IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/1998, Seite 55 ff.
Integration von Solaranlagen in die Heizungstechnik
Dipl.-Ing. Helmut Jäger
Die Rahmenbedingungen für die Wärmeversorgung von Gebäuden haben sich in den letzten Jahren gravierend geändert. Nicht mehr allein die Frage, daß warmes Wasser und warme Räume zur Verfügung stehen ist entscheidend, sondern wie dieser Komfort erreicht wird und welche Konsequenz dies für die Umwelt hat. Bild 1 zeigt deutlich den Hintergrund, an dem sich die Wärmeversorgung in Zukunft orientieren muß.
| Bild 1: Faktor 4 - Notwendige CO2-Reduktion. |
Um das Klima weltweit zu stabilisieren, muß der Einsatz an fossiler Energie um den Faktor 4 reduziert werden. Da die CO2-Emissionen bei der Verbrennung von Öl und Gas nicht verhindert werden können, gibt es nur zwei Wege zur CO2-Minderung:
a) Reduzierung des Wärmebedarfs von Gebäuden und Einsatz optimaler Verbrennungstechnik (Brennwertnutzung)
b) Ersatz von fossilen Energieträgern durch regenerative Energieträger
Bild 2: Entwicklung des Heizenergiebedarfs und des Solaranteils.
Entwicklung des Heizenergiebedarfs
In Bild 2a und b wird gleichzeitig die Entwicklung des Wärmebedarfs und das Potential einer solaren Unterstützung deutlich. Dabei werden zwei Extreme sichtbar:
Im Fall des schlecht wärmegedämmten Hauses kann eine 10 qm Solaranlage nur ca. 70% des Warmwasserbedarfs decken. Auch eine Verdopplung der Kollektorfläche bringt kaum zusätzliche Energieeinsparung, gemessen am Gesamtverbrauch. Im anderen Extrem des Passivhauses (E) hat sich das Verhältnis von Heizungsenergiebedarf zum Warmwasserenergiebedarf umgekehrt. Auch hier deckt die Solaranlage hauptsächlich die Warmwassererwärmung, da Heizenergie nur noch an wenigen Tagen benötigt wird.
Interessant sind aber die Fälle B, C und D, da sie die Mehrheit der Wohngebäude, auch in den nächsten Jahrzehnten darstellen.
| Bild 3: Low-Flow-Solaranlage mit Stratos Integral und Brennwertkessel. |
Solarpufferspeicher im Test
Für diese Häuser sind in den letzten Jahren Solaranlagen mit Kombispeichern (Bild 3) entwickelt worden, die gleichzeitig die Solarenergie für die Warmwassererwärmung und für die Raumheizung bereitstellen. Dabei ist für einen hohen Ertrag der Solaranlage besonders das Konzept und die Auswahl des Pufferspeichers entscheidend. Das schwedische Solarenergieinstitut SERC testete 10 Solarpufferspeicher auf ihre Eignung in Solaranlagen. Alle Speicher hatten den gleichen Inhalt von 750 Liter und täglich wurde aus allen Speichern die gleiche Energiemenge mit ca. 350 Litern Warmwasser gezapft. Auch auf der Solarseite wurden alle Speicher gleich bedient:
Bild 4: Testergebnisse von Solarpufferspeichern.
Ein hochwertiger 10 qm Flachkollektor versorgte bei dem 6 Tage-Test mit typisch mitteleuropäischem Wechselklima jeden Speicher. Der Bereitschaftsteil der 10 Pufferspeicher wurde aus meßtechnischen Gründen bei Bedarf elektrisch nachgeheizt. Als Qualitätskriterium wurde der solare Anteil am Gesamtenergiebedarf der Testwoche gewählt. Die Ergebnisse sind in Bild 4 dargestellt. Dieser Test zeigt die wesentlichen Faktoren für eine optimale Gestaltung von Solarpufferspeichern:
- schnelle Nutzung der Solarwärme durch Einsatz von Low-Flow-System und Beladung mit Schichtenlader
- Vermeidung von Vermischung im Speicher beim Zapfen des Warmwassers durch Verwendung eines externen Plattenwärmetauschers mit geregeltem Primär-Volumenstrom
- Reduzierung von Wärmeverlusten durch Verwendung einer geschlossenen Isolierung im warmen Speicherbereich und Durchführung der Anschlüsse durch den kalten Bodenbereich
Bild 5: Die Solare Wärme 60/30°C.
Einbindung und Abstimmung des Heizkreises für Solarenergie
Neben der Wahl des richtigen Speicherkonzeptes ist auch die Abstimmung des Heizkreises auf die solare Heizungsunterstützung wichtig. Grundsätzliche Voraussetzung für den Einsatz dieser modernen Wärmeversorgung ist die Auslegung der Heizkreise auf Niedertemperaturniveau. Dabei sind neben der Fußbodenheizung auch Heizkörper gut geeignet. Allerdings sollte die Spreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf zwischen 20 K und 30 K ausgelegt werden. Im Bild 5 wird die optimale Auslegung für eine Solaranlage mit der Solaren Wärme 60/30°C bis 65/35°C deutlich. Je niedriger der Heizungsrücklauf um so besser der Wirkungsgrad der Solaranlage. Zusätzlich wird bei einer Auslegung des Heizkreises auf die Solare Wärme 60/30°C im Vergleich zum üblichen Niedertemperaturheizkreis 55/45°C der Volumenstrom auf 1/3 reduziert, dies ergibt auch eine erhebliche Energieeinsparung für die Heizkreispumpe. Die höhere Spreizung verbessert auch das Regelverhalten der Heizkörper. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die richtige Auswahl der Thermostatventile und der hydraulische Abgleich der Heizkörper. Gut geeignet sind die Thermostatventile, die speziell auf niedrige Volumenströme abgestimmt sind, wie sie auch für Fernwärmeheizanlagen eingesetzt werden.
Die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage hängt zusätzlich vom Kostenaufwand für
- Komponenten
- Installation
- Wartung und
- Platzbedarf ab.
Bild 6: SOLVIS-Entwicklungslinie.
Bild 6 zeigt die Entwicklungstendenz der letzten Jahre und beispielhaft den Aufwand auf der hydraulischen Seite. Während in der Anfangszeit der solaren Heizungsunterstützung noch zwei Speicher mit 35 Rohrverbindungen eingesetzt wurden, kommen Kombispeicher mit ca. 17 Verbindungen aus. Bild 7 zeigt eine Solar-Brennwert-Zentrale mit nur noch 8 Anschlüssen (einschließlich Abgas und Kondensat).
| Bild 7: Schnittbild der Solar-Brennwert-Zentrale "SolarMax". |
Auslegung und Dimensionierung
Eine Solaranlage zur Warmwassererwärmung sollte so ausgelegt werden, daß im Sommer eine Volldeckung erreicht wird. Damit ergeben sich bei einem Warmwasserbedarf von ca. 40 l pro Person und Tag folgende Auslegungsrichtlinien:
- Kollektorfläche (Flachkollektor): 1,0 bis 1,5 qm/Person
- Kollektorfläche (Vakuumröhren): 0,8 bis 1,2 qm/Person
- Speichervolumen: 80 bis 100 l/Person
Wird zusätzlich Solarenergie für die Heizungsunterstützung gefordert, ist im wesentlichen eine größere Kollektorfläche notwendig. Damit ist diese aber für die sommerliche Warmwassererwärmung überdimensioniert. Dieses muß bei der Dimensionierung berücksichtigt werden, um einen wirtschaftlich sinnvollen Kompromiß zwischen zusätzlich nutzbarer Solarenergie im Winter und in der Übergangszeit und dem Überschuß im Sommer zu gewährleisten.
In der Praxis hat sich folgende Dimensionierung bewährt:
- Kollektorfläche (Flachkollektor): 2 bis 3 qm/Person
- Kollektorfläche (Vakuumröhren): 1,6 bis 2,4 qm/Person
- Speichervolumen: 60 bis 70 l/qm Kollektorfläche
Als Fazit bleibt festzuhalten, daß bei guter Wärmedämmung eines Wohngebäudes eine Solaranlage auch über die Warmwassererwärmung hinaus erhebliche Beiträge zur Raumheizung leisten kann.
Voraussetzung für eine effiziente Solaranlage sind insbesondere geeignete Solarspeicher und eine Niedertemperaturheizung mit hoher Vorlauf-Rücklauf-Spreizung.
Insbesondere für das Fachhandwerk eröffnen sich neue zusätzliche Marktchancen und die Systemintegration macht die Solaranlage zum selbstverständlichen Bestandteil der Heizung.
B i l d e r : Solvis Energiesysteme GmbH & Co. KG, Braunschweig
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