Große solarthermische Kombianlage
unterstützt erfolgreich die Wärmeversorgung einer Rehaklinik

Das Wichtigste für die Patienten medizinischer Einrichtungen sind kompetente Ärzte und moderne Medizintechnik. Doch Kliniken mit zum Teil mehreren hundert Betten verbrauchen auch große Mengen an Energie für Heizung, Warmwasser, Lüftung und den Betrieb elektronischer Geräte. Sie haben während des ganzen Jahres einen hohen Bedarf an Warmwasser und Heizwärme und eignen sich damit oft ideal für den Einsatz solarthermischer Anlagen zur Wärmeversorgung. Innerhalb der komplexen Versorgungsstrukturen von Kliniken und Krankenhäusern ermöglichen Solarwärmeanlagen Energieeinsparungen in großem Umfang. Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung wurden bereits vielfach erprobt. Dabei war das Ziel, kostengünstig und im Zuge von Pilotanlagen nicht zu groß zu bauen, zumal ihr Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf systembedingt beschränkt ist. In der Rehaklinik Bad Frankenhausen hingegen unterstützt seit drei Jahren eine solarthermische Anlage auch die Wärmeversorgung im großen Stil.

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Solare Heizungsunterstützung mit Kombianlagen

Etwa jede fünfte in Deutschland installierte Solaranlage liefert neben warmem Wasser auch Wärme für die Gebäudeheizung. Dabei handelt es sich jedoch bisher überwiegend um Kleinanlagen. Diese sind meist so ausgelegt, dass 20-25% des Gesamtwärmebedarfs eines modernen Einfamilienhauses solar gedeckt werden – also etwa doppelt soviel wie durch reine Brauchwassersysteme. Betreiber können unter einer Vielzahl von Anlagen mit unterschiedlichen Konzepten wählen. In Forschungsarbeiten und Pilotanwendungen, z.B. im Rahmen des "Solar Heating and Cooling2-Programms" (SHC) der Internationalen Energie Agentur, wurde deutlich, dass über den solaren Ertrag kleiner Kombianlagen weniger das Anlagenkonzept als vielmehr die Ausführung und Dimensionierung der einzelnen Komponenten entscheidet.

Konventionelle Wärmeversorgung und Wärmerückgewinnung

Die herkömmliche Warmwasserbereitung und Heizung der Rehaklinik erfolgt über zwei Gas-Brennwertkessel mit je 860 kW Leistung. Der Gebäudekomplex ist nach hohen technischen Maßstäben geplant und ausgeführt. Der Energieeinsparung wurde mit mehreren Wärmerückgewinnungsanlagen, Versorgungsbereichen auf Niedertemperaturniveau und Gebäudeautomation mit DDC- Regelung (Direct Digital Control) Rechnung getragen. Die Übergabe der Wärme an das Trinkwasser erfolgt mittels einer Vorwärmanlage. Einmal täglich wird ein Teil des Schwimmbadwassers ausgetauscht. Die Abwärme des abfließenden etwa 30 Grad warmen Abwassers wird in einer Wärmerückgewinnungsanlage mit Wärmepumpe ebenfalls für die Trinkwasser-Vorerwärmung genutzt. Dazu ist in den Kaltwasserzulauf der Warmwasserbereitung ein 500 Liter fassender Speicher eingebaut. Dieser wird von der Wärmepumpe über einen externen Wärmetauscher beladen.

Komplexe Wärmeverteilung: Lüftungssystem im Dachgeschoss der Rehaklinik.

Foto: BINE Informationsdienst

Solarsystem zur Trinkwassererwärmung, Schwimmbadnachheizung
und Zuluft-Vorerwärmung

Das Solarsystem ist in zwei von einander getrennten Teilanlagen ausgeführt, die im Speicherbereich zusammengeführt wurden. Das Pufferspeicher-Volumen von insgesamt 35 Kubikmetern ist aufgeteilt in zwei 15 m3–Speichergruppen sowie einen weiteren Pufferspeicher (5 m3), der für die Anbindung der Trinkwasservorwärmung und der Schwimmbadnachheizung sorgt. Hinzu kommt eine DDC-Regelung f ür die Belade- und Entladekreise.

Zwei Dachflächen des Hauptgebäudes wurden vollständig mit Flachkollektoren belegt (dachintegriert, Südausrichtung +/- 20%). Die aktive Kollektorfläche beträgt 646 Quadratmeter, bestehend aus zweimal 32 Großkollektoren mit jeweils 10 m2 Absorberfläche. Hydraulisch sind die Kollektorfelder in jeweils acht parallel geschaltete Stränge mit je vier in Reihe angeordneten Kollektoren geschaltet. Durch die Solaranlage wird die von den Lüftungsanlagen angesaugte Außenluft je nach Außenlufttemperatur und solarem Energieangebot vorerwärmt. Um Verluste im Temperaturniveau zu vermeiden und zur Gewährleistung der Frostsicherheit wird die Wärme direkt aus den Kollektorkreisen (d. h. den Pufferspeichern) entnommen. Die Patientenzimmer der Rehaklinik verfügen über eine eigene Sanitärzelle, die über eine Lüftungsanlage belüftet und gleichzeitig beheizt werden. Die Lüftungsanlagen sind in den Dachräumen der Gebäudeteile untergebracht. Um die Wärme der Solarsysteme über das Jahr verteilt optimal für die Heizungsunterstützung nutzen zu können, erfolgt sowohl eine Luft-Vorerwärmung wie auch eine Nachheizung.

Unterschiedliche Nutzung der Solarenergie im Sommer und Winter

Die beschriebene Einbindung des Solarsystems in ein Be- und Entlüftungssystem zur Heizungsunterstützung ermöglicht gerade im Winter und in den Übergangszeiten eine effektive Nutzung der Wärme. In den Sommermonaten sinkt der Wärmebedarf zur Lufterwärmung. Eine entsprechende Anlagenkonfiguration sorgt dafür, dass die Solarwärme dann vorrangig der Trinkwasser- und Therapiebeckenerwärmung (Wassertemperatur ganzjährig 32° C) zugeführt wird. In der strahlungsreichen Zeit von Mai bis September wird der Bedarf für die Trinkwassererwärmung (10 m3/d) und die Beckenwassererwärmung damit weitgehend durch die Solaranlage gedeckt.

Optimierung des Solarsystems

Die Anlage wurde im Juli 2003 in Betrieb genommen und seit April 2004 im Rahmen eines dreijährigen Intensiv-Messprogramms durch die TU Ilmenau vermessen und gemeinsam mit Betreiber und Planer optimiert. Im ersten Messjahr ergaben sich mehrfach Probleme durch die schlechte Rücklaufauskühlung sämtlicher Speicherentladekreise - sowohl für die Lufterwärmung wie auch für die Trinkwasservorwärmung und Schwimmbadnachheizung. Durch Einsatz einer Pumpenleistungs-Regelung bzw. deren Optimierung konnte Abhilfe geschaffen werden. Stark schwankende bzw. fehlangepasste Volumenströme in den Wärmetauschern verhinderten eine Ausbildung der Temperaturschichtung in den Pufferspeichern und führten damit zu verminderten Kollektorwirkungsgraden. Denn auch optimal ausgelegte Wärmetauscher nützen nichts, wenn die Volumenströme der beiden Kreisläufe nicht aufeinander abgestimmt sind.