachts deutlich wärmer bleibt als der Solarvorlauffühler und auch die Kollektortemperatur nie auf die Außentemperatur abkühlt.

Plausibilitäten

Der Solarregler kontrolliert zusätzlich Plausibilitäten, z. B. bei Temperaturmesswerten von über 300 °C oder unter -40 °C erzeugt der Regler eine sofortige Störmeldung, da sie auf einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung im Fühlerkabel hindeuten. Auch die reglerinterne Echtzeituhr wird anhand der periodischen Sonnenauf- und -untergänge auf Plausibilität geprüft. Jeder Stromausfall wird protokolliert und auf häufige Stromausfälle wird hingewiesen.

Aktive Ertragssicherung

Eine intelligente Funktionskontrolle im Solarregler kann nicht nur Störungen erkennen und melden, sondern erkannten Störungen aktiv entgegenwirken, bis der Handwerker den Fehler beheben kann.

• Bei Fehlzirkulation entgegen der normalen Fließrichtung (dies ist bei weitem der häufigste Fall) kann der Solarregler immer bei einem nächtlichen Anstieg der Kollektor- oder Solarvorlauftemperatur für wenige Sekunden die Pumpe einschalten, um das aufsteigende heiße Fluid zurückzuschieben.
• Wurde Luft in der Anlage festgestellt, kann nachts nach der Abkühlphase die Pumpe der Anlage einige Zeit auf höchster Stufe laufen und so die Luft mitreißen und in den Pufferspeicher oder in den meist recht voluminösen Wärmeübertrager des Warmwasserspeichers transportieren. Hier behindert sie den Durchsatz im Solarkreis kaum. Ein 1-Kreis-System wie das „AquaSystem“ von Paradigma kann sich selbst entlüften, indem es die Luft in den Kesselkreis schiebt, wo sie das System durch einen Entlüfter verlassen kann.
• Zusätzlich sollte bei Luft im System die Solaranlage am Vormittag bei Einstrahlung früher zur Speicherbeladung anlaufen und mit höherem Volumenstrom arbeiten, solange noch nicht allzu viel Luft ausgegast ist.
• Wurde ein Vertauschen der Vor- und Rücklaufleitung festgestellt, so dass der Kollektorfühler falsch sitzt, kann ein Solarvorlauffühler die Funktion des Kollektorfühlers übernehmen. Hauptsächlich vormittags wird immer wieder kurz die Solarpumpe eingeschaltet, so lange, bis die Temperatur des heißen Fluids aus dem Kollektor am Solarvorlauffühler gemessen werden kann. Die Solarpumpe sollte dann tagsüber möglichst auf hoher Stufe durchlaufen.
• Wurde festgestellt, dass Fühler falsch messen, wird eine Korrektur versucht, z. B. durch den Vergleich mit anderen Fühlermesswerten.
• Ist zweifelsfrei der Volumenstromsensor ausgefallen, dann arbeitet der Regler einfach weiter, indem er die Pumpe bei Bedarf auf der bisher verwendeten normalen Stufe einschaltet. Bei der Speicherbeladung kann er z. B. anhand der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Solarrücklauftemperatur nachkorrigieren.

Druckmessungen

Durch Hinzunahme von Drucksensoren können manche Störungen noch schneller erkannt und weitere vermieden oder automatisch korrigiert werden. Drucksensoren werden standardmäßig bei größeren Solaranlagen eingesetzt. Sie erkennen sofort Leckagen (z. B. einen Schaden während eines Orkans, aber auch ein defektes Sicherheitsventil), überwachen den Zustand von Druckausgleichsvorrichtungen (z. B. den Zustand der Membran eines MAG oder die richtige Funktion einer Druckhaltestation), verhindern „Unterdrucksieden“ im Kollektor bei laufender Pumpe, regeln automatische Nachspeisungen und sind nahezu unentbehrlich, um die Wärme aus dem Solarspeicher professionell an externe Wärmesenken wie Prozesswärmeanlagen oder Wärmenetze abzugeben.

Inbetriebnahme und Messprogramme

Bei Anlagen mit Volumenstromsensoren und regelbarer Pumpe kann eine intelligente Funktionskontrolle den Handwerker schon bei der Inbetriebnahme unterstützen: Sie zeigt nacheinander alle wichtigen Einstellungen und Messwerte an und führt dann automatisch Messprogramme aus, um den Maximaldurchsatz durch die Anlage zu ermitteln. Außerdem prüft sie, ob die Pumpe auf einen bestimmten Volumenstrom eingeregelt werden kann und ob bei Zweispeichersystemen auch bei eingeschaltetem Umlenkventil noch Durchsatz besteht. Im Hintergrund verschafft sich die Funktionskontrolle nach und nach immer mehr Wissen über die Solaranlage, z. B. die Rohr- und Kollektorinhalte ermitteln, erkennen, ob die Kollektorfelder parallel oder in Reihe verschaltet sind, ob die Rohrisolierungen dem vorgegebenen Dämmstandard entsprechen usw. Dieses „Wissen“ wird dann beim Beurteilen verschiedener Störbilder eingebracht.

Fazit

Es kann zwar auch Störungen geben, die kein Regler erkennen kann, z. B. Beschädigungen an einzelnen Kollektoren. Aber mit den im Solarregler integrierten Sensoren und den richtigen Algorithmen ist eine sehr umfassende und preiswerte Funktionskontrolle und Ertragssicherung möglich, wie die auszugsweise geschilderten Beispiele zeigen. Verfügt ein Solarregler über eine wie hier beschriebene Funktionskontrolle, die in weiten Teilen der VDI 2169 entspricht, dann kann der Anlagenbetreiber davon ausgehen, dass er die ihm maximal möglichen Solarerträge erwirtschaftet, solange sein Regler keine Störung meldet. Um den effizienten Betrieb der Solaranlage langfristig sicherzustellen, sollten zudem regelmäßig Inspektionen durchgeführt werden. Es empfiehlt sich daher für den Betreiber, einen Inspektionsvertrag abzuschließen. Das Informationsblatt Nr. 44 „Thermische Solaranlagen – Dokumentation von Übergabe und Inspektion“ des BDH enthält hierfür empfehlenswerte und hilfreiche Ergänzungen.