Thermosiphon-Effekt in Heizungs- und Solaranlagen

Der Thermosiphon-Effekt: Einfach erklärt

Die Dichte einer Flüssigkeit hängt vor allem von ihrer Temperatur ab. Heizt sich Wasser auf, sinkt die Dichte und damit das relative Gewicht. Infolgedessen steigt das wärmere Medium in einem System nach oben. Kühlt es sich dann wieder ab, steigt die Dichte. Das Wasser wird „schwerer“ und fällt einfach beschrieben wieder nach unten. In einem geschlossenen System kann der sogenannte Thermosiphon-Effekt dazu führen, dass eine Flüssigkeit ganz ohne Pumpe zirkuliert und thermische Energie mitführt. Nutzen lässt sich das zum Beispiel in Schwerkraftheizungen oder Naturumlauf-Solaranlagen. Während diese Systeme von den physikalischen Gegebenheiten profitieren, wirkt der Thermosiphon-Effekt bei anderen eher störend. So führt er bei konventionellen Solaranlagen oder ungünstig konstruierten Anschlüssen am  Pufferspeicher  teilweise sogar zu hohen Wärmeverlusten.

Thermosiphon-Solaranlagen und Schwerkraftheizungen nutzen den Effekt  

Thermosiphon- oder Naturumlauf-Solaranlagen sind die wohl bekanntesten Beispiele für Systeme, die den physikalischen Effekt ausnutzen. Sie bestehen aus Kollektoren, die über Rohrleitungen mit einem aufgesetzten Wärmespeicher verbunden sind. Heizt sich das Wasser in den Kollektoren auf, steigt es von selbst nach oben. Hier gibt das Medium Wärme an den Speicher ab, wobei es sich abkühlt. Während das passiert, steigt die Dichte und das Wasser fällt im System nach unten. Hier tritt es wieder in den Kollektor ein und der Kreislauf beginnt von vorn.

Der Vorteil: Thermosiphon-Solaranlagen funktionieren ohne komplizierte Regelungstechnik. Sie besitzen keine  Umwälzpumpe  und verursachen keine zusätzlichen Kosten. Nachteilig ist hingegen die Optik, die hierzulande eher als störend empfunden wird. Durch die zuverlässige Betriebsweise und die vergleichsweise niedrigen Anschaffungskosten sind die Systeme aber vor allen in südlichen Ländern sehr oft zu finden.

Schwerkraftheizungen arbeiten dank Thermosiphon-Effekt ohne Pumpe

Hierzulande nutzten Heizungstechniker den physikalischen Effekt lange Zeit mit der  Schwerkraftheizung  aus. Dabei handelt es sich um eine zentrale Warmwasserheizung, die Wärme auch ohne Heizungspumpe im gesamten Haus verteilt. Wichtigste Voraussetzung dafür: Der Kessel muss der tiefste Punkt in der Anlage sein. Er erwärmt das Heizungswasser so stark, dass es im Rohrnetz nach oben aufsteigt. Das Wasser strömt dann zu den Heizflächen, überträgt Energie an die Räume und kühlt sich dabei ab. Die gleichzeitig steigende Dichte führt dazu, dass das Heizungswasser im Rohrsystem nach unten zum Kessel strömt, sodass der Vorgang erneut beginnen kann. Da der verfügbare Druck durch die Temperatur- und Dichteunterschiede nur sehr klein ist, sind hohe Vorlauftemperaturen und große Rohrdurchmesser vonnöten.

Während Schwerkraftheizungen ohne Pumpentechnik funktionieren, arbeiten sie doch sehr träge. Außerdem ist die spezielle Funktionsweise mit höheren Wärmeverlusten und Heizkosten verbunden. Gründe, aus denen die Technik heute kaum noch im Einsatz ist.

Thermosiphon-Effekt verursacht hohe Wärmeverluste

Der physikalische Effekt hat aber nicht nur Vorteile. So kann die natürliche  Konvektion  in modernen Solaranlagen zu hohen Wärmeverlusten führen. Und zwar immer dann, wenn das warme Wasser aus dem Speicher zu den kühlen Kollektoren aufsteigt. Denn hier gibt es die thermische Energie an die Umgebung ab und beheizt das Dach ungewollt von außen. Um das zu verhindern, kommen heute sogenannte  Schwerkraftbremsen  zum Einsatz. Dabei handelt es sich um kleine Absperrorgane, die ungewollte Strömungsvorgänge durch eine Feder oder ihr Eigengewicht verhindern.  

Thermosiphons reduzieren den Wärmeverlust am Speicher  

Genau wie in gesamten Anlagen tritt der Thermosiphon-Effekt auch in einzelnen Rohrleitungen auf. So zum Beispiel in den Anschlussleitungen eines Kessels oder eines Wärmespeichers. Hier kühlt sich das Wasser in Stillstandszeiten an den Rohrwandungen ab und sinkt nach unten, wodurch sich eine In-Rohr- oder Gegenstromzirkulation bildet. Diese kann dazu führen, dass kühles Wasser aus dem Vorlauf in den Speicher zurückfließt, warmes Wasser nachströmt und der Behälter so sukzessive viel Wärme verliert. Besonders hoch sind die Verluste in Rohren, die den Speicher waagerecht oder sogar leicht schräg nach oben verlassen. Aus energetischer Sicht günstiger sind hingegen Leitungen, die schräg nach unten aus dem Wärmespeicher herausführen. Experimente haben gezeigt, dass sich die Wärmeverluste in Leitungen mit entsprechenden Stillstandszeiten durch sogenannte Thermosiphons minimieren lassen. Dazu verläuft das Rohr nach dem Austritt aus dem Speicher zunächst senkrecht nach unten, bevor es wie bei einem Siphon im Badezimmer wieder aufsteigt. Am höchsten sind die Einsparungen, wenn der Thermosiphon aus einem wenig leitfähigen Material besteht.