Heizen mit Sonne und Luft - Solare Luftsysteme zur Energieeinsparung

Solaranlagen wandeln die Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom (Photovoltaik) oder Wärme um (Solarthermie). Die weit verbreiteten Solarwärmeanlagen nutzen in der Regel Wasser als Transport- und Speichermedium für die Sonnenwärme. Auch die Luft bietet sich als Mittel zum Transport von Solarwärme an: Moderne Gebäude mit effizientem Wärmeschutz und Lüftungssystemen können über Luftkollektoren mit Sonnenenergie versorgt werden. In Neubauten oder Sanierungsvorhaben eingesetzt, erhöhen solare Luftsysteme den Raumkomfort und helfen, Energie einzusparen.

Links: Luftkollektoren an der Fassade von Maisonette-Wohnungen in München. Rechts: Solares Luftsystem zur Frischlufterwärmung (Skizze). Foto und Grafik: BINE Informationsdienst.

Diese Technik ist noch wenig verbreitet, entwickelt sich aber zu einer interessanten Komponente des solaren Bauens. In internationalen Projekten und im Rahmen des "Solar Heating and Cooling"-Programms der Internationalen Energieagentur (IEA) wurden Gebäude mit solaren Luftheizungssystemen ausgestattet und bewertet. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) förderte die Arbeiten im Rahmen des Energieforschungsprogramms. In Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst stellen wir Systeme und Anwendungen der interessanten Technik vor, die sich durch Einfachheit auszeichnet sowie durch eine enge Verbindung zwischen Gebäude und System gekennzeichnet ist. Erste solare Luftheizungssysteme wurden in den USA bereits 1881 realisiert. Die Anlagen sind mittlerweile energieeffizienter und entsprechend kostengünstiger geworden.

Luft statt Wasser

Als Mittel zum Transport von Wärme hat Luft viele Vorteile: Sie steht immer in ausreichender Menge zur Verfügung und sie gefriert nicht. Im günstigsten Fall kann sogar auf Transportleitungen verzichtet werden und die Luft frei strömen. Da die Luft in Gebäuden ohnehin laufend ausgetauscht werden muss, um frische Atemluft zu- und Feuchtigkeit abzuführen, liegt es nahe, sie gleichzeitig zur Heizung zu nutzen. Allerdings nimmt Luft weniger Wärme auf als Wasser - sie speichert und transportiert daher weniger Energie. Deshalb sind bei Luftheizungen größere Volumenströme und Leitungsquerschnitte sowie ein höherer technischer Aufwand bei der Erwärmung erforderlich. Gebäude und Anlagentechnik müssen noch besser aufeinander abgestimmt werden als bei herkömmlichen Solarwärmeanlagen und zu den Nutzungsanforderungen passen. Nur bei sehr sorgfältiger Planung kann in bestimmten Gebäudetypen ausreichend solare Wärme genutzt und das System auch kosteneffizient betrieben werden.

Nutzbare Solarwärme, Temperaturniveau und Energie-Effizienz

Der solare Wärmeertrag hängt von vier Voraussetzungen ab: dem Strahlungsangebot und dem Wärmebedarf des Gebäudes im Jahresverlauf, der Übereinstimmung von Sonneneinstrahlung und Wärmebedarf im Laufe des Tages sowie der passiven Solarenergienutzung durch Fassaden und Fenster. Solarkollektoren (auch Wasserkollektoren) wandeln die Sonnenstrahlung am wirksamsten bei geringen Unterschieden zwischen der Temperatur im Kollektor und der Umgebungstemperatur um - bei hohen Temperaturen im Kollektor fließt viel Energie ungenutzt an die Umgebung. Soll die Heizung unterstützt werden, muß im Kollektor eine Temperatur erreicht werden, die über jener des Heizungsrücklaufs liegt. Erst ab dieser Schwelle kann Wärme vom Kollektor in den Heizkreislauf übertragen werden. Je höher die Temperatur im Heizungsrücklauf, desto kürzer sind die Zeiträume, in denen die Sonnenstrahlung dafür ausreichend intensiv ist.

Ertrag von Zuluftanlagen (Messung - reale Gebäude)

Gebäudetyp	Kollektortyp	Kollektorfläche	Standort	Nutzbare Wärme
Industrie	verglast perforiert, unverglast	126 m² 725 m²	Helsinge, DK Colorado, USA	76 kWh/ m²a 810 kWh/ m²a
Hallenbad	verglast	350 m²	Ingolstadt, D	715 kWh/ m²a
Klinikum	verglast	270 m²	Freiburg, D	620 kWh/ m²a
Schule	verglast, perforiert	177m²	Koblach, A	254 kWh/ m²a
Wohngebäude	verglast	5 m²	Struer, DK	215 kWh/ m²a
Büro	verglast	59 m²	Karlsruhe, D	85 kWh/ m²a

Hier zeigt sich ein enormer Vorteil der Luftkollektoranlagen. Sie arbeiten im Gegensatz zu den herkömmlichen Solarwärmeanlagen bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, denn die Temperatur im Kollektor muss lediglich über der Lufttemperatur in dem zu erwärmenden Raum liegen. Deshalb sind die solaren Lufterhitzer selbst bei geringer Einstrahlung energetisch wirksam und können sehr effizient sein. Bei gewöhnlichen Solaranlagen zur Heizungsunterstützung müssen die Kollektoren je nach der Art der Wärmeverteilung (Radiatoren, Fußbodenheizung) Wasser mit Temperaturen von mindestens 30-55° Celsius liefern.

Solarenergie und Lüftungssysteme

Sonnenkollektoren können in der Regel problemlos auf dem Dach montiert oder in die Fassade einbezogen werden. Das gilt für Luft- wie für Wasserkollektoren. Mit Ausnahme der einfachen Abluftanlagen eigenen sich alle konventionellen Lüftungs- und Klimaanlagen als Basis eines solaren Luftsystems. Schwierigkeiten bereiten allenfalls die Unterbringung der Lüftungsanlage und die Verteilung der Luft in bestehenden Gebäuden - hier ergibt sich ein hoher Planungsbedarf und gegebenenfalls werden auch Kompromisse nötig.

Lüftungssysteme Funktion und Eignung als solares Luftsystem. Grafik: BINE Informationsdienst.

Die wichtigste Variante der solaren Lufterwärmung ist im Zuluft- oder Umluftbetrieb möglich und lässt sich mit geringen Änderungen handelsüblicher Lüftungsanlagen realisieren. Solare Frischlufterwärmung funktioniert selbst bei geringer Sonneneinstrahlung und auch bei niedrigen Außentemperaturen: Wenn die frische Luft nur um kleine Temperaturdifferenzen erwärmt wird, ist die Nutzung der Sonnenenergie sogar besonders effizient. Die Luftkollektoren können ohne großen Aufwand an die Frischluftversorgung angeschlossen werden. Die Luft wird entweder ständig oder im Bedarfsfall mittels einer Klappensteuerung durch den Kollektor geführt.

Manche Gebäude können mit einer Mischung aus Umluft und Frischluft belüftet werden. In diesem Fall kann der Kollektor in den Abluftkreis integriert werden; die Frischluft wird der Umluft beigemischt und ebenfalls dem Kollektor zugeführt. Da die Temperatur dieser Mischung nur um wenige Grade erwärmt werden muss, setzt der Solarkollektor die Sonnenstrahlung wirksam in nutzbare Wärme um.

Reine Luft-Heizungssysteme sind die so genannte Hypokaustenheizung (Erwärmung des Bodens) beziehungsweise die Murokaustenheizung (Erwärmung der Wand). Sie erfordern besonders wenig Technik. Hier kommt die erwärmte Luft nicht mit der Raumluft in Kontakt, denn sie zirkuliert in einem in der Wand oder dem Boden integrierten Kreislaufsystem. Die Räume müssen in diesem Fall extra belüftet werden. Einige Hypokausten können bei geeigneter Konstruktion sogar ohne jeglichen Antrieb auskommen - diesen erzeugt der Kollektor durch die aufsteigende Warmluft selbst. Bei beiden Systemen kann die Wärme durch Strahlung und Luftströmung (Konvektion) passiv abgegeben werden (über den Boden oder die Wand). Sie kann dem Bedarf aber auch mit zusätzlichen Regelungs- oder Abgabeelementen angepasst werden.

Links: Luftheizanlage, Rechts: Schema eines Gebäudes

Links: Luftheizanlage mit Umluft und integriertem Kollektor. Rechts: Schema eines Gebäudes mit Hypokausten und Murokausten sowie solarer Luftkollektoranlagen. Grafiken: BINE Informationsdienst.

Kollektoren und Speicher

Solare Luftsysteme sind entweder Erweiterungen konventioneller Systeme oder sie können aus deren Komponenten aufgebaut werden. Ihre zusätzlichen spezifischen Komponenten sind der Kollektor und die Speicherelemente, beispielsweise Gesteinsspeicher (Rockbed), Hypo- und Murokausten, aber auch massive Bauteile wie Kanäle, Kamine und so genannte Trombewände (solare Energiegewinnung über die Fassade). In Deutschland werden Luftkollektoren von der Grammer Solar+Bau GmbH (Amberg) und der SCHÜCO International KG (Bielefeld) angeboten.

Luftkollektoren von Schüco (links) und von Grammer (rechts). Foto: Schüco KG, Grafik: Grammer GmbH.

Fassadenelemente von Solarwall sind ebenfalls auf dem deutschen Markt erhältlich. In Norwegen produziert ABB, in Dänemark Aidt Miljö und in Italien Sileme.

Alle Kollektoren sind verglast, nur bei den Solarwall-System kann auf die Verglasung verzichtet werden, da es bevorzugt zur Frischlufterwärmung eingesetzt wird und dort auf Grund der kleinen Temperaturdifferenzen sehr effektiv funktioniert.

Schematische Darstellung der solaren Frischlufterwärmung am Beispiel des Systems "Solarwall". Grafik: BINE Informationsdienst.

Anders als bei Brauchwassersystemen gibt es für die Luftkollektoren noch kein genormtes Verfahren, das einen Vergleich erlaubt. Sie werden an Hand der so genannten Wirkungsgrad-Kennlinie beurteilt, die wiederum von den optischen Eigenschaften, dem Wärmeübergang und den Wärmeverlusten im Kollektor abhängt. Verschiedene Kollektorkonstruktionen haben sich etabliert: Ein Kollektor mit Luftführung oberhalb des Absorbers eignet sich nur für die Frischlufterwärmung beziehungsweise für geringe Temperaturerhöhungen, stellt jedoch die kostengünstigste Variante dar. Weitgehend durchgesetzt haben sich Kollektoren mit Luftführung unterhalb des Absorbers, bei denen ein zusätzlicher Strömungskanal erforderlich ist. Eine weitere Variante sind Kollektoren, bei denen die Luft einen porösen Absorber durchströmt. Sie weisen einen besonders guten Wärmeübergang auf.

Ebenfalls möglich ist die Kombination eines Luftkollektors mit Photovoltaikmodulen. Die Solarzellen wandeln nur zirka 7 -16% der Sonnenstrahlung in Strom um, der Rest wird in Wärme umgewandelt. Dies führt zur Erwärmung der PV-Module und in Folge dessen sogar zu geringfügigen Einbußen beim elektrischen Ertrag.

Die erwärmte Luft aus der hinterlüfteten PV-Anlage kann bei dieser Lösung als nützliches Nebenprodukt energetisch genutzt werden.

Hinterlüftetes PV-Dach - die erwärmte Luft wird im Winter zur Gebäudeheizung genutzt. Grafik: IEA Handbook solar air systems

Solare Luftsysteme für die Beheizung von Gebäuden erzeugen typischerweise zwischen 100 bis 300 Kilowattstunden Wärme im Jahr. Zum Vergleich: Wasserkollektoren liefern zwischen 450 und 600 Kilowattstunden. Zusätzlichen Nutzen bringen die Energiegewinne der Luftkollektoren zur Warmwasserbereitung im Sommer, denn mit einer vergleichsweise einfachen technischen Umrüstung (Luft/Wasser-Wärmetauscher) können die Luftsysteme auch zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Ebenso ist die Kombination solarer Luftsysteme mit einer parallel geschalteten Kälteerzeugung möglich (dann ersetzt zum Beispiel ein Erdwärmetauscher den Kollektor). So kann die Sonnenenergie zur sommerlichen Kühlung eingesetzt werden.

Luftkollektoren auf dem Dach des Personalcasinos des Klinikums Freiburg

Luftkollektoren zur Heizung und Warmwasserbereitung. Links: 109 Kollektoren auf dem Dach des Personalcasinos des Klinikums Freiburg (diagonal: Photovoltaik-Module). Foto: BINE Informationsdienst

Wie alle solarthermischen Anlagen reduzieren auch die Luftkollektoren die Laufzeiten des konventionellen Heizkessels und damit den Schadstoffausstoß. Besonders bei der Sanierung von Altbauten können beträchtliche Brennstoffeinsparungen erreicht werden.

Zudem können die Luftkollektoren die Fassade oder Teile davon ersetzen und dienen auch als Wärmedämmung für das Gebäude.

Links: Lilly Laborgebäude in Hamburg (Der Kollektor ersetzt die Fassade). Foto: BINE Informationsdienst

Planung und Einsatzgebiete

Systeme zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen erfordern eine sorgfältige Planung, welche auf die spezifischen Gegebenheiten (Standort, Gebäudeentwurf und Nutzung) bezogen werden muss. Das gilt auch für die solaren Luftsysteme, bei denen die Nutzungsanforderungen eine besonders große Rolle spielen. Gute Voraussetzungen für ihren Einsatz bieten Gebäude mit niedrigen internen und passiven Wärmegewinnen bei gleichzeitig hohem Frischluftbedarf.

Im Wesentlichen entspricht die Planung eines solaren Luftsystems der einer herkömmlichen Solaranlage. Ihre Besonderheiten sind der höhere Platzbedarf für Lüftungsanlagen und Anschlusskanäle, welcher in einem frühen Planungsstadium berücksichtigt werden sollte. Die Forschungsprojekte ergaben für Luftsysteme einen energetisch und ökonomisch optimalen solaren Deckungsgrad (Anteil des Wärmebedarfs, der durch Sonnenenergie gedeckt wird) zwischen 15 und 30%. Größere Anlagen bringen zwar höhere Deckungsgrade, aber nur geringe flächen- und kostenbezogene Leistungen.

Kleine Anlagen sind tendenziell energieeffizienter, aber auch teurer, weil sich in diesem Fall die Fixkosten für Installation und Regelung sowie die festen Nebenkosten besonders stark auf die spezifischen Einsparkosten auswirken.

Links: Kostenschema bei solaren Luftsystemen. Grafik: BINE Informationsdienst

Für die Planung von einfachen Zuluft- und Luftheizsystemen stehen Software-Werkzeuge der Hersteller zur Verfügung , zum Beispiel LUFTIKUS ( Grammer GmbH). Größere und komplexere Gebäude können mit detaillierten Simulationsrechungen geplant und optimiert werden. Hierfür eignet sich das Programm TRNSAIR: Es erlaubt eine dynamische Simulation mit einem Zwei-Zonen-Gebäudemodell unter Berücksichtigung interner und passiver solarer Wärmegewinne. Eine kostenlose Demoversion ist erhältlich unter http://www.transsolar.com/ts/indexair.htm.

Die solare Frischlufterwärmung eignet sich besonders gut für Büro- und Verwaltungsgebäude, in denen höhere Luftwechsel nötig sind und somit mehr solare Wärme genutzt werden kann. Industriehallen und Funktionsgebäude wie Schwimm- oder Sporthallen eigenen sich ebenfalls sehr gut für den Einsatz der Luftkollektoren-Systeme, denn auch hier muss sehr viel Luft ausgetauscht werden. Wohnhäuser werden sowohl aus hygienischen Gründen als auch zur Begrenzung der Lüftungswärmeverluste belüftet (Passivhäuser). Im Wohnungsbau können die verfügbaren Lüftungssysteme mit solaren Luftsystemen kombiniert werden, um zusätzlich Energie zu sparen.

Zweifach-Turnhalle des Karl-Gymnasiums in München Pasing: Mit wenigen Modifikationen wurde die Frischluftansaugung über eine neue Luftkollektoranlage geführt, wesentliche Teile der bestehenden Lüftungsanlage können weiter verwendet werden. Fotos: BINE Informationsdienst

Bei der Sanierung machen solare Luftsysteme Sinn, wenn hohe Lüftungswärmeverluste reduziert werden sollen und großer Frischluftbedarf besteht. Kostengünstig ist diese Lösung, wenn bereits eine Lüftungsanlage vorhanden ist, hoher Warmluftbedarf gedeckt werden soll und zum Beispiel eine Fassade saniert werden muss - dann sind besondere Synergieeffekte erreichbar. Eine ganz andere Einsatzmöglichkeit für solare Luftheizanlagen besteht in nur zeitweise genutzten Gebäuden wie Ferienhäusern oder Kirchen: Hier vermeiden sie, dass die Luft im Inneren zu feucht wird und tragen zum Erhalt von Inventar und Bausubstanz bei.

Dieser Text basiert auf dem 12-seitigen BINE-Themen-Info II/02 (Solare Luftsysteme). Es enthält zahlreiche Gebäudebeispiele und ist erhältlich beim BINE Informationsdienst. Download als PDF-Dokument unter http://194.175.173.199/pdf/publikation/pro0202_01.pdf.
Unter http://www.bine.info gibt es auch weiterführende Informationen und eine ausführliche Linkliste (Rubrik "Service/InfoPlus").

Material und Illustrationen: BINE Informationsdienst. Redaktion Solarserver: Rolf Hug.