Solarregelung, Teil 1: Welche Störungen erkennt der Solarregler und wie macht er das?

Was ist ein Solarregler? Wie überwacht er die Solaranlage? Und welche Defekte, Störungen oder Montagefehler erkennt der Solarregler? Diese und mehr Fragen beantwortet mir hier Boris Bartenstein, Produktmanager für Systemregelung, Gasbrennwertsysteme und Zubehör bei Paradigma, im ersten Teil unseres Interviews. Der zweite Teil des Experten-Interviews folgt in Kürze. Darin geht’s dann unter anderem um die Fähigkeiten des Solarreglers, den von ihm erkannten Störungen aktiv entgegenzutreten.

Boris Bartenstein, bitte erklären Sie uns zuerst, was ein Solarregler ist und welche Aufgabe er hat!

Boris Bartenstein: Ein Solarregler stellt sicher, dass die Solarthermie-Anlage höchste Solarerträge einfährt, wobei der Maximalwert vom Standort der Anlage, der gegebenen Konfiguration (Kollektor-Wirkungsgrad, Speichergröße, tägliche Wärmeabnahme und so weiter) abhängt. Ein maximaler Solarertrag setzt einen störungsfreien Betrieb der Solarthermie-Anlage voraus, so dass die im Kollektorfeld entstehende Wärme von der Solarpumpe optimal in den Speicher befördert und dort zur Verfügung gestellt wird. Eine im Regler integrierte Funktionskontrolle sichert genau das. Außerdem berechnet sie kontinuierlich die ermittelten Solarerträge und speichert sie. Zusammenfassend lässt sich folgende Formel aufstellen:

Funktionskontrolle = Ertragssicherung + Wärmemengenzählung

Was ist denn, wenn mal der Strom ausfällt?

Keine Sorge, die Datenspeicherung des Solarreglers ist stromausfallsicher.

Wie berechnet der Solarregler die Leistung der Solaranlage?

Die solare Leistung wird über den gemessenen Volumenstrom multipliziert mit Wärmekapazität und Dichte sowie der Differenz aus Solarvor- und -rücklauftemperatur berechnet.

Was ist, wenn es den einen oder anderen Fühler zum Messen der Temperaturen nicht gibt?

Gibt es keinen Rücklauffühler, setzt man stattdessen die Speichertemperatur ein. Fehlt der Vorlauffühler, wird die Kollektortemperatur verwendet. Aber: Dabei unterschlägt man die Rohrleitungsverluste …

… und erhält einen falschen Solarertrag?

Ja, der würde so überschätzt werden.

Können Sie beschreiben, wie genau die Funktionskontrolle dazu beiträgt, den Solarertrag zu sichern?

Die erste Frage ist, ob die Wärme vom Kollektor in den Speicher gelangt. Wäre das nicht der Fall, stiege im Kollektorfeld die Temperatur an. Und zwar solange, bis das Wärmeträgermedium verdampft sein würde und die Solarpumpe abgestellt werden müsste, um sogenannte Dampfschläge zu vermeiden und hitzeempfindliche Komponenten vor Schäden zu bewahren.

Wie würde der Solarregler darauf reagieren?

Wenn der Solarspeicher nicht voll beladen worden ist, meldet der Regler eine Störung, weil Solarertrag verloren ging.

Und dann muss man Ursachenforschung betreiben?

Es läuft viel komfortabler ab: Die Funktionskontrolle weist den Handwerker auf die Ursache des Problems hin. Dazu unterscheidet sie folgende Störungsursachen:

• Ein zu niedriger Anlagendruck lässt das Wärmeträgermedium zu früh sieden. Häufig ist das an der Temperatur des Kollektorfühlers während der Stagnation erkennbar, wenn dieser die Siedetemperatur anzeigt, die Rückschlüsse auf den Anlagendruck zulässt.
• Eine defekte Solarpumpe oder eine Blockade im Solarkreis erkennt der Solarregler daran, dass nach dem Einschalten der Pumpe Temperaturänderungen am Kollektor- und Solarrücklauffühler ausbleiben. Hat der Regler eine PWM-Pumpe, erkennt er am Returnsignal eine Störung der Pumpe. Ein sogenannter Volumenstromsensor ergänzt die Diagnose, aber: die Sensorfunktion selbst muss kontrolliert werden. Lässt sich bei eingeschalteter Pumpe kein Volumenstrom messen, lassen sich aus den Temperaturänderungen kurz nach dem Einschalten Rückschlüsse ziehen, ob es sich um einen defekten Sensor handelt oder tatsächlich kein Durchsatz stattfindet.
• Dass im Solarkreis, konkreter: im Rücklaufrohr über der Solarpumpe, Luft steht, wird vom Solarregler erkannt, weil es – wie bei einer defekten Pumpe – an Durchsatz fehlt, wenn das Wärmeträgermedium warm ist und infolgedessen Luft ausgegast wird. Typisch: Kühlt die Anlage ab, gibt es meist wieder Durchsatz. Eine solche schwankende Störung beziehungsweise einen zeitlich schwankenden Durchsatz stellt ein Volumenstromsensor besser fest. Besteht eine Solarthermie-Anlage aus zwei parallelen Kollektorfeldern mit gleicher Ausrichtung und mit je einem Kollektorfühler, melden die zwei Fühler bei Einstrahlung und laufender Pumpe sehr unterschiedliche Temperaturen – ein typisches Zeichen für Luft im Solarkreis.
• Ein zu geringer Durchsatz im Solarkreis heißt, dass zwar Durchsatz stattfindet, bei hoher Einstrahlung jedoch die Temperaturspreizung über dem Kollektor auch bei kaltem Speicher stets zu hoch ist. In diesem Fall ist der hydraulische Widerstand im Solarkreis zu hoch. Die Solarthermie-Anlage ist entweder falsch gebaut, Montagefehler wären: zu enge Rohre, eine zu schwache Pumpe, zu viele Kollektoren in Reihe, oder sie ist verschmutzt (Ablagerungen, Fremdkörper, verbrauchte Filter oder überaltertes Frostschutzmittel).
• Hat man bei der Montage der Solarthermie-Anlage die Vor- und Rücklaufrohre vertauscht, sitzt der Kollektorfühler falsch: Statt im Austritt befindet er sich im Eintritt des Kollektorfeldes. In der Folge steigt die Temperatur am Fühler unter solarer Einstrahlung zwar an, fällt aber wegen des Einschaltens der Solarpumpe innerhalb weniger Sekunden steil ab, so dass die Pumpe sofort wieder ausschaltet. Später verdampft der Wärmeträger im Kollektor – die Kollektortemperatur steigt dann sehr schnell bis über den Schwellenwert hinaus an, gleichwohl die Pumpe mitläuft. Diesen Montagefehler merkt man beispielsweise am Vormittag eines sonnigen Tages am typisch steilen Abfall der Kollektortemperatur beim Einschalten der Pumpe vor Verdampfen des Wärmeträgers. Sollte der Kollektorfühler nicht korrekt in seiner Fühlerhülse stecken, schaltet die Solarpumpe zu spät ein, so dass das Wärmeträgermedium womöglich schon vorher siedet. Ein derart gestörter Fühler wäre an einer untypisch trägen Reaktion des Fühlers auf das Einschalten der Solarpumpe erkennbar.
• Steckt die Fühlerspitze des Speichertemperaturfühlers in der Speicherisolierung anstatt in der Fühlerhülse, würde der Solarregler unterschiedliche Defekte wahrnehmen. Zwar ginge zunächst keine Solarwärme verloren, aber es besteht das Risiko, dass die Komponenten im Solarkreis überhitzen und infolgedessen ausfallen. Der Solarregler erkennt eine gestörte Funktionalität daran, dass die Solarrücklauftemperatur sehr hohe Werte erreicht, während sich die Speichertemperatur nicht mit erhöht. Wurden bei einem Zweispeichersystem die Speicherfühler vertauscht oder das Umschaltventil falsch angeschlossen, merkt der Solarregler das beim Vergleichen von Solarrücklauftemperatur und Speichertemperatur desjenigen Speichers, auf den das Umschaltventil aus seiner Sicht geschaltet sein müsste.

Sie sagten vorhin, die Frage, ob Wärme vom Kollektor zum Speicher gelange, sei die erste. Was wäre die zweite?

Das ist die Frage danach, ob die Wärme im Speicher bleibt oder ob es eine sogenannte Fehlzirkulation gibt.

Können Sie das bitte noch näher erläutern?

Wegen des thermischen Auftriebs kann es insbesondere während der Nacht zu einem sogenannten Schwerkraftumlauf kommen. Um einen solchen auszuschließen, muss es eine mechanische Einrichtung geben, die den Rückfluss verhindert. Fällt diese aus, erkennt der Solarregler das, denn er vergleicht die Kollektortemperatur mit der Außentemperatur, nachdem die typische Auskühlzeit abgelaufen ist. Dabei gilt: Die Solarrücklauftemperatur und die im Vorlaufrohr vor dem Speicher sollten sich gemeinsam der Temperatur im Aufstellraum der Solarstation angleichen. Die Temperatur in diesem Aufstellraum wird an Tagen ermittelt, wo Solarrücklauf und -vorlauffühler nach dem Ausschalten der Solarpumpe beide konform und monoton auf eine Temperatur zwischen 10 und 30 Grad Celsius auskühlen.

Was ist, wenn die Fühler nicht vorhanden sind?

Dann wird betrachtet, wie der Verlauf der Kollektortemperatur über den Tag war. Richtig wäre eine exponentielle Auskühlung nach Sonnenuntergang. Auffallen würde es, wenn nach einer längeren Abkühlphase ein schneller Wiederanstieg der Temperatur zu verzeichnen wäre – und zwar ohne das Zutun der Solarpumpe. Ein Fehlzirkulieren entgegen der üblichen Fließrichtung des Nachts ließe sich mit einem kurzen Einschalten der Solarpumpe bestätigen, denn dadurch müsste die Kollektortemperatur binnen Sekunden sichtlich absinken. Das im Vorlaufrohr aufgestiegene heiße Wasser würde mit dem Pumpen zurückgedrängt.

Sie sprachen gerade von einer Fehlzirkulation entgegen der normalen Fließrichtung. Das klingt, als gäbe es auch eine in Fließrichtung?

In der Tat gibt’s die: Bei Speichern, deren Solarvorlauf-Anschlüsse unten liegen, oder bei liegenden Speichern tritt mitunter eine Fehlzirkulation in Richtung der normalen Fließrichtung auf. Man erkennt sie am ehesten daran, dass der Solarrücklauffühler in der Nacht deutlich wärmer bleibt als der Solarvorlauffühler. Außerdem würde sich  dann auch die Kollektortemperatur nie auf die Außentemperatur abkühlen.

Damit haben wir eine ganze Reihe Daten, die der Solarregler Tag für Tag erhebt beziehungsweise im Fall des Falles zu erheben in der Lage ist. Sie kennen das Ding ja besonders gut – kann es noch mehr?

So ein Solarregler kann tatsächlich noch mehr: Er kontrolliert den Anlagenbetrieb auch auf Plausibilität. So würde der Regler beispielsweise sofort eine Störmeldung ausgeben, wenn Temperaturmesswerte von mehr als 300 Grad Celsius oder unter minus 40 Grad Celsius erzeugt würden – denn solche Messwerte würden für einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung im Fühlerkabel sprechen. Auch die Uhrzeit prüft der Solarregler anhand der periodischen Sonnenauf- und -untergänge auf ihre Plausibilität hin. Zudem wird jeder Stromausfall protokolliert und auf häufige Stromausfälle hingewiesen.

Im zweiten Teil des Interviews mit Boris Bartenstein geht’s demnächst um die aktive Reaktionsfähigkeit des Solarreglers auf Störungen & Co.  Seid gespannt!

Foto (Titel + Porträt) und Grafiken: Boris Bartenstein, Paradigma

Das Titelfoto zeigt, dass eine Paradigma-Solarregelung sich mit dem Web-Portal SystaWeb online überwachen und per Fernwirkung einstellen lässt.