IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 14/2004, Seite 28 ff.

SOLARTECHNIK

Auslegungshinweise für solare Heizungsanlagen

Dipl. Ing. Thomas Krause*

Die Marktentwicklung bei thermischen Solaranlagen zeigt eine rasch wachsende Bedeutung von Solaranlagen zur kombinierten Brauchwassererwärmung und Raumheizung, den so genannten Kombianlagen. Deshalb sollen im folgenden Beitrag die wesentlichen Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad einer solaren Heizungsanlage dargestellt werden.

Bislang wurde bei solaren Kombianlagen die Einbindung des Kessels ("Nachheizung") nicht weiter betrachtet. Die an der solaren Volldeckung "fehlende Energie" wurde mit einem einheitlichen Kesselwirkungsgrad multipliziert und daraus die notwendige Zusatzenergie berechnet. Einerseits wird heutzutage die Haustechnik immer ganzheitlicher betrachtet wie z.B. in der Energieeinsparverordnung von 2002. Andererseits gibt es bei den Herstellern unterschiedlichste Ansätze, wie Solaranlage und Kessel miteinander kombiniert werden. Um hier ein einheitliches Bild entstehen zu lassen, einigten sich 18 Hersteller von Kombianlagen** im Rahmen eines Projektes des DFS/ITW [1] darauf, zukünftig bei der Beurteilung der Solaranlage auch die Art der Kesseleinbindung zu berücksichtigen und damit den Gesamtsystemwirkungsgrad exakter darstellen zu können.

Bild 1: Einfluss der Kollektorfläche auf die solare Deckungsrate. Heizungsauslegung 50/30°C, Haus gedämmt nach WSVO (1995) mit einem Heizwärmebedarf von 11.880 kWh/a. [1]

Wesentliche Kenngröße ist die "anteilige Energieeinsparung f_sav" einer solaren Kombianlage (bestehend aus Kollektor, Kombispeicher und Zusatzheizung) am Energiebedarf eines Hauses im Vergleich zu einer konventionellen Anlage, nur aus Warmwasserspeicher und Heizung bestehend. Dabei wird bei der Berechnung von "f_sav" erstmalig dem Kessel in der Referenzanlage und dem Kessel in der Kombianlage ein anderer Wirkungsgrad zugewiesen. Denn aufgrund der anderen Betriebsbedingungen ergibt sich für den Kessel in dem Solarsystem ein anderer Wirkungsgrad. Hinzu kommen neue Gerätekonzepte wie Solarspeicher mit integrierter Brennkammer, die sicherlich auch einen anderen Kesselwirkungsgrad haben.

Damit geht die Solarbranche einen entscheidenden Schritt voran, die Anlage als Gesamtheit zu untersuchen und zu bewerten. Sie macht sich aber auch eine Menge Arbeit, denn diese Betrachtungsweise bedeutet, dass zu jeder Solaranlage auch der Kessel mit vorgegebener hydraulischen Anbindung mit betrachtet und bei Tests vermessen werden müsste.

Wie wichtig es ist, bei Kombianlagen zukünftig die Art der Kesselintegration und damit auch den Kesselwirkungsgrad in dieser Anlagenkonzeption zu berücksichtigen, zeigte Stiftung Warentest im April 2003, als "Kombi-Solaranlagen" untersucht wurden: Die Solaranlagen mit integriertem Brenner haben einen Jahresnutzungsgrad von 100 bis 106%. Der Jahresnutzungsgrad eines modernen Gasbrennwertgerätes liegt dagegen nur bei ca. 85% (bei einem WW-Anteil am Gesamtenergiebedarf des Hauses von 20%) [6,7]. Damit ergibt sich allein durch dieses integrierte Anlagenkonzept eine Energieersparnis in gleicher Größenordnung wie durch die Solaranlage.

Hinweise für das Anlagenkonzept

Im Rahmen des deutschen Kombianlagenprojekts wurden die folgenden Auslegungshinweise durch Simulationen ermittelt. Dabei wurde ein Referenzhaus mit einer "Standard-Kombianlage" definiert: Die am Markt am häufigsten angebotene Anlage ist das "Tank-in-Tank-System", gekennzeichnet durch eine durchmischte Beladung des Speichers durch den Solarkreis als auch durch eine durchmischte Entladung durch den Heizungs- und Trinkwasserkreis. Eine übliche Größe ist ein 750-Liter-Speicher mit einem internen 220-Liter-WW-Speicher. Der k*A-Wert der Isolierung wird marktdurchschnittlich mit 3,6 W/K gewählt.

Als Referenzhaus wurde ein 128 m² großes, von vier Personen bewohntes Gebäude in Würzburg angenommen. Der jährliche Heizwärmebedarf wurde mit 93 kWh/m² Wohnfläche angenommen, der tägliche Warmwasserbedarf bei einer Temperatur von 45°C betrug 200 Liter.

Ausgehend von dieser Anlage wurden dann Untersuchungen durchgeführt. Dabei ist zu beachten, dass die Energieeinsparung "f_sav" der Kombianlage noch mit dem gleichen Kesselwirkungsgrad berechnet wurde, der auch für das Referenzhaus benutzt wird.

Einfluss Kollektorgröße und Kollektortyp

In Bild 1 wird der Einfluss der Kollektorgröße auf die anteilige solare Deckungsrate (f_sav) dargestellt: Je größer die Kollektorfläche gewählt wird, desto höher ist der solare Anteil am Energiebedarf des Gebäudes. Man erkennt, dass f_sav bei einer Verdoppelung der Flachkollektorfläche von 10 auf 20 m² von 18 auf 24% zunimmt. Bei Vakuum-Kollektoren (Verdoppelung der Fläche von 10 auf 20 m²) nimmt f_sav von 22 auf 29% zu.

Daraus lassen sich zwei Schlussfolgerungen ziehen:

Eine Vergrößerung der Kollektorfläche wird in diesem Referenzfall ab 15 m² zunehmend unrentabel,
bei Vakuumröhrenkollektoren ist diese Grenze (Mehrkosten zu Mehrertrag = Steilheit der Kurve) später, sodass höhere Deckungsanteile erreicht werden können.

Einfluss des Speichervolumens

In den beiden folgenden Bildern 2 und 3 ist der Einfluss der Speichergröße auf den solaren Deckungsanteil dargestellt, wobei lediglich die Auslegung der Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizungsanlage variiert wurden. Folgende Ergebnisse lassen sich aus den Berechnungen ablesen:

das Speichervolumen hat bei kleinen solaren Deckungsanteilen mit Kollektorflächen unter 12 m² nur eine sehr geringe Auswirkung,
gerade bei hohen VL/RL-Temperaturen im Heizkreis sollte der Speicher nicht zu groß gewählt werden. Denn der Heizungspuffer führt bei diesen hohen Temperaturen zu mehr Verlusten, wie das größere Speichervolumen an Vorteilen mit sich bringt.

Bild 2: Einfluss der Speichergröße auf f_sav für unterschiedliche Kollektorflächen mit VL/RL-Temperaturen von 50/30°C. [1]

Bild 3: Einfluss der Speichergröße auf f_sav für unterschiedliche Kollektorflächen mit VL/RL-Temperaturen von 70/50°C. [1]

Kollektorausrichtung

In Bild 4 ist der Einfluss der Kollektorausrichtung auf den solaren Ertrag dargestellt. Für den Standort Würzburg ist eine Neigung von 45° bis 65° optimal bei maximal 15° Ost-West-Abweichung. Dieser Ertrag wird zu 100% gesetzt. Nun werden andere Ausrichtungen des Kollektors in prozentualer Abweichung zu dieser optimalen Ausrichtung farblich gekennzeichnet. Wesentlich ist, dass noch 95% des maximal möglichen Ertrags selbst bei 30° Ost-West-Abweichung oder 30° bis 75° Dachneigung möglich sind.

Bild 4: Relativer Einfluss der Kollektorausrichtung auf die Energieeinsparung bei Heizungsauslegung 50/30, Haus gedämmt nach WSVO (1995) mit einem Heizwärmebedarf von 11.880kWh/a. [1]

Wärmedämmung Speicher

Die Wärmedämmung macht einen der größten Einflussfaktoren auf den solaren Deckungsanteil aus. Nach DIN EN 12977-1 beträgt die maximal zulässige Wärmeverlustrate für einen 750 Liter Speicher 4,38 W/K, der Speicher im Referenzfall hatte eine Wärmeverlustrate von 3,5 W/K. Diese Wärmeverluste summieren sich übers Jahr zu 1052 kWh/a, bei einem Kollektorertrag von ca. 4210 kWh/a sind das ca. 25% der ursprünglich gewonnenen Wärme. Hier lassen sich jedoch Verbesserungen von mehreren Prozentpunkten durch ein überlegtes Speicher- und Wärmedämmkonzept realisieren.

Bild 5: Einfluss der Trinkwasser-Solltemperatur auf die solare Deckungsrate beim Tank-in-Tank-System. [1]

Trinkwasser-Solltemperatur

Je höher die Trinkwasser-Solltemperatur, desto höher muss die Temperatur im oberen Speicherbereich sein, um diese Temperatur zu gewährleisten. Diese höhere Temperatur verursacht zum einen höhere Wärmeverluste, zum anderen muss die Nachheizung länger laufen. Somit steigt zwar einerseits der WW-Komfort, andererseits sinkt der solare Deckungsanteil (Bild 5).

Um die zapfbare Warmwassermenge zu vergrößern, gibt es drei Möglichkeiten:

zum einen kann die Temperatur im oberen Puffervolumen weiter angehoben werden,
es kann das Puffervolumen selbst vergrößert werden,
als dritte Möglichkeit kann der Wärmeübergang vom Pufferwasser auf das Trinkwasser verbessert werden. Bei einem Tank-in-Tank-System sind hier nur begrenzte Möglichkeiten gegeben, bei einem internen oder externen Wärmetauscher kann die thermische Länge und die Oberfläche des Wärmetauschers vergrößert werden.

Aus energetischer Sicht ist es bei üblichen Speichergeometrien sinnvoll, die gewünschte nutzbare Warmwassermenge bei möglichst niedriger Wassersolltemperatur zur Verfügung zu stellen. Gegebenenfalls sollte eher das Puffervolumen vergrößert werden und nicht die Temperatur.

Bild 6: Einfluss des Kesselvolumens auf die Anzahl der jährlichen Brennerstarts. [1]

Rücklaufanhebung oder Pufferung

Bei der Einbindung des Kessels an den Speicher und die Raumheizung gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Heizungspuffer-Konzept: Der Kessel puffert seine Wärme für die Raumheizung immer zusätzlich im Speicher im dafür vorgesehenen Heizungspuffer. Der Speicher schafft eine gleichmäßige Wärmeabgabe und bietet somit dem Kessel bessere Betriebsbedingungen,

Rücklaufanhebungskonzept: Hier hebt der Kombispeicher den Rücklauf des Heizungskreises soweit wie möglich an und der Kessel liefert anschließend (in Reihe nachgeschaltet) die fehlende Wärme.

Die Untersuchungen haben ergeben, dass je größer der Puffer wird, desto geringer der solare Deckungsanteil ausfällt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die Pufferung der Heizenergie mehr Speicherverluste entstehen, gleichzeitig im Speicher aber weniger Solarvolumen zur Verfügung steht. Jedoch ist die Abnahme des solaren Deckungsanteils äußerst gering, sie liegt nur bei ca. 0,8%.

Bei dem Konzept "Rücklaufanhebung" ist neben dem vielfachen Takten des Brenners sowohl der Nachteil von zu hohen Vorlauftemperaturen als auch von stark schwankenden Vorlauftemperaturen zu beobachten. Denn selbst Brennwertkessel können nicht so weit heruntermodulieren, um die oft nur minimale Anhebung auf die Solltemperatur zu erreichen.

Bild 7: Brennerstarts bei 37 Feldanlagen.

Der Vorteil des "Heizungspufferkonzepts" wird in Bild 6 deutlich: je größer der Kesselpuffer gewählt wird, desto weniger taktet der Kessel (Modulationsbereich: 30 bis 100%). Somit kann die Anzahl an Brennerstarts von über 50.000 auf unter 10.000 bis hin zu nur einigen Tausend Start- und Stoppvorgängen reduziert werden. Bild 7 zeigt die Untersuchung von 37 Feldanlagen: Einige Anlagen schalten nur 2000-mal pro Jahr ein und aus, der Jahresdurchschnitt liegt bei nur 4600 Schaltvorgängen.

Bild 8: Einfluss der Höhe des Heizungsrücklaufs auf die solare Deckungsrate. [1]

Heizungs- und Kesselrücklauf-Anordnung

Bild 8 zeigt den Einfluss des Heizungsrücklaufs auf die solare Deckungsrate. Danach sollte der Kesselrücklauf so hoch wie möglich angeordnet sein (auf Höhe der Unterkante des Heizungspuffers). Eine zusätzliche Verbesserung wird erreicht, wenn der Heizungsrücklauf nicht immer in gleicher Höhe zugeführt wird, sondern der Speicher ideal geschichtet bleibt. Dies wird erreicht, indem der Heizungsrücklauf in der Höhe eingespeist wird, wo gleiche Temperaturen herrschen.

Bild 9: Auswirkung verschiedener Anlagenmerkmale auf die solare Deckungsrate.

Resümee

Bild 9 zeigt, dass eine Solaranlage mit externer Warmwasserbereitung, Low-Flow-Technik und Schichtenspeicher den höchsten solaren Ertrag hat. Parallel zur deutschen Arbeitsgruppe hat eine internationale Arbeitsgruppe der Internationalen Energie Agentur (IEA-Task 26) verschiedenste Kombianlagenkonzepte verglichen. Auch hier kam man zu ähnlichen Ergebnissen. Danach schneidet eine der solaren Kombianlagen mit Abstand am besten ab (Bild 10). Bei einem theoretisch möglichen solaren Deckungsanteil von 35% erreicht diese Anlage ca. 32%, das zweitbeste System nur ca. 23%.

Bild 10: Installationsbeispiel einer kompletten solaren Kombianlage mit integriertem Gas-Brennwertgerät.

Internetinformationen:
www.solvis.de

*) Dipl. Ing. Thomas Krause, Solvis GmbH & Co KG, Braunschweig

**) Zu den 18 Herstellen zählen z.B. Viessmann, Junkers, Buderus, Elco Klöckner, Stiebel Eltron und Solvis.

L i t e r a t u r :

[1] 1. Deutscher Fachverband Solarenergie: Kombianlagen. Abschlussbericht des Projektes "Testverfahren für Solaranlagen zur kombinierten Brauchwassererwärmung und Raumheizung (Kombianlagen)". Mit ausführlichen Ergebnissen des Forschungsprojektes, beziehbar beim BSI in Berlin oder dem ITW in Stuttgart.

[2] Berner, J.: Im Zentrum steht die Sonne. Sonnenenergie Mai 2002.

[3] Jähnig, D.: Report on Solar Combisystems Medelled in Task 25, Appendix 8: Generic System #15: two Stratifiers in a Space Heating Storage Tank with an External Load-Side Heat Exchanger for DHW, A Report of IEA-Task 26 "Solar Combisystems", October 2002.

[4] Letz, T.: Validation and Background Information on the FSC-Procedure, A Report of IEA SHC - Task 26 Solar Combisystems December 2002.

[5] Weiß, W. (Hrsg.): Solar heating systems for houses - A design handbook for solar combisystems, James & James Science Publishers, London, 2003.

[6] Stiftung Warentest, Heft "test Spezial", 4/1998.

[7] Stiftung Warentest, Heft4/2003.

B i l d e r : Solvis GmbH & Co KG, Braunschweig

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