Info über Solarthermie (Warmwasserbereitung)
Durchschnittliche Sonneneinstrahlung 1981 bis 2001 seitdem ist die Sonneneinstrahlung gestiegen(Global Warming)
THERMISCHE SOLARANLAGEN
Sonnenstrahlung
Energetisches Potenzial auf Dächern und an Fassaden
Mit dem Sonnenlicht wird ca. 10.000 mal mehr Energie auf die Erde eingestrahlt, als die Menschheit verbraucht. In wolkenarmen Wüstenregionen wie z. B. der Sahara sind dies pro Jahr ca. 2.200 kWh/m2; in Deutschland immerhin etwa halb so viel – was dem ca. 100fachen unseres derzeitigen Primärenergiebedarfs entspricht!
In Deutschland ist die Nutzung der Sonnenenergie nur wenig von der geographischen Lage abhängig.
Die Solareinstrahlung in den Regionen unterscheidet sich nur um ca. 20 % und liegt in etwa zwischen 950 und 1.200 kWh je Quadratmeter und Jahr. Etwa drei Viertel davon entfallen auf das Sommerhalbjahr von April bis September
Jahressumme Sonneneinstrahlung 2007 in kWh/m²
Daraus können in Deutschland je m² Kollektorfläche jährlich ca. 450 bis 600 kWh an Sonnenwärme gewonnen werden.Die zur Trinkwassererwärmung pro Person einzusetzende Kollektorfläche beträgt in etwa 1 bis 1,5 m2.
Warmes Wasser für Küche und Bad
Der Warmwasserbedarf eines Haushaltes verläuft über das Jahr betrachtet annähernd konstant. Die Übereinstimmung zwischen Energiebedarf und solarem Energieangebot ist daher größer als z. B. bei der Solarenergienutzung zu Heizzwecken
Hinzu kommt noch,dass infolge der laufenden Verbesserungen bei der Gebäudedämmung die Heizperiode kürzer wird – und sich entsprechend der Sommerbetrieb des Heizkessels ausschließlich für die Warmwasserbereitung verlängert. Gerade bei dieser Betriebsweise sind jedoch die Kesselverluste hoch, da für die Warmwasserbereitung nur vergleichsweise geringe Wärmemengen angefordert werden, dazu aber stets der Heizkessel auf Betriebstemperatur gebracht wird.
Selbst bei modernen Niedertemperaturkesseln liegt deren Nutzungsgrad im Sommerbetrieb nur bei 50 % und darunter. Daneben erhöhen diese kurzen Betriebsintervalle und häufigen Kaltstarts noch den Kesselverschleiß. Hier ergibt sich für die solarunterstützte Warmwasserbereitung ein interessanter Ansatzpunkt!
Eine Solaranlage kann – bei richtiger Dimensionierung– während der Sommermonate den hierzu erforderlichen Wärmebedarf nahezu vollständig (70 % ... 100 %) decken und leistet in der Übergangszeit (30 % ... 40 %) und im Winter (10 % ... 20 %) einen Beitrag zur Wasservorwärmung
Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung zeichnen sich durch eine einfache Anlagentechnik aus und sind technisch ausgereift. Mit 5 bis 6 m2 Flachkollektoren können in einem 5-PersonenHaushalt zwischen 40 und 60 % der für die Trinkwassererwärmung benötigten jährlichen Energie mit Solarwärme gedeckt und damit ca. 200 Liter Öl bzw. Kubikmeter Gas eingespart werden.
Prinzipschaltbild Solarthermieanlage:
Warum nicht auch mit der Sonne heizen?
Sukzessiv verschärfte gesetzliche Vorgaben an den baulichen Wärmeschutz führten zu einer deutlichen Senkung des Energieeinsatzes für die Raumheizung. Diese Entwicklung lässt –in Verbindung mit ausgeklügelten Wärmespeicher- und Heizungssystemen – die Nutzung der Sonnenwärme auch für die Raumheizung immer interessanter erscheinen. Diese ist allerdings immer zu Jahreszeiten erforderlich, an denen die Sonne nur wenig scheint. Eine Auslegung zur nennenswerten Heizungsunterstützung im Winterhalbjahr führt dann, wie in zwangsläufig zu häufigen überschussbedingten Stillstandszeiten während der Sommermonate.
Kombianlagen mit 10 bis 15 m2 Flachkollektoren bzw. 6 bis 10 m2 Vakuumröhrenkollektoren können bei einem nach der Wärmeschutzverordnung ‘95 gebauten typischen Einfamilienhaus den Gesamtwärmebedarf um ca. 20 % verringern. Bei Gebäuden in Niedrigenergiebauweise lassen sich mit Kombianlagen dieser Größe sogar 25 bis 30 % des Wärmebedarfs abdecken.
Komponenten einer thermischen Solaranlage:
Kollektoren sammeln das Sonnenlicht.
Die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme erfolgt auf dem Absorber. Dieser besteht aus Metall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl) und ist mit einer dunklen, sog. „selektiven“ Beschichtung überzogen, um die Solarstrahlung besser einzufangen. Diese Oberfläche bewirkt durch ihre besondere Struktur ein hohes Absorptionsvermögen im sichtbaren Bereich und gleichzeitig eine geringe Emission für die infraroten Wellen der Wärmestrahlung. Die erzeugte Wärme wird von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und durch am Absorberblech angebrachte Rohre abtransportiert.
Kollektorbauarten:
Der Flachkollektor, ist die am weitesten verbreitete Bauform eines Sonnenkollektors. Bei diesem liegt derbAbsorber in einem meist aus Aluminium, teilweise auch aus Stahlblech, Kunststoff oder Holz gefertigten Gehäuse. Zur Reduzierung der Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung ist das Gehäuse mit einer Abdeckung aus eisenarmem, vorgespanntem Sicherheitsglas verschlossen, welches zumeist innen leicht strukturiert ist. Dessen Lichtdurchlässigkeit ist dem solaren Spektrum der diffusen und direkten Strahlung angepasst. Zur Minderung der Verluste durch Wärmeleitung werden auf der Rückseite und an den Rändern des Gehäuses Wärmedämmungen angebracht.
Der Aufbau von Flachkollektoren wurde in den zurückliegenden 20 Jahren wesentlich optimiert, was zu einer deutlichen Leistungssteigerung und einer Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit führte. Niedertemperatur-Flachkollektoren mit einer Arbeitstemperatur bis zu 100 °C werden vorwiegend zur Trinkwassererwärmung und teilweise auch für die Raumheizungsunterstützung eingesetzt.
Vakuumröhrenkollektoren
Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus mehreren evakuierten Glasröhren, in denen jeweils ein Absorberstreifen eingehängt ist. Ca. 5 bis 20 dieser Glasröhren werden über ein Sammelrohr an den Kollektorkreis angeschlossen. Durch die unterbundene Luftbewegung im Gehäuse werden Konvektionsverluste zwischen dem heißen Absorber und dem Deckglas vermieden. Die Wärmeverluste werden so im Vergleich zu Flachkollektoren vor allem bei niedrigen Aussentemperaturen deutlich reduziert.
Bei der direkt durchströmten Vakuumröhre fließt der Wärmeträger – wie beim Flachkollektor – durch ein am Absorber angebrachtes U-förmig verlegtes Rohr bzw. ein koaxiales Doppelrohr. Bei waagerechter Verlegung können diese Absorberstreifen durch Drehen der einzelnen Röhren zur Sonne ausgerichtet werden – abweichend von der Neigung der Aufstellfläche. So kann bei einer Verlegung auf einem nur gering geneigten Satteldach, an einer senkrechten Balkonbrüstung oder an einer Hauswand die Ausrichtung des Absorbers zur Sonne optimiert werden.
Beim sog. Thermoskannen-Röhrenkollektor sind zwei ineinander liegende Glasröhren miteinander verschmolzen; der Zwischenraum enthält das Vakuum. In der Innenröhre befindet sich ein ringförmiger Absorber mit direktdurchströmtem Absorberrohr. Teilweise wird zusätzlich rückseitig ein ebener oder rinnenförmiger Reflektor angebracht, der die seitlich vorbeigehende Sonnenstrahlung auf den Absorber zurücklenkt
Beim Vakuumröhrenkollektor mit Wärmerohr befindet sich eine schon bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem verschlossenen Absorberrohr. Der Dampf steigt im Wärmerohr auf und kondensiert am oberen Ende des Wärmerohrs. Die vom Dampf aufgenommene (Latent-)Wärme wird über einen Kondensator im Sammelrohr („trockene Anbindung“) an das Wärmeträgermedium abgegeben. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder im Wärmerohr zurück. Damit der beschriebene Verdampfungs- und Kondensationsprozess ablaufen kann, müssen diese Röhren mit einer Mindestneigung von 25 Grad zur Horizontalen montiert werden.Vakuumröhrenkollektoren liefern Wärme im Temperaturbereich bis 150 °C und eignen sich damit – neben der Warmwasserbereitung – zur Raumheizungsunterstützung, zur solaren Kühlung in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen und auch zur Erzeugung von Prozesswärme.
Gebäudeintegrierte Kollektorbauformen
Kollektoren preisgünstiger herzustellen ist eines der Ziele zukünftiger Entwicklungsanstrengungen. Ein Weg dahin ist die Mehrfachnutzung einzelner Bauteile, wie z. B. bei der Integration eines Flachkollektors in die Gebäudehülle. Hierbei können zum einen Kollektorkomponenten entfallen – z. B. die rückseitige Wärmedämmung –, zum anderen werden so am Gebäude selbst Teile der Fassade oder der Dacheindeckung eingespart. Gebäudeintegrierte Kollektoren sind ein thermisch nicht trennbarer Teil der Gebäudehülle, der den Witterungsschutz mit übernimmt und die Wärmedämmung verbessert. Darüber hinaus bietet die Integration von Großflächenkollektoren in Südfassaden oder als komplette Dacheindeckung auch architektonisch interessante Optionen
Kollektorwirkungsgradverlauf
Die im Kollektor auftretenden Verluste teilen sich auf in die optischen Verluste,die vor der Umwandlung der Strahlung in Wärme entstehen, und in die thermischen Verluste, welche die bereits umgewandelte Wärme vermindern. Optische Verluste entstehen durch Reflexion der Solarstrahlung sowohl an der transparenten Abdeckung als auch am Absorber – unabhängig von der Umgebungstemperatur. Wärmeverluste werden durch Wärmeleitung, Wärmetransport (Konvektion) und Wärmestrahlung verursacht; sie sind umso höher, je größer der Temperaturunterschied zwischen Absorber und Umgebung ist.
Der Wirkungsgrad eines Kollektors gibt an, welcher Anteil der auftreffenden Solarstrahlung vom Kollektor in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann; je nach Bestrahlungsstärke und Differenz zwischen Absorber- und Umgebungstemperatur ändert sich diese Größe. Aus diesem Grund wird der Wirkungsgrad eines Kollektors nicht als fester Wert, sondern in Form eines Kennlinienfelds dargestellt.
Der Schnittpunkt der Wirkungsgradkennlinie mit der senkrechten Achse des Diagramms wird auch als „optischer Kollektorwirkungsgrad“ bezeichnet. Die optischen Verluste liegen etwa bei 20 %. Wieviel von den übrigen 80 % tatsächlich von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen werden, hängt von der Temperaturdifferenz des Absorbers gegenüber der Außenluft ab – und damit auch von der Qualität der Wärmedämmungdes Kollektors. Es lassen sich mit geringen Temperaturspreizungen hohe Wirkungsgrade erzielen . Je schlechter die Dämmung des Kollektors und je größer das Temperaturgefälle zur Außentemperatur ist, desto mehr Wärme gibt er wieder an die Umgebung ab. Daher nimmt mit steigender Kollektortemperatur bzw. sinkender Umgebungstemperatur der Wirkungsgrad ab – bis zum sog. Stagnationspunkt.Der optische Wirkungsgrad eines Vakuumröhrenkollektors ist aufgrund der Reflexionen an der Glasröhre niedriger als beim Flachkollektor. Andererseits liegen die Stillstandstemperaturen des Vakuumröhrenkollektors aufgrund der guten Wärmeisolation über den Werten des Flachkollektors. Wichtig für die richtigeWahl des geeigneten Kollektortyps ist daher vor allem der geforderte Einsatztemperaturbereich
Für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung werden sowohl Flachkollektoren als auch Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Im überwiegenden Arbeitsbereich weisen beide ähnliche Wirkungsgrade auf. Bei höheren Temperaturunterschieden, etwa im Winter,sind die Wärmeverluste eines Vakuumröhrenkollektors geringer, so dass im Jahresmittel – bezogen auf die jeweilige Absorberfläche – ein um 30 % höherer Solarenergiegewinn als mit Flachkollektoren erwartet werden kann.Für welchen Kollektortyp man sich entscheidet, hängt nicht zuletzt auch vom persönlichen Ästhetikempfinden ab. Im jeweiligen Einzelfall können auch Standortfaktoren wie zB. Das Platzangebot auf dem Dach ausschlaggebend sein.
Vermessung und Qualitätsprüfung
Für jeden marktgängigen Flach- und Röhrenkollektor werden Wirkungsgradkennlinien auf Prüfständen nach einem genormten Messverfahren ermittelt. Mittels Computersimulation werden sämtliche Betriebszustände einer Warmwasser-Solaranlage während eines Referenzjahres berücksichtigt; die aufsummierten Energiegewinne ergeben eine Ertragsprognose für diesen Kollektor: Marktübliche Flachkollektoren liegen zwischen 440 und 500 kWh je Quadratmeter und Jahr, bei Röhren-kollektoren kann mit Jahreserträgen um 580 bis 620 kWh kalkuliert werden. Sonnenkollektoren müssen auch extremen Witterungsverhältnissen wie z. B. Temperaturschock, UVStrahlung, Hagel und Sturm standhalten. Zur Prüfung der Gebrauchstauglichkeit wird der Testkollektor über mehrere Monate dem realen Wetter ausgesetzt – insbesondere hohen Einstrahlungen. Nach Testabschluss wird er zerlegt und auf eventuelle Schäden untersucht. Ein Kollektor kann als dem Stand der Technik entsprechend angesehen werden, wenn aus der Prüfung die Gebrauchstauglichkeit, die Anlagensicherheit sowie die Vollständigkeit der Unterlagen hervorgeht. Ein guter Kollektor ist aber bei weitem noch kein Garant für hohe Erträge aus der Solaranlage; entscheidend ist das Betriebsverhalten der Gesamtanlage aus Kollektorfeld, Speicher, Regelung, konventioneller Nachheizung und Wärmeverbraucher.
Pack’ die Sonne in denTank
Wasser – ein ideales Speichermedium
Wegen seiner hohen Wärmekapazität ist Wasser ein ideales Speichermedium. Daneben hat Wasser noch zwei weitere, sehr vorteilhafte Eigenschaften, die es ermöglichen, kaltes und warmes Wasser in einem Speicher getrennt aufzubewahren: Die mit der Temperatur abnehmende Dichte erlaubt es, Wasser unterschiedlicher Temperatur so zu schichten, dass sich heißes und kaltes Wasser nicht vermischen. So wiegt z. B. heißes Wasser mit 90 °C etwa 1,5 % weniger als kaltes Wasser bei 10°C.
Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Wasser erschwert einen Wärmeaustausch zwischen diesen wärmeren und kälteren Wasserschichten.
Der Solarspeicher sorgt für Vorrat
Da Solarenergieangebot und Warmwasserverbrauch oftmals nicht zeitgleich auftreten, muss die Sonnenenergie zwischengespeichert werden. Für den Betrieb einer Solaranlage kann der vorhandene Warmwasserspeicher der Heizungsanlage nicht unmittelbar übernommen werden, da eine weitere Wärmeübertragungsmöglichkeit nötig ist, um die im Solarkollektor gewonnene Energie in den Speicher einzubringen. Hierzu wird das Heizungswasser entweder direkt eingespeist auf Speicherhöhe mit entsprechendem Temperaturniveau oder indirek tüber im Speicher eingebaute Wärmetauscher. Ein wichtiges Kriterium eines Solarspeichers ist dessen Fähigkeit zur Temperaturschichtung. Im oberen (Bereitschafts-)Teil sammelt sich erwärmtes, im unteren Speicherteil dagegen kaltes Wasser an. Diese Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen sollten über längere Zeit– auch beim Wasserzapfen – erhalten bleiben. Dies wird in Standspeichern durch deren hohe und schlanke Bauform unterstützt. Bei größeren (Schichten-)Speichern dienen eingebaute Aufströmrohre zur gezielten Einschichtung der Konvektionsströme in den Zonen mit gleicher Temperatur. Prallbleche beim Kaltwassereinlauf im Speicherboden lenken die Strömung in horizontale Richtung ab und unterbinden so unerwünschte Verwirbelungen. Dort kann dieWärme aus dem Kollektorkreislauf gut an das kalte Speicherwasser abgegeben werden
Wärmetauscher zum Be- und Entladen
In Solarspeichern mit innen eingebauten Wärmetauschern werden Spiralen aus Kupfer-Rippenrohren mit Aluminiumlamellen oder – in zunehmendem Maße – auch aus glattwandigen emaillierten Stahlrohren zur Wärmeübergabe eingesetzt. Die erstgenannte Bauform hat wegen der größeren Oberfläche Vorteile, neigt aber leichter zum Verkalken. In Plattenwärmetauschern – die außerhalb des Speichers angebracht werden – strömen das warme und kalte Medium jeweils in entgegengesetzter Richtung an einer wärmeübertragenden Wandung vorbei. Damit sind höhere Übertragungsleistungen als mit Rohrwärmetauschern möglich; allerdings ist eine weitere Umwälzpumpe auf der Speicherseite erforderlich – mit entsprechendem Energie- und Regelaufwand. In Thermosiphonanlagen werden auch Wärmespeicher eingesetzt, die mit einem sog. Mantelwärmeaustauscher ausgerüstet sind . Konstruktiv entspricht dieser einer doppelten Speicherwandung, zwischen der das Wärmeträgermedium hindurch fließt.
Speicherbauarten im Überblick : Der Trinkwasserspeicher
Merkmal dieses Speichers ist, dass das sauerstoffhaltige – und daher korrosive – Trinkwasser selbst als Speichermedium dient; daher kommen hierfür nur lebensmittelecht beschichtete, emaillierte Stahlspeicher oder Speicher aus Edelstahl in Frage. Die solar gewonnene Wärme wird über einen Wärmetauscher in den unteren Teil des Speichers eingebracht. Im oberen Speicherteil befindet sich ein weiterer Wärmeübertrager, über den der Bereitschaftsteil (etwa das obere Speicherdrittel) bei Bedarf durch eine konventionelle Nachheizung auf Gebrauchstemperatur gehalten werden kann. Dies garantiert die Versorgungssicherheit mit warmem Wasser auch bei schlechtem Wetter.
Der Kombispeicher
In Kombispeichern dient das Wasser aus dem geschlossenen Heizkreislauf als Speichermedium; diese Speicher können daher aus gewöhnlichem Stahl gefertigt sein.
Im oberen Bereich befindet sich das Bereitschaftsvolumen für die Trinkwassererwärmung, im mittleren Bereich das für die Raumheizung. Der Solarwärmetauscher ist entweder in der Nähe des Speicherbodens angeordnet oder extern als Plattenwärmetauscher. Kombispeicher dienen einerseits als Pufferspeicher für den Heizkessel; andererseits wird das Trinkwasser von diesen entweder imDurchlaufverfahren ( in einem eingebauten Behälter oder über einen externen Gegenstrom-Wärmetauscher auf Solltemperatur gebracht. Da hierbei das Speicherwasser in das Heizungssystem hydraulisch eingebunden ist, entfällt beim Kombispeicher der Wärmetauscher für die Nachheizung. Das Gesamtvolumen dieser Speicher reicht je nach Gebäudewohnfläche von ca. 600 Liter bis zu mehreren Kubikmetern. Die Typenvielfalt bei diesen Speichern ist beträchtlich; sie unterscheidet sich vor allem durch die Art der Warmwasserbereitung sowie der Integration des Kollektorkreises der Solaranlage.
Kombispeicher mit interner Warmwasserbereitung im Durchlaufverfahren
Tank im Tank“- Speicher
Hier ist in den mit Heizungswasser gefüllten Pufferspeicher ein zweiter, kleinerer Speicher eingebaut, in dem sich das Brauchwasser befindet; dieser wird vom umgebenden Heizungswasser erwärmt. Der Innenbehälter wird zumeist aus Edelstahl gefertigt, da bei diesem Material die Wärmeleitung besser ist als bei emailliertem Stahl. Dessen große Wärmeaustauschfläche verringert überdies die Verkalkungsanfälligkeit.
SchichtenspeicherGelingt es, die Solarwärme auf einem höheren Temperaturniveau direkt in den oberen Bereitschaftsteil einzubringen, dann muss die konventionelle Nachheizung nicht so häufig zugeschaltet werden. In Schichtenspeichern wird dies mit unterschiedlichen Konzepten realisiert:
Bei der passiven Schichtung erfolgt dies durch im Speicher eingebaute Schichtungsvorrichtungen. Aufgrund des Dichteunterschieds steigt das erwärmte Wasser im Aufströmrohr und tritt erst dann aus diesem durch seitliche Öffnungen aus, wenn sich außerhalb ähnlich warmes Wasser befindet. Für einen optimalen Ablauf sind die vom Speicherhersteller vorgeschriebenen Volumenströme für den Wärmetauscher genau einzuhalten. Bei der aktiven Schichtbeladung wird ein Pufferspeicher über seitliche, in unterschiedlichen Speicherhöhen angebrachte Einfüllstutzen beladen. Diese werden über Ventile entsprechend angesteuert. Der hierzu erforderliche Regelaufwand steigt mit der Anzahl der Einfüllebenen.
Der Solarregler
Der Solarregler als Schaltzentrale sorgt für einen effizienten Wärmetransport vom Kollektorzum Speicher. Er vergleicht hierzu die Kollektortemperatur mit der Temperatur im unteren Speicherbereich; entsprechende Temperaturfühler befinden sich im Kollektorgehäuse am Sammelrohr oder auf dem Absorber in der Nähe des Kollektorfeld-Vorlaufs sowie im Speicher, entweder auf mittlerer Höhe des Solarwärmetauschers oder in Höhe des Kollektorkreis- Rücklaufs. Wird die eingestellte Temperaturdifferenz– je nach Anlage zwischen 5 und 10 °C – erreicht, schaltet die Umwälzpumpe ein. Bei einem Rückgang der Temperaturspreizung auf einige wenige Grad Celsius wird die Pumpe wieder abgeschaltet; die Bandbreite zwischen diesen Schaltschwellen ist von der Rohrleitungslänge im Kollektorkreis abhängig. Grundsätzlich zielt die Regelstrategie darauf ab, die Kollektortemperatur möglichst nahe über der jeweils kältesten Temperatur im Speicher zu halten . Eine Ausnahme hiervon bilden lediglich sog. „Low Flow“- Systeme in Verbindung mit Schichtspeichern Damit kann schnell eine hohe Temperatur im oberen Bereitschaftsteil des Speichers erreicht werden. Anhand von Kontrolllampen und Textanzeigen kann man sich über den aktuellen Schaltzustand informieren. Optional angebotene Diagnosesysteme kontrollieren die Betriebsbereitschaft. Der eingebaute Mikroprozessor ermöglicht eine Abfrage gespeicherter Messdaten; bei Reglern mit Computerschnittstelle können diese auch in einen Rechner eingelesen und grafisch aufbereitet werden. Durch eine Vernetzung über den Elektro-Installations-Bus (EIB) mit dem Heizsystem sowie über das Internet z. B. bezüglich der Wetterdaten soll die Regelgenauigkeit künftig weiter optimiert werden.
Die Umwälzpumpe bringt den Solarkreislauf in Schwung
Die Anforderung an Solarpumpen weichen von denen an Heizungspumpen ab: Die umzuwälzenden Volumenströme im Kollektorkreis entsprechen etwa nur 10 % der Fördermenge von Heizungen. Andererseits übersteigen die Förderhöhen in Solaranlagen diejenigen einer Warmwasserheizung um ein Vielfaches. Auch die Viskosität der Wärmeträger und deren Temperaturbereiche sind verschieden. Heizungspumpen sind daher nur unzureichend auf den Betrieb im Solarkreis angepasst; sie erreichen bei dieser Anwendung nur Wirkungsgrade um 10 %. Neuerdings sind hydraulisch optimierte, teilweise auch drehzahlgeregelte Solarpumpen auf dem Markt. Diese verbrauchen wesentlich weniger Strom und können ggf. in die Wärmemengenmessung integriert werden. Generell müssen die im Kollektorkreis eingesetzten Pumpen für die auftretenden Temperaturen ausgelegt sein; sie sollten immer im kälteren Rücklauf des Kollektorkreises eingebaut werden.
Druck und Temperatur im Griff: Die Sicherheitskomponenten
Der Solarkreislauf ist mit Armaturen ausgestattet, wie sie auch in einer konventionellen Warmwasserheizung benötigt werden: Thermometer, Entlüfter, Sicherheitsventil, Manometer und Membranausdehnungsgefäß, Füll- und Entleerhähne, Absperrschieber, Durchflussmesser, Rückflussverhinderer etc. Für Anlagenkonzept und Regelung gilt der Grundsatz: So einfach wie möglich! Die Anzahl von Pumpen und Ventilen sollte daher möglichst gering gehalten werden. Thermometer im Vor- und Rücklauf zu den Kollektoren sowie im Bereitschaftsteil des Speichers dienen zur visuellen Betriebskontrolle der Anlage. Wichtig ist auch der Einbau mindestens einer Schwerkraftbremse im Kollektorkreis, da sonst der Speicher über die Kollektoren wieder auskühlt – z. B. Über Nacht, sobald die Solaranlage keine Wärme mehr liefert.Ein Entlüftungsventil wird an der höchsten Stelle im Kollektorkreis eingebaut; es dient zum manuellen Entlüften des Kollektorkreislaufs nach dem Befüllen mit der Wärmeträgerflüssigkeit sowie zum Ablassen von aus dem Wärmeträger freigesetzten Gasen. Mit einem Sicherheitsventil wird die Anlage zusätzlich abgesichert. Die Betriebsdrücke, die am Manometer abgelesen werden können, liegen – meist um einen Sicherheitszuschlag überdem statischen Vordruck der Anlage – bei 1,5bis 3 bar. Das Sicherheitsventil sollte dann aufeinen Ansprechdruck von 6 bar eingestelltwerden, um die Anlage auch bei hohen (Stillstands-)Temperaturen sicher betreiben zu können.Beim Ansprechen dieses Ventils wird der austretende Wärmeträger über die Ausblasleitung zum Auffangbehälter geleitet; dieser muss so dimensioniert sein, dass er eventuell die gesamte Flüssigkeit aus dem Kollektorkreis aufnehmen kann. Da das Volumen des Wärmeträgers sich mit zunehmender Temperatur ausdehnt und dieser ggf. verdampft, muss zur Kompensation ein Membranausdehnungsgefäß in den Kollektorkreis integriert werden. Zwar sorgt die Temperaturbegrenzung der Regelung dafür, dass oberhalb eines eingestellten Wertes (z. B. 95 °C) keine Wärme mehr an den Speicher geliefert wird; hierzu wird dann die Umwälzpumpe abgeschaltet. Flachkollektoren können sich im Folgenden aber bis auf 200 °C erhitzen, Vakuumröhren sogar bis zu 280 °C. Hierbei verdampft die Wärmeträgerflüssigkeit im Kollektor sowie in einem Teil der Anschlussleitungen. Damit ein solcher Betriebsfall („Leerlauf“) nicht zum Störfall wird, fordert DIN 4757 die Eigensicherheit für eine Solaranlage: Sowohl das im Leerlauf entstehende Dampfvolumen als auch die Wärmeausdehnung des Wärmeträgers muss das Ausdehnungsgefäß aufnehmen können – ohne ein Ansprechen des Sicherheitsventils und dem damit verbundenen Austreten von Wärmeträgerflüssigkeit. So kann die Anlage nach Abbau der Überschussenergie wieder von selbst in Betrieb gehen – wobei dann aber kurzzeitig Temperaturen von über 100 °C im gesamten Kollektorkreis auftreten können. Über die Füll- und Entleerhähne kann zusätzlich Wärmeträgerflüssigkeit oder Wasser nachgefüllt werden bzw. überschüssige Flüssigkeit abgelassen werden. Am Durchflussmesser ist abzulesen, ob das Wärmeträgermedium mit der entsprechend der Anlagenauslegung optimalen Geschwindigkeit von der Pumpe umgewälzt wird. Damit beim Auswechseln einer defekten Pumpe nicht das ganze System entleert werden muss, werden vor und hinter der Pumpe Absperrschieber montiert. Da bei guter Einstrahlung im Speicher Temperaturen bis zu 95 °C auftreten können – sofern die Speichertemperatur zur Verminderung von Kalkablagerungen nicht auf 60 bis 65 °C begrenzt ist – muss laut Heizungsanlagenverordnung zur Vermeidung von Verbrühungen beim Wasserzapfen dann ein thermostatischer Mischer zur Temperaturbegrenzung auf max. 60 °C in die Warmwasserleitung eingebaut werden. Ein Großteil dieser Komponenten wird oftmals zusammen mit dem Regler vormontiert und wärmegedämmt zu einer sog. Solarstationzusammengefasst
Anlagenkonzepte von Warmwasser-Solaranlagen
Die meisten in Deutschland installierten Solaranlagen sind als sog. Zweikreisanlagen aufgebaut: der Kreislauf zwischen Kollektor und Speicher – der ein Wasser-Frostschutz-Gemisch enthält – und die Warmwasserinstallation, die über einen Wärmetauscher hydraulisch getrennt sind. Bei einer Naturumlauf- oder Thermosiphonanlage erfolgt die Umwälzung zwischen Kollektor und Speicher durch die Schwerkraft aufgrund temperaturbedingter Dichteunterschiede: Im Kollektor wird der Wärmeträger erwärmt – und damit leichter als im Speicherwärmetauscher. Damit dies eine Zirkulation auslöst, muss der Wärmespeicher aber höher angeordnet werden als der Kollektor. Anlagen mit Zwangsumlauf haben den Vorteil, dass Speicher und Kollektor beliebig zueinander im Gebäude angeordnet werden können. Der Kollektor wird in der Regel auf dem Dach montiert und der Solarspeicher ersetzt den konventionellen Warmwasserspeicher im Heizraum. Für den Betrieb des Kollektorkreislaufs gibt es drei Konzepte, die sich durch die jeweiligen Volumenströme unterscheiden. Entsprechend der nach Herstellerangabe eingestellten Durchströmungswerte ergibt sich eine Temperaturspreizung zwischen Kollektorvor- und -rücklauf.
Unterschiede bei der Wärmeträgerumwälzung
„High Flow“-Anlagen
Sog. „High Flow“-Anlagen weisen einen typischen Volumenstrom von ca. 30 bis 50 Liter pro m2 Flachkollektorfläche je Stunde auf. Infolge dieser schnellen Umwälzung bleibt die Temperaturerhöhung zwischen Kollektoreintritt und -austritt gering. Somit arbeitet der Kollektor auf niedrigem Temperaturniveau – d. h. mit hohem Wirkungsgrad.
Low Flow“-Anlagen
Beim „Low Flow“-Betrieb – insbesondere in größeren Solaranlagen ab 20 m2 Kollektorfläche – wird der Kollektorkreis mit einem geringeren Volumenstrom von 10 bis 15 Liter pro m2 Kollektorfläche je Stunde durchströmt,um die Wärmeträgerflüssigkeit stärker zu erwärmen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für eine geschichtete Beladung des Speichers und eine schnellere Erwärmung des Bereitschaftsteils. Insgesamt arbeitet der Kollektor hierbei auf höherem Temperaturniveau, weshalb nur der Einsatz von Kollektoren mit geringen Wärmeverlusten sinnvoll ist
„Matched Flow“-Anlagen
Auf einer Kombination aus beiden Betriebsweisen beruht die sog. „Matched Flow“-Technik. Über eine drehzahlgeregelte Pumpe wird der Volumenstrom – und damit die Vorlauftemperatur des Kollektorkreises – je nach Bedarf gesteuert. Um möglichst schnell eine geforderte Mindesttemperatur im Bereitschaftsteil des Speichers zu erreichen, wird der Kollektorkreis zunächst mit geringem Durchsatz gefahren. Dies ist zwar mit einem verringerten Wirkungsgrad verbunden, andererseits erübrigt sich dadurch evtl. eine Nachheizung über den Heizkessel. Ist dieses Temperaturniveau erreicht, wird der Volumenstrom erhöht. Für diese Betriebsart ist ebenfalls ein Schichtspeicher erforderlich.
Thermosyphonanlagen
Dieser Typ wird überwiegend in südlichen Ländern erstellt, mit reinem Wasser als Wärmeträgermedium .Bei uns wegen der Gefahr des Einfrierens nicht üblich.
„Drain Back“-Anlagen
Eine weitere Betriebsweise ist das sog. „Drain Back“-Prinzip. Es definiert sich nicht über den Volumenstrom, sondern steht in Konkurrenz zu Anlagen, in denen Frostschutzmittel verwendet werden muss. „Drain Back“ bedeutet, dass im drucklos betriebenen, geschlossenen Solarkreis bei ausgeschalteter Pumpe der Kollektor leer läuft. Es befindet sich dann keine Flüssigkeit mehr im Kollektor, die bei Frost gefrieren könnte. Somit wird eine Zugabe von Frostschutzmittel im Kollektorkreis überflüssig – der Wärmeträger „Wasser“ hat dadurch eine um ca. 20 % höhere Wärmekapazität. Das aus dem Kollektorkreis strömende Wasser wird in einem Bevorratungsgefäß gesammelt; sobald der Solarregler die Pumpe wieder startet, wird es von dieser in den Kollektorkreis zurückgepumpt. Um den hierzu erforderlichen hohen Druck aufzubringen, sind spezielle Zahnradpumpen erforderlich.Dieser Vorgang läuft entsprechend auch bei voll geladenem Speicher ab, da die Pumpe dann ebenfalls die Umwälzung unterbricht. Der Temperaturanstieg im leer gelaufenen Kollektor verläuft dann ohne nennenswerten Druckanstieg, da hierbei kein Wasser auskochen kann. Ein Membranausdehnungsgefäß mit Sicherheitsventil ist daher nicht erforderlich. Entsprechend läuft der Kollektor auch über Nacht leer, so dass auch auf Schwerkraftbremsen verzichtet werden kann. Voraussetzung für diesen Ablauf ist natürlich, dass alle Leitungen mit stetigem Gefälle verlegt werden, so dass keine Wassertaschen auftretenkönnen.
Einheizen mit Solarwärme
In Kombianlagen entspricht der Solarkreislauf prinzipiell dem der Anlagen zur Warmwasserbereitung. Kombianlagen benötigen grundsätzlich eine größere Kollektorfläche, da sie zwei Wärmeverbraucher zu versorgen haben: Trinkwassererwärmung und Raumheizung. Deren jeweils unterschiedliche Temperaturniveaus muss der Speicher bereithalten können. Diese Anforderung resultiert zu konstruktiven Lösungen zu Speicheraufbau und -beladung. Andererseits stellen auch die unterschiedlichen Einbindungen der Speicher in die Gebäudewärmeversorgung Lösungen dieser Aufgabenstellung dar.
Speicherkonzepte als Unterscheidungsmerkmal von Kombianlagen
Von den Herstellern werden zur solar unterstützten Gebäudebeheizung unterschiedliche Anlagenkonzepte angeboten. Diese Kombianlagen können anhand des jeweiligen Speicherkonzeptes nach folgenden Gesichtspunkten unterschieden werden:
Anzahl der Speicher:
Hier wird zwischen Ein- und Zweispeicheranlagen unterschieden. Der Zweispeicheranlage ist ihre historische Abstammung anzusehen: Eine Solaranlage zur Trinkwasserbereitung wird einfach um einen weiteren Pufferspeicher für die Heizung ergänzt. Die Weiterentwicklung der Zweispeicheranlage ist die Einspeicheranlage. Hier wird ein zentraler Speicher – der sog. Kombispeicher –als Wärmespeicher für die Solaranlage zur Erwärmung des Trinkwassers und auch als Pufferspeicher für den Heizkessel genutzt.
Art der Trinkwassererwärmung:
Die Erwärmung des Trinkwassers kann entweder während der Entnahme im sog. Durchlaufverfahren erfolgen oder bereits davor. Beim Durchlaufverfahren wird die im Speicherwasser enthaltene Wärme erst während des Zapfens, z. B. mittels eines sich über die gesamte Speicherhöhe erstreckenden Wärmetauschers, an das Trinkwasser abgegeben. Anlagen, bei denen das Trinkwasser bereits vor der Entnahme erwärmt wird, arbeiten nach dem „Speicherprinzip“ und benötigen daher für das Trinkwasser einen zusätzlichen Speicherbehälter. Bei der Zweispeicheranlage ist dies ein separater Trinkwasserspeicher, bei Einspeicheranlagen ist der Speicher für das Trinkwasser in den Kombispeicher eingebaut. Diese Kategorie von Kombispeichern wird als „Tank im Tank“ Speicher bezeichnet.
Pufferfunktion des Kombispeichers für den Heizkessel:
Hier wird zwischen Kombianlagen mit und ohne Pufferfunktion für den Heizkessel unterschieden. Die vom Heizkessel abgegebene Wärme wird bei ersterem immer dem Speicher zugeführt. Wird das Wasser des Heizungsrücklaufs vom Speicher solar nur vorgewärmt (Rücklaufanhebung), bevor es im Heizkessel vollends auf Vorlauftemperatur erhitzt wird, spricht man auch von sog. Vorwärmanlagen.
Kombispeicher mit eingebauter Wärmequelle:
Bei diesen Anlagen sind Heizkessel und Pufferspeicher durch einen Speicher ersetzt, in den als Wärmequelle ein Gas-Pellets oder Ölbrenner eingebaut ist.
Gängige Anlagenkonzepte im Überblick
Zweispeicheranlage
Bei Zweispeicheranlagen wird neben dem Warmwasserspeicher noch ein Pufferspeicher für den Heizkreislauf eingebaut. Beide Speicher können auch über den Kollektorkreis beladen werden; dieser wird – je nach Temperaturniveau im Speicher – über ein 3-Wege-Ventil umgeschaltet. Bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung werden beide Speicher über den Heizkessel auf Solltemperatur gebracht.
Vorteile: hoher Nutzungsgrad der Solaranlage infolge des niedrigen Temperaturniveaus des in denWarmwasserspeicher zuströmenden Kaltwassers, relativ einfach aufgebaute Speicher einsetzbar; ggf. Mitnutzung des vorhandenen konventionellen Warmwasserspeichers möglich ,Konzept insbesondere für größere Wohnanlagen geeignet
Nachteile: höhere Wärmeverluste als mit kompakterem Einspeicherkonzept,höherer Installations- und Regelaufwand
Anlage mit „Tank im Tank“-Speicher
Integriert man den Trinkwasserspeicher in den Pufferspeicher , vereinfacht dies Verrohrung und Regelung. Die Solarwärme wird an das Heizwasser abgegeben, welches wiederum den innen liegenden Trinkwasserspeicher mit erwärmt. Dieser sollte möglichst weit in den unteren Bereich des Pufferspeichers hineinragen, so dass der Kaltwasserzufluss den umgebenden Pufferspeicherbereich mit dem Solarwärmetauscher auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau hält. Bei einem sinnvoll konzipierten „Tank im Tank“-Speicher umfasst der Trinkwassertank etwa ein Viertel des Gesamtvolumens. Aus diesem Grund werden diese Speicher meist nur bis zu Größen von 1.000 bis 1.500 Liter eingesetzt.
Vorteile: kompakte Bauweise, geringer Installations- und Regelaufwand, kostengünstig
Einspeicheranlage mit Kombispeicher im Heizkreislauf
In Einspeicheranlagen wird ein zentraler Speicher – der sog. Kombispeicher –sowohl als Wärmespeicher für die Solaranlage zur Erwärmung des Trinkwassers und auch als Pufferspeicher für den Heizkessel benutzt. Hierbei wird die vom Kessel abgegebene Heizwärme grundsätzlich zunächst dem Speicher zugeführt. Leistungsspitzen beim Heizwärmebedarf können so abgepuffert werden. Darüber hinaus wird häufiges Takten des Kessels z. B. zu Zeiten mit geringem Heizwärmebedarf– und daraus resultierende höhere Emissionen – vermieden. Für Holzheizkessel ist ein Pufferspeicherohnehin erforderlich. Diese Einbindungdes Speichers in den Heizkreislauf bringt abermit sich, dass die Leistung der Solaranlage abhängig wird vom Rücklauftemperaturniveau der Heizanlage
Die Warmwasserbereitung erfolgt im Durchlaufverfahren entweder über einen eingebauten Wärmetauscher oder extern mittels Plattenwärmetauscher und durchflussgeregelter Pumpe
Kombispeicher mit Schichtladevorrichtung für „Low Flow“-Anlagen
In dieser Einspeicheranlage wird über einen externen Wärmetauscher die Solarwärme auf die Schichtladevorrichtung im Kombispeicher übertragen. Die niedrige Durchflussrate im Kollektorkreis bei „Low Flow“-Anlagen ermöglicht, dass sich der Wärmeträger bei entsprechender Einstrahlung stärker erhitzt. Damit kann der Bereitschaftsteil im Speicher – bei gezielter Einschichtung – sehr schnell auf Gebrauchstemperatur gebracht werden. Der Nachheizbedarf wird entsprechend verringert und andererseits die solare Deckungsrate gesteigert. Hierzu ist aber eine ausgefeilte Regelstrategie erforderlich.
Vorteile: wenig Wärmeverluste, da kompakte Bauweise,höchster Nutzungsgrad bei geschichteter
Speicherbeladung
Nachteile:Nutzungsgrad der Solaranlage von Temperaturniveau des Heizkreises abhängig , ggf. zusätzlicher Regelaufwand für externen Warmwasser-Wärmetauscher,zusätzlicher Regelaufwand für Schichtladebetrieb
Kombispeicher nur zur Rücklaufanhebung des Heizkreislaufs („Vorwärmanlage“)
Bei solar unterstützten Heizanlagen, die nach dem Prinzip der Rücklaufanhebung arbeiten, dient der Speicher primär nur zur solaren Erwärmung des Bereitschaftsvolumens für die Warmwasserbereitung; bei Bedarf wird dieses zusätzlich über den Heizkessel erwärmt. Die Wärme für die Raumheizung kann vom Kessel nur direkt in den Heizungsvorlauf eingespeist werden.
Sofern die Temperatur im unteren Bereich des Speichers um etwa 5 bis 10 °C höher ist als die Rücklauftemperatur des Heizkreises, wird über den mit einer Temperaturdifferenz-Regelung ausgestatteten Rücklaufwächter der Heizungsrücklauf durch den Speicher geleitet. Dadurch wird das Temperaturniveau des Heizungswassers angehoben, bevor es anschließend im Kessel vollends auf Vorlauftemperatur erwärmt wird.
Vorteile:niedrigeres Temperaturniveau im Speicher während der Heizperiode, dadurch geringere Wärmeverluste
Nachteile:häufigeres Takten des Heizkessels, da Speicher keine Pufferfunktion hat, daher nur in Verbindung mit modulierendem Brenner oder mit Kessel mit großem Wasservolumen sinnvoll
Kombispeicher mit eingebauter konventioneller Nachheizung
Anlagen dieses Typs unterscheiden sich von den bisher vorgestellten Anlagenvarianten darin, dass die konventionelle Nachheizung direkt in den Kombispeicher eingebaut ist. Diese betriebsfertige Einheit braucht nur noch mit dem Heizungs- und Warmwassernetz des Gebäudes sowie der Energieversorgung und Abgasleitung für den Kessel verbunden zu werden.
Vorteile:geringer Installationsaufwand,wenig Wärmeverluste, da sehr kompakte Bauweise ,geringer Platzbedarf
Ein Platz an der Sonne
Das gestalterische Potenzial bei der Anbringung von Sonnenkollektoren wird oftmals nicht ausgeschöpft. Hier sind die Architekten und Ingenieure aufgefordert, mehr als nur das Mindestmaß an technischen, funktionalen und wirtschaftlichen Möglichkeiten zu erschließen. Thermische Solaranlagen sollten als integraler Bestandteil gestalterisch guter Gebäude in das Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt und so zu einem selbstverständlich anerkannten Bestandteil des Bauens werden.
Einfluss der Kollektorausrichtung auf den Energieertrag
Die Ausrichtung und Neigung des Kollektorfeldes beeinflusstden Solarertrag nicht so stark wie allgemein angenommen. Gegenüber den optimalen Bedingungen (Südausrichtung und etwa 35° Dachneigung) verringert sich z. B. der Ertrag bei Südwestausrichtung und 50° Neigung nur um ca. 5 %. Eine entsprechende Ausrichtung nach Südost führt allerdings zu Ertragseinbußen von bereits über 10 %. Der Grund für diesen Unterschied ist der höhere Luftfeuchtegehalt in den Morgenstunden. Eine darüber hinausgehende Südabweichung kann durch eine entsprechend größer ausgelegte Kollektorfläche ausgeglichen werden. Dies ist kostengünstiger als eine Kompensation der Ertragsminderung über eine schräge Aufständerung.
Folgende Erfahrungswerte für die Ausrichtung sollten bei der Anlagenplanung entsprechend der Nutzungsart berücksichtigt werden:
Ausrichtung möglichst nach Süden: tolerierbare Abweichung nach Osten um 30° ,für Warmwasserbereitung bzw. 15° für die Heizungsunterstützung
Tolerierbare Abweichung nach Westen um 45° für Warmwasserbereitung bzw. 15° für die Heizungsunterstützung
Neigung der Kollektorfläche: ca. 30° bis 50° für die Warmwasserbereitung, ca. 45° bis 70° für die Heizungsunterstützung
Ein über das bei 35° liegende ganzjährige Ertragsmaximum hinausgehender Anstellwinkel
führt zu einer Reduktion der Erträge im Sommer und damit zu einer Vergleichmäßigung im Jahresverlauf; insbesondere bei heizungsunterstützenden Kombianlagen sollte man sich daher nach Möglichkeit am oberen Bereich für den Anstellwinkel orientieren.
Neigungswinkel von weniger als 15° sind aus technischen Gründen sowie wegen des abnehmenden Selbstreinigungseffekts durch Regen nicht zu empfehlen.
Solarertrag in Abhängigkeit von der Ausrichtung und der Kollektorneigung ß
Ertrag im Sommer
Ertrag im Winter
Monatlicher Solarenergiegewinn eines südorientierten Kollektors in Abhängigkeit von der Neigung
Montagemöglichkeiten am Gebäude
Sonnenkollektoren können prinzipiell überall dort aufgestellt werden, wo sie nicht durch Bäume, benachbarte Gebäude, Kamine und sonstige Dachaufbauten verschattet werden. Der Weg zum Aufstellort des Speichers sollte dabei möglichst kurz sein. Hoch gelegene Aufstellorte wie z. B. ein geeignet ausgerichtetes Hausdach bieten sich daher als Montagefläche an. Ist dort ein Blitzschutz installiert, müssen die Kollektorgehäuse mit diesem elektrisch leitend verbunden werden.
Eine Indachmontage bietet sich vor allem bei Neubauten an. Sie ist eine optisch ansprechende Lösung, da der Kollektor sich wie ein Dachfenster in das Gebäude integriert und die Kollektorleitungen geschützt und unsichtbar unter der Dacheindeckung verlaufen. Darüber hinaus verringert diese Einbindung in die Gebäudehülle die Wärmeverluste. Die Aufdachmontage wird hauptsächlich bei bestehenden Gebäuden angewandt. Dabei wird der Kollektor auf Montageschienen, die durch Sparrenanker gehalten werden, über den Dachziegeln befestigt. Somit wird die Dachhaut nicht verändert; Einpassungs- und Abdichtungsprobleme im Dach können erst gar nicht entstehen. Die Anschlussverschraubungen des Kollektors liegen außerhalb des Dachs; Rohrleitungen und Fühlerkabel werden durch die Dacheindeckung hindurch ins Gebäude geführt.
Vor einer Aufständerung auf einem Flachdach ist zunächst zu klären, ob tragfähige Dachflächen, Stützpunkte oder Wände zur Ableitung der Zusatzlasten aus Eigengewicht, Wind- und Schneelast vorhanden sind. Bei vollflächig belastbaren Dächern mit entsprechend druckfester Dachhaut kann der Montagerahmen für die Solaranlage auf Zusatzgewichten (Betonplatten oder mit Kies gefüllte Blechwannen) verschraubt werden – ohne Eingriff in die Dachhaut. Ist das Dach nur punktweise belastbar, muss die Montagefläche mit Trägern überspannt werden; für deren Verankerung mit der Gebäudekonstruktion sind in der Regel Durchdringungspunkte in der Dachhaut erforderlich.
Die Aufständerung ermöglicht eine ertragsoptimierte Ausrichtung des Kollektorfelds. Sie ist aber in der Regel teurer als die Auf- bzw. Indachmontage.
Gibt es auf dem Dach keine geeignete Möglichkeit, die Kollektoren zu installieren, können diese auch an einer Hauswand, an Balkonen, auf Anbauten (z. B. Wintergärten), Garagen oder Pergolen montiert werden.
Planen mit der Sonne:Auslegung von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung
Eine Solaranlage für Ein- und Zweifamilienhäuser wird üblicherweise so ausgelegt, dass im Sommer der Warmwasserbedarf durch´Sonnenenergie vollständig gedeckt wird. Im Frühling, Herbst und Winter heizt die Solaranlage nur vor; der Heizkessel sorgt dann – mit entsprechend weniger Energieaufwand – für genügend warmes Wasser aus der Leitung. Solltemperatur und Warmwasserverbrauch bzw. der zugrunde liegende Wärmebedarf sind die wichtigsten und oft am wenigsten bekannten Auslegungsgrößen. Die tatsächliche Zapfrate bestimmt die Temperatur im Speicher und damit den Arbeitspunkt des Kollektors Die Solltemperatur hat – neben derVersorgungssicherheit – einen ausgeprägtenEinfluss auf die Speicherverluste. Da die Warmwasserlast bereits ab einer Speichertemperatur von ca. 45° vollständig abgedeckt wird, bringen höhere Temperaturen im Bereitschaftsteil keinen Vorteil. Der tägliche Warmwasserbedarf kann beispielsweise mit einer Wasseruhr am Ausgang des Speichers über längere Zeit gemessen werden.
Übrigens sind zusätzliche Warmwasseranschlüsse für Spülmaschine und Waschmaschine günstig für den Nutzungsgrad einer Solaranlage. Um möglichst schnell warmes Wasser am Wasserhahn verfügbar zu haben, ist in vielenm Gebäuden eine Zirkulationsleitung eingebaut. Diese Zirkulation verursacht aber hohe Wärmeverluste, die den Ertrag von 2 bis 3 m2 Kollektorfläche zunichte machen können – und zerstört darüber hinaus auch die Temperaturschichtung im Warmwasserspeicher. Dessen Volumen sollte etwa das 1,5- bis 2fache des täglichen Warmwasserbedarfs umfassen. Eine Überdimensionierung des Speichers hat nur einen geringen Einfluss auf den solaren Deckungsanteil und bringt praktisch keinen zusätzlichen Gewinn.
Auslegung:
Als Faustregel für die Anlagenauslegung gelten – pro Person – folgende Werte:
Kollektorfläche: 1,0 bis 1,3 m2 Flachkollektoren,0,8 bis 1,0 m2 Vakuumröhrenkollektoren Speichervolumen: 60 bis 80 Liter
Dies entspricht dem 1,5- bis 2fachen des täglichen Warmwasserverbrauchs von 45 bis 60 Litern pro Tag mit 45 °C .
Bei einem täglichen Warmwasserbedarf eines 5-Personen-Haushalts von etwa 250 Litern mit 45 °C sollte ein Speicher von etwa 350 Litern gewählt werden. Bei einem Süddach mit 30° bis 40° Neigung ist zur Erwärmung eine Flachkollektorfläche von etwa 5,5 m2 nötig, mit Vakuumröhrenkollektoren genügt eine Fläche von ca. 4 m2.
Eine nach diesen Vorgaben ausgelegte Solaranlage erreicht eine anteilige jährliche Energieeinsparung von ca. 60 % bei der Trinkwassererwärmung und produziert nur geringe Wärmeüberschüsse im Sommer
Auslegung von Kombianlagen
In Betriebsfällen, wo der Wärmeerzeuger sehr sensibel auf die Temperaturanforderungen bei der Wärmeübergabe reagiert, ist eine Abstimmung von Anlagentechnik und Gebäude elementar wichtig. So arbeitet z. B. eine Solaranlage umso besser, je niedriger die Temperatur des zu erwärmenden Wassers ist . Bei einer solaren Warmwasserbereitung sind diese Voraussetzungen gegeben – beträgt doch die Temperatur des zu erwärmenden Frischwassers ganzjährig nur ca. 10 °C. Bei einer solar unterstützten Heizung dagegen wird das Speichertemperaturniveau vom Heizkreislauf vorgegeben – welcher an kalten Tagen zusätzlich von der Heizungsregelung angehoben wird. Aufgrund der geringen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf ist auch das im Bereich des Solarwärmetauschers in den Speicher zurückfließende Wasser noch relativ warm. Um dennoch eine Solaranlage effektiv zur Heizungsunterstützung einsetzen zu können,ist daher Voraussetzung, dass das Gebäude optimal gedämmt ist, die Lüftungsverluste minimiert wurden und möglichst viel Solarwärme passiv über Südfenster gewonnen werden kann – so dass die Heizung auf einem möglichst niederen Temperaturniveau betrieben werden kann. In diesem Zusammenhang sind Flächenheizungen geradezu prädestiniert für eine Kombination mit Solaranlagen, da diese mit niedrigen Vorlauftemperaturen auskommen.
Auslegung
Eine konkrete Anlagenauslegung erfolgt auf der Grundlage der Gebäudedaten, der Bewohnerzahl und deren Verbrauchsgewohnheiten. Folgende Erfahrungswerte für ein typisches nach der Wärmeschutzverordnung ‘95 gebautes Einfamilienhaus können für die überschlägige Auslegung einer Kombianlage angesetzt werden: Kollektorfläche pro 10 m2 Wohnfläche: 0,9 bis 1 m2 mit Flachkollektoren bzw. 0,5 bis 0,6 m2 mit Vakuumröhrenkollektoren
Pufferspeichervolumen:
Ca. 50 Liter je m2 Flachkollektorfläche, zusätzlich ca. 50 Liter für Warmwasserbedarf je Person Marktübliche Kombianlagen für den Einfamilienhausbereich sind mit 10 bis 15 m²Flachkollektorfläche – bei Vakuumröhrenkollektoren entsprechend weniger – und einem Speichervolumen von 600 bis 1.000 Litern ausgestattet.
Eine nach diesen Vorgaben ausgelegte Kombianlage ermöglicht jährliche Energieeinsparungen für Heizung und Warmwasserbereitung von ca. 20 %. In Häusern mit einem um ca. 25 % niedrigeren Wärmebedarf für die Raumheizung erhöht sich der solare Deckungsanteil um weitere 2 bis 4 %. Bei einer weiteren Vergrößerung auf 20 m²sind Einsparungen bis 30 % möglich. Eine zunehmende Anlagengröße führt aber dazu, dass im Sommer ein immer größerer Teil der über die Kollektoren gewonnenen Solarenergie nicht genutzt werden kann.
Hier noch eine Grafik zur Sonnenbahn.
Zur exakten Elevationsausrichtung an Ihrem Wohnort :http://cgi.stadtklima-stuttgart.de/mirror/sonne.exe
Ihr Recht auf Solarenergie:Zu Baurecht und Denkmalschutz
In der Landesbauordnung für Baden-Württemberg sind Anlagen zur thermischen Solarnutzungals verfahrensfreie Vorhaben aufgeführt. Damit sind diese auch von der Kenntnisgabepflicht ausgenommen – die Baurechtsbehörde braucht demnach über deren Errichtung nicht informiert zu werden. Unabhängig von der Genehmigungsfreiheit sind jedoch die Vorschriften des Baurechts einzuhalten, z. B. bezüglich der Standsicherheit. Darüber hinaus sollten Solaranlagen so angeordnet werden, dass sie nicht verunstaltend wirken. Insbesondere wenn eine Solaranlage das Erscheinungsbild eines Kulturdenkmals beeinträchtigt, ist eine Genehmigung nach dem Denkmalschutzgesetz erforderlich. Wenn der Bebauungsplan eine Firstrichtung in Nord-Süd-Richtung vorschreibt, können Bauherren mit dem Verweis auf eine geplante Solaranlage einen Antrag auf Abweichung vom Bebauungsplan stellen; die Gemeinde hat dann darüber „nach sachgemäßem Ermessen“ zu entscheiden. Hierbei kann sich der Bauherr auf §1 des Bundesbaugesetzes berufen, der die Nutzung erneuerbarer Energien ausdrücklich als Ziel der Bauleitplanung hervorhebt.
Wir danken Dipl.Ing. Hans-Peter Lutz vom Wirtschaftsministerium Baden-Würtemberg für die Freigabe von
Texten/Grafiken welche zum Erstellen dieses Beitrages Verwendung gefunden haben.
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