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Solarthermische Kombianlagen: Ein Plus für jeden Neubau

Thermische Solaranlagen können einen großen Teil des Energiebedarfs zur Brauchwassererwärmung decken. Im Sommer bleibt die Heizung aus: Die Solaranlage liefert vom Mai bis zum August genügend Wärme für Bad und Dusche, Wasch- und Spülmaschine. Über das Jahr bleibt der Energiebedarf für warmes Wasser nahezu gleich. Schon kleine Solaranlagen bringen es auf einen Deckungsgrad von 50 - 65 %.

Gemeinsam mit dem BINE Informationsdienst, Bonn, herausgegeben vom Fachinformationszentrum Karlsruhe, informieren wir über solare Kombianlagen zur Heizungsunterstützung.

Sonnenkollektoren zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung

Sonnenkollektoren zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung: Thermische Solaranlagen können den Jahresenergiebedarf eines modernen Einfamilienhauses um rund 25% senken.
Foto: SET
HYBRID-Schichtenspeicher für Brauchwasser und Heizungsunterstützung. Der Schichtenspeicher legt das solar erwärmte Wasser exakt in die Schicht mit der gleichen Temperatur ab.
Foto: Sailer Solarsysteme GmbH

Auch in den Übergangszeiten kann die Sonneneinstrahlung gut genutzt werden und einen beachtlichen Teil des Heizwärmebedarfs decken, der ja im Frühjahr und Herbst relativ gering ausfällt. Das leisten Solaranlagen zur kombinierten Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Niedrigenergie- oder Passivhäuser bieten besonders günstige Voraussetzungen für die solare Heizungsunterstützung, ebenso Heizungssysteme mit niedrigen Vorlauftemperaturen (maximaler Vorlauf 70°, maximaler Rücklauf 40°). Heizungsanlagen mit hohen Auslegungstemperaturen vermindern Untersuchungen zu Folge den solaren Ertrag weniger als erwartet. Aus diesem Grund sind Kombianlagen auch für die Nachrüstung von Altbauten interessant, zumal sie sich auch mit Brennwertkesseln kombinieren lassen, ohne deren Wirkungsgrad wesentlich zu mindern.

Wie Kombianlagen beschaffen sein müssen, damit Solarkreis, Raumheizungskreis, Nachheizung und Speicher optimal zusammenarbeiten untersuchen Arbeitsgruppen der Internationalen Energieagentur (IEA). Sie entwickelten Speicherkennwerte und Prüfverfahren als Grundlage für eine internationale Normierung. Die Untersuchung der Anlagenkonzepte lieferte teilweise überraschende Ergebnisse: Solare Kombianlagen senken den Gesamtenergiebedarf eines modernen Einfamilienhauses um etwa 20 -30 %, abhängig von jeweiligen Bauweise, jedoch unabhängig davon, für welches Konzept sich Planer und Bauherren entscheiden. Über den Ertrag entscheiden vielmehr die richtige Auslegung der Anlage und die Qualität der verwendeten Komponenten. Von zentraler Bedeutung bei Speichern sind deren optimale Größe und hohe Übertragungsleistungen der Wärmetauscher.

Unterschiedliche Anlagenkonzepte, nahezu gleiche Energieeinsparung

An Verfahren zur Bewertung solarer Kombianlagen im "Solar Heating and Cooling-Programm" der IEA arbeiten als deutsche Einrichtungen das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) in Stuttgart und der Fachbereich Physik der Universität Marburg. Sie geben Antwort auf Fragen, welche der Variantenreichtum der Anlagenkonzepte aufwirft: Ist ein "Tank-im-Tank-System" besser als zwei getrennte Speicher für Heizung und Brauchwasser? Welchen Einfluss hat die konventionelle Heizung auf den solaren Ertrag? Lohnt sich der Einbau einen komplexen Anlage oder genügt ein möglichst einfaches System?

Die Antwort ist eindeutig: Solare Kombianlagen unterscheiden sich im Hinblick auf das Energiesparpotenzial nur minimal. Die untersuchten Systeme weisen Abweichungen von höchstens 0,5 % aus. Deshalb können sich Planer und Bauherr an der Gebäudetechnik orientieren und hierbei mehrere Aspekte berücksichtigen: die Kenngrößen des Heizkessels (Leistung, Taktverhalten), das zur Verfügung stehende Puffervolumen, die Wärmequelle für die Zusatzheizung, die Versorgungssicherheit mit Warmwasser (Solltemperatur und Menge) sowie die Betriebsstrategie für den Solarkreis (Low-flow oder high-flow).

Einspeicher- Kombianlage: Der Speicher dient zusätzlich als Pufferspeicher für den Heizkessel. Deshalb eignen sich solche Anlagen für den Einsatz mit Holzheizkesseln.




Grafik: BINE Informationsdienst.

Die Ingenieure des ITW untersuchten die Varianten der Kombianlagen an Hand eines simulierten Einfamilienhauses nach der Wärmeschutzverordnung von 1995 (WSVO 95) am Standort Würzburg. Die Modellrechnung ging von einem 4-Personen-Haushalt, 128m2 Wohnfläche und einem Heizwärmebedarf von 93 kWh/m2 im Jahr aus. Die Energieeinsparung lag für alle Systemvarianten nahe beieinander: Kombianlagen mit 10 Quadratmeter Flachkollektoren und einem Speichervolumen von etwa 750 Litern senkten den Energieverbrauch dieses "typischen" Einfamilienhauses für Brauchwassererwärmung und Raumheizung um 25 %. Planer und Bauherr können sich entsprechend der spezifischen Anforderungen des Gebäudes zwischen Anlagen mit einem oder zwei Speichern, mit oder ohne eingebauter Wärmequelle sowie für oder gegen eine Rücklaufanhebung entscheiden.

Den deutschen Markt dominieren die kompakten Anlagen mit nur einem Speicher, der auch als Pufferspeicher für den Heizkessel dient. In Verbindung mit Holzheizkesseln gibt es hierzu keine Alternative, da für deren Einsatz ein solches Puffervolumen zwingend notwendig ist. Bei Kombispeichern mit integriertem Gas- oder Ölbrenner ersetzt ein großer Speicher den Heizkessel und den Speicher für die Brauchwassererwärmung.

Schema einer solarthermischen Kombianlage mit eingebautem Gasbrenner

Schema einer solarthermischen Kombianlage mit eingebautem Gasbrenner.

 

 



Grafik: BINE Informationsdienst
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Speicher und Energieertrag

Wie die Gesamtsysteme so bewirken auch unterschiedliche Speicherkonzepte keine großen Abweichungen bei der jährlichen Energieeinsparung: Sie lag bei vier marktgängigen Speichern mit verschiedenen Konzepten bei gleichen Randbedingungen zwischen 19,7 % und 21 % Der Unterschied belief sich auf zirka 240 Kilowattstunden im Jahr. Detaillierte Untersuchungen ergaben, dass sich auch die Wärmeverlustrate des Speichers und die Solltemperatur des Bereitschaftsvolumens nur in geringem Umfang auf die Energieeinsparung auswirken.

Die Wärme, die ein Speicher trotz Dämmung an die Umwelt abgibt, wird mit der Wärmeverlustrate beziffert. "Gute" Speicher erreichen einen Wert von 2,5 Watt pro Grad Temperaturdifferenz (Watt / Kelvin), in der Praxis tritt bei Speichern mit einem Volumen von etwa 750 Litern oft eine Wärmeverlustrate von 4 - 5 W/K ein. Der Einfluss auf die gesamte Energieeinsparung betrug bei den untersuchten Speichern bis zu 5%. Verbesserungen der Wärmedämmung seitens der Hersteller sind ein gangbarer Weg, mit hier mit wenig Aufwand viel zu erreichen, beispielsweise durch die Vermeidung von Wärmebrücken im bereich von Anschlüssen, Flanschen und Temperaturfühlern, welche auf eine unsaubere Verarbeitung beziehungsweise ungünstige Konstruktion zurückzuführen sind.

Diagramm: Einfluss der Wärmeverlustrate auf die anteilige Energieeinsparung.

Diagramm: Einfluss der Wärmeverlustrate auf die anteilige Energieeinsparung.







Grafik: BINE Informationsdienst

Bauherren und Planer können den solaren Energieertrag positiv beeinflussen, indem sie ein kleines Volumen und ein niedriges Temperaturniveau für das bereitgestellte Brauchwasser wählen. Die Warmwassermenge, die dem Speicher entnommen werden kann, hängt von der Solltemperatur des Bereitschaftsvolumens ab. Neben der Versorgungssicherheit sollte hier auch die anteilige Energieeinsparung im Blick behalten werden: Bereits bei einer Abschalttemperatur der Nachheizung (Temperaturfühler im unteren Bereich des Bereitschaftsvolumens ) von 43° C wird die Brauchwasserlast vollständig gedeckt, höhere Werte verringern die anteilige Energieeinsparung deutlich, ohne weitere Vorteile mit sich zu bringen.

Diagramm: Anteilige Energieeinsparung

Diagramm: Anteilige Energieeinsparung / Abschalttemperatur der Nachheizung des Bereitschaftsvolumens.







Grafik: BINE Informationsdienst

Insgesamt wirken sich Anlagen- und Speicherkonzepte nur gering auf den solaren Ertrag und die Wärmekosten von Kombianlagen aus. Sie sind mit denen der Brauchwassererwärmung durchaus vergleichbar. Bei der Entscheidung für eine Solaranlage zur Heizungsunterstützung geben deshalb andere Kriterium den Ausschlag, beispielsweise der Platzbedarf, die Einbindung weiterer Wärmequellen oder das für den Heizkessel verfügbare Puffervolumen.


Material und Bilder: ITW und BINE Informationsdienst.
Weitere Informationen wie Literatur, Adressen, Ansprechpartner und Internet-Links sind abrufbar unter:
http://bine-fiz.karslruhe.de; Rubrik "Service/Infoplus"
Redaktion Solarserver: Rolf Hug

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