27. Mai 2021

Energiemanagement in der Solarthermie – eine Bestandsaufnahme

Geht es um Solarthermie, denken viele zunächst an die Kollektoren auf dem Dach oder den Speicher, der Platz im Keller oder Hauswirtschaftsraum einnimmt. Die wenigsten denken darüber nach, wie das Zusammenspiel der Anlage geregelt wird. Dabei steht und fällt der effiziente Betrieb mit der passenden Regelung.

Grundaufgabe eines jeden Solarthermiereglers ist die ΔT-Regelung. Der Regler errechnet die Diff erenz zwischen zwei gemessenen Temperaturen, der des Kollektors und der Speichertemperatur. Ist sie groß genug, um einen solaren Ertrag zu erzielen – die Werkseinstellung liegt hier üblicherweise um die 5 K – schaltet der Regler über ein Relais die Pumpe im Solarkreis ein. Dafür genügen zwei Sensoreingänge und ein Relaisausgang. Frühe analoge Solarregler hatten häufig keinerlei Einstellmöglichkeiten. Heutige Regler bieten die Möglichkeit, sowohl eine Ein- als auch eine Ausschalttemperaturdiff erenz einzustellen. So kann den individuellen Gegebenheiten der Anlage – beispielsweise den Leitungslängen, die unterschiedliche Transportwärmeverluste mit sich bringen – passgenau Rechnung getragen werden.

Stand heute I: Verschiedene Relaistypen
Seit dieser „Frühzeit“ der Solarthermieregler in den Ölkrisen-geschüttelten 1970er Jahren hat sich viel verändert, das Ende des analogen Zeitalters begann bereits wenige Jahre später. Umfangreiche Soft ware, immer intuitiver werdende Benutzerschnittstellen sowie menügeführte Funktionen haben die Möglichkeiten der Regelung vervielfacht.

Die Hardwareausstattung moderner Regler ist vielfältig. So gibt es z. B. verschiedene Relaistypen, die für unterschiedliche Anwendungen zum Einsatz kommen. Elektromechanische Relais sind reine Schaltausgänge, sie können Pumpen ein- und ausschalten oder Ventile bewegen. Halbleiterrelais hingegen können die Drehzahl von Standardpumpen durch eine Pulspaketsteuerung regeln. Für die Drehzahlregelung der heute gängigen Hocheffizienzpumpen wiederum benötigt man neben einem Relais auch noch einen passenden Signalausgang – im Regelfall ein PWM- oder 0-10-V-Ausgang. Dieser übermittelt das Drehzahlsignal und muss selbstverständlich mit einem zugeordneten Relaisausgang „zusammenarbeiten“, der die Spannungsversorgung der Pumpe sichert. Einige moderne Regler verfügen z. B. auch über ein Hochlastrelais, mit dem im Falle unzureichenden Solarertrags ein elektrischer Heizstab zur Nachheizung eingesetzt werden kann.

Stand heute II: Zusatzfunktionen und mehr
Auch die Sensorik ist im Laufe der Jahre immer diverser geworden. Neben den altbekannten widerstandsbasierten Temperatursensoren kommen heute auch takt- oder spannungsgebende Sensoren zum Einsatz, die Drücke, Volumenströme oder Einstrahlungswerte messen.

Über Bus- und Signalschnittstellen kommunizieren moderne Regler auch mit verschiedensten Aktoren, Gebäudeleittechnik- und SmartHome-Systemen. Die meisten Solarthermieregler beherrschen heute die Regelung von Zusatzfunktionen, z. B.:

• Für Drainback-Anlagen, also drucklose Solarthermieanlagen, deren Wärmeträgermedium bei Inakivität in einen Behälter zurückläuft, aus dem es bei jedem Einschalten der Pumpe wieder in das System gepumpt werden muss. Dieser Vorgang muss regeltechnisch begleitet werden;
• Für unterschiedliche 2-Speicher-Systeme mit Pumpen- oder Ventillogik;
• Für Systeme mit Überwärmeabfuhr, bei der eine Stagnation – also eine Überhitzung des Kollektors – durch die Ableitung überschüssiger Wärme vermieden wird. Der Regler leitet z. B. mittels eines 3-Wege-Ventils den Strom des Mediums bei erreichter Speichermaximaltemperatur um auf eine andere Wärmesenke, z. B. einen Gebläsekonvektor;
• Regler mit entsprechendem Funktionsumfang können auch spezielle hydraulische Vorrichtungen wie eine Zirkulationsleitung, einen Wärmeaustausch zwischen Puff er- und Brauchwasserspeicher oder eine Heizkreisrücklaufanhebung, bei der solare Wärme für eine Vorerwärmung des Rücklaufs eines konventionellen Heizkreises genutzt wird, steuern.
• Auch Funktionen zur Erhöhung der Nutzer- und Betriebssicherheit sind verfügbar, z. B.:

– die thermische Desinfektion zur Eindämmung des Legionellenwachstums;
– Wärmemengenzählungen, die in den meisten Fällen heute mit den „Bordmitteln“ des Reglers und der geeigneten Sensorik ohne Zusatzgeräte realisiert werden können.

Stand heute III: Anlagenmonitoring und Fehlererkennung
Mit steigender Komplexität der Anlage wird aber auch die schnelle Fehlererkennung immer wichtiger, um Ausfallzeiten möglichst zu vermeiden. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten. Anlagenmonitoring zum Beispiel ermöglicht das Erkennen von Fehlfunktionen durch kontinuierliche Beobachtung. Schnittstellen am Regler ermöglichen dies. Viele Regler verfügen aber auch über eigene Funktionskontrollen.

Das Anlagenmonitoring bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Effizienz des Systems langfristig zu beurteilen, Erträge zu erfassen und so Veränderungen frühzeitig zu bemerken. Mit einem Datenlogger z. B. lassen sich über die Busverbindung des Reglers Anlagendaten aufzeichnen und dann am Computer auswerten. Komfortabler ist eine Netzwerk- bzw. Internetanbindung, die auch über einen Datenlogger oder ein geeignetes Kommunikationsmodul erfolgen kann.

Kommen mehrere Anlagen in räumlicher Nähe zusammen, seien es mehrere ähnliche Anlagen, wie etwa in Reihenhäusern, oder auch verschiedene Anlagentypen in einem Großobjekt, bietet sich auch eine lokale Vernetzung an. Mehrere Regler können in Kombination mit einem Datenlogger so zur Energiemanagementzentrale mit Fernzugriff werden. Dieser modulare Regelungsaufb au schafft Möglichkeiten, im Neubau wie auch im Bestand konventionelle Heizungsanlagen mit regenerativen Energien und einer bedarfsgerechten Brauchwassererwärmung zu kombinieren.

Wohin die Reise geht
Was einerseits neue Anforderungen an Planer und Fachhandwerker bedeutet, eröffnet andererseits auch ganz neue Möglichkeiten für die Optimierung und Visualisierung der Erträge sowie die Anpassung an individuelle Nutzungsbedürfnisse und moderne technische Einrichtungen.

Wichtig bei der Auswahl ist, dass der gewählte Regler die Anlagenhydraulik möglichst genau abbilden kann. Hier ist der Planer gefragt – je exakter Anzahl und Art der benötigten Sensor-Ein- und Relais-Ausgänge sowie der geplanten Funktionen im Vorhinein festgelegt werden, desto punktgenauer ist die Reglerauswahl möglich. Der Anteil des Reglers an den Anschaffungskosten einer Solarthermieanlage liegt im Regelfall um etwa 5 %. Gegebenenfalls lohnt sich also ein „Upgrade“ auf das nächsthöhere Modell durchaus, um mehr Planungssicherheit zu gewinnen oder die spätere Ausbaufähigkeit abzusichern.

Standardanlagen sind hingegen häufig mit einem „Fertigsystem“ gut bedient. Solarstationen, bei denen Regler und Pumpe bereits fertig verbunden und isoliert sind, minimieren sowohl den Zeitaufwand bei der Installation als auch die Fehleranfälligkeit bei der Verdrahtung. Ein guter Regler bietet darüber hinaus Kommunikationsschnittstellen zur Vernetzung, um die Nutzung von Monitoringlösungen oder die Einbindung in eine Gebäudeleittechnik zu ermöglichen.

Die Solarthermie ist in den letzten Jahren in den Schatten anderer Technologien (Photovoltaik, Wärmepumpen) geraten, einige große Hersteller forcieren sie nicht mehr. Dennoch ist sie aus dem Portfolio Erneuerbarer Energien nicht mehr wegzudenken. Der Trend geht in Richtung Diversifizierung: Immer mehr verschiedene Komponenten und Funktionsbereiche wollen eingebunden und somit auch energetisch geregelt werden: Biomassekessel, Heizkreise, Frischwasser- und Kühlkreisläufe arbeiten Hand in Hand mit der Solarthermie. So werden die Aufgaben des Reglers immer vielfältiger, er wird immer mehr zum Energiemanager.

Autorin: Claudia Felgenhauer, M.A.; Technische Redakteurin bei Resol

Ausblick: Eigenstrom regeln

In Sachen Energiemanagement hat sich in den letzten Jahren auch ein Feld eröffnet, das der Solarthermie bislang fremd war – die Nutzung von PV-Überschussleistungen. In Zeiten sinkender Einspeisevergütungen wird die Steigerung des Eigenverbrauchs immer attraktiver, da bietet sich z. B. die Speicherung in Form von Wärme an.

Hochlastrelais steuern elektrische Heizstäbe an, die so Überschüsse zur Erwärmung eines Warmwasserspeichers nutzen. Manche Geräte können zusätzlich die Freigabe einer Wallbox zum Aufladen eines E-Fahrzeugs sowie einer Wärmepumpe regeln, um eine optimale Überschussverteilung zu erreichen. Eine neue Herausforderung für die Regelungstechnik, denn der Vorrang für den Haushaltsstrombedarf und die Netzkonformität müssen gewährleistet bleiben.