Didaktische Handreichungen

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Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt- schaft und Verbraucherschutz L L e e r r n n e e i i n n h h e e i i t t S S o o l l a a r r t t h h e e r r m m i i e e Didaktische Handreichungen

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Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt- schaft und Verbraucherschutz

LLeerrnneeiinnhheeiitt

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Impressum

Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (Hrsg.): Lerneinheit Solarthermie – Didaktische Handreichung für Lehrerinnen und Lehrer. Wiesbaden und Kassel 2011.

Autoren: Wolfgang Kirchhoff, Ralf Johannesmann, Sigurd Wachenfeld, Jürgen Zick Universität Kassel, Institut für Berufsbildung

gefördert durch:

Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt- schaft und Verbraucherschutz

Europäischer Fonds für regionale Entwicklung

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Inhalt

Einleitung ............................................................................................................... 1

1 Zur Bedeutung der Solarthermie ................................................................ 3

2 Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen ........................ 7

2.1 Aufbau und Funktion ....................................................................... 7

2.2 Solarertrag ................................................................................... 12

2.3 Wirtschaftlichkeit .......................................................................... 14

3 Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung .............................. 23

3.1 Berufsschule ................................................................................. 23

3.2 Ausbildungsbetrieb ........................................................................ 25

3.3 Überbetriebliche Ausbildung ........................................................... 26

4 Grundsätze zur Gestaltung der Lerneinheit ............................................. 29

5 Gestaltung der Lernmaterialien ............................................................... 31

5.1 Der Aufbau der LERNER-DVD ......................................................... 31

5.2 Die Lehrer-DVD ............................................................................ 32

5.3 Bearbeitung der Mediator-Datei ...................................................... 33

5.4 Die "Digitale Schultasche" .............................................................. 34

6 Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit ............................................ 37

6.1 Startseite ..................................................................................... 38

6.2 Hauptmenü .................................................................................. 39

6.3 Kundenanfrage & Lernorganisation ................................................. 40

6.4 Informieren über Solarthermie ....................................................... 47

6.5 Installationsbeispiel ....................................................................... 61

6.6 Projektierung der Anlage ............................................................... 66

6.7 Angebot und Dokumentation ......................................................... 78

6.8 Kundenberatung und Reflexion ...................................................... 93

7 Weiterentwicklung der Lernsoftware ...................................................... 96

8 Literatur ................................................................................................... 97

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Einleitung

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Einleitung

Die Lerneinheit Solarthermie wurde für Anlagenmechaniker des SHK-Handwerks im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz von Mitarbeitern des Instituts für Berufsbildung an der Universität Kassel erstellt. Sie orientiert sich an den Lernfeldern der Rahmenlehrpläne für den berufsbezogenen Unterricht des oben genannten Ausbildungsberufes und berücksichtigt die dort genannten didaktischen Grund-sätze. Deshalb erhalten das kundenorientierte Berufshandeln und die Auftragsabwicklung ei-nen besonderen Stellenwert.

Initiiert wurde die Entwicklung der Lerneinheit vom Arbeitskreis "Energiesparprojekte in Be-rufsschulen". Der Arbeitskreis will dazu beitragen, dass neben den fachspezifischen Berufs-qualifikationen verstärkt energie- und ressourcenschonende Aspekte in die Berufsausbildung integriert werden.

Die Lerneinheit soll Lehrerinnen und Lehrern an Berufsschulen die Umsetzung des Unter-richts in dem neu geordneten Ausbildungsberuf zum Anlagenmechaniker für Sanitär, Heizung und Klimatechnik erleichtern und Anregungen geben, wie ein am Kundenauftrag orientierter Unterricht gestaltet werden könnte.

Ziel war es außerdem, bestehende Anlagen durch Videos praxisnah zu dokumentieren und die Montage und Inbetriebnahme einer solchen Anlage darzustellen, sodass ohne großen Aufwand ein realistischer Eindruck von einem solchen Kundenauftrag vermittelt werden kann. Dabei sollten die Lernmaterialien so aufbereitet werden, dass eine relativ selbstständi-ge computergestützte Bearbeitung der Lerneinheit möglich ist.

In dieser Handreichung werden die konzeptionellen Überlegungen kurz zusammengefasst und die Lerneinheit mit entsprechenden Hinweisen zur Umsetzung im Berufsschulunterricht dargestellt.

Wir danken Herrn Martin und Herrn Steinbach für die Erläuterungen und Unterlagen zu den Solarthermie-Anlagen in ihren Häusern und der Firma Feuer&Flamme sowie der Familie Be-nedikt für die Möglichkeit die Installation der Solarthermie-Anlage zu begleiten. Außerdem danken wir der Oskar-von-Miller-Schule Kassel, der Radko-Stöckl-Schule Melsungen und den Beruflichen Schulen Korbach für die Bereitschaft zur probeweisen Durchführung der Lernein-heit.

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Zur Bedeutung der Solarthermie

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1 Zur Bedeutung der Solarthermie

Abbildung 1 zeigt, dass ca. 40% des gesamten Energiebedarfs in Deutschland für die Raum-heizung und die Warmwasserbereitung aufgewendet wird. Hier liegt ein großes Potenzial, um die von der Bundesregierung gesetzten CO2-Minderungsziele zu erreichen. Neben der Ge-bäudesanierung können solarthermische Anlagen bei richtiger Wahl des Systems und fachge-rechter Dimensionierung und Installation den relativ großen Anteil der privaten Haushalte am Primärenergieverbrauch für Heizung und Warmwasser verringern.

Abb. 1: Energieverbrauch in Deutschland (www.ewald-schneider.de)

Der Solarwärmemarkt ist in den letzten 20 Jahren pro Jahr durchschnittlich um ca. 18% an-gewachsen (siehe Abb. 2). Allerdings ist er 2009 und auch 2010 relativ stark eingebrochen. Dies wird zum einen mit der Wirtschaftskrise 2009 und zum anderen mit der nur noch sehr eingeschränkten Förderung für solarthermische Anlagen begründet. Im März 2011 wurde im so genannten "Marktanreizprogramm" wieder eine verstärkte Förderung für Solarthermieanlagen beschlossen:

• (Befristete) Erhöhung der Basisförderung für Solarkollektoren zur kombinierten Warmwasserbereitung und Raumheizung auf 120 Euro/m² bis 30. Dezember 2011; danach beträgt die Förderung wieder 90 Euro/m².

• Der bisher befristete Kesseltauschbonus (Bonus für den zusätzlichen Austausch eines alten Heizkessels ohne Brennwertnutzung gegen einen neuen Brennwertkessel) wird unbefristet verlängert, aber degressiv ausgestaltet. Der Bonus beträgt 600 Euro (früher 400 Euro) bis zum 30. Dezember 2011, danach 500 Euro.

• Der Kombinationsbonus für Solarthermie plus Wärmepumpe oder Solarthermie plus Biomasse beträgt ebenfalls 600 Euro (früher 500 Euro) bis 30. Dezember 2011, danach wieder 500 Euro.

(aus: www.baulinks.de)

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Zur Bedeutung der Solarthermie

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Wegen der wieder besseren Fördermöglichkeiten sowie der stark steigenden Heizkosten und des erhöhten Sanierungsdrucks im Gebäudebestand geht man davon aus, dass im Jahr 2011 die Anzahl der installierten solarthermischen Anlagen wieder steigt.

Abb. 2: Solarwärmemarkt (aus: www.baulinks.de)

Die Deutsche Solarthermie-Technologieplattform DSTTP hat unter dem Titel "Niedertempera-tur-Solarthermie 2030" einen Bericht vorgelegt, in dem große Potenziale für den Ausbau der Wärmegewinnung aus Sonnenenergie gesehen werden. So könne nach Ansicht des Gremi-ums, welches sich aus Forschern und Branchenvertretern zusammensetzt, die Hälfte der Wärmegewinnung Deutschlands bis 2030 aus Solarthermie erfolgen. Allerdings nur, wenn die Weichen richtig gestellt werden. Die Entwicklung steht noch am Anfang und müsse deutlich stärker als bisher gefördert werden.

Nach dieser Studie müsste das langfristige Ziel bei der Installation von 8 m² Kollektorfläche bzw. 5,6 kWth thermischer Leistung pro Einwohner liegen. Damit können etwa 50% des ge-samten Wärmebedarfs durch Solarthermie bereitgestellt werden unter der Annahme, dass der Wärmebedarf bis 2050 um etwas mehr als die Hälfte im Vergleich zu 2004 gesunken ist. Unter der Annahme, dass je m² Kollektorfläche jährlich 400 kWh bzw. je kWth installierter so-larthermischer Leistung 571 kWh Primärenergie eingespart werden, ergeben sich die in Ab-bildung 3 für die Energieeinsparung dargestellten Ergebnisse. Je nach angenommenem Nut-zungsgrad des konventionellen Wärmeerzeugers liegen die daraus resultierenden Primär-energieeinsparungen um 20% bis 50% (bei Strom 200%) höher. Für die Ermittlung der im Inland vorhandenen Wertschöpfung wird davon ausgegangen, dass mindestens 75% des Umsatzes zu einer Wertschöpfung im Inland führen. Unter der Annahme eines gleich blei-benden Anteils resultiert aus dem in Abb. 3 aufgeführten Investitionsvolumen für das Jahr 2020 eine nationale Wertschöpfung von 2,8 Mrd. €. Ein verstärkter Ausbau der thermischen Solarnutzung trägt daher signifikant zu einer Stärkung der Binnenkonjunktur bei.

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Zur Bedeutung der Solarthermie

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Abb. 3: Perspektive Solarthermiemarkt (DSTTP, S. 28)

Wichtige Elemente zur Erreichung des Ziels hierbei sind das Solaraktivhaus, dessen Wärme- und Kältebedarf vollständig durch Solarthermie gedeckt wird, die solare Modernisierung, der deutliche Ausbau von solaren Nah- und Fernwärmeanlagen sowie der solaren Prozesswärme und solarthermischen Kälteerzeugung. Der Vorteil der Solarthermie ist, dass sie keinen Brennstoff benötigt. Da die Rohstoffe zur Produktion der Anlagen ausreichend vorhanden sind, garantiert die Solarthermie langfristig eine kostengünstige Energiebereitstellung mit ei-nem extrem hohen Maß an Versorgungssicherheit.

Ein rascher Ausbau der Solarthermie erfordert qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Forschung, Produktion, Vertrieb, Planung und Installation. Das Aus- und Weiterbildungs-angebot sowohl im Bereich Planung und Installation als auch im Bereich Forschung und Ent-wicklung reicht derzeit nicht aus, um den notwendigen Aufbau des Marktes und der For-schungsstrukturen zu bewältigen. Deshalb werden Maßnahmen beschrieben, um die berufli-che und akademische Qualifizierung weiterzuentwickeln und deutlich auszubauen. Für die berufliche Qualifizierung werden u.a. folgende Maßnahmen vorgeschlagen (DSTTP, S. 106):

1. Ausbau und Verbesserung des Solarthermieunterrichts an den Berufsschulen

Berufliche Ausbildung ist bei vielen befragten Firmen Einstellungsvoraussetzung, insbesondere bei ausfüh-renden Betrieben. Gleichzeitig wird diese berufliche Ausbildung aber schlecht bewertet und auch nicht als wesentliche Quelle der Solarthermie-Fachkenntnisse angesehen.

2. Stärkere Bewerbung des Berufs zur Solarthermie-Fachkraft und Erhöhung der Ausbildungskapazität

Firmen sehen einen Fachkräftemangel kommen und es besteht offenbar jetzt schon ein Mehrbedarf bei In-stallateuren in ausführenden Betrieben und bei Herstellern in allen Betriebsbereichen.

3. Ausbau und Verbesserung des Solarthermie-Fortbildungsangebotes

Für ausgebildete Solarthermie-Mitarbeiter sollte das Fortbildungsangebot ausgebaut werden. Das vorhande-ne Angebot wird als nicht ausreichend angesehen und, mit Ausnahme von Herstellerschulungen, oft schlecht bewertet.

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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2 Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

2.1 Aufbau und Funktion

Eine thermische Solaranlage besteht prinzipiell aus den Solarkollektoren, dem Solarkreis mit Umwälzpumpe, Wärmetauscher und Sicherheitseinrichtungen, dem Solarregler mit Tempera-tursensoren, dem Solarspeicher und einer Nachheizung.

Abb. 4 Solarthermieanlagen (aus: www.heizungsfinder.de)

Eine Solarthermieanlage speichert Sonnenenergie und erzeugt so Warmwasser. Schon eine verhältnismäßig kleine Solaranlage kann im Sommer den häuslichen Bedarf an Warmwasser komplett decken. Im Winter braucht eine Solaranlage für die Warmwasserbereitung aller-dings die Unterstützung eines weiteren Heizsystems. Der Hauptbestandteil einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung ist der Solarkollektor, der die Sonnenwärme sammelt. Zu diesem Zweck befindet sich ein Absorber im Kollektor, welcher die Wärme an die Solar-flüssigkeit abgibt. Mithilfe der Solarflüssigkeit, die aus einem Wasser-Glykol-Gemisch besteht, wird die Wärme zum Solarspeicher transportiert und dort gelagert. Das Glykol in der Solar-flüssigkeit dient als Frostschutzmittel, um die Solarheizung im Winter vor dem Einfrieren zu schützen. Die Solarpumpe im Solarkreis schaltet sich ein, wenn die Solarflüssigkeit im Solar-

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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kollektor wärmer ist als das Warmwasser im Speicher. Ist das Speicherwasser wärmer als die Solarflüssigkeit im Kollektor, schaltet sich die Solarpumpe wieder ab. Diese Regelung wird über Temperatursensoren im Kollektor und im Solarspeicher eingeleitet.

Ein Mensch benötigt pro Tag im Durchschnitt rund 50 Liter Warmwasser. Im Sommer steht genügend Sonnenenergie zur Verfügung, sodass der Bedarf an Warmwasser eines Hauses in den Sommermonaten komplett durch die Solaranlage gedeckt werden kann. Schon eine Kol-lektorfläche von rund 4 bis 6 Quadratmetern und ein Speichervolumen von etwa 300 bis 400 Litern sind für die Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus ausreichend. Im Winter kann die thermische Solaranlage jedoch nicht ausreichend Wärme für das Warmwasser erzeugen, sodass die Solaranlage mit einem anderen Heizsystem kombiniert werden muss. Möglich ist die Kombination von Solarthermie mit einer Öl-, Gas- oder Pelletheizung. Eine Solaranlage kann auch gut mit einer Wärmepumpenheizung kombiniert werden.

Soll die Solaranlage einen Beitrag für die Heizungsunterstützung leisten, benötigt sie aller-dings eine größere Solarkollektorfläche und einen größeren Speicher als eine Solaranlage ausschließlich zur Warmwasserbereitung. Üblicherweise hat eine thermische Solaranlage zur Heizungsunterstützung eine Solarkollektorfläche von rund 10 bis 15 Quadratmetern und ein Speichervolumen von 700 bis 1000 Liter. Meistens wird für diese Solaranlagen ein so ge-nanntes "Tank-in-Tank"-System als Kombispeicher eingesetzt, bei denen sich ein kleiner Tank für Brauchwasser innerhalb eines großen Pufferspeichers befindet. Im Brauchwasser-tank befindet sich das Warmwasser für den Haushalt, im Pufferspeicher das Heizungswasser für die solare Heizungsunterstützung. Die solare Erwärmung des Trinkwassers ist somit bei diesem System schon inklusive. So können pro Jahr etwa 30 Prozent des Wärmebedarfs von der thermischen Solaranlage gedeckt werden. Voraussetzung für diese Leistung ist jedoch ein gut wärmegedämmtes Haus. Die restliche Heizwärme muss wiederum mithilfe eines an-deren Heizsystems erzeugt werden. Vor allem im Winter besteht ein hoher Energiebedarf, der nicht allein durch eine Solarheizung gedeckt werden kann. Die Kombination der Solarhei-zung mit traditionellen Systemen oder auch mit neuen Systemen, wie der Wärmepumpe oder dem Pelletofen, schafft Abhilfe.

Beim Solaraktivhaus werden Solarthermie und Photovoltaik so eingesetzt, dass die Solaran-lage 100 Prozent des Energiebedarfs an Strom und Wärme deckt. Mithilfe eines Solargroß-speichers wird das Überangebot an Solarwärme im Sommer für die strahlungsarmen Win-termonate gespeichert, sodass der Heizbedarf auch im Winter solar gedeckt wird. Aber schon mit einer groß dimensionierten Kollektorfläche und einem Solargroßspeicher kann mit einer thermischen Solaranlage ein sehr hoher solarer Deckungsgrad für die Heizungsunterstützung erreicht werden.

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Kollektorarten

Abb. 5: Flachkollektoren und Röhrenkollektoren (aus: www.solaranlagen-portal.com)

Die am häufigsten verbauten Kollektorarten sind so genannte "Flachkollektoren" und "Röh-renkollektoren" (siehe Abb. 5), wobei die Röhrenkollektoren nur einen relativ geringen Anteil am Gesamtvolumen haben (siehe Abb. 2, S.4).

In einem Flachkollektor befinden sich unter einer Glasplatte aus Sicherheitsglas eine Absorberfläche aus z.B. Aluminium mit einer speziellen schwarzen Beschichtung, die die Sonnenstrahlung besonders gut absorbiert, eine Kupferrohrschlange, die mit dem Alumini-umblech verscheißt ist sowie eine Dämmmatte, die die Abstrahlung der Wärmeenergie nach außen stark reduzieren soll. Das Kupferrohr ist klassischerweise mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllt, das sowohl die Wärme aufnehmen kann als auch vor Frost im Winter schützt. Der bestmögliche Solarertrag wird erzielt, wenn das Glas nahezu das komplette Sonnenlicht passieren lässt und möglichst wenig reflektiert. Zudem wird durch ein hochwer-tiges Schweißverfahren, wie das Laserschweißen, die Wärme bestmöglich an das Kupferrohr übertragen, was ebenfalls den Solarertrag erhöht. Der Flachkollektor ist die gebräuchlichste Bauart. Er ist in der Herstellung vergleichsweise preisgünstig, zeigt aber bei hohen Absorbertemperaturen größere Wärmeverluste, sodass bei gleichem Energiebedarf eine et-was größere Kollektorfläche notwendig ist (siehe Abb. 6, S.10).

Röhrenkollektoren bestehen aus hagelschlagfestem Glas in denen ein Vakuum herrscht. Da-durch werden die Wärmeverluste bei höheren Absorbertemperaturen verringert (Prinzip der Thermoskanne). In jeder einzelnen Röhre ist direkt eine Absorberfläche eingebaut. Die Wär-meenergie wird entweder nach dem Wärmerohrprinzip (Heatpipe-Prinzip) über eine Primär-flüssigkeit (z.B. Alkohol) an die Solarflüssigkeit abgegeben oder die Solarflüssigkeit fließt di-rekt durch die als koaxiales Doppelrohr ausgeführte Absorberröhre. Röhrenkollektoren sind teurer als Flachkollektoren, weshalb sie vorwiegend dann eingesetzt werden, wenn die Vor-teile der einfachen Montage oder die Anpassung an ungünstige Dachneigung bzw. die höhe-re Leistung bei niedriger Energieeinstrahlung ausschlaggebend sind.

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Kollektorwirkungsgrad

Der Kollektorwirkungsgrad bestimmt, wie viel der Globalstrahlung, die auf einen Kollektor trifft, in nutzbare Wärme umgesetzt werden kann. Es gibt optische und thermische Verluste.

Abb. 6: Kollektorwirkungsgrade (aus: www.ing-büro-junge.de)

Wenn die Globalstrahlung auf den Solarkollektor trifft, gehen zunächst ca. 20% der Energie durch optische Verluste verloren. Der optische Wirkungsgrad wird in der Einheit Eta Null (η0) angegeben. Wenn die Temperatur des Absorbers genauso hoch wie die Umgebungstempera-tur ist, gibt es keine thermischen Verluste und der Kollektorwirkungsgrad entspricht genau dem optischen Wirkungsgrad des Solarkollektors. Das ist aber in den meisten Fällen nicht der Fall. Insbesondere im Winter gibt es große Unterschiede. Dann wird der Kollektorwirkungs-grad durch folgende Einflüsse verringert:

• Wärme wird in die Umgebung abgestrahlt • eine Konvektion, d. h. ein Wärmeaustausch mit der Luft findet statt • Wärme wird auf feste Körper übertragen, z. B. auf den Rahmen des Kollektors

Es lässt sich feststellen, dass bei einer zunehmenden Temperaturdifferenz zwischen Umge-bung und Absorber der Vakuum-Röhrenkollektor gegenüber dem Flachkollektor einen höhe-ren Kollektorwirkungsgrad hat (Abb. 6). Der Temperaturunterschied zwischen der Tempera-tur des Absorbers und der Außentemperatur wird mit Delta T (ΔT) in Kelvin angegeben. An-dere Wärmeverluste werden durch die Wärmeverlustbeiwerte k1 und k2 angegeben.

Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors errechnet sich mit der Formel:

η = η0 – (k1 · ΔT / Eg) – (k2 · ΔT² / Eg)

η = Kollektorwirkungsgrad η0 = optischer Wirkungsgrad k1, k2 = Wärmeverlustbeiwerte in W/(m²· K) ΔT = Temperaturdifferenz in K Eg = Bestrahlungsstärke in W/m²

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Solarspeicher

Bei einer Solaranlage fällt die Wärme nicht unbedingt dann an, wenn sie gerade benötigt wird. Ein ausreichend dimensionierter Solarspeicher speichert die Wärme, bis man sie braucht und ist ein integraler Bestandteil jeder effektiv arbeitenden Solaranlage. Neben der passenden Größe des Solarspeichers ist auch die Wahl des richtigen Typs wichtig.

Ein Solarspeicher ist hoch und schmal. Im Inneren werden unter-schiedlich temperierte Schichten im Solarspeicher erzeugt. Warme Wasserschichten befinden sich oben im Speicher, während die küh-leren Schichten unten liegen. Eine gute Isolation des Speichers ist ebenfalls wichtig, um Wärmeverluste zu minimieren.

Dient die Solaranlage ausschließlich der Trinkwassererwärmung gilt die Faustregel, dass der Speicher eine Energiemenge von etwa dem 1,5 bis 2-fachen des Tagesbedarfs fassen sollte. Bei einem 4-Personen-Haushalt entspricht dies ungefähr 300 bis 500 Litern.

Im unteren Bereich befindet sich der Wärmetauscher für die Solar-energie und im oberen Bereich der Wärmetauscher für die Nachhei-zung. Entscheidend ist, dass bei der Entnahme von warmem Was-ser und Nachfließen des kalten Wassers die Schichtung nicht zer-stört wird.

Abb. 7: Solarspeicher für WW (www.wagner-solar.com)

Der Kombi-Solarspeicher dient der gleichzeitigen Speicherung und Bereitstellung von Warmwasser und Heizungswasser. Dies ist über mehrere Lösungen möglich. Beim Tank-im-Tank-System befindet sich ein zusätzlicher, geschlossener Behälter innerhalb des Solarspeichers. So werden Heiz- und Trinkwasser effektiv voneinander getrennt und die Wärme des Solarspeichers auf den Trinkwasserbehälter übertragen. Alternativ kann das Trink-wasser im Durchlaufprinzip erhitzt werden.

Die Größe hängt vor allem von der Größe der Kollektorfläche ab. Als Richtwert sollten auf 1,5 m² Kollektorfläche 100 Liter Speichervolumen vorgehalten werden, d.h. bei einer Anlage mit einer Kollektorfläche von 12 m² sollte das Speichervolumen ca. 800 Liter betragen.

Abb. 8: Solar-Kombispeicher für WW+Heizung (www.wagner-solar.com)

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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2.2 Solarertrag

Unter dem Begriff Solarertrag versteht man die Solarenergie, die nach dem Abzug der ther-mischen Verluste der Solaranlage als Wärme genutzt werden kann. Bei thermischen Solaran-lagen ist das Hauptproblem, dass sie vor allem dann besonders viel Wärme liefern, wenn der Heizbedarf am niedrigsten ist. Umgekehrt sammeln sie zu dem Zeitpunkt relativ wenig Wär-me, wenn man die meiste Energie für die Heizung benötigt. Es gilt, einen Mittelweg zu fin-den, bei dem ausreichend Wärme durch die Solarkollektoren erzeugt wird (Kollektorfeldgrö-ße), die möglichst lange gespeichert werden kann (Größe des Speichers), ohne dass die An-lage zu groß und leistungsstark ausfällt. Die größten Energiegewinne durch eine größere An-lage fallen vor allem im Sommer an, sodass sich die Anlage durch höhere Investitionskosten und geringere Gesamteffizienz nicht so schnell wieder amortisiert wie eine passgenau be-rechnete Anlage. Diesen Umstand bezeichnet man auch als geringen Systemnutzungsgrad. Die folgenden Grafiken zeigen das Dilemma zwischen Solarenergieertrag und Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung ohne und mit Heizungsunterstützung.

Abb. 9: Solarer Deckungsgrad für WW und WW+Heizung (aus:www.solaranlagen-portal.com)

Übliche Werte für die Auslegung einer Solaranlage sind folgende Deckungsraten:

• Systeme für Warmwasser: 50% bis 60%

• Systeme für Warmwasser & Heizungsunterstützung: 20% bis 30%

Die Höhe des Solarertrages ist unter anderem von der Ausrichtung der Kollektoren abhängig, wobei sich ein besonders hoher Ertrag ergibt wenn diese in Richtung Süden zeigen. Eine Ausrichtung der Kollektoren in Richtung Südwest oder Südost reduziert den Solarertrag um ca. 5%. Eine Ausrichtung direkt nach Osten oder Westen reduziert den Ertrag sogar schon um 25% (Abb.10, S.13). Besteht jedoch die Wahl zwischen einer Südwestausrichtung und einer Südostausrichtung, dann sollte die Wahl auf die Südwestausrichtung fallen. Begründet wird dies dadurch, dass bei der Südwestausrichtung durch die höhere Lufttemperatur am Nachmittag (im Gegensatz zum Frühnebel am Morgen) höhere Solarerträge zu erwarten sind.

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Abb. 11: Einfluss Dachneigung/Ausrichtung auf Solarertrag (www.heizungsfinder.de)

Ein weiterer Einfluss auf den Solarertrag ergibt sich durch den Standort der Anlage. Über-schlägig kann man davon ausgehen, dass die eingestrahlte Solarenergie pro m² und Jahr (horizontal) in Deutschland 1000 kWh/m²a beträgt. Im Norden sind es etwas weniger (ca. 950 kWh/m²a) und im Süden etwas mehr (ca. 1100 kWh/m²a). Der deutsche Wetterdienst gibt Karten heraus, in denen das langjährige Mittel abgelesen werden kann.

Abb. 12: Jahressumme Solarenergie in kWh/m²a (www.dwd.de)

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Der Solarertrag ist neben der Kollektorausrichtung, der Sonneneinstrahlung und dem Wär-meverbrauch zudem abhängig von dem verwendeten Anlagentyp. Mithilfe von Computer-Simulationsprogrammen lässt sich der Solarertrag relativ genau berechnen. Z.B bietet die Firma Valentin aus Berlin eine Demoversion des Programms T*SOL an (www.valentin.de).

Als Richtwerte kann man folgende Solarerträge annehmen:

• Systeme für Warmwasser: 300 kWh/m²a bis 400 kWh/m²a

• Systeme für Warmwasser & Heizungsunterstützung: 200 kWh/m²a bis 300 kWh/m²a

Das Verhältnis zwischen solarem Deckungsgrad und solarem Nutzungsgrad ist gegenläufig. Je größer die Anlage dimensioniert wird, um so größer wird auch der solare Anteil am Ge-samtenergiebedarf. Allerdings sinkt damit die Effizienz der Anlage, da es längere Zeiten gibt, in denen ein ungenutzter Überschuss an solarer Energie bereitgestellt wird. Der Kollektorer-trag pro m² sinkt dadurch. Außerdem stehen die höheren Investitionskosten nicht im Ver-hältnis zum zusätzlich gewonnen Energieertrag und die Anlage wird wirtschaftlich unrentab-ler. Folgende Grafik soll die Zusammenhänge prinzipiell verdeutlichen.

Abb. 13: Solarer Deckungsgrad und solarer Nutzungsgrad (aus: DGS, S. 5-20)

2.3 Wirtschaftlichkeit

Neben dem Argument, durch eine solarthermische Anlage einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten, interessiert den Kunden natürlich auch die Wirtschaftlichkeit. Ob sich eine Solar-anlage amortisiert, hängt sehr stark von der Kostensteigerung für fossile Brennstoffe ab. Von 1998 bis 2008 ist der Heizölpreis von 23 Cent/Liter auf 76 Cent/Liter gestiegen, was unge-fähr einem Preisanstieg von 12% pro Jahr entspricht. Der Gaspreis ist in der gleichen Zeit von 30 Cent/m³ auf 63 Cent/m³ gestiegen. Dies entspricht ungefähr einem Preisanstieg von 8% pro Jahr (siehe Abb. 14, S. 15). Geht man davon aus, dass dieser Trend sich in Zukunft fortsetzt, kann mit einer durchschnittlichen Steigerung von 10 % gerechnet werden.

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Abb. 14: Preissteigerung von Öl und Gas (www.energiesparen-im-haushalt.de)

Der gegenwärtige Preis für 1 Liter Heizöl bzw. 1 m³ Erdgas beträgt ungefähr 80 Cent. Bei ei-nem Heizwert von ca. 10 kWh/Liter bzw. 10 kWh/m³ entspricht dies 8 Cent/kWh. Für die so-lar erzeugte Wärmeenergie muss gegenwärtig mit einem Preis von 20 Cent/kWh gerechnet werden.

Beispiel:

KKAP = Kapitalkosten pro Jahr KINV = Investitionskosten = 5000 € p = Kapitalzins = 3% n = Laufzeit = 20 Jahre

( )( ) 1p1

pp1KK n

n

INVKAP−+⋅+

=

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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( )( )

€336103,0103,003,01€5000K 20

20

KAP =−+

⋅+=

Für das Darlehen von 5000 € müssen bei einer Laufzeit von 20 Jahren und einem Zinssatz von 3% im Jahr 336 € bezahlt werden.

AK = Kollektorfläche = 5 m² Esol = Solarenergie = 1000 kWh/m²a sN = solarer Nutzungsgrad = 35% Qsol = Solarenergieertrag in kWh/a

NKSOLSOL sAEQ ⋅⋅=

a/kWh175035,0m5am/kWh1000Q 22SOL =⋅⋅=

Bei einer Solareinstrahlung von 1000 kWh pro m² und Jahr, einer Kollektorfläche von 5 m² und einem solaren Nutzungsgrad von 35% wird ein Solarenergieertrag von 1750 kWh pro Jahr geliefert.

kSOL = Solarwärmepreis

SOL

KAPSOL Q

Kk =

€192,0kWh1750€336kSOL ==

Die solar erzeugte kWh kostet ca. 20 Cent.

Diese 20 Cent werden allerdings über die gesamte Lebensdauer für eine kWh Wärme anfal-len. Steigt der Öl- bzw. Gaspreis um die angenommen 10% pro Jahr werden diese Kosten schon nach 10 Jahren erreicht, d.h. ab dem zehnten Jahr bezahlt man für die solar erzeugte kWh weniger als für eine kWh die mit Öl oder Gas erzeugt wurde. Man geht bei Solaranlagen von einer Lebensdauer von mindestens 20 Jahren aus.

Beispiel

kSOL = 20 Cent/kWh kGAS = 8 Cent/kWh p = 10% pro Jahr n = Jahre

Nach wie vielen Jahren wird der Preis für Heizöl oder Erdgas von 20 Cent/kWh erreicht?

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Zinseszinsformel:

( )nGASSOL p1k k +⋅=

umgestellt nach n:

( )p1lnkkln

n GAS

SOL

+=

( ) Jahre9,60,09530,9163

0,11ln820ln

n ==+

=

Nach 9,6 Jahren beträgt der Preis für Heizöl bzw. Erdgas bei einer angenommenen Preisstei-gerung von 10% pro Jahr ebenso viel wie für eine kWh erzeugte Solarenergie bezahlt wer-den muss.

Im Internet findet man eine Reihe von Onlinerechnern für Solaranlagen. Hier ein Beispiel des Internetportals "co2online".

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Abb. 15: Berechnungsbeispiel einer Solaranlage (www.co2online.de)

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Funktion und Wirtschaftlichkeit von Solarthermieanlagen

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Beispiele für die Kosten von Solaranlagen

Abb. 16: Kosten von Solaranlagen (aus: www.heizungsfinder.de)

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Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

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3 Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

Die dargestellte Entwicklung des Absatzes an solarthermischen Anlagen und die Prognosen (siehe Abb. 2 und 3, S. 4f) zeigen das Potenzial auf, das Handwerksbetrieben des Sanitär-, Heizungs- und Klimagewerbes zur Verfügung steht. Außerdem kann die Technologie bei rich-tiger Wahl des Systems und fachgerechter Dimensionierung und Installation den relativ gro-ßen Anteil der privaten Haushalte am Primärenergieverbrauch für Heizung und Warmwasser verringern, um die von der Bundesregierung gesetzten CO2-Minderungsziele zu erreichen.

Deshalb ist es wichtig, dass das Handwerk sich auf diese Technik einstellt. Neben der not-wendigen Weiterbildung für Handwerker und Meister trägt auch die Vermittlung entspre-chenden Wissens in der Berufsausbildung dazu bei, Hemmnisse abzubauen und zu einer fortschrittlichen Kundenberatung beizutragen. Die Auszubildenden von heute sind die Ver-käufer und Monteure von morgen.

Deshalb ist es wichtig, dass zukünftige Gesellen in ihrer Ausbildung Wissen vermittelt be-kommen, um entsprechende Kundenanfragen zufrieden stellend zu beantworten. Denn sie befinden sich bei Wartung und Instandsetzung der Altanlagen vor Ort und werden als erste nach Alternativen gefragt, wenn die alte Heizung erneuert werden soll. Der Kunde erwartet von einer SHK-Fachkraft, dass sie nicht nur handwerkliche Fähigkeiten besitzt, sondern auch alternative Techniken kennt, deren Vor- und Nachteile verständlich erklärt und notwendige Voraussetzungen und Rahmenbedingungen nennen kann.

Die veränderten Anforderungen finden auch ihren Niederschlag in der Neufassung der Aus-bildungsverordnung für das SHK-Handwerk. Sie fordert die Vermittlung von kunden- und handlungsorientierter Auftragsbearbeitung und die Berücksichtigung nachhaltiger Energie-nutzungssysteme.

3.1 Berufsschule

Im Rahmenlehrplan für den Ausbildungsberuf Anlagenmechaniker für Sanitär-, Hei-zungs- und Klimatechnik gibt es zum Thema "Solarthermie" in den Lernfeldern 9, 11

und 15 Bezüge. Im Lernfeld 9 wird die Hervorhebung ökologischer Gesichtspunkte bei der Kundenberatung im Zusammenhang mit der Auswahl von Heizgeräten eingefordert. Im Lern-feld 11 sollen Trinkwassererwärmungssysteme auch unter ökologischen Gesichtspunkten auswählt und die Kunden entsprechend beraten werden. Im Lernfeld 15 sollen die Auszubil-denden anhand von Arbeitsaufträgen den Einbau und das Zusammenwirken ressourcenscho-nender Anlagen planen.

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Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

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Lernfeld 9: Installieren von Wärmeerzeugern 3. Ausbildungsjahr Zeitrichtwert: 80 Stunden

Zielformulierung: Die Schülerinnen und Schüler planen anhand von Kundenaufträgen das Aufstellen und die Inbetriebnahme von Heizkesseln und Geräten, deren Anbindung an die Wärmeverteilungs-, Trinkwassererwärmungs-, Ab-gas- und Brennstoffversorgungsanlage. Die Kunden werden unter Hervorhebung ökologischer Gesichtspunkte bei der Auswahl der Heizkessel und Geräte einschließlich der Abgasführung beraten. Die Schülerinnen und Schüler wählen die erforderlichen Systemkomponenten und die sicherheitstechnische Ausrüstung für verschiedene Wärmeerzeuger aus und planen deren Montage und Prüfung. Hierzu werten sie Unterlagen von Herstellern aus, nutzen Herstellersoftware für Planungs- und Beratungszwecke, beachten die Vorschriften zur Aufstellung von Wärmeerzeugern, ergänzen Zeichnungen und fertigen einfache Monta-geskizzen an. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen und diskutieren Lösungsvorschläge und begründen ihre Entscheidungen. Sie ermitteln den Brennstoffverbrauch, beurteilen die Energieausnutzung bei der Verbrennung und bewerten die Abgaszusammensetzung. Messergebnisse werden dokumentiert und kundenorientiert aufgearbeitet. Es werden Verfahren zur Prüfung von Anschlüssen der Brennstoffversorgung sowie von sicherheitstechni-schen Einrichtungen genutzt.

Inhalte: - Richtlinien für das Aufstellen von Wärmeerzeugern - Genehmigungsverfahren durch den Schornsteinfeger - Energieeinsparverordnung - Öl- und gasbefeuerte Wärmeerzeuger: Werkstoffe, Betriebsweise, Brennstoffe, Brennstoffkennwerte - Leistungsdaten - Sicherheitstechnische Ausrüstung - Abgasanlagen, Nebenluftvorrichtung - Brennerarten, Brennereinstellung - Verbrennung, Verbrennungsprodukte, Emission, Immission, Grenzwerte, Abgasanalyse, Brennstoffver-

brauch - Energieausnutzung, Energiekosten, Wirkungsgrade, Nutzungsgrad - Ressourceneinsparpotenzial bei Auswahl, Erneuerung und Einstellung von Wärmeerzeugern - Fachtechnische Beratung

Lernfeld 11: Installieren von Anlagen zur Trinkwassererwär-mung

3. Ausbildungsjahr Zeitrichtwert: 80 Stunden

Zielformulierung: Die Schülerinnen und Schüler planen die Installation der Trinkwarmwasseranlage im Gebäude. Sie wählen Erwärmungs- und Verteilungssysteme für Trinkwarmwasser entsprechend der Komfortansprüche der Kunden, der Beschaffenheit des Trinkwassers, sowie wirtschaftlicher und ökologischer Gesichtspunkte aus, begründen ihre Entscheidungen und beraten Kunden. Sie planen die Elektroinstallation für Trinkwassererwärmer unter Berücksichtigung der Vorgaben des Ener-gieversorgers, werten Schaltpläne aus, bestimmen Leiterquerschnitte und zeichnen einfache Installations- und Verdrahtungspläne. Die Schülerinnen und Schüler beachten die Vorschriften zur Elektroinstallation und legen Maßnahmen zum Schutz von Personen und Einrichtungen fest. Sie führen Messungen und Prüfungen an elektrischen Geräten und Installationen durch, bewerten die Ergebnisse und beseitigen systematisch die Fehler. Sie prüfen die elektrische Versorgung auf Absicherung, ordnungsgemäße Schutzmaßnahmen und Freischal-tung und beachten die Bestimmungen der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes.

Inhalte: - Trinkwassererwärmungssysteme: Unterteilung nach Funktion, Bauart und Beheizungsart - Bauelemente von Trinkwassererwärmungsanlagen - Kenndaten der Trinkwassererwärmer - Solarthermische Trinkwassererwärmung - Bauelemente einer solarthermischen Anlage - Zirkulation - Wasserhygiene - Regel- und Sicherheitseinrichtungen - Wärmedämmung - Elektrischer Anschluss

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Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

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- Elektrische Größen - Schutzmaßnahmen, insbesondere Potentialausgleich, Netzformen - Leitungs- und Verlegungsarten - IP Klassifizierung - Unfallverhütungsvorschriften bei Dacharbeiten - Unfallverhütungsvorschriften bei Arbeiten an Elektroinstallationen

Lernfeld 15: Integrieren ressourcenschonender Anlagen in Systeme der Gebäude- und Energietechnik

4. Ausbildungsjahr Zeitrichtwert: 60 Stunden

Zielformulierung: Die Schülerinnen und Schüler planen anhand von Arbeitsaufträgen den Einbau und das Zusammenwirken ressourcenschonender Geräte, Anlagen und Systeme aus einem der Bereiche Wassertechnik, Lufttechnik, Wärmetechnik, Umwelttechnik/erneuerbare Energien. Unter Berücksichtigung kundenspezifischer Wünsche, Nutzerverhalten sowie baulicher Gegebenheiten wer-den Lösungsvorschläge entwickelt, dokumentiert und präsentiert. Dabei werden insbesondere Veränderun-gen hinsichtlich des Einsatzes von Geräten, Anlagen und Systemen aufgrund technologischer, wirtschaftli-cher, ökologischer, gesellschaftlicher und nachhaltiger Entwicklungen berücksichtigt und bewertet. Notwendige Einstellungen werden vorgenommen und dokumentiert. Der Anlagenbetreiber wird unter Be-rücksichtigung von Sicherheit, Energieeinsparung und Umweltschutz in die Bedienung der Anlage eingewie-sen.

Inhalte: - Regenerative Energiequellen - Technologien zur Nutzung regenerativer Energieträger - Fachtexte auch in englischer Sprache - Energetische Bewertung und Optimierung von Systemen und Anlagen - Umweltberatung, Energieberatung - Bivalente Heizungssysteme - Möglichkeiten der Gebäudeleittechnik, Bustechnologie - Anwendersoftware zur Planung und Ausführung

Abb. 17: Auszug aus dem Rahmenlehrplan für AM-SHK (www.berufenet.arbeitsagentur.de)

3.2 Ausbildungsbetrieb

In dem betrieblichen Ausbildungsrahmenplan der Anlagenmechaniker für Sanitär-, Hei-zungs- und Lüftungstechnik sind ebenfalls Anknüpfungspunkte zum Thema "Solarther-mie" zu finden. So sollen die Auszubildenden vor allem im 3. und 4. Ausbildungsjahr nachhal-tige Energiesysteme kennen lernen.

Auszüge aus dem betrieblichen Ausbildungsrahmenplan für die Berufsausbildung zum Anlagenmechaniker für Sanitär-, Hei-zungs- und Klimatechnik

Abschnitt II: Berufliche Fachbildung

Nr. 14 Berücksichtigung nach-haltiger Energie- und Wassernutzungssysteme

- Kunden hinsichtlich Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien be-raten

- Nachhaltigkeit von Energie- und Wasserversorgungssystemen bewer-ten

- Ressourcenschonende Techniken zur rationellen Wasser- und Ener-gienutzung anwenden

Nr. 16.2 Kundenorientierte Auf-tragsbearbeitung

- Aufträge entgegennehmen und unter Beachtung ökonomischer, öko-logischer und terminlicher Vorgaben kundengerecht ausführen

- Gewerkeübergreifende Leistungen abstimmen und ausführen - Anlagenbetreiber unter Berücksichtigung von Sicherheit, Energieein-

sparung und Umweltschutz in die Bedienung der Anlage einweisen - Anlage mit Übergabeprotokoll übergeben

Page 30: Didaktische Handreichungen

Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

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Nr. 16.3 Berücksichtigung bau-physikalischer, bauöko-logischer und wirt-schaftlicher Rahmenbe-dingungen

- Anlagenbetreiber über bauphysikalische Zusammenhänge bei Planung, Ausführung und Betrieb versorgungstechnischer Anlagen und Systeme informieren

- Baustellen, insbesondere nach ökonomischen, ergonomischen und ökologischen Erfordernissen einrichten, unterhalten und räumen

- Betriebswirtschaftliche Grundsätze hinsichtlich Personalkosten und Montagezeiten sowie Material- und Werkzeugeinsatz berücksichtigen

- Zusatzbedarf des Kunden feststellen, Kunden über Verkaufspreise und Kundennutzen informieren

- Anschlussaufträge, insbesondere Wartungsaufträge, akquirieren

Abb. 18: Auszug aus der Ausbildungsordnung AM-SHK (www.berufenet.arbeitsagentur.de)

3.3 Überbetriebliche Ausbildung

Die Inhalte der im Handwerk obligatorischen überbetrieblichen Lehrgänge orientieren sich sehr stark an den betrieblichen Ausbildungsrahmenplänen. Für das 3. Ausbildungsjahr der Anlagenmechaniker für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik sind drei Lehrgänge von insgesamt vier Arbeitswochen vorgesehen. Die Inhalte der Lehrgänge sollen an Aufga-ben, die Kundenaufträgen entsprechen, handlungsorientiert unter Berücksichtigung der be-trieblichen, technischen und kundenorientierten Kommunikation, vermittelt werden. Für das Thema "Solarthermie" sind u.a. folgende Inhalte von Bedeutung:

Kenn- ziffer

Thema Inhalte (Auszüge)

IH4/03 Gerätetechnik Wär-me

- Armaturen, Mess-, Steuerungs-, Regelungs- und Sicherheitseinrichtun-gen sowie Förder- und Versorgungseinrichtungen prüfen, Ergebnisse do-kumentieren und Instandhaltung ausführen

- Geräte, Armaturen und Wärmeerzeugungsanlagen unter Beachtung der geltenden Normen und technischen Regeln, der Energieeinsparung so-wie hygienischer und funktionaler Gesichtpunkte montieren, anschließen und in Betrieb nehmen

IH5/03 Elektro-, Mess-, Steuer- und Rege-lungstechnik

- Elektrische Komponenten zum Messen, Steuern, Regeln und Überwa-chen einbauen

- Elektrische Steuerungs- und Hauptstromkreise überprüfen und schritt-weise in Betrieb nehmen

- Mess-, Steuerungs-, Regelungs-, Sicherheits- und Überwachungseinrich-tungen, entsprechend kunden- und systemspezifischen Anforderungen überprüfen, einstellen und in Betrieb nehmen

IH6/03 Kundenorientierte Auftragsbearbeitung, Inbetriebnahme, In-standhaltung

- Technologische, ökologische und ökonomische Eigenschaften von Ener-gie- und Brennstoffarten sowie von Material-, Werk- und Hilfsstoffen bei Planung, Bau, Betrieb und Entsorgung berücksichtigen

- Anlagenbetreiber unter Berücksichtigung der Sicherheit, Energieeinspa-rung und Umweltschutz in die Bedienung der Anlage einweisen

- Ablauf der Kundenaufträge, durchgeführte Qualitätskontrollen und tech-nische Prüfungen dokumentieren

Abb. 19: Auszug aus der ÜBA für AM-SHK (www.hpi-hannover.de)

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Zum Stellenwert der Solarthermie in der Ausbildung

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Ziel der Lehrgänge ist die Entwicklung beruflicher Handlungskompetenz. Dazu werden fol-gende Prinzipien genannt:

– eine gestaltungsoffene und flexible Durchführung vor Ort, die regionale und betriebliche Besonderheiten berücksichtigt

– nach betrieblichem, branchen- bzw. regionalspezifischem Bedarf inhaltlich, methodisch und zeitlich flexibilisierbar und adressatengerecht aufbereitete Inhalte

– die Zusammenstellung eines geeigneten Methodenmixes, der sich an den Lernvoraussetzungen der Teil-nehmer orientiert

– eine Orientierung an den Geschäfts- und Arbeitsprozessen der Betriebe

– die Vermittlung von Fach-, Human- und Sozialkompetenz nach dem Prinzip der handlungsorientierten Un-terweisung

Durch die Auseinandersetzung mit energieeffizienter Wärmeerzeugung mittels einer Kunden-anfrage sollen die Auszubildenden neben dem technischen Wissen über eine moderne Hei-zungsanlage die Bedeutung nachhaltigen Wirtschaftens kennen lernen. Auf diese Weise ent-wickeln sie Beratungskompetenz und erkennen Gewerke übergreifende Zusammenhänge.

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Grundsätze zur Gestaltung der Lerneinheit

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4 Grundsätze zur Gestaltung der Lerneinheit

Seit 2003 sind alle Metall- und Elektroberufe neu geordnet worden. Die Neuordnung soll u.a. dazu beitragen, dass sich die Ausbildung verstärkt an ganzheitlichen Arbeits- und Geschäfts-prozessen orientiert. Diese Leitidee bildet sich sowohl in den betrieblichen Ausbildungsrah-menplänen als auch in den lernfeldstrukturierten Rahmenlehrplänen für den Berufsschulun-terricht ab. Lernfelder sollen sich danach an konkreten beruflichen Arbeitsaufgaben und Handlungsabläufen orientieren. Die ganzheitliche Auftragsbearbeitung ist ebenfalls das Quali-fikationsprofil der Gesellen- und Facharbeiterprüfungen, sodass dieser Zielsetzung zusätzlich ein besonderer Stellenwert zukommt.

Die Kultusministerkonferenz hat schon 1991 für die berufliche Bildung folgende Leitziele festgelegt:

• Erweiterung der Allgemeinbildung

• Selbstständiges Planen, Durchführen und Beurteilen von Arbeitsaufgaben im Beruf

• Mitgestaltung von Arbeitswelt und Gesellschaft in ökologischer und sozialer Verantwortung

Diese Leitziele sind seit 1996 Grundlage jedes Rahmenlehrplanes für neu geordnete oder neue Ausbildungsberufe (Bildungsauftrag der Berufsschule). Daraus abgeleitete didaktische Grundsätze werden wie folgt beschrieben:

• Didaktische Bezugspunkte sind Situationen, die für die Berufsausübung bedeutsam sind (Ler-nen für Handeln).

• Den Ausgangspunkt des Lernens bilden Handlungen, möglichst selbst ausgeführt oder aber gedanklich nachvollzogen (Lernen durch Handeln).

• Handlungen müssen von den Lernenden möglichst selbstständig geplant, durchgeführt, über-prüft, ggf. korrigiert und schließlich bewertet werden.

• Handlungen sollten ein ganzheitliches Erfassen der beruflichen Wirklichkeit fördern, z. B. tech-nische, sicherheitstechnische, ökonomische, rechtliche, ökologische, soziale Aspekte einbezie-hen.

• Handlungen müssen in die Erfahrungen der Lernenden integriert und in Bezug auf ihre gesell-schaftlichen Auswirkungen reflektiert werden.

• Handlungen sollen auch soziale Prozesse, z. B. der Interessenerklärung oder der Konfliktbe-wältigung, einbeziehen.

In den berufsbezogenen Vorbemerkungen der Anlagenmechaniker für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik werden folgende weitere, für die Entwicklung von Lernsituationen relevan-te Richtlinien genannt.

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Grundsätze zur Gestaltung der Lerneinheit

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Die Schülerinnen und Schüler ...

• beachten die besondere Verantwortung der Anlagenmechaniker/ Anlagenmechanikerin für Sa-nitär-, Heizungs- und Klimatechnik für die Sicherung der menschlichen Lebensgrundlagen im Zusammenhang mit einer auf Nachhaltigkeit orientierten Energie- und Ressourcennutzung und entwickeln Beratungskompetenz im Hinblick auf die Techniken zur Energie- und Ressourcen-einsparung, zur rationellen Energienutzung und zur Nutzung erneuerbarer Energien. Dabei be-trachten sie das Haus als energetisches Gesamtsystem und berücksichtigen gewerke-übergreifende Zusammenhänge.

• betrachten sich als Dienstleister am Kunden und orientieren ihr Handeln und Auftreten an den Erwartungen und Wünschen der Kunden.

Die zu gestaltenden Lernsituationen sollen sich an den beruflichen Arbeits- und Geschäfts-prozessen orientieren. Deshalb erhalten das kundenorientierte Berufshandeln und die Auf-tragsabwicklung einen besonderen Stellenwert und sind bei der Umsetzung der Lernfelder besonders zu berücksichtigen. Des Weiteren wird an relativ vielen Stellen auf die Verantwor-tung für den Schutz der Umwelt und eine rationelle Verwendung der Energie hingewiesen.

Die Lernsituationen sind dem zu Folge so zu konzipieren, dass der Erwerb von technischen Fertigkeiten und Kenntnissen verbunden ist mit der Entwicklung einer an Nachhaltigkeitskri-terien orientierten beruflichen Handlungskompetenz.

Abb. 20: Die Leitidee "Berufsausbildung für nachhaltige Entwicklung"

Page 35: Didaktische Handreichungen

Gestaltung der Lernmaterialien

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5 Gestaltung der Lernmaterialien

Generell sind die Lernmaterialien so gestaltet, dass die Schüler möglichst selbstständig in Gruppen (Firmen) die Aufträge bearbeiten können. Der Lehrer soll vor allem die Rolle des Lernorganisators und Lernberaters einnehmen. Die Materialien sollen vor allem als E-Learning-Version eingesetzt werden. Es kann allerdings sinnvoll sein, manche Arbeitsblätter auch als Druck-Version zur Verfügung zu stellen.

Die Arbeitsblätter sind in der Regel als ausfüllbare Formulare im PDF-Format gestaltet, so-dass auf dem Rechner ein Programm, dass PDF-Dateien lesen kann (z.B. Acrobat-Reader) zur Verfügung stehen muss. Für die Bearbeitung einiger Arbeitsblätter ist ein Tabellenkalku-lationsprogramm erforderlich. Für Skizzen und Zeichnungen ist eventuell ein zusätzliches Zei-chenprogramm sinnvoll. Einfacher wird es sein, diese Arbeitsblätter auszudrucken und die Zeichnungen von Hand zu erstellen. Diese könnten, falls gewünscht, durch Scannen wieder digitalisiert werden.

Auf der DVD ist die sogenannte "Digitale Schultasche" vorhanden, die eine Reihe von sinn-vollen Programmen, wie z.B. das Software-Paket "OpenOffice", bereitstellt (näheres dazu in Kapitel 5.4)

5.1 Der Aufbau der LERNER-DVD

Abb. 21: Label der DVD "Lerneinheit Solarthermie"

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Gestaltung der Lernmaterialien

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Auf der LERNER-DVD befinden sich die wesentlichen Materialien für die Bearbeitung des Kundenauftrags. Die LERNER-DVD ist selbststartend und ihre Steuerungsoberfläche wurde mit der Autorensoftware Mediator erstellt. Diese Software ist an Schulen relativ weit verbrei-tet und ermöglicht es auch Schülern ohne Programmierkenntnisse interaktive CDs zu erstel-len. Auf der LERNER-DVD ist die Mediator-Datei im nicht veränderbaren EXE-Format vorhan-den. Eine kurze Anleitung zur Veränderung einer Seite in der Lernsoftware finden Sie in Kapi-tel 5.3.

Über die Oberfläche wird der Lernweg zur Bearbeitung der Kundenanfrage gesteuert. Von den Lernaufgaben auf den jeweiligen Seiten gelangt man zu den Videosequenzen, Informati-onsblättern (INFO) und Arbeitsblättern (AB), mit denen die Schüler relativ selbstständig in Gruppen die Lernaufgaben bearbeiten können. Durch entsprechende Schaltflächen ist das Navigieren durch die Teilbereiche möglich.

Besondere Bedeutung haben die Videosequenzen, die auf einfache Weise einen realistischen Eindruck über das Auftragsobjekt sowie bestehende Anlagen und die Installation und Inbe-triebnahme von Solarthermie-Anlagen vermitteln sollen. Es handelt sich um nicht professio-nelle Aufnahmen, die mit einer einfachen Handkamera ohne zusätzliche technische Ausrüs-tung entstanden sind, sodass die Bild- und Tonqualität nicht immer optimal ist. Um noch rea-lere Vorstellungen über diese Technologie und die dafür notwendigen Kenntnisse und Fertig-keiten zu vermitteln, wären natürlich zusätzliche Demonstrations- und Experimentieranlagen in der Bildungseinrichtung oder Exkursionen zu entsprechenden Objekten wünschenswert.

Die Informationsblätter sind auf der LERNER-DVD durchgängig als PDF-Dokumente abgelegt. Es handelt sich in der Regel um Auszüge von Originalbroschüren entsprechender Firmen und Organisationen. Außerdem wurde der Informationspool durch Animationen über die Techno-logie erweitert. Die Arbeitsblätter werden in der Regel als Formulare im PDF-Format oder Ex-cel-Format bereitgestellt, sodass die Schüler nur in die freigegebenen Felder ihre Ergebnisse eintragen können.

5.2 Die Lehrer-DVD

Auf der Lehrer-DVD sind neben dieser Handreichung zur Vorbereitung und Durchführung der Lerneinheit alle Lernmaterialien der Schüler mit Lösungshinweisen und einige zusätzliche Ma-terialien vorhanden. Diese sind hier in Formaten abgelegt, die es ermöglichen, dass Sie die Lernmaterialien nach Ihren Bedürfnissen und Vorstellungen bearbeiten können.

Nur auf der Lehrer-DVD ist auch die bearbeitbare Datei der Navigationsoberfläche hinterlegt, zu deren Bearbeitung allerdings die Mediator-Software vorhanden sein muss. Der Umgang mit der Software kann relativ schnell erlernt werden. Eine kurze Einführung finden Sie in dem folgenden Kapitel 5.3. Nach der Bearbeitung wird eine so genannte Runtime-Version er-zeugt, die als EXE-Datei ohne das Programm ausführbar ist.

Page 37: Didaktische Handreichungen

Gestaltung der Lernmaterialien

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Werden Veränderungen an den Dateien im Word- oder Excel-Format vorgenommen, müssen diese sinnvoller Weise auch wieder in das PDF-Format konvertiert bzw. in Formulare umge-wandelt werden. Für die Konvertierung in das PDF-Format benötigen Sie z.B. den Acrobat-Writer.

5.3 Bearbeitung der Mediator-Datei

Die Lernsoftware ist mit dem Programm Mediator 8 erstellt worden. Dies ist eine an den Schulen häufig verwendete Autorensoftware zur Erstellung interaktiver Lernprogramme. In den Medienzentren werden hin und wieder Einführungskurse zu dieser Software angeboten. Sie erhalten Schullizenzen über die Firma MatchWare (www.matchware.com). Auf der Leh-rer-DVD befindet sich die bearbeitbare Datei unter dem Namen LE-Solarthermie.md8

Abb. 22: Mediator Bearbeitungsoberfläche

Die folgenden Hinweise sollen Ihnen eine kleine Einführung geben, wie Sie die jeweiligen Seiten nach Ihren Vorstellungen verändern können. Sie werden merken, dass Sie nach rela-tiv kurzer Zeit die Systematik des Programms verstehen und ohne große Anleitung Verände-rungen vornehmen können.

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Gestaltung der Lernmaterialien

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Auf der linken Seite befinden sich drei Fenster, in denen die jeweilige zu bearbeitende Seite, die Objekte der Seite und die Eigenschaften der einzelnen Objekte angezeigt werden. In dem Beispiel ist die Seite 'Hauptmenue' aktiv. Vermeiden Sie generell bei der Benennung Umlau-te. Durch Anklicken des Namens wird die jeweilige Seite im Bearbeitungsfeld angezeigt und durch Anklicken eines Objekts können die entsprechenden Eigenschaften verändert werden. Klickt man das Objekt mit der rechten Maustaste an, hat man die Möglichkeit die Beschrif-tung zu bearbeiten oder unter 'Ereignisse' die jeweiligen Aktionen festzulegen. In dem Bei-spiel verändert sich beim Überfahren der Schaltfläche der Mauszeiger vom Pfeil in eine Hand und umgekehrt und beim Klicken der Maustaste innerhalb der Schaltfläche wird die Seite 'LA1_Kundenanfrage' aufgerufen. Der Hintergrund ist durch Masterseiten gestaltet. In dem Beispiel sind es die Seiten mit dem Namen 'MasterHintergrund' und 'Masternavi_o_Weiter'. Am unteren Rand der Arbeitsfläche befinden sich drei kleine Buttons, mit denen Sie die aktu-elle Seite, die untere und die obere Masterseite (Button mit Auge) aktivieren und bearbeiten können. Die Masterseiten tauchen ebenfalls in der Seitenleiste auf bzw. können unter Ob-jekteigenschaften der aktuellen Seite zugewiesen werden.

Die Veränderungen können Sie mit Hilfe des sich in der oberen Leiste befindenden Buttons 'Test' überprüfen. Sind alle Veränderungen erfolgreich durchgeführt worden, können Sie mit Hilfe des sich unter dem Button 'Datei' befindenden Menüpunktes 'Runtime erzeugen' eine EXE-Datei erzeugen, die dann ohne das Programm Mediator direkt ausführbar ist.

5.4 Die "Digitale Schultasche"

Auf der DVD befindet sich unter Programme die sogenannte "Digitale Schultasche" als EXE-Datei (DS-121-Sek.exe), die noch ent-packt werden muss. Es handelt sich um die portable Version, für die vorgeschlagen wird, dass die Schüler sie auf einen USB-Stick übertragen. Bislang dienten USB-Speichersticks lediglich als portable Daten-speicher. Dank etlicher Programmentwickler kann Software zur Verfügung gestellt wer-den, die mit dem USB-Stick neue Arbeitsfor-men in der Schule und zu Hause ermöglicht. Die digitale Schultasche enthält neben den persönlichen Daten auch die Programme des Anwenders. So sind gleichzeitig immer mit da-bei: ein komplettes Office-Paket, Programme zur Bildbearbeitung, ein digitales Tonstudio, Werkzeuge zum Mindmapping, Tools zur Herstellung eigener Lernsoftware, ein Wiki, sogar ein Internetbrowser, ein Mailclient und vieles mehr. Die Software ist frei und darf in der Schule und auch zu Hause benutzt werden.

Abb. 23: Digitale Schultasche auf USB-Stick

Page 39: Didaktische Handreichungen

Gestaltung der Lernmaterialien

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Die Software startet vom Stick. Der Wirtsrechner braucht nur noch Windows und den Inter-netzugang. Alles andere hat man in der digitalen Schultasche immer mit dabei. Die Vorteile sind:

• Die Software ist kostenlos. Das macht unabhängig von Geld- und Beschaffungsver-fahren. Die Lizenzverwaltung entfällt.

• Die Anwenderprogramme erfordern keine Installation. Das vereinfacht Softwarever-teilung und -updating.

• Lehrende und Lernende können zu Hause mit derselben Software und denselben Da-ten arbeiten wie in der Schule.

• Im Unterrichtsnetz wird kein Speicherplatz mehr benötigt. Die Daten befinden sich in der digitalen Schultasche.

• In vielen Fällen kann die Benutzerverwaltung im Unterrichtsnetz entfallen.

• In vielen Schulen können aufwändige Kommunikationsserver durch einfache Router ersetzt werden.

Zum Packen einer digitalen Schultasche wird ein USB-Stick mit mindestens zwei Gigabyte empfohlen.

Kurzbeschreibung

1. Datei "start.bat" in der SCHULTASCHE starten

2. Klick auf das Play-Symbol in der Leiste rechts unten

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Gestaltung der Lernmaterialien

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3. Programm auswählen und starten

4. Nach der Arbeit: Start-Programm beenden

5. Hardware sicher entfernen (Leiste rechts unten)

6. Stick entfernen

Abb. 24: Kurzanleitung "Digitale Schultasche" (Download unter www.medienzentrum- kassel.de/kasseler-schulen-am-netz/digitale-schultasche)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6 Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

Erste Erfahrungen mit der Durchführung der Lerneinheit "Planung einer Solarthermie-Anlage" zeigen, dass die Schüler mit der Lernsoftware relativ selbstständig arbeiten können und mo-tiviert die entsprechenden Lernaufgaben bearbeiten. Optimal ist es, wenn für jede Arbeits-gruppe zwei Laptops zur Verfügung stehen. Falls die Bildungseinrichtung über ein Intranet verfügt, kann die Lernsoftware auch über den Server bereitgestellt werden. Um den Schülern ein Weiterarbeiten auch außerhalb der Bildungseinrichtung zu ermöglichen, wäre es trotz-dem sinnvoll, jedem eine eigene DVD zur Verfügung zu stellen.

Vor allem für die Analyse der Videos sollte mit Kopfhörern gearbeitet werden, wenn sich die Gesamtlerngruppe in einem Raum befindet. In der Regel haben die Schüler eigene Kopfhörer dabei und über entsprechende Adapter können auch mehrere über einen Audioausgang des Computers mithören.

Die Lernsoftware ist so gestaltet, dass die wesentlichen Informationen für die Bearbeitung der Lernaufgaben auf der DVD vorhanden sind. Es kann aber durchaus sinnvoll und zum Teil auch notwendig sein, dass die Schüler außerdem Printmedien (auch ihr Fach- und Tabellen-buch) oder das Internet als zusätzliche Informationsquelle nutzen.

Für die komplette Durchführung sind etwa 30 Stunden einzuplanen. Es hat sich gezeigt, dass je nach zur Verfügung stehender Zeit und Art der Lerngruppe es auch möglich ist, sinnvolle Ausschnitte bearbeiten zu lassen, ohne dass dadurch der Gesamtzusammenhang verloren geht.

Die Einbettung des Themas "Solarthermie" in verschiedene Lernfelder der Rahmenlehrpläne der Berufsschule bzw. der betrieblichen und überbetrieblichen Ausbildung, wurde schon in Kapitel 3 ausführlich dargestellt. Durch die relativ allgemeinen Formulierungen in den Ord-nungsmitteln ergeben sich ausreichende Spielräume, diese wichtige und zukunftsweisende Technologie in die Ausbildung verstärkt einzubeziehen. Zudem können eine relativ große An-zahl von grundlegenden Aspekten für Anlagenmechaniker an einem Thema bearbeitet wer-den.

In den folgenden Unterkapiteln werden für das Arbeiten mit der Lernsoftware einige Hinwei-se gegeben, die auf Erfahrungen aus den ersten Durchführungen der Lerneinheit beruhen und beachtet werden sollten.

Page 42: Didaktische Handreichungen

Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6.1 Startseite

Abb. 25: Startseite der Lernsoftware Solarthermie

Die Lernsoftware ist normalerweise selbststartend. Beim Einlegen in das DVD-Laufwerk müsste die oben abgebildete Seite erscheinen. Falls dies nicht der Fall ist, muss in dem Ord-ner 'exe' die Datei 'LE-Solarthermie.exe' gestartet werden.

Außer dem Willkommensgruß und der allgemeinen Beschreibung der Lerneinheit ist darauf zu achten, dass die Schüler die Hinweise zum Arbeiten mit der Lernsoftware lesen. Vor allem muss den Schülern klar sein, dass die erarbeiteten Ergebnisse auch tatsächlich auf einem geeigneten Medium (z.B. USB-Stick, Festplatte, Account auf dem Schulserver) gespeichert werden müssen. Wird dies nicht beachtet, kann das sehr schnell bei den Schülern zu einem ersten unnötigen "Frusterlebnis" führen.

Page 43: Didaktische Handreichungen

Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6.2 Hauptmenü

Abb. 26: Hauptmenü der Lernsoftware Solarthermie

Vom Hauptmenü aus kann der Lernweg beschritten werden. Durch Klicken auf das entspre-chende Bild kommt man zu der jeweiligen Lernaufgabe. Nach der Bearbeitung jedes Kapitels kommt man wieder zum Hauptmenü zurück. Mit 'Weiter' oder 'Zurück' wird die nächste oder vorhergehende Seite aufgerufen. Auf der Hauptmenüseite ist der Weiterbutton gesperrt, damit die Schüler in den Lernweg einsteigen. Eine sinnvolle Navigationshilfe ist der Wegwei-ser. Mit ihm kann von jeder beliebigen Stelle aus auf die gewünschte Seite gesprungen wer-den. Eine etwas sensible Handhabung ist erforderlich, da der Wegweiser sofort verschwin-det, wenn man mit der Maus auf die Hauptfläche kommt. Dies wurde aber bewusst so pro-grammiert, damit die gesamte Oberfläche für die Gestaltung der Seite zur Verfügung steht.

Page 44: Didaktische Handreichungen

Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6.3 Kundenanfrage & Lernorganisation

Abb. 27: Erste Kontaktaufnahme mit dem Kunden

Bewusst wurde an dieser Stelle mit einfachen Mitteln eine Kundenanfrage per Telefon darge-stellt, weil einerseits die Schüler auf den grundsätzlichen Sachverhalt aufmerksam gemacht werden sollen, aber in den Folgeschritten erst einmal die Gruppeneinteilung (Firmengrün-dung) und die Vereinbarungen zur Leistungsbewertung vorgenommen werden sollen. Zu letzterem steht ein relativ umfangreiches Informationsblatt zur Verfügung, welches Hinweise für eine ganzheitliche Bewertung solcher projektartigen Lernprozesse enthält. Eventuell ist es sinnvoll, dies mit der gesamten Lerngruppe zu besprechen. Die Kriterien zur Leistungsbewer-tung sollten gemeinsam ausgehandelt und akzeptiert werden. Für den weiteren Lernweg ist es von besonderer Bedeutung, dass jedem Schüler die Maßstäbe der späteren Beurteilung klar sind. Außer dem Arbeits- und Sozialverhalten sollte der Stellenwert der Projektdokumen-tation und –präsentation diskutiert werden, die in Form einer Angebotsmappe und einer Kundenberatung erfolgen soll.

Für das Gespräch über die Lernorganisation sollten Sie eine angemessene Zeit einplanen. Es hat sich gezeigt, dass Schüler umso zielgerichteter ihren Lernprozess gestalten, je klarer ih-nen von vornherein der Lernauftrag, die Lernorganisation und die Bewertungsmodalitäten sind.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 1-1-1

Abb. 28: Lösungsvorschlag AB 1-1-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 1-1-3

Abb. 29: Lösungsvorschlag AB 1-1-3

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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In Lernaufgabe 1-2 soll mit Hilfe des Kundengesprächs, der Bauunterlagen und der Bilder die Kundenanfrage analysiert werden. Zur Auswertung stehen die Arbeitsblätter 1-2-1, 1-2-2 und 1-2-3 zur Verfügung.

Abb. 30: Analyse der Kundenanfrage

Alle Videos wurden mit einer einfachen Digital-Videokamera und dem in der Kamera einge-bauten Mikrophon aufgenommen. Sie haben nicht die Qualität professioneller Videoclips, wurden aber von den Schülern als sehr authentisch beurteilt. Für das Abspielen der Videos muss der Windows-Mediaplayer auf dem Rechner installiert sein.

Bei Betätigen des Buttons 'INFO 1-2-1 Videofilm' öffnet sich in einem Fenster der Media-Player und über dessen Steuerleiste kann das Video gestartet, angehalten und weitergespult werden. Die Schüler sollten ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass sie diese Funktio-nen für die Bearbeitung des Arbeitsblattes unbedingt nutzen sollten. Sinnvoll wäre es, wenn jeder Gruppe zwei Laptops und Kopfhörer mit entsprechenden Adaptern, über die mehrere mithören können, zur Verfügung stehen würden.

Um in die Zeichnungen von Heizungsraum und Dach Eintragungen machen zu können, ist es sinnvoll, diese Arbeitsblätter auszudrucken und von Hand entsprechende Einträge vorzu-

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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nehmen. Um die Ergebnisse auch digital zu haben, könnten die Arbeitsblätter danach wieder eingescannt werden.

Mögliche Lösung Arbeitsblatt 1-2-1

Abb. 31: Lösungsvorschlag AB 1-2-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 1-2-2

Abb. 32: Lösungsvorschlag AB 1-2-2

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 1-2-3

Abb. 33: Lösungsvorschlag AB 1-2-3

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6.4 Informieren über Solarthermie

Abb. 34: Informationsrecherche zum Thema "Solarthermie"

In dieser Lernaufgabe können die Schüler auf relativ umfangreiche Informationen zugreifen. Je nach bisherigem Wissensstand ist es eventuell nicht unbedingt notwendig, alle vorge-schlagenen Lernaufgaben systematisch bearbeiten zu lassen. Auch ist es denkbar, die Lern-aufgaben in arbeitsteiliger Gruppenarbeit bearbeiten und die Gruppenergebnisse dann im Plenum vorstellen zu lassen. Oder man bildet "Expertengruppen", die sich jeweils aus Mit-gliedern der "Stammgruppen" zusammen setzen und jeweils eine Aufgabe bearbeiten. Diese "Experten" bringen dann ihr Wissen in die "Stammgruppen" ein.

Die Lernaufgabe LA 2-1 beschäftigt sich mit einer Solaranlage in einem Einfamilienhaus, die zur Trinkwassererwärmung genutzt wird. In der Lernaufgabe LA 2-2 wird eine größere Solar-anlage vorgestellt, die sowohl die Trinkwassererwärmung als auch die Heizung unterstützt. In der Lernaufgabe LA 2-3 sollen sich die Schüler grundlegende Kenntnisse über das Solar-energieangebot und in Lernaufgabe LA 2-4 über die Technologie solarthermischer Anlagen erarbeiten. Diese allgemeinen Kenntnisse sollen die Schüler bei der sachgerechten und um-fassenden Beratung des Kunden unterstützen.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Referenzobjekt Familie Martin (LA 2-1)

Abb. 35: Referenzanlage Familie Martin

Die Familie Martin hat die Heizungsanlage in ihrem Haus vor sechs Jahren umfangreich mo-dernisiert. Aufgrund einer Vor-Ort-Energieberatung hat sich die Familie entschlossen, zur Un-terstützung der Trinkwassererwärmung auch eine Solaranlage installieren zu lassen. Dabei spielte der Gedanke, auch einen Beitrag für die Umweltentlastung zu leisten, die entschei-dende Rolle. Die Anlage besteht aus drei Solarkollektoren der Firma Wagner und einem biva-lenten Speicher mit einem Speichervolumen von 295 Litern. Nach Einschätzung von Herrn Martin werden ca. 80 % des Energiebedarfs für die Trinkwassererwärmung durch die Solar-anlage gedeckt. Im Durchschnitt befinden sich drei bis vier Personen im Haushalt. Herr Mar-tin ist sehr zufrieden mit der Anlage und es gab bisher auch keine technischen Schwierigkei-ten. Ebenfalls entsprechen die solaren Energieerträge den Erwartungen.

In dem Videofilm berichtet Herr Martin von den Beweggründen für die Entscheidung, eine solarthermische Anlage installieren zu lassen, und er stellt die Anlage vor. Die technischen Komponenten der Anlage und einige von Herrn Martin erhobene Messdaten werden in dem Informationsblatt 2-1-2 dargestellt. Einige Bilder runden die Informationen über die Anlage ab. Die Schüler sollen mit Hilfe dieser Unterlagen das Arbeitsblatt 2-1-1 bearbeiten. Eine mögliche Lösung wird in folgender Abbildung dargestellt.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 2-1-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 36: Lösungsvorschlag AB 2-1-1

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Referenzobjekt Familie Steinbach (LA 2-2)

Abb. 37: Referenzanlage Familie Steinbach

Der Gebäudekomplex der Familie Steinbach besteht aus drei unterschiedlich alten Häusern. Im Zusammenhang mit einem Neubau von 2007 wurde die Heizungsanlage modernisiert und zur Unterstützung der Heizung und der Trinkwassererwärmung eine Solaranlage installiert. Neben finanziellen Gesichtspunkten war ein entscheidender Faktor auch die Umweltentlas-tung. Herr Steinbach hat festgestellt, dass dies auch für Mietinteressenten von Bedeutung ist. Die Anlage verfügt über ca. 20 m² Kollektorfläche. Die Solarenergie wird in zwei Puffer-speichern von jeweils 800 Litern Speichervolumen eingebracht. Der Hauptanteil der Wärme-energie wird allerdings durch zwei Gas-Brennwert-Heizkessel mit einer Leistung von jeweils 45 kW bereitgestellt. Da auch diese Energie in die Pufferspeicher eingebracht wird ist es rela-tiv schwierig, den Anteil der solar erzeugten Energie anzugeben. Herr Steinbach schätzt, dass dieser bei ungefähr 10% des Gesamtenergiebedarfs für Heizung und Warmwasser liegt, da die Solaranlage im Verhältnis zu der Größe des Gebäudekomplexes relativ klein ist. Das Trinkwasser wird im Durchlaufprinzip durch zwei Frischwasserstationen erwärmt. Damit kön-nen hygienische Probleme (z.B. Legionellenbildung) sehr stark reduziert werden.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 2-2-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 38: Lösungsvorschlag AB 2-2-1

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Broschüren und Animationen zur Solarenergie (LA 2-3)

Abb. 39: Informationspool zum Thema "Solarenergie"

Es herrscht häufig noch die Meinung vor, dass aufgrund der klimatischen Bedingungen in Deutschland die Solarenergie nicht sinnvoll genutzt werden kann. Dies soll mit Hilfe der In-formationsbroschüren und Animationen von den Schülern untersucht werden. Außerdem sol-len sie Kenntnisse darüber erhalten, wie es zu den Jahreszeiten und dem Tag-Nacht-Rhythmus kommt und welchen Einfluss der Breitengrad auf diese Phänomene hat. Desweite-ren sollen die Schüler erkennen, dass die Solarenergie für die zukünftige Energieversorgung von besonderer Bedeutung ist.

Durch drei Informationsbroschüren und vier Animationen sollen sich die Schüler das Wissen aneignen und die Kenntnisse in dem vorstrukturierten Arbeitsblatt sammeln. Für die Kun-denberatung sind sie dann auf entsprechende Fragen gut vorbereitet und außerdem haben sie ihr Allgemeinwissen zu diesem Thema sinnvoll erweitert.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 2-3-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 40: Lösungsvorschlag AB 2-3-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Broschüren und Animationen zur Solartechnik (LA 2-4)

Abb. 41: Informationspool zum Thema "Solarthermie"

Durch die Analyse der beiden Referenzobjekte konnten sich die Schüler schon einige Kennt-nisse über den Aufbau und die Funktion von solarthermischen Anlagen erarbeiten. Bei beiden Anlagen wurden Flachkollektoren installiert. Die Solaranlage der Familie Martin dient aus-schließlich zur Trinkwassererwärmung wobei die Anlage in dem Gebäudekomplex der Familie Steinbach auch einen Beitrag zur Heizungsunterstützung leistet.

In der Lernaufgabe 2-4 sollen sich die Schüler nun einen allgemeineren Überblick über die unterschiedlichen Konzepte solarer Energienutzung erarbeiten. Außer dem Aufbau und der Funktion einer solarthermischen Anlage sollen sie vor allem die zwei gebräuchlichsten Solar-kollektortypen kennen und deren Wirkungsgradkennlinien deuten können. Ihnen soll klar werden, dass der Wirkungsgrad nicht konstant ist und sehr stark mit steigender Temperatur-differenz zwischen Absorbertemperatur und Umgebungstemperatur abnimmt und von daher die richtige Dimensionierung und Einstellung der Anlage eine große Bedeutung hat.

Außerdem sollen Sie verschiedene Speicherkonzepte kennen lernen und sich Grundlagen der Regelung solarthermischer Anlagen erarbeiten.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 2-4-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 42: Lösungsvorschlag AB 2-4-1

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6.5 Installationsbeispiel

Abb. 43: Installationsbeispiel einer Solarthermie-Anlage

In dieser Lernaufgabe haben die Schüler die Möglichkeit, sich umfassend über die Installati-on einer Solaranlage in einem Wohnhaus zu informieren. Dafür stehen Ihnen ein Video, Bil-der und ein Prospekt über die Anlagenkomponenten zur Verfügung. Im Arbeitsblatt 3-1 soll ein Arbeitsplan für die Installation erstellt werden und in Arbeitsblatt 3-2 soll die Funktion der einzelnen Komponenten noch einmal beschreiben werden.

Für die Analyse des Videos ist es eventuell noch mal angebracht, auf die Navigationsmög-lichkeiten des Media Players hinzuweisen. Die Schüler neigten bei der Durchführung auch hier dazu, ihre sonstigen Sehgewohnheiten beim Anschauen von Filmen beizubehalten.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 3-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 44: Lösungsvorschlag AB 3-1

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 3-2

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 45: Lösungsvorschlag AB 3-2

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6.6 Projektierung der Anlage

Abb. 46: Projektierung der Kundenanlage

Als erste Aufgabe (LA 4-1) sollen die Schüler überschlägig die Dimensionierung der Solaran-lage für das Kundenobjekt durchführen. Der Kunde hatte die Varianten "Solaranlage für Warmwasser" und "Solaranlage für Warmwasser- und Heizungsunterstützung" gewünscht. Dafür stehen den Schülern die Informationsblätter 4-1-1, 4-1-2 und 4-1-3 zur Verfügung. Die Objektdaten müssen sie aus der Lernaufgabe 1-2 entnehmen. Danach soll die Auslegung mit sogenannten Nomogrammen erfolgen. Klar muss den Schülern sein, dass damit nur eine grobe Abschätzung der Größe des Speichers und des Kollektorfeldes erreicht wird. Genauere Angaben erhält man mit Hilfe entsprechender Simulationssoftware. Im Ordner 'Programme' auf der DVD sind verschiedene Demo-Versionen gängiger Programme hinterlegt. Mit Hilfe der technischen Daten verschiedener Anbieter (INFO 4-1-2) müssen die Schüler nun passend für die örtlichen Gegebenheiten auf dem Dach und im Heizungsraum geeignete Kollektoren und einen Speicher auswählen. Dafür stehen die zwei Zeichnungen aus LA 1-2 von dem Dach und dem Heizungsraum zur Verfügung, in die die Komponenten eingezeichnet werden sollen (LA 4-2). Sinnvoll wird es sein, diese Blätter auszudrucken und die Schüler von Hand die Skizzen anfertigen zu lassen. Durch Einscannen können die Ergebnisse dann auch wieder digitalisiert werden. Danach erfolgt dann die Installationsplanung für das Kundenobjekt.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Dimensionierung der Kundenanlage (LA 4-1)

Mögliche Lösung Arbeitsblatt 4-1-1 (nur Warmwasser)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 47: Lösungsvorschlag AB 4-1-1 (Solaranlage nur für Warmwasser)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 4-1-2 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 48: Lösungsvorschlag AB 4-1-2 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

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Installationsplanung der Kundenanlage (LA 4-2)

Mögliche Lösung Arbeitsblatt 4-2-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 49: Lösungsvorschlag AB 4-2-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 4-2-2

Abb. 50: Lösungsvorschlag AB 4-2-2

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 4-2-3

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 51: Lösungsvorschlag AB 4-2-3

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6.7 Angebot und Dokumentation

Abb. 52: Erstellen der Angebotsunterlagen

Die Schüler sollen in der Lernaufgabe überschlägig den Angebotspreis ermitteln und die er-forderlichen Angebotsunterlagen erstellen. Dafür steht ihnen am Anfang des Kapitels ein In-formationsblatt (INFO 5-1-1) zur Verfügung, in dem wesentliche Aspekte zu diesem Thema zusammen gestellt sind. Vor allem das Zustandekommen des Stundenverrechnungssatzes, der ungefähr 2,5 bis 3 Mal so hoch ist, wie der Bruttostundenlohn eines Gesellen, wird noch einmal ausführlich aufgeschlüsselt. Für die Angebotspreiskalkulation spielt die Erfahrung eine bedeutende Rolle. Das Excel-Programm in AB 5-1-2 soll den Schülern dabei helfen, annä-hernd zu einem realistischen Angebotspreis zu kommen. Einige Preise und ein Beispiel für ein Angebotsschreiben sind in INFO 5-1-2 und INFO 5-1-3 abgebildet. Weitere Preise müssen die Schüler, eventuell über ihre Ausbildungsbetriebe, ermitteln.

Über Excelprogramme sollen die Schüler in LA 5-2 und LA 5-3 die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz der Solaranlage im Vergleich zu anderen Heizungssystemen vergleichen.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung des Arbeitsblattes 5-1-2 (Solaranlage nur für Warmwasser)

Abb. 53: Lösungsvorschlag 1 AB 5-1-2

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung des Arbeitsblattes 5-1-2 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

Abb. 54: Lösungsvorschlag 2 AB 5-1-2

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung des Arbeitsblattes 5-2-1 (Solaranlage nur für Warmwasser)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 55: Lösungsvorschlag AB 5-2-1 (Solaranlage nur für Warmwasser)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung des Arbeitsblattes 5-2-1 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 56: Lösungsvorschlag AB 5-2-1 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 5-3-1 (Solaranlage nur für Warmwasser)

Abb. 57: Lösungsvorschlag 5-3-1 (Solaranlage nur für Warmwasser)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung Arbeitsblatt 5-3-1 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

Abb. 58: Lösungsvorschlag AB 5-3-1 (Solaranlage mit Heizungsunterstützung)

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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6.8 Kundenberatung und Reflexion

Abb. 59: Präsentation der Arbeitsergebnisse

Auf das Präsentieren des Angebots sollte großer Wert gelegt und eine entsprechende Zeit eingeplant werden. Sinnvoll ist es, die Präsentation in Form einer Kundenberatung als Rol-lenspiel durchzuführen. Allgemeine Hinweise zur Gestaltung der Kundenberatung und eines Rollenspiels finden die Schüler in INFO 6-1-1 und INFO 6-1-2. Der Vorbereitung auf die Kun-denberatung soll das Arbeitsblatt 6-1-1 dienen. Für die Bewertung der Kundenberatung sollte das Arbeitsblatt 6-1-2 vorher ausgedruckt und mit den Schülern besprochen werden.

Die Leistungsbewertung muss sich an den in LA 1-1 aufgestellten Bewertungskriterien orien-tieren. Falls sich die Lerngruppe nach der Durchführung auf etwas modifizierte bzw. weitere Bewertungskriterien einigt, können diese selbstverständlich berücksichtigt werden.

Bedeutend auch für die weitere Arbeit ist die Reflexion der durchgeführten Lerneinheit. Hier sollten die unter Lernaufgabe 6-2 aufgeführten Fragestellungen mit der Gruppe diskutiert und Verbesserungsvorschläge auch schriftlich fixiert werden, damit sie tatsächlich bei der Bearbeitung folgender Aufgabenstellungen Berücksichtigung finden.

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Mögliche Lösung des Arbeitsblattes 6-1-1

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Hinweise zur Durchführung der Lerneinheit

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Abb. 60: Lösungsvorschlag AB 6-1-1

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Weiterentwicklung der Lernsoftware

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7 Weiterentwicklung der Lernsoftware

Die Lernsoftware soll als offenes System verstanden werden, die gewollt von jedem Lehren-den aber eventuell auch Lernenden verändert werden kann. Auf der sogenannten "Lehrer-DVD" sind alle bearbeitbaren Dateien vorhanden.

Die Arbeitsblätter bestehen aus bearbeitbaren PDF-, Word- und Excel-Dateien. Sowohl der Inhalt als auch die Struktur der Arbeitsblätter kann bei Bedarf verändert werden. Es ist aller-dings darauf zu achten, dass die Lernaufgaben bzw. die Informationsmaterialien eventuell auch an die Veränderungen angepasst werden müssen.

Die selbst erstellten Informationsblätter, die auf der "LERNER-DVD" als PDF-Dateien gespei-chert sind, sind auf der "Lehrer-DVD" auch als Word-Dateien vorhanden. Diese können ent-sprechend bearbeitet und dann wieder in PDF-Dateien konvertiert werden. Die Informations-broschüren sind in der Regel aus dem Internet. Diese können z.B. mit dem Acrobat-Writer bearbeitet bzw. entfernt oder durch andere ersetzt werden (vor allem Ausschnitte, Kürzun-gen, …).

Die Lernaufgaben und eine Reihe von Bearbeitungshinweisen sind in die Oberfläche der Lernsoftware integriert. Möchte man dort Veränderungen vornehmen, muss die Autoren-software "Mediator" vorhanden sein. Eine kurze Einführung in das Arbeiten mit dieser Soft-ware wurde in Kapitel 5.3 dargestellt.

Die Autoren würden sich freuen, wenn Sie ihnen die ggf. vorgenommenen Veränderungen bzw. Veränderungswünsche mitteilen, damit diese eventuell bei einer neuen Version einge-arbeitet werden können.

Kontaktdaten:

Wolfgang Kirchhoff Universität Kassel Fachbereich 7 – Institut für Berufsbildung Heinrich-Plett-Straße 40 34132 Kassel

Telefon: 0561-804 4133 Fax: 0561-804 4345 Email: [email protected]

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Literatur

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8 Literatur

BAFA-Förderung für Solarthermie: Fördermittel und Konditionen (www.heizungsfinder.de)

Bundeswirtschaftsministerium (BMWi): Verordnung über die Berufsausbildung zum Anlagen-mechaniker/zur Anlagenmechanikerin für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik. Bonn, 2003 (aus: www.berufenet.de)

Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS): Solarwärme – Nutzen für jedes Haus, Mün-chen (aus: www.dgs.de)

Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS): Solarthermische Anlagen, Berlin, 2008

Energieverbrauch in Deutschland (www-ewald-schneider.de)

Deutsche Solarthermie-Technologie Plattform (DSTTP): Forschungsstrategien Niedertempe-ratursolarthermie 2030 – für eine nachhaltige Wärme- und Kälteversorgung Deutschland, Berlin (aus: www-solarthermie-technologie.de)

Digitale Schultasche (Download unter: www.medienzentrum-kassel.de)

Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren (www.solaranlagen-portal.de)

Heinz-Piest-Institut (HPI): Unterweisungspläne für Anlagenmechaniker/in für SHK-Technik, Hannover 2003 (aus: www.hpi-hannover.de)

Jahressumme Solarenergie in kWh/m²a (www.dwd.de)

Kirchhoff, Wolfgang u.a.: Nachhaltige Energietechniken im Handwerk – Leitfaden zur Umset-zung der Lerneinheiten nach der Neuordnung der SHK- und Elektroberufe, Konstanz: Christiani-Verlag, 2006

Kollektorwirkungsgrade (www.in-buero-junge.de)

Körner, W.; Kirchhoff, W.; Schabbach, Th.: Schulung Solarthermie – Große Solaranlagen zur Wärmeerzeugung, Kassel, 1999

Körner, W.; Kirchhoff, W.; Schabbach, Th.: Solarthermie Schulung – Einführung in die solare Wärmeerzeugung, Kassel, 2001

Kultusministerkonferenz (KMK): Rahmenlehrplan für den Ausbildungsberuf Anlagenmechani-ker/Anlagenmechanikerin, Bonn, 2003 (www.kultusministerkonferenz.de)

Preisentwicklung Heizöl/Erdgas (aus: www.energiesparen-im-haushalt.de)

Pröve, Inge; Kirchhoff, Wolfgang: Nachhaltige Energietechniken im Handwerk – Lerneinheit Solarthermie

SolardachCeck (www.co2online.de)

Solarer Deckungsgrad (www.solaranlagen-portal.com)

Solarspeicher (www.wagner-solar.com)

Solarthermie: Dachneigung und Ausrichtung als wirtschaftlicher Faktor (www.heizungsfinder.de)