Solaranlagen - wie man sie richtig baut und Fehler vermeidet

Dipl.-Ing. Ansgar Schrode*

Sollen Solaranlagen zufriedenstellend funktionieren, ist ein umfassendes Fachwissen nötig, um für den jeweiligen Einsatzfall die geeignete Solaranlage zu planen. Nachfolgend berichtet der Autor über seine Erfahrungen auf dem Gebiet der thermischen Solarenergienutzung, welche er durch seine Sachverständigentätigkeit gewonnen hat.

Wenn man schon den Aufwand für eine Solaranlage nicht scheut, so sollte diese mind. 60% des jährlichen Warmwasserbedarfs abdecken können. Gerade bei kleinen Anlagen in Ein- und Zweifamilienhäusern ist eine Vergrößerung der Kollektorfläche oder des Solarspeichers gegenüber den ohnehin anfallenden Grundkosten relativ preiswert und kann die Wirtschaftlichkeit der Solaranlage erhöhen. Tabelle 1 gibt für verschiedene Fälle Anhaltspunkte. Wenn bei größeren Mehrfamilienhäusern nicht genügend Dachfläche oder Platz für einen großen Speicher besteht, ist auch eine geringere Deckungsrate durchaus zu gerechtfertigen. Wenn solche Anlagen im Verhältnis zum Warmwasserverbrauch knapper dimensioniert werden als bei Einfamilienhäusern, so resultiert jedoch pro m² Kollektorfläche ein wesentlich höherer Ertrag. Aus der Tabelle geht auch hervor, dass die Begrenzung auf 60°C nur bei unterdimensionierten Solaranlagen ins Gewicht fällt. Falls eine Solaranlage größer dimensioniert und zur Heizungsunterstützung mit herangezogen werden soll, so ist während der heizungsfreien Zeit genügend Speichervolumen vorhanden, sodass die Begrenzung auf 60°C überhaupt nicht ins Gewicht fällt.

Soll eine Solaranlage effektiv arbeiten, so muss das gesamte Leitungssystem sauber gedämmt werden. In diesem Beispiel ist die Dämmschichtdicke zu gering. Außerdem weist die Dämmung im Bereich der Rohrschellen Lücken auf, Armaturen und Pumpe sind sogar ungedämmt. (Bild: IKZ-HAUSTECHNIK)

Zirkulationsleitungen

Als wahre Energiefresser erweisen sich Zirkulationsleitungen. Dazu ein Beispiel: Ein Zirkulationssystem einschließlich Warmwasserleitung nach den Vorgaben der Energieeinsparverordnung gedämmt und 16 Stunden am Tag betrieben, weist Wärmeverluste auf, welche bei 60°C dem Verbrauch von 1,5 Personen entsprechen. Dies muss bei der Dimensionierung einer Solaranlage berücksichtigt werden, besonders wenn in einem bestehenden Gebäude das vorhandene Zirkulationssystem schlecht oder gar nicht gedämmt ist. Ich musste schon Fälle begutachten, wo es die Solaranlage gerade geschafft hat, die Zirkulationsverluste auszugleichen. Möglichkeiten zur engen zeitlichen Begrenzung der Zirkulationszeiten sowie thermostatische Steuerung der Zirkulationspumpe sollten unabhängig der Solaranlage ausgeschöpft werden.

Externe Plattenwärmetauscher zur Trinkwassererwärmung sind in Verbindung mit Zirkulationsleitungen ungeeignet, weil die Pumpe zwischen Pufferspeicher und Plattenwärmetauscher während der Zirkulationszeit ständig in Betrieb sein muss. Da für die Warmwasserleistung im Falle der Entnahme sehr viel Leistung benötigt wird, sind hier sehr starke Pumpen nötig, welche nicht beliebig zurückgedrosselt werden können. Welche Leistung für die Warmwasserentnahme benötigt wird, soll an einem Beispiel verdeutlicht werden: Bei 10 kW Warmwasserleistung stehen nur etwa 5 Liter Wasser mit 38°C pro Minute zur Verfügung; bei 20 kW Wärmeleistung würde eine normalgroße Badewanne (160 Liter) in knapp 17 Minuten gefüllt werden.

Tabelle 1: Solare Deckungsrate zur Trinkwassererwärmung für 4 Personen

Warmwasserleistung

Nach DIN 4708 rechnet sich die Bedarfskennzahl N entsprechend der Anzahl der Wohnungen und Personen sowie der Warmwasserverbrauchsstellen. Die Leistungskennzahl NL des Warmwasserspeichers muss die Bedarfskennzahl N erfüllen. Wichtig: Bei bivalenten Solarspeichern darf nur der vom oberen Wärmetauscher erwärmte Speicherinhalt gerechnet werden, um auch bei fehlender Sonneneinstrahlung eine ausreichende Versorgung zu erreichen. Ein bivaltenter 300-Liter-Speicher für einen 4 bis 5 Personen Haushalt und ein 400-Liter-Speicher für ein Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung sind auf jeden Fall unterdimensioniert.

Wird das erwärmte Trinkwasser aus einem Speicher entnommen, so bleibt die Temperatur am Warmwasserausgang während des gesamten Entnahmevorgangs nahezu konstant, da sich (im Idealfall) nur die Schichtung zwischen dem unten einströmendem Kaltwasser und dem erwärmten Trinkwasser nach oben verlagert. Im Gegensatz hierzu nimmt die Warmwassertemperatur stetig ab, wenn das Trinkwasser über einen externen Plattenwärmetauscher erwärmt wird. Beispiel: Füllt man eine Badewanne mittel eines 300-Liter-Pufferspeichers und über einen externen Plattenwärmetauscher, so fällt die Speichertemperatur von 60 auf 45°C. Wenn während des Duschens andere Warmwasserverbraucher zu- oder abgeschaltet werden, kann es sehr leicht zu Temperaturschwankungen kommen. Da aufgrund der Solarnutzung auch Warmwasserverbraucher wie Wasch- und Spülmaschine angeschlossen werden sollen, müsste ein solcher Plattenwärmetauscher schon sehr großzügig bemessen sein, was dann aber unverhältnismäßig teuer wäre.

Schnitt durch einen verkalkten Platten-Wärmeübertrager mit kleinem Strömungsquerschnitt. (Bild: IKZ-HAUSTECHNIK)

Verkalkung

Bezüglich Verkalkung gibt es wenig Probleme, wenn das Trinkwasser nicht mit Flächen in Berührung kommt, welche wärmer sind als 60°C. Bei glattwandigen Wärmetauschern in Speichern oder Kombispeichern (gesonderter Speicher zur Trinkwassererwärmung im Pufferspeicher integriert) stellen höhere Temperaturen kein Problem dar, weil durch die Verkalkung die Wärme-übertragungsleistung nur geringfügig abnimmt, mit der Zeit der Kalk abplatzt und sich am Boden sammelt, wo er nicht stört. Wenn dagegen das Trinkwasser über eine Heizschlange innerhalb eines Pufferspeichers oder über einen Plattenwärmetauscher erwärmt wird, kann selbst eine geringe Verkalkung zu einer hohen Leistungsminderung und somit zu Versorgungsproblemen führen.

Ist damit zu rechnen, dass das Trinkwasser im Solarspeicher über 60°C erwärmt wird, sollte ein thermostatisches Mischventil nachgeschaltet werden, welches durch Zumischung von Kaltwasser die Temperatur im Leitungsnetz auf 60°C begrenzt. Allerdings gibt es auf dem Markt kein Ventil, welches kaltwasserseitig absolut dicht schließt, sodass bei einer Einstellung des Ventils auf 60°C und einer Speichertemperatur von 45°C die Temperatur im Leitungsnetz nach dem Ventil nicht einmal 40°C erreicht. Abhilfe könnte dadurch geschaffen werden, dass in den Kaltwasserzulauf des thermostatischen Ventils ein Motorventil eingebaut wird, welches stromlos öffnet und über einen Thermostaten am Warmwasserabgang des Speichers bei Temperaturen unter 50°C geschlossen wird. Eine andere Möglichkeit wäre, die Solaranlage so zu steuern, dass bei Erreichen einer Speichertemperatur von 60°C die Solaranlage nicht weiter aufheizt.

Von den meisten Solaranbietern wird vorgeschlagen, den Speicherthermostaten im unteren Bereich des Wärmetauschers anzubringen, sodass die Solarpumpen bereits in Betrieb gehen, wenn dort die Temperatur niedriger ist als die Kollektortemperatur und evtl. am oberen Bereich des Wärmetauschers die Temperatur noch nicht niedrig genug ist. Hierbei funktioniert jedoch die Speichertemperaturbegrenzung nicht. Da der Solarwärmetauscher von oben nach unten durchströmt wird, wird der Speicherinhalt im Bereich des Thermostaten nicht mit der Temperatur am Wärmetauscher beaufschlagt. Eine Möglichkeit zur Problemlösung wäre, je einen Thermostaten im unteren Bereich und direkt oberhalb des Wärmetauschers anzubringen, sodass der untere die Solaranlage regelt und der obere die Temperaturbegrenzung gewährleistet.

Pumpenleistung

Je nach Art der Solaranlage und Einstellung der Regelung schwankt die Pumpenlaufzeit jährlich zwischen 1500 und 3000 Stunden. Eine 25-Watt-Pumpe mit 2000 Betriebsstunden im Jahr benötigt also etwa 50 kWh Strom. Auf die Primärenergie zurückgerechnet sind dies 150 kWh. Im Vergleich mit einer typischen Solaranlage für die Trinkwassererwärmung eines 4-Personen-Haushaltes, die etwa 2500 kWh/a Endenergie einspart, sind dies 6%. Die durchschnittlich installierte Pumpenleistung bei Solaranlagen bei Einfamilienhäusern liegt jedoch bei rund 60 W, sodass die Primärenergie-Einsparung deutlich geringer liegt. Es liegt nahe, die Pumpen bedarfsgerecht auszulegen, um die Energiekosten auf das Nötigste zu reduzieren.

Um den Druckabfall der Kollektoren gering zu halten, sollte erwogen werden, diese nicht in Reihe, sondern parallel zu verschalten. Hier empfiehlt sich das Tichelmann-Prinzip, bei dem jeweils die Längen für Vor- und Rücklauf gleich sind. Zudem erspart man sich den hydraulischen Abgleich der Kollektoren untereinander. Außerdem sollte die Regelung so eingestellt werden, dass die Solaranlage erst umgewälzt wird, wenn die Temperatur am Kollektor 4 K höher ist als die des Speichers. Ist die Kollektortemperatur um etwa 2 K gefallen, kann die Pumpe wieder abschalten. Durch eine relativ niedrig eingestellte Einschalttemperatur kann der Nutzen einer Solaranlage bei schwacher Sonneneinstrahlung erheblich verbessert werden.

Wenn der vom Kollektorhersteller empfohlene Volumenstrom aufgrund einer schwächeren Umwälzpumpe geringfügig unterschritten wird, so führt dies noch zu keiner wesentlichen Ertrags-einbuße. In Fällen, bei denen die schwächste Pumpe bereits mehr als nötig umwälzt, sollte auf Volumenstrombegrenzer verzichtet werden, da eine schnellere Umwälzung tendenziell zu einer größeren Wärmeübertragung führt, wodurch die Solarnutzung geringfügig erhöht wird.

Low-Flow-Anlagen

Bei den so genannten Low-Flow-Anlagen wird die Solarflüssigkeit wesentlich langsamer umgewälzt als bei herkömmlichen Systemen. Dadurch erhält man selbst bei geringer Sonneneinstrahlung noch relativ hohe Temperaturen. In diesen Anlagen nutzt man häufig so genannte Schichtenspeicher, bei denen die Wärme über einen Plattenwärmetauscher von oben nach unten eingebracht wird. Wird damit das Trinkwasser erwärmt, so ist besonders aufgrund der hohen Temperaturen von Low-Flow-Anlagen das Problem der Verkalkung kritisch zu bewerten. Zudem funktioniert ein solches System nur dann zufriedenstellend, wenn alle Parameter genau eingestellt und eingeregelt sind. An dieser Stelle sei die kritische Frage erlaubt, ob es nicht sinnvoller ist, die Kosten für den Plattenwärmetauscher, die zweite Pumpe und die spezielle Regelung einzusparen und in eine größere Kollektorfläche eines High-Flow-Systems zu investieren.

Thermostatischer Brauchwassermischer "Brawa-Mix", zur stufenlos einstellbaren Begrenzung der Brauchwassertemperatur; Einbaubeispiel für Kleinanlagen, z.B. Ein- oder Zweifamilienhäuser mit Solaranlage. (Bild: Oventrop)

Heizungseinbindung

Die Heizungseinbindung einer Solaranlage kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Für jeden Einzelfall muss entschieden werden, welche der nachfolgend aufgeführten Möglichkeiten die zweckmäßigste ist.

Ein Hintereinanderschalten von Pufferspeicher und Heizkessel (Fließsschema A) ist dann sinnvoll, wenn ein gut gedämmter Heizkessel zur Verfügung steht. Dabei heizt der Kessel mit der witterungsgeführten Regelung nur dann nach, wenn der Pufferspeicher nicht genügend Temperatur liefert. Wenn am Pufferspeicher beide Rücklaufanschlüsse (vom Heizkreis und zum Kessel) möglichst weit oben angeordnet werden, kann auf zusätzlichen Reglungsaufwand verzichtet werden, da im Falle einer solaren Erwärmung des Pufferspeichers die Wärme ohnehin nach oben steigt und bei fehlender Sonneneinstrahlung der Speicher nur im Bereich oberhalb der Anschlüsse durch den Rücklauf erwärmt wird.

Bei Brennwertgeräten gibt es die Möglichkeit, trinkwasserseitig einen monovalenten Speicher einem bivalenten vorzuschalten (Fließsschema B). Die Solaranlage heizt den unteren Wärmetauscher des bivalenten Speichers auf, während im monovalenten Speicher der Heizkessel nachheizt, wenn die geforderte Temperatur unterschritten wird. Der Rücklauf zum Heizkessel kann durch den oberen Wärmetauscher des bivalenten Speichers vorgeheizt werden. Der Heizkessel heizt nur soweit nach, wie es die witterungsgeführte Regelung verlangt. Eine Umschaltung bzw. Abkopplung dieses Wärmetauschers ist bei der Brennwerttechnik nicht erforderlich, da zu Zeiten, in denen die Solaranlage nichts oder nur sehr wenig bringt, der bivalente Speicher relativ kalt ist und die dadurch verbundene Auskühlung des Heizungsrücklaufs zu einer Verbesserung der Kondensatausbeute führt. Wenn vom Rücklauf Wärme in den vorgeschalteten Speicher abgegeben wird, so ist diese nicht verloren. Diese Art der hydraulischen Einbindung setzt jedoch einen Brennwertkessel ohne Mindestumlaufmenge und sehr guter Dämmung voraus, wie sie nur von sehr wenigen Herstellern angeboten werden.

Druckloser Kunststoff-Frischwasserkombispeicher zur Frischwasser-entnahme im Durchlaufprinzip und zur Heizungsunterstützung. (Bild: Schüco)

Wenn der bivalente Speicher durch die Solaranlage auf Temperaturen bis auf 60°C aufgeheizt wird und im nachgeschalteten Speicher nur 45°C vorhanden sind, können über eine einfachste differenztemperaturgesteuerte Umwälzpumpe mit Schwerkraftbremse die Zirkulationsanschlüsse der beiden Speicher verbunden werden, sodass das Volumen des nachgeschalteten Speichers bis zu 60°C zur Verfügung steht.

Ein Kombispeicher mit integriertem Speicher zur Trinkwassererwärmung (Fließschema C) stellt bezüglich des Zubehörs, der hydraulischen Einbindung und des Platzbedarfs eine günstige Lösung dar, wenn das Heizsystem mit Temperaturen von maximal 60°C auskommt. Ein separater Speicher zur Trinkwassererwärmung (Fließschema D) dagegen kann exakt temperaturgeregelt werden und ermöglicht dadurch höhere Temperaturen im Pufferspeicher und Heizungsvorlauf.

Thermische Absicherung

Solaranlagen sollten eigensicher gebaut werden. Darunter versteht man, dass auch unter extremen Bedingungen das Sicherheitsventil des Solarkreislaufes nicht öffnet. Solaranlagen mit Flachkollektoren sollten daher mit mind. 6 bar und Vakuumröhren mit 10 bar abgesichert werden. Damit das Wärmeträgermedium bei Erwärmung nicht zu schnell verdampft, sollten die Solaranlagen mit mind. 4 bar betrieben werden. Das Druckausdehnungsgefäß muss ausreichen groß ausgelegt werden und bis 140°C temperaturbeständig sein.

*) Dipl.-Ing. Ansgar Schrode, Sachverständiger für Bauphysik, Fachingenieur für Haustechnik, Beratender Ingenieur, unabhängiger Energieberater, E-Mail: mail@Ing-Schrode.de

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