Der Wärmetauscher

Die Schnittstelle zwischen Heizkreislauf und Solarkreislauf bildet der Wärmetauscher, auch Wärmeaustauscher oder Wärmeüberträger genannt. Der Begriff Wärmetauscher ist zwar geläufiger, jedoch trifft die Bezeichnung Wärmeüberträger am besten zu, da der Wärmetauscher für die Übertragung der Wärme sorgt. Die Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit (Solarflüssigkeit) wird über den Wärmetauscher an den Speicher für das Brauch- und Heizungswasser übertragen. Jedoch unterscheidet man je nach Solarthermieanlage und Speichertyp zwischen internen und externen Wärmetauschern. Um Ihnen die Funktion des Wärmetauschers näher zu bringen, möchten wir Ihnen dieses Thema in dem Artikel gerne genauer erläutern.

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Funktion des Wärmetauschers

Ohne dass sich der Solarkreislauf und der Heizkreislauf berühren, überträgt der Wärmetauscher die Wärme. Auch wird über eine trennende Schicht verhindert, dass Solarflüssigkeit in den Speicher eintritt. Jedoch muss für die Wärmeübertragung ein Temperaturunterschied zwischen Solar- und Heizkreislauf herrschen. Die warme Solarflüssigkeit und das Wasser das erwärmt werden soll, werden in einem Wärmetauscher über eine Trennwand in Verbindung gebracht. Die Trennwand ist ideal für die Wärmeübertragung vom wärmeren zum kälteren Medium geeignet. Je größer die Temperaturdifferenz und Strömungsgeschwindigkeit zwischen Solarkreislauf und Heizkreislauf ist, desto mehr Wärme kann der Wärmetauscher übertragen. Außerdem ist die Oberflächengröße des Wärmetauschers entscheidend.

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Interner Wärmetauscher

Interne Wärmetauscher werden im thermischen Wärmespeicher integriert. Sie kommen in den meisten Fällen bei kleineren thermischen Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung zum Einsatz. Die Wärmetauscher benötigen keinen internen Wasserspeicher, da sie direkt an den Wasserkreislauf des Hauses angeschlossen sind. Man unterscheidet zwischen Rippenrohr-Wärmetauscher und Glattrohr-Wärmetauscher. Die Wärmetauscher bestehen aus einem spiralförmigen (beispielsweise) Kupferrohr, das innerhalb des Speichers verläuft. Die Spiralform wird genutzt, um eine möglichst große Oberfläche für die Wärmeübertragung zu erzielen. Die Anschaffungskosten halten sich gering und außerdem wird dazu kein zusätzlicher Platz außerhalb des Speichers benötigt.
Ein Rippenrohr-Wärmetauscher, weist eine etwas größere Oberfläche für die Wärmeübertragung auf, da sie eine gerippte Oberfläche hat. Die Solarflüssigkeit wird bei dieser Variante durch ein geripptes und verzinntes Kupferrohr geleitet, weist jedoch durch den spiralförmigen Aufbau eine niedrigere Betriebstemperatur und einen niedrigeren Betriebsdruck auf. Der Aufbau dieses Wärmespeichers ist kompakter und kann nachträglich nur über einen Flansch eingesetzt werden. Durch das Anbringen einer Anode wird einer Korrosion vorgebeugt. Jedoch können die Rippentauscher durch die gerippte Form in den Zwischenräumen durch Kalk zunehmend verstopft werden und dadurch wird die Fließgeschwindigkeit innerhalb der Rohre und somit die Übertragung der Wärme stark verringert. Bei Glattrohr-Wärmetauschern hingegen, kann sich Kalk nicht so stark absetzen und sind somit wartungsfreundlicher als der Rippentauscher.
Eine optimale Oberfläche von Rippenrohr-Wärmetauschern ist circa 35% der Kollektorfläche. Bei einem Glattrohr-Wärmetauscher bedarf es ungefähr 20% der Kollektorfläche. Um den Vorlauf der Kollektoren möglichst kühl zu halten und die Flüssigkeit innerhalb des Speichers komplett zu erwärmen, wird der interne Wärmetauscher im unteren Teil des Wärmespeichers eingesetzt.

Externer Wärmetauscher

Externe Wärmetauscher werden nicht in den Speicher integriert, sondern werden außen am Speicher, genau genommen an den Zuleitungsrohren angebracht. Externe Wärmetauscher kommen bei größeren Solarthermieanlagen zur Heizungsunterstützung zum Einsatz und werden oftmals für Schichtenspeicher genutzt. Dafür werden mehrere Wärmetauscher an unterschiedlichen Einspeisepunkten angebracht, um unterschiedlich temperierte Schichten innerhalb des Speichers zu erzeugen. Das sorgt für eine starke Reduzierung des Energiebedarfs zur Nachheizung des Speichers. Auch Solarthermieanlagen mit Frischwasserdepot nutzen häufig einen externen Wärmetauscher für die Erwärmung des Trinkwassers. Für die Verwendung von externen Wärmetauschern wird eine zusätzliche Solarpumpe benötigt, außerdem liegen die Anschaffungskosten um einiges höher. Jedoch kann durch die externe Variante mehr Wärme übertragen und für mehrere Speicher gleichzeitig genutzt werden. Externe Wärmetauscher werden als Rohrbündel oder Plattenwärmetauscher verbaut. Der Platten-Wärmetauscher birgt den Vorteil, dass die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Austauschplatte strömt. Somit wird die erwärmte Flüssigkeit durch nachströmende, kalte Flüssigkeit ersetzt und der Temperaturunterschied bleibt stets hoch, was wiederum zu einer höheren Wärmeübertragung führt. Wenn die Strömungen in Gegenrichtung fließen, ist ein beidseitiger, andauernder Austausch der Flüssigkeit besonders wirksam. Anders als bei internen Wärmetauschern ist die Gefahr für Verkalkungen deutlich geringer. Falls ein Austausch des Wärmetauschers erforderlich wird, ist der Zugang einfacher, als bei internen Wärmetauschern.

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Ermittlung der Leistungsfähigkeit

Entscheidend bei der Wahl eines Wärmetauschers ist die Leistung die erbracht werden kann. Man setzt die aufgenommene thermische Energie auf der kalten Seite zu der abgegebenen Energie auf der warmen Seite ins Verhältnis. Dabei sollte bedacht werden, dass auch bei der besten Isolierung Wärme verloren geht. Jedoch hängt der Wärmeverlust auch davon ab, wie unterschiedlich die Temperaturen zwischen den Strömen und der Umgebung ist. Der Wärmetauscher bringt die beste Leistung, wenn er den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark erwärmt und den zu erkaltenden Stoffstrom stark abkühlen kann.

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