Thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und ... · Seit Anfang der 90er Jahre wächst der...

Thermische Solaranlagen

zur Warmwasserbereitung

und Heizungsunterstützung

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1. Auflage:2. Auflage:3. Auflage:4. Auflage:5. Auflage:6. Auflage:

Wirtschaftsministerium Baden-WürttembergTheodor-Heuss-Straße 470174 StuttgartTel.: (0711) 123-2526Fax: (0711) 123-2145E-Mail: [email protected]: www.wm.baden-wuerttemberg.de

Dipl.-Ing. Hans-Peter LutzWirtschaftsministerium Baden-WürttembergReferat „Regenerative Energie und rationelle Energieanwendung“E-Mail: [email protected]

ID-Kommunikation, Mannheim

Pfitzer Druck GmbH, Renningen

1. – 10. Tsd. Juni 200311. – 20. Tsd. November 200321. – 30. Tsd. November 200431. – 40. Tsd. November 200541. – 55. Tsd. November 200656. – 65. Tsd. Februar 2008

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Vorwort

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Diese Broschüre richtet sich sowohl an Haus-besitzer als auch an Betriebe und Multiplika-toren. Sie kann – eventuell ergänzend zu unse-rer ausleihbaren Wanderausstellung „Thermi-sche Solaranlagen”, sowie dem aus dem Inter-net herunterladbaren Vortragsfoliensatz – vondiesen Akteuren auch für eigenständige Infor-mations- und Werbekampagnen vor Ort beiuns angefordert werden. Bitte sprechen Sie unsdarauf an.

Ich hoffe, wir können Ihnen mit dieser Schriftnützliche Anregungen und Entscheidungs-hilfen geben.

Ernst Pfister, MdL Wirtschaftsminister und stellvertr. Ministerpräsidentdes Landes Baden-Württemberg

Die thermische Solarnutzung mit jährlichenWachstumsraten bis zu 25 % ist schon seit län-gerem der Pionierphase entwachsen und hatdas Potenzial, fester Bestandteil der Gebäude-wärmeversorgung zu werden. Deutschland istmit über 50 % Marktvolumen der bedeutendsteAbsatzmarkt in Europa. Die Hersteller habenihre Produktionskapazitäten kräftig ausgebaut;derzeit befindet sich die Branche an der Schwel-le zur Automatisierung der Produktion.

Allerdings bekommt auch die Solarindustriedie momentane wirtschaftspolitische Unsicher-heit und die damit verbundene allgemeineKaufzurückhaltung zu spüren. Doch geradeturbulente Zeiten rücken auch den Aspekt dereigenen Versorgungssicherheit wieder insBewusstsein: So erspart eine Standard-Solar-anlage zur Warmwasserbereitung bereits 10 %an konventionellem Brennstoff im Eigenheim.Mit heizungsunterstützenden Kombianlagenkann sogar ein Viertel des Brennstoffbedarfsmit vertretbarem Aufwand solar abgedecktwerden; die damit verbundenen Anschaffungs-kosten liegen im Bereich von 1 % der Bau-kosten eines Wohnhauses.

Die Solartechnik wird allgemein begrüßt undakzeptiert – allerdings ist der Informationsbe-darf noch sehr groß. Von besonderem Interesseist vor allem die Frage nach der richtigen tech-nischen Lösung für den konkreten Anwendungs-fall.

In dieser Broschüre stellt das Wirtschaftsminis-terium Baden-Württemberg die thermischeSolarnutzung als praxistaugliche Ergänzungder Gebäudewärmeversorgung vor – mit ihrenMöglichkeiten und Grenzen. Es will damit inallgemein verständlicher Form bei allen, diesich mit diesem Thema beschäftigen, für mehrTransparenz sorgen.

Inhalt

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Vorwort

1 Aufbruch ins Solarzeitalter1.1 Solaranlagen im Aufwind – Installationsraten in Deutschland1.2 Energetisches Potenzial auf Dächern und an Fassaden1.3 Warmes Wasser für Küche und Bad 1.4 Warum nicht auch mit der Sonne heizen? 1.5 Energetische Amortisation und Anlagenrecycling

2 Komponenten einer thermischen Solaranlage2.1 Kollektoren sammeln das Sonnenlicht2.2 Pack’ die Sonne in den Tank2.3 Regelung, Pumpengruppe und Sicherheitskomponenten

3 Anlagenkonzepte von Warmwasser-Solaranlagen3.1 Unterschiede bei der Wärmeträgerumwälzung

4 Einheizen mit Solarwärme4.1 Speicherkonzepte als Unterscheidungsmerkmal von Kombianlagen4.2 Gängige Anlagenkonzepte im Überblick

5 Ein Platz an der Sonne5.1 Einfluss der Kollektorausrichtung auf den Energieertrag5.2 Montagemöglichkeiten am Gebäude5.3 Ihr Recht auf Solarenergie: Zu Baurecht und Denkmalschutz

6 Planen mit der Sonne6.1 Auslegung von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung6.2 Auslegung von Kombianlagen

7 Von der Theorie zur Praxis7.1 Inbetriebnahme7.2 Betriebskontrolle und Wartung

8 Das Angebot der Sonne: Energie zum Nulltarif8.1 Tipps für die Marktrecherche8.2 Kostenrahmen für Anlagenkomponenten und Gesamtsystem8.3 Wärmegestehungskosten8.4 Solarwärmenutzung wird belohnt: Informationen über Fördermaßnahmen

9 Kurz und bündig: Die Zusammenfassung

10 Ihr heißer Draht zur Sonne: Informationsstellen in Baden-Württemberg (Auswahl)

11 Wanderausstellung „Thermische Solaranlagen“

12 Vortragsfoliensatz „Thermische Solaranlagen“

Aufbruch ins Solarzeitalter

5

1 Aufbruch ins Solarzeitalter

1.1 Solaranlagen im Aufwind– Installationsraten in Deutschland

Seit Anfang der 90er Jahre wächst der Solar-markt kontinuierlich mit jährlichen Wachs-tumsraten von durchschnittlich 25 %. Diewichtigsten Ursachen für diesen Aufschwungsind das zunehmende Umweltbewusstsein inder Bevölkerung, technologische Fortschritteund entsprechende Förderanreize von Bund,Ländern und Gemeinden. Hinzu kommt einzunehmend stärkeres Engagement seitensIndustrie und Handwerk, bei denen die Über-zeugung heranreift, dass Solaranlagen inZukunft einen nennenswerten Anteil ihresUmsatzes ausmachen werden. Insbesonderedie Heizkesselhersteller sowie die Bauteile-industrie treiben diese Entwicklung voran, indem sie Sonnenkollektoren mit in ihr Programm aufnahmen.

Innerhalb der zurückliegenden Dekade stieg,wie aus Abb. 1.1 ersichtlich, die jährlich inDeutschland installierte Kollektorfläche vonunter 100.000 m2/Jahr auf ca. 900.000 m2/Jahrin 2001. Allerdings ging in 2002 die Installa-tionsrate um 40% auf 540.000 m2 zurück; in2003 erholte sich die Nachfrage wieder auf720.000 m2 und blieb in 2004 mit 750.000 m2

auf diesem Niveau. In 2005 wurde mit950.000 m2 die bisherige Bestmarke übertrof-fen. Der aktuelle Rekordumsatz wurde in 2006erzielt mit 1,5 Mio. m2. In 2007 ging die Instal-lationsrate um rund 1/3 auf 1 Mio. m2 zurück.Bei durchschnittlichen Systemkosten von der-zeit ca. 750 A pro m2 Kollektorfläche ergabsich für 2007 ein Endkundenumsatz von ca.0,75 Mrd. A. Mittlerweile sind in Deutschlandca. 9,2 Mio. m2 Kollektorfläche installiert.Diese erzeugen etwa 4 Mrd. kWh Nutzenergiepro Jahr – was in etwa drei Promille des Wär-mebedarfs in Deutschland abdeckt. Dadurchkönnen annähernd 400 Mio. Liter Öl bzw.Kubikmeter Gas eingespart und damit Ener-gieressourcen geschont werden.

Bezüglich der Installationsraten ist in Deutsch-land ein ausgeprägtes Süd-Nord-Gefälle fest-zustellen: Rund 60 % der Solarwärmeanlagenwerden allein in Baden-Württemberg undBayern installiert.

19901991

19921993

19941995

19961997

19981999

20002001

jähr

lich

inst

allie

rte

Kol

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orflä

che

(1.0

00 m

2 )

Gesamtfläche

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900

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800

750

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600

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300

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insg

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orflä

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(Mio

m2 )

20022003

2004

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2005

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2.400

2.450

2.500

9

8

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0

2

3

5

6

7

4

1

Abb. 1.1:

Zuwachs an

neu installierter

Kollektorfläche

in Deutschland

(1990 – 2007)

[BSW]

6


Abb. 1.2:

Jährliche Son-

neneinstrahlung

in Deutschland

[kWh/m2 x a]

[DWD]

1.3 Warmes Wasser für Küche und Bad

Der Warmwasserbedarf eines Haushaltes ver-läuft – wie in Abb. 1.3 dargestellt – über dasJahr betrachtet annähernd konstant. Die Über-einstimmung zwischen Energiebedarf undsolarem Energieangebot ist daher größer alsz. B. bei der Solarenergienutzung zu Heiz-zwecken (vgl. Abb. 1.4). Hinzu kommt noch,dass infolge der laufenden Verbesserungen beider Gebäudedämmung die Heizperiode kürzerwird – und sich entsprechend der Sommerbe-trieb des Heizkessels ausschließlich für dieWarmwasserbereitung verlängert. Gerade beidieser Betriebsweise sind jedoch die Kessel-verluste hoch, da für die Warmwasserbereitungnur vergleichsweise geringe Wärmemengenangefordert werden, dazu aber stets der Heiz-kessel auf Betriebstemperatur gebracht wird.Selbst bei modernen Niedertemperaturkesselnliegt deren Nutzungsgrad im Sommerbetriebnur bei 50 % und darunter. Daneben erhöhendiese kurzen Betriebsintervalle und häufigenKaltstarts noch den Kesselverschleiß. Hierergibt sich für die solarunterstützte Warmwas-serbereitung ein interessanter Ansatzpunkt!Eine Solaranlage kann – bei richtiger Dimen-sionierung – während der Sommermonate denhierzu erforderlichen Wärmebedarf nahezuvollständig (70 % ... 100 %) decken und leistetin der Übergangszeit (30 % ... 40 %) und imWinter (10 % ... 20 %) einen Beitrag zur Was-servorwärmung (vgl. Abb. 6.2).

Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung zeich-nen sich durch eine einfache Anlagentechnik ausund sind technisch ausgereift. Mit 5 bis 6 m2 Flach-kollektoren können in einem 5-PersonenHaus-halt zwischen 40 und 60 % der für die Trinkwas-sererwärmung benötigten jährlichen Energie mitSolarwärme gedeckt und damit ca. 200 Liter Ölbzw. Kubikmeter Gas eingespart werden.

1.2 Energetisches Potenzial auf Dächern und an Fassaden

Mit dem Sonnenlicht wird ca. 10.000 mal mehrEnergie auf die Erde eingestrahlt, als dieMenschheit verbraucht. In wolkenarmen Wüs-tenregionen wie z. B. der Sahara sind dies proJahr ca. 2.200 kWh/m2; in Deutschland immer-hin etwa halb so viel – was dem ca. 100fachenunseres derzeitigen Primärenergiebedarfs ent-spricht!

Aus Abb. 1.2 geht hervor, dass in Deutschlandselbst die Nutzung der Sonnenenergie nur we-nig von der geographischen Lage abhängig ist:Die Solareinstrahlung in den Regionen unter-scheidet sich nur um ca. 20 % und liegt in etwazwischen 950 und 1.200 kWh je Quadratmeterund Jahr. Etwa drei Viertel davon entfallen aufdas Sommerhalbjahr von April bis September.Daraus können in Deutschland je m2 Kollektor-fläche jährlich ca. 450 bis 600 kWh an Son-nenwärme gewonnen werden.

Die zur Trinkwassererwärmung pro Personeinzusetzende Kollektorfläche beträgt in etwa1 bis 1,5 m2. Bei rund 82 Mio. Einwohnern inDeutschland ergibt sich daraus eine theoretischerforderliche Kollektorfläche von 80 bis120 Mio. m2. Dem gegenüber stehen solarge-eignete Dachflächen in Deutschland von ca.800 Mio. m2; hinzu kommt noch das großeFlächenpotenzial der südorientierten Gebäude-fassaden.

1.130 – 1.086

1.086 – 1.042

1.042 – 990

990990

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1.086 – 1.130

1.030 – 1.174

1.1741.030 – 1.174

Wär

meb

edar

f/So

lare

rtra

g (k

Wh)

Jan. Feb. März Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez.0

100

200

300

400

500

SolarertragWärmebedarfWarmwasser

solarerDeckungsanteil

WärmebedarfWarmwasser

Abb. 1.3:

Wärmebedarf

zur Warmwas-

serbereitung für

einen 5-Perso-

nenhaushalt und

Solarertrag von

5 m2 Flachkol-

lektoren im Jah-

resverlauf


7

1.4 Warum nicht auch mitder Sonne heizen?

Sukzessiv verschärfte gesetzliche Vorgaben anden baulichen Wärmeschutz führten zu einerdeutlichen Senkung des Energieeinsatzes fürdie Raumheizung. Diese Entwicklung lässt – in Verbindung mit ausgeklügelten Wärmespei-cher- und Heizungssystemen – die Nutzungder Sonnenwärme auch für die Raumheizungimmer interessanter erscheinen. Diese ist aller-dings immer zu Jahreszeiten erforderlich, andenen die Sonne nur wenig scheint. Eine Aus-legung zur nennenswerten Heizungsunterstüt-zung im Winterhalbjahr führt dann, wie inAbb. 1.4 dargestellt, zwangsläufig zu häufigenüberschussbedingten Stillstandszeiten währendder Sommermonate.

Kombianlagen mit 10 bis 15 m2 Flachkollek-toren bzw. 6 bis 10 m2 Vakuumröhrenkollek-toren können bei einem nach der Wärme-schutzverordnung ‘95 gebauten typischen Ein-familienhaus den Gesamtwärmebedarf um ca.20 % verringern. Bei Gebäuden in Niedrigener-giebauweise lassen sich mit Kombianlagendieser Größe sogar 25 bis 30 % des Wärmebe-darfs abdecken.

1.5 Energetische Amortisationund Anlagenrecycling

Der gesamte Primärenergieaufwand für Her-stellung, Transport und Montage einer kom-pletten Solaranlage mit 5 m2 Flachkollektorenfür die Warmwasserbereitung beträgt ca. 5.000kWh. Bei solaren Erträgen von jährlich ca. 500kWh/m2 haben sich diese Anlagen nach unge-fähr 2 Jahren energetisch amortisiert.

Altkollektoren werden derzeit überwiegendals Sperrmüll entsorgt. Aufgrund des hohenAnteils an Metallen und Glas bietet sich einestoffliche Verwertung an: Das Metallgehäuseund der Absorber können dem Altmetallrecyc-ling zugeführt werden, die Glasabdeckung derAltglasverwertung. Für die Gummiabdichtun-gen und Isoliermaterialien gibt es bisher aller-dings keine sinnvolle Wiederverwendung.

Wär

meb

edar

f/So

lare

rtra

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Wh)


500

1.000

1.500

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3.000

SolarertragWärmebedarfRaumheizung

Wärmebedarf Warmwasser

solarerDeckungsanteil

WärmebedarfRaumheizung

Abb. 1.4:

Wärmebedarf

eines typischen

Einfamilienhau-

ses und Solarer-

trag von 10 m2

Flachkollekto-

ren im Jahres-

verlauf

Der Aufbau von Flachkollektoren wurde inden zurückliegenden 20 Jahren wesentlichoptimiert, was zu einer deutlichen Leistungs-steigerung und einer Verbesserung der Ge-brauchstauglichkeit führte.

Niedertemperatur-Flachkollektoren mit einerArbeitstemperatur bis zu 100 °C werden vor-wiegend zur Trinkwassererwärmung und teil-weise auch für die Raumheizungsunterstützungeingesetzt.

Vakuumröhrenkollektoren

Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus meh-reren evakuierten Glasröhren, in denen jeweilsein Absorberstreifen eingehängt ist. Ca. 5 bis 20dieser Glasröhren werden über ein Sammelrohran den Kollektorkreis angeschlossen. Durch dieunterbundene Luftbewegung im Gehäuse wer-den Konvektionsverluste zwischen dem heißenAbsorber und dem Deckglas vermieden. DieWärmeverluste werden so im Vergleich zuFlachkollektoren vor allem bei niedrigen Aus-sentemperaturen deutlich reduziert.

Bei der direkt durchströmten Vakuumröhre(Abb. 2.2) fließt der Wärmeträger – wie beimFlachkollektor – durch ein am Absorber ange-brachtes U-förmig verlegtes Rohr bzw. einkoaxiales Doppelrohr. Bei waagerechter Ver-legung können diese Absorberstreifen durchDrehen der einzelnen Röhren zur Sonne aus-gerichtet werden – abweichend von der Neigungder Aufstellfläche. So kann bei einer Verlegungauf einem nur gering geneigten Satteldach, aneiner senkrechten Balkonbrüstung oder aneiner Hauswand die Ausrichtung des Absor-bers zur Sonne optimiert werden.

Komponenten einer thermischen Solaranlage

8

Dämmung

Glasabdeckung

Absorber

Sammelrohr

Absorberrohr Gehäuse

2 Komponenten einerthermischen Solaranlage

2.1 Kollektoren sammeln das Sonnenlicht

Die photothermische Energieumwandlung

Die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärmeerfolgt auf dem Absorber. Dieser besteht ausMetall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl)und ist mit einer dunklen, sog. „selektiven“Beschichtung überzogen, um die Solarstrah-lung besser einzufangen. Diese Oberfläche be-wirkt durch ihre besondere Struktur ein hohesAbsorptionsvermögen im sichtbaren Bereichund gleichzeitig eine geringe Emission für dieinfraroten Wellen der Wärmestrahlung. Die er-zeugte Wärme wird von der Wärmeträgerflüs-sigkeit aufgenommen und durch am Absorber-blech angebrachte Rohre abtransportiert.

• KollektorbauartenFlachkollektoren

Der Flachkollektor, wie in Abb. 2.1 darge-stellt, ist die am weitesten verbreitete Bauformeines Sonnenkollektors. Bei diesem liegt derAbsorber in einem meist aus Aluminium, teil-weise auch aus Stahlblech, Kunststoff oderHolz gefertigten Gehäuse. Zur Reduzierung derWärmeverluste durch Konvektion und Strah-lung ist das Gehäuse mit einer Abdeckung auseisenarmem, vorgespanntem Sicherheitsglasverschlossen, welches zumeist innen leichtstrukturiert ist. Dessen Lichtdurchlässigkeit istdem solaren Spektrum der diffusen und direk-ten Strahlung angepasst. Zur Minderung derVerluste durch Wärmeleitung werden auf derRückseite und an den Rändern des GehäusesWärmedämmungen angebracht.

Abb. 2.1:

Schnittdar-

stellung eines

Flachkollektors

Koaxial-Wärmesammelrohr

Abb. 2.2:

Direktdurch-

strömter Vaku-

umröhrenkollek-

tor mit koaxia-

lem (li.) und U-

förmigem (re.)

Absorberrohr


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Vakuumröhrenkollektoren liefern Wärme imTemperaturbereich bis 150 °C und eignen sichdamit – neben der Warmwasserbereitung – zurRaumheizungsunterstützung, zur solaren Küh-lung in Verbindung mit Absorptionskälteanla-gen und auch zur Erzeugung von Prozesswärme.

Gebäudeintegrierte Kollektorbauformen

Kollektoren preisgünstiger herzustellen ist ei-nes der Ziele zukünftiger Entwicklungsanstren-gungen. Ein Weg dahin ist die Mehrfachnut-zung einzelner Bauteile, wie z. B. bei der Inte-gration eines Flachkollektors in die Gebäu-dehülle. Hierbei können zum einen Kollektor-komponenten entfallen – z. B. die rückseitigeWärmedämmung –, zum anderen werden soam Gebäude selbst Teile der Fassade oder derDacheindeckung eingespart. Gebäudeintegrier-te Kollektoren sind ein thermisch nicht trenn-barer Teil der Gebäudehülle, der den Witte-rungsschutz mit übernimmt und die Wärme-dämmung verbessert. Darüber hinaus bietet dieIntegration von Großflächenkollektoren in Süd-fassaden oder als komplette Dacheindeckungauch architektonisch interessante Optionen.

Beim sog. Thermoskannen-Röhrenkollektor(Abb. 2.3) sind zwei ineinander liegendeGlasröhren miteinander verschmolzen; derZwischenraum enthält das Vakuum. In derInnenröhre befindet sich ein ringförmigerAbsorber mit direktdurchströmtem Absorber-rohr. Teilweise wird zusätzlich rückseitig einebener oder rinnenförmiger Reflektor ange-bracht, der die seitlich vorbeigehende Sonnen-strahlung auf den Absorber zurücklenkt.

Beim Vakuumröhrenkollektor mit Wärmerohr(Abb. 2.4) befindet sich eine schon bei gerin-gen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit ineinem verschlossenen Absorberrohr. Der Dampfsteigt im Wärmerohr auf und kondensiert amoberen Ende des Wärmerohrs. Die vom Dampfaufgenommene (Latent-)Wärme wird über ei-nen Kondensator im Sammelrohr („trockeneAnbindung“) an das Wärmeträgermedium ab-gegeben. Die kondensierte Flüssigkeit fließtanschließend wieder im Wärmerohr zurück. Da-mit der beschriebene Verdampfungs- und Kon-densationsprozess ablaufen kann, müssen dieseRöhren mit einer Mindestneigung von 25 Gradzur Horizontalen montiert werden.

Abb. 2.3:

Vakuumröhren-

kollektor im

Thermoskannen-

prinzip mit

rückseitigem

Reflektor

Abb. 2.4:

Vakuumröhren-

kollektor mit

Wärmerohr

(„heat pipe“-

Prinzip)

Absorber

Reflektor

Wärmerohr

Doppelrohr-WärmetauscherKondensator

• Kollektorwirkungsgrad-verlauf und Anwendungs-felder

Die im Kollektor auftretenden Verluste (sieheAbb. 2.5) teilen sich auf in die optischen Ver-luste, die vor der Umwandlung der Strahlungin Wärme entstehen, und in die thermischenVerluste, welche die bereits umgewandelteWärme vermindern. Optische Verluste entste-hen durch Reflexion der Solarstrahlung sowohlan der transparenten Abdeckung als auch amAbsorber – unabhängig von der Umgebungs-temperatur. Wärmeverluste werden durch Wär-meleitung, Wärmetransport (Konvektion) undWärmestrahlung verursacht; sie sind umsohöher, je größer der Temperaturunterschiedzwischen Absorber und Umgebung ist.

Der Wirkungsgrad eines Kollektors gibt an,welcher Anteil der auftreffenden Solarstrah-lung vom Kollektor in nutzbare Wärme umge-wandelt werden kann; je nach Bestrahlungs-stärke und Differenz zwischen Absorber- undUmgebungstemperatur ändert sich diese Größe.Aus diesem Grund wird der Wirkungsgradeines Kollektors nicht als fester Wert, sondernentsprechend Abb. 2.6 in Form eines Kennlini-enfelds dargestellt.

Der Schnittpunkt der Wirkungsgradkennliniemit der senkrechten Achse des Diagrammswird auch als „optischer Kollektorwirkungs-grad“ bezeichnet. Die optischen Verluste lie-gen etwa bei 20 %.

Wieviel von den übrigen 80 % tatsächlich vonder Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommenwerden, hängt von der Temperaturdifferenzdes Absorbers gegenüber der Außenluft ab –und damit auch von der Qualität der Wärme-dämmung des Kollektors.

Aus Abb. 2.6 geht hervor, dass sich mit gerin-gen Temperaturspreizungen hohe Wirkungs-grade erzielen lassen. Je schlechter die Däm-mung des Kollektors und je größer das Tempe-raturgefälle zur Außentemperatur ist, destomehr Wärme gibt er wieder an die Umgebungab. Daher nimmt mit steigender Kollektortem-peratur bzw. sinkender Umgebungstemperaturder Wirkungsgrad ab – bis zum sog. Stagna-tionspunkt.

Der optische Wirkungsgrad eines Vakuum-röhrenkollektors ist aufgrund der Reflexionenan der Glasröhre niedriger als beim Flachkol-lektor. Andererseits liegen die Stillstandstem-peraturen des Vakuumröhrenkollektors auf-grund der guten Wärmeisolation über den Wer-ten des Flachkollektors. Wichtig für die richti-ge Wahl des geeigneten Kollektortyps ist dahervor allem der geforderte Einsatztemperaturbe-reich (siehe Abb. 2.7).

Für die Warmwasserbereitung und Heizungs-unterstützung werden sowohl Flachkollektorenals auch Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt.Im überwiegenden Arbeitsbereich weisen bei-de ähnliche Wirkungsgrade auf. Bei höherenTemperaturunterschieden, etwa im Winter,


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Abb. 2.5:

Der Energie-

fluss im Flach-

kollektor

Sonneneinstrahlung

Absorption

Wärmeleitung

NutzwärmePhotothermische Wandlung

ReflexionAbsorption Wind

Transmission Wärmestrahlung Konvek-tion

Abb.2.7:

Typische Wir-

kungsgradkenn-

linien für Flach-

und Vakuum-

röhrenkollektor

[ITW]

War

mw

asse

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eitu

ng

Hei

zung

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erst

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ng

Wir

kung

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d (%

)

100

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80

70

60

50

40

30

20

10

0

Temperaturdifferenz Absorber/Außenluft (°C)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Flachkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren

Abb. 2.6:

Verlauf der Wir-

kungsgradkenn-

linie mit Vertei-

lung von Nutz-

energie sowie

optischen und

thermischen

Verlusten beim

Flachkollektor

[ITW]

Kol

lekt

orw

irku

ngsg

rad

(%)

100

Temperaturdifferenz Absorber/Außenluft (°C)

Einstrahlung (kWh/m2)

75

50

25

0

Wirkungsgradkennlinie

thermische Verluste

optische Verluste

Nutzenergie


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sind die Wärmeverluste eines Vakuumröhren-kollektors geringer, so dass im Jahresmittel –bezogen auf die jeweilige Absorberfläche – einum 30 % höherer Solarenergiegewinn als mitFlachkollektoren erwartet werden kann.

Für welchen Kollektortyp man sich entscheidet,hängt nicht zuletzt auch vom persönlichenÄsthetikempfinden ab. Im jeweiligen Einzelfallkönnen auch Standortfaktoren wie z. B. dasPlatzangebot auf dem Dach ausschlaggebendsein.

• Vermessung und Qualitäts-prüfung

Für jeden marktgängigen Flach- und Röhren-kollektor werden Wirkungsgradkennlinien aufPrüfständen nach einem genormten Messver-fahren ermittelt. Mittels Computersimulationwerden sämtliche Betriebszustände einerWarmwasser-Solaranlage während eines Refe-renzjahres berücksichtigt; die aufsummiertenEnergiegewinne ergeben eine Ertragsprognosefür diesen Kollektor: Marktübliche Flachkol-lektoren liegen zwischen 440 und 500 kWh jeQuadratmeter und Jahr, bei Röhren-kollektorenkann mit Jahreserträgen um 580 bis 620 kWhkalkuliert werden. [Marktübersicht Solarkol-lektoren, Solarthemen 155, 13.03.03] Sonnen-kollektoren müssen auch extremen Witterungs-verhältnissen wie z. B. Temperaturschock, UV-Strahlung, Hagel und Sturm standhalten. ZurPrüfung der Gebrauchstauglichkeit wird derTestkollektor über mehrere Monate dem realenWetter ausgesetzt – insbesondere hohen Ein-strahlungen. Nach Testabschluss wird er zer-legt und auf eventuelle Schäden untersucht.Ein Kollektor kann als dem Stand der Technikentsprechend angesehen werden, wenn aus derPrüfung die Gebrauchstauglichkeit, die Anla-gensicherheit sowie die Vollständigkeit derUnterlagen hervorgeht.

Ein guter Kollektor ist aber bei weitem nochkein Garant für hohe Erträge aus der Solaranla-ge; entscheidend ist das Betriebsverhalten derGesamtanlage aus Kollektorfeld, Speicher,Regelung, konventioneller Nachheizung undWärmeverbraucher.

2.2 Pack’ die Sonne in den Tank

• Wasser – ein ideales Speichermedium

Wegen seiner hohen Wärmekapazität ist Was-ser ein ideales Speichermedium. Daneben hatWasser noch zwei weitere, sehr vorteilhafteEigenschaften, die es ermöglichen, kaltes undwarmes Wasser in einem Speicher getrenntaufzubewahren:• Die mit der Temperatur abnehmende Dichte

erlaubt es, Wasser unterschiedlicher Tempe-ratur so zu schichten, dass sich heißes undkaltes Wasser nicht vermischen. So wiegtz. B. heißes Wasser mit 90 °C etwa 1,5 %weniger als kaltes Wasser bei 10 °C.

• Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Wassererschwert einen Wärmeaustausch zwischendiesen wärmeren und kälteren Wasserschich-ten.

• Der Solarspeicher sorgtfür Vorrat

Da Solarenergieangebot und Warmwasserver-brauch oftmals nicht zeitgleich auftreten, mussdie Sonnenenergie zwischengespeichert wer-den. Für den Betrieb einer Solaranlage kannder vorhandene Warmwasserspeicher der Hei-zungsanlage nicht unmittelbar übernommenwerden, da eine weitere Wärmeübertragungs-möglichkeit nötig ist, um die im Solarkollektorgewonnene Energie in den Speicher einzubrin-gen. Hierzu wird das Heizungswasser entwederdirekt eingespeist auf Speicherhöhe mit ent-sprechendem Temperaturniveau oder indirektüber im Speicher eingebaute Wärmetauscher.Ein wichtiges Kriterium eines Solarspeichersist dessen Fähigkeit zur Temperaturschichtung.Im oberen (Bereitschafts-)Teil sammelt sicherwärmtes, im unteren Speicherteil dagegenkaltes Wasser an. Diese Zonen mit unterschied-lichen Temperaturen sollten über längere Zeit– auch beim Wasserzapfen – erhalten bleiben.Dies wird in Standspeichern durch deren hoheund schlanke Bauform unterstützt. Bei größe-ren (Schichten-)Speichern dienen eingebauteAufströmrohre zur gezielten Einschichtung derKonvektionsströme in den Zonen mit gleicherTemperatur. Prallbleche beim Kaltwasserein-lauf im Speicherboden lenken die Strömung inhorizontale Richtung ab und unterbinden sounerwünschte Verwirbelungen. Dort kann dieWärme aus dem Kollektorkreislauf gut an daskalte Speicherwasser abgegeben werden.

• Wärmetauscher zum Be- und Entladen

In Solarspeichern mit innen eingebauten Wär-metauschern (vgl. Abb. 2.9) werden Spiralenaus Kupfer-Rippenrohren mit Aluminiumla-mellen oder – in zunehmendem Maße – auchaus glattwandigen emaillierten Stahlrohren zurWärmeübergabe eingesetzt. Die erstgenannteBauform hat wegen der größeren OberflächeVorteile, neigt aber leichter zum Verkalken. InPlattenwärmetauschern (vgl. Abb. 2.13b / 2.14)– die außerhalb des Speichers angebracht wer-den – strömen das warme und kalte Mediumjeweils in entgegengesetzter Richtung an einerwärmeübertragenden Wandung vorbei. Damitsind höhere Übertragungsleistungen als mitRohrwärmetauschern möglich; allerdings isteine weitere Umwälzpumpe auf der Speicher-seite erforderlich – mit entsprechendem Ener-gie- und Regelaufwand.

In Thermosiphonanlagen (vgl. Kap. 3.1) wer-den auch Wärmespeicher eingesetzt, die miteinem sog. Mantelwärmeaustauscher ausgerüs-tet sind (Abb. 2.8). Konstruktiv entspricht die-ser einer doppelten Speicherwandung, zwi-schen der das Wärmeträgermedium hindurchfließt.

• Speicherbauartenim Überblick

Der Trinkwasserspeicher

Merkmal dieses in Abb. 2.9 dargestellten Spei-chers ist, dass das sauerstoffhaltige – und daherkorrosive – Trinkwasser selbst als Speicherme-dium dient; daher kommen hierfür nur lebens-mittelecht beschichtete, emaillierte Stahlspei-cher oder Speicher aus Edelstahl in Frage. Diesolar gewonnene Wärme wird über einen Wär-metauscher in den unteren Teil des Speicherseingebracht. Im oberen Speicherteil befindetsich ein weiterer Wärmeübertrager, über dender Bereitschaftsteil (etwa das obere Speicher-

drittel) bei Bedarf durch eine konventionelleNachheizung auf Gebrauchstemperatur gehal-ten werden kann. Dies garantiert die Versor-gungssicherheit mit warmem Wasser auch beischlechtem Wetter.

Der Kombispeicher

In Kombispeichern (Abb. 2.10) dient dasWasser aus dem geschlossenen Heizkreislaufals Speichermedium; diese Speicher könnendaher aus gewöhnlichem Stahl gefertigt sein.

Im oberen Bereich befindet sich das Bereit-schaftsvolumen für die Trinkwassererwärmung,im mittleren Bereich das für die Raumheizung.Der Solarwärmetauscher ist entweder in derNähe des Speicherbodens angeordnet oderextern als Plattenwärmetauscher.

Kombispeicher dienen einerseits als Puffer-speicher für den Heizkessel; andererseits wirddas Trinkwasser von diesen entweder imDurchlaufverfahren (Abb. 2.11), in einem ein-gebauten Behälter (Abb. 2.12) oder über einenexternen Gegenstrom-Wärmetauscher (vgl.Abb. 4.3b/4.4) auf Solltemperatur gebracht.Da hierbei das Speicherwasser in das Heizungs-system hydraulisch eingebunden ist, entfälltbeim Kombispeicher der Wärmetauscher fürdie Nachheizung.

Das Gesamtvolumen dieser Speicher reicht jenach Gebäudewohnfläche von ca. 600 Liter biszu mehreren Kubikmetern. Die Typenvielfaltbei diesen Speichern ist beträchtlich; sie unter-


12

Nachheizung

Warmwasser

Kaltwasser

Solaranlage InternerRohrwärmetauscher

Abb. 2.9:

Trinkwasser-

speicher (mit

internen Wärme-

tauschern)

Solaranlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Abb. 2.8:

Trinkwasser-

speicher mit

Mantelwärme-

tauscher

Warm-wasser

Mantelwärmetauscher

KaltwasserSolaranlage

Speicher Abb. 2.10:

Kombispeicher


13

scheiden sich vor allem durch die Art derWarmwasserbereitung sowie der Integrationdes Kollektorkreises der Solaranlage.

„Tank im Tank“- Speicher

Hier ist, wie in Abb. 2.12 dargestellt, in den mitHeizungswasser gefüllten Pufferspeicher einzweiter, kleinerer Speicher eingebaut, in demsich das Brauchwasser befindet; dieser wirdvom umgebenden Heizungswasser erwärmt.Der Innenbehälter wird zumeist aus Edelstahlgefertigt, da bei diesem Material die Wärme-leitung besser ist als bei emailliertem Stahl.Dessen große Wärmeaustauschfläche verringertüberdies die Verkalkungsanfälligkeit.

Schichtenspeicher

Gelingt es, die Solarwärme auf einem höherenTemperaturniveau direkt in den oberen Bereit-schaftsteil einzubringen, dann muss die kon-ventionelle Nachheizung nicht so häufig zuge-schaltet werden. In Schichtenspeichern wirddies mit zweierlei Konzepten realisiert:

Bei der passiven Schichtung (gem. Abb. 2.13)erfolgt dies durch im Speicher eingebauteSchichtungsvorrichtungen. Aufgrund des Dich-teunterschieds steigt das erwärmte Wasser imAufströmrohr und tritt erst dann aus diesem

durch seitliche Öffnungen aus, wenn sich au-ßerhalb ähnlich warmes Wasser befindet. Füreinen optimalen Ablauf sind die vom Speicher-hersteller vorgeschriebenen Volumenströme fürden Wärmetauscher genau einzuhalten.

Bei der aktiven Schichtbeladung wird – wie inAbb. 2.14 dargestellt – ein Pufferspeicher überseitliche, in unterschiedlichen Speicherhöhenangebrachte Einfüllstutzen beladen. Diese wer-den über Ventile entsprechend angesteuert. Derhierzu erforderliche Regelaufwand steigt mitder Anzahl der Einfüllebenen.

Solaranlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Aufströmrohr

Abb. 2.11:

Kombispeicher

mit interner

Warmwasser-

bereitung im

Durchlaufver-

fahren

Abb. 2.13b:

Schichtenspei-

cher mit passiver

Schichtbeladung

über externen

Plattenwärme-

tauscher

Solaranlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Warmwasser

Kaltwasser

Solar-anlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Aufströmrohr

externerPlattenwärmetauscher

Abb. 2.14:

Schichtenspei-

cher mit aktiver

Schichtbeladung

über externen

Plattenwärme-

tauscher

Solar-anlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Abb. 2.12:

„Tank im

Tank“- Speicher

Solaranlage

Nachheizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Warmwasser

Kaltwasser

Warm-wasser-behälter

Abb. 2.13a:

Schichtenspei-

cher mit passiver

Schichtbeladung

über internen

Wärmetauscher


14

2.3 Regelung, Pumpen-gruppe und Sicherheits-komponenten

• Alles bestens geregelt:Der Solarregler

Der Solarregler als Schaltzentrale sorgt füreinen effizienten Wärmetransport vom Kollek-tor zum Speicher. Er vergleicht hierzu dieKollektortemperatur mit der Temperatur imunteren Speicherbereich; entsprechende Tempe-raturfühler befinden sich im Kollektorgehäuseam Sammelrohr oder auf dem Absorber in derNähe des Kollektorfeld-Vorlaufs sowie imSpeicher, entweder auf mittlerer Höhe desSolarwärmetauschers oder in Höhe des Kollek-torkreis-Rücklaufs. Wird die eingestellte Tem-peraturdifferenz – je nach Anlage zwischen5 und 10 °C – erreicht, schaltet die Umwälz-pumpe ein. Bei einem Rückgang der Tempera-turspreizung auf einige wenige Grad Celsiuswird die Pumpe wieder abgeschaltet; die Band-breite zwischen diesen Schaltschwellen ist vonder Rohrleitungslänge im Kollektorkreis abhän-gig.

Grundsätzlich zielt die Regelstrategie daraufab, die Kollektortemperatur möglichst naheüber der jeweils kältesten Temperatur im Spei-cher zu halten (vgl. Kap. 2.1). Eine Ausnahmehiervon bilden lediglich sog. „Low Flow“-Systeme in Verbindung mit Schichtspeichern(vgl. Kap. 3.1). Damit kann schnell eine hoheTemperatur im oberen Bereitschaftsteil desSpeichers erreicht werden. Anhand von Kon-trolllampen und Textanzeigen kann man sichüber den aktuellen Schaltzustand informieren.Optional angebotene Diagnosesysteme kon-trollieren die Betriebsbereitschaft.

Der eingebaute Mikroprozessor ermöglichteine Abfrage gespeicherter Messdaten; beiReglern mit Computerschnittstelle können die-se auch in einen Rechner eingelesen und gra-fisch aufbereitet werden. Durch eine Vernet-zung über den Elektro-Installations-Bus (EIB)mit dem Heizsystem sowie über das Internetz. B. bezüglich der Wetterdaten soll die Regel-genauigkeit künftig weiter optimiert werden.

• Die Umwälzpumpe bringt den Solarkreislauf in Schwung

Die Anforderung an Solarpumpen weichenvon denen an Heizungspumpen ab: Die umzu-wälzenden Volumenströme im Kollektorkreisentsprechen etwa nur 10 % der Fördermengevon Heizungen. Andererseits übersteigen dieFörderhöhen in Solaranlagen diejenigen einerWarmwasserheizung um ein Vielfaches. Auchdie Viskosität der Wärmeträger und derenTemperaturbereiche sind verschieden. Heizungs-pumpen sind daher nur unzureichend auf denBetrieb im Solarkreis angepasst; sie erreichenbei dieser Anwendung nur Wirkungsgrade um10 %.

Neuerdings sind hydraulisch optimierte, teil-weise auch drehzahlgeregelte Solarpumpenauf dem Markt. Diese verbrauchen wesentlichweniger Strom und können ggf. in die Wärme-mengenmessung integriert werden. Generellmüssen die im Kollektorkreis eingesetztenPumpen für die auftretenden Temperaturenausgelegt sein; sie sollten immer im kälterenRücklauf des Kollektorkreises eingebaut werden.

• Druck und Temperatur im Griff: Die Sicherheits-komponenten

Der Solarkreislauf (siehe Abb. 2.15) ist mitArmaturen ausgestattet, wie sie auch in einerkonventionellen Warmwasserheizung benötigtwerden: Thermometer, Entlüfter, Sicherheits-ventil, Manometer und Membranausdehnungs-gefäß, Füll- und Entleerhähne, Absperrschieber,Durchflussmesser, Rückflussverhinderer etc.Für Anlagenkonzept und Regelung gilt derGrundsatz: So einfach wie möglich! Die An-zahl von Pumpen und Ventilen sollte dahermöglichst gering gehalten werden.

Thermometer im Vor- und Rücklauf zu denKollektoren sowie im Bereitschaftsteil desSpeichers dienen zur visuellen Betriebskon-trolle der Anlage. Wichtig ist auch der Einbaumindestens einer Schwerkraftbremse im Kol-lektorkreis, da sonst der Speicher über dieKollektoren wieder auskühlt – z. B. überNacht, sobald die Solaranlage keine Wärmemehr liefert.


15

Ein Entlüftungsventil wird an der höchstenStelle im Kollektorkreis eingebaut; es dientzum manuellen Entlüften des Kollektorkreis-laufs nach dem Befüllen mit der Wärmeträger-flüssigkeit sowie zum Ablassen von aus demWärmeträger freigesetzten Gasen.

Mit einem Sicherheitsventil wird die Anlagezusätzlich abgesichert. Die Betriebsdrücke, dieam Manometer abgelesen werden können, lie-gen – meist um einen Sicherheitszuschlag überdem statischen Vordruck der Anlage – bei 1,5bis 3 bar. Das Sicherheitsventil sollte dann aufeinen Ansprechdruck von 6 bar eingestelltwerden, um die Anlage auch bei hohen (Still-stands-)Temperaturen sicher betreiben zu kön-nen. Beim Ansprechen dieses Ventils wird deraustretende Wärmeträger über die Ausblaslei-tung zum Auffangbehälter geleitet; dieser mussso dimensioniert sein, dass er eventuell diegesamte Flüssigkeit aus dem Kollektorkreisaufnehmen kann.

Da das Volumen des Wärmeträgers sich mitzunehmender Temperatur ausdehnt und dieserggf. verdampft, muss zur Kompensation einMembranausdehnungsgefäß in den Kollektor-kreis integriert werden. Zwar sorgt die Tempe-raturbegrenzung der Regelung dafür, dass ober-halb eines eingestellten Wertes (z. B. 95 °C) kei-ne Wärme mehr an den Speicher geliefert wird;hierzu wird dann die Umwälzpumpe abgeschal-tet. Flachkollektoren können sich im Folgendenaber bis auf 200 °C erhitzen, Vakuumröhrensogar bis zu 280 °C. Hierbei verdampft dieWärmeträgerflüssigkeit im Kollektor sowie ineinem Teil der Anschlussleitungen. Damit einsolcher Betriebsfall („Leerlauf“) nicht zumStörfall wird, fordert DIN 4757 die Eigensi-cherheit für eine Solaranlage:

Sowohl das im Leerlauf entstehende Dampf-volumen als auch die Wärmeausdehnung desWärmeträgers muss das Ausdehnungsgefäßaufnehmen können – ohne ein Ansprechen desSicherheitsventils und dem damit verbundenenAustreten von Wärmeträgerflüssigkeit. So kanndie Anlage nach Abbau der Überschussenergiewieder von selbst in Betrieb gehen – wobeidann aber kurzzeitig Temperaturen von über100 °C im gesamten Kollektorkreis auftretenkönnen.

Über die Füll- und Entleerhähne kann zusätz-lich Wärmeträgerflüssigkeit oder Wasser nach-gefüllt werden bzw. überschüssige Flüssigkeitabgelassen werden.

Am Durchflussmesser ist abzulesen, ob dasWärmeträgermedium mit der entsprechend derAnlagenauslegung optimalen Geschwindigkeitvon der Pumpe umgewälzt wird. Damit beimAuswechseln einer defekten Pumpe nicht dasganze System entleert werden muss, werden vorund hinter der Pumpe Absperrschieber montiert.

Da bei guter Einstrahlung im Speicher Tempe-raturen bis zu 95 °C auftreten können – soferndie Speichertemperatur zur Verminderung vonKalkablagerungen nicht auf 60 bis 65 °C be-grenzt ist – muss laut Heizungsanlagenverord-nung zur Vermeidung von Verbrühungen beimWasserzapfen dann ein thermostatischer Mischerzur Temperaturbegrenzung auf max. 60 °C indie Warmwasserleitung eingebaut werden.

Ein Großteil dieser Komponenten wird oftmalszusammen mit dem Regler vormontiert undwärmegedämmt zu einer sog. Solarstationzusammengefasst.

bar °C °C °C

Sicherheitsventil

Membranaus-dehnungsgefäß

Ausblas-leitung

mit Auffang-behälter

Schwerkraft-bremse

Solarpumpe

Durchflussmesser

Solarregler

Solarkollektorfeld

ThermostatischerMischerRücklauf-

thermometer

Kaltwasserzulauf

Warmwasser-Zapfleitung

Speicherladepumpe

Schwerkraftbremse

Heizkesselmit

ReglerFüll- und Entleerhähne

Speicher-Temperaturfühler

Vorlauf-thermo-meter

Solar-speicher

Kollektor-Temperaturfühler

Entlüfter mitAbsperrschieber

Mano-mometer

Speicher-thermo-meter

Abb. 2.15:

Armaturen und

Sicherheitsein-

richtungen in

Kollektorkreis

und Nachhei-

zung

Anlagenkonzepte von Warmwasser-Solaranlagen

16

3.1 Unterschiede bei derWärmeträgerumwälzung

• „High Flow“-Anlagen

Sog. „High Flow“-Anlagen (Abb. 3.2) weiseneinen typischen Volumenstrom von ca. 30 bis50 Liter pro m2 Flachkollektorfläche je Stundeauf. Infolge dieser schnellen Umwälzung bleibtdie Temperaturerhöhung zwischen Kollektor-eintritt und -austritt gering. Somit arbeitet derKollektor auf niedrigem Temperaturniveau –d. h. mit hohem Wirkungsgrad (vgl. Kap.2.1).

• „Low Flow“-AnlagenBeim „Low Flow“-Betrieb – insbesondere ingrößeren Solaranlagen ab 20 m2 Kollektor-fläche – wird der Kollektorkreis mit einemgeringeren Volumenstrom von 10 bis 15 Literpro m2 Kollektorfläche je Stunde durchströmt,um die Wärmeträgerflüssigkeit stärker zu er-wärmen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten füreine geschichtete Beladung des Speichers(Abb. 3.3) und eine schnellere Erwärmung desBereitschaftsteils. Insgesamt arbeitet der Kol-lektor hierbei auf höherem Temperaturniveau,weshalb nur der Einsatz von Kollektoren mitgeringen Wärmeverlusten sinnvoll ist (vgl.Abb. 2.7).

Tem

pera

turs

prei

zung

(°C

)

Volumenstrom (kg/m2Koll

h)

Sommer

Winter

0

10

20

30

40

50

0 10 2015 30 40 50 60 70 80 90 100

„High Flow“-Bereich

„Low Flow“-Bereich

„Matched Flow“-Bereich

Abb. 3.1:

Anhaltswerte für

die Temperatur-

differenz zwi-

schen Kollek-

torvorlauf und

-rücklauf bei

unterschied-

lichen Volumen-

strömen

[ITW]

3 Anlagenkonzepte von Warmwasser-Solaranlagen

Die meisten in Deutschland installierten Solar-anlagen sind als sog. Zweikreisanlagen aufge-baut: der Kreislauf zwischen Kollektor undSpeicher – der ein Wasser-Frostschutz-Gemischenthält – und die Warmwasserinstallation, dieüber einen Wärmetauscher hydraulisch ge-trennt sind.

Bei einer Naturumlauf- oder Thermosiphon-anlage erfolgt die Umwälzung zwischen Kol-lektor und Speicher durch die Schwerkraft auf-grund temperaturbedingter Dichteunterschiede:Im Kollektor wird der Wärmeträger erwärmt –und damit leichter als im Speicherwärmetau-scher. Damit dies eine Zirkulation auslöst,muss der Wärmespeicher aber höher angeord-net werden als der Kollektor.

Anlagen mit Zwangsumlauf haben den Vorteil,dass Speicher und Kollektor beliebig zueinanderim Gebäude angeordnet werden können. DerKollektor wird in der Regel auf dem Dach mon-tiert und der Solarspeicher ersetzt den konven-tionellen Warmwasserspeicher im Heizraum.

Für den Betrieb des Kollektorkreislaufs gibt esdrei Konzepte, die sich durch die jeweiligenVolumenströme unterscheiden. Entsprechendder nach Herstellerangabe eingestellten Durch-strömungswerte ergibt sich eine Temperatur-spreizung zwischen Kollektorvor- und -rück-lauf. Diese sollte im farblich gekennzeichnetenBereich von Abb. 3.1 liegen; im Sommer naheder oberen, im Winter im Bereich der unterenBegrenzungslinie. Diese Werte können – zurKontrolle der Anlageneinstellung – an den Vor-und Rücklaufthermometern abgelesen werden.

Kaltwasser

Warmwasser

Nachheizung

AufströmrohrRegel-einheit

Kollektor

Abb. 3.3:

„Low Flow“-

Anlage mit

Schichtlade-

system

Kaltwasser

Warmwasser

Nachheizung

Regel-einheit

Kollektor

Abb. 3.2:

Aufbau einer

(„High Flow“-)

Solaranlage mit

Zwangsumlauf

Regel-einheit

Kaltwasser

Warmwasser

Nachheizung

Rücklauf-behälterKollektor

Anlagenkonzepte von Warmwasser-Solaranlagen

17

• „Matched Flow“-Anlagen

Auf einer Kombination aus beiden Betriebs-weisen beruht die sog. „Matched Flow“-Tech-nik. Über eine drehzahlgeregelte Pumpe wirdder Volumenstrom – und damit die Vorlauf-temperatur des Kollektorkreises – je nach Be-darf gesteuert. Um möglichst schnell eine ge-forderte Mindesttemperatur im Bereitschaftsteildes Speichers zu erreichen, wird der Kollektor-kreis zunächst mit geringem Durchsatz gefah-ren. Dies ist zwar mit einem verringerten Wir-kungsgrad verbunden, andererseits erübrigtsich dadurch evtl. eine Nachheizung über denHeizkessel. Ist dieses Temperaturniveau er-reicht, wird der Volumenstrom erhöht. Für die-se Betriebsart ist ebenfalls ein Schichtspeichererforderlich.

• „Drain Back“-Anlagen

Eine weitere Betriebsweise ist das sog. „DrainBack“-Prinzip. Es definiert sich nicht über denVolumenstrom, sondern steht in Konkurrenzzu Anlagen, in denen Frostschutzmittel ver-wendet werden muss. „Drain Back“ bedeutet,dass im drucklos betriebenen, geschlossenenSolarkreis bei ausgeschalteter Pumpe der Kol-lektor leer läuft. Es befindet sich dann keineFlüssigkeit mehr im Kollektor, die bei Frostgefrieren könnte. Somit wird eine Zugabe vonFrostschutzmittel im Kollektorkreis überflüssig– der Wärmeträger „Wasser“ hat dadurch eineum ca. 20 % höhere Wärmekapazität. Das ausdem Kollektorkreis strömende Wasser wird(siehe Abb. 3.4) in einem Bevorratungsgefäßgesammelt; sobald der Solarregler die Pumpewieder startet, wird es von dieser in den Kollek-torkreis zurückgepumpt. Um den hierzu erfor-derlichen hohen Druck aufzubringen, sind spezielle Zahnradpumpen erforderlich.

Dieser Vorgang läuft entsprechend auch beivoll geladenem Speicher ab, da die Pumpedann ebenfalls die Umwälzung unterbricht.Der Temperaturanstieg im leer gelaufenenKollektor verläuft dann ohne nennenswertenDruckanstieg, da hierbei kein Wasser ausko-chen kann. Ein Membranausdehnungsgefäßmit Sicherheitsventil ist daher nicht erforder-lich. Entsprechend läuft der Kollektor auchüber Nacht leer, so dass auch auf Schwerkraft-bremsen verzichtet werden kann.

Voraussetzung für diesen Ablauf ist natürlich,dass alle Leitungen mit stetigem Gefälle ver-legt werden, so dass keine Wassertaschen auf-treten können.

Abb. 3.4:

„Drain Back“-

Anlage

4 Einheizen mit SolarwärmeIn Kombianlagen entspricht der Solarkreislaufprinzipiell dem der Anlagen zur Warmwasser-bereitung. Kombianlagen benötigen grundsätz-lich eine größere Kollektorfläche, da sie zweiWärmeverbraucher zu versorgen haben: Trink-wassererwärmung und Raumheizung. Derenjeweils unterschiedliche Temperaturniveausmuss der Speicher bereithalten können. DieseAnforderung resultiert zum einen in den inKap. 2.2 beschriebenen, konstruktiven Lösungenzu Speicheraufbau und -beladung. Andererseitsstellen auch die unterschiedlichen Einbindun-gen der Speicher in die Gebäudewärmever-sorgung Lösungen dieser Aufgabenstellung dar.

4.1 Speicherkonzepte als Unterscheidungsmerkmalvon Kombianlagen

Von den Herstellern werden zur solar unter-stützten Gebäudebeheizung unterschiedlicheAnlagenkonzepte angeboten. Diese Kombi-anlagen können anhand des jeweiligen Speicher-konzeptes nach folgenden Gesichtspunktenunterschieden werden:

• Anzahl der Speicher: Hier wird zwischen Ein- und Zweispeicher-anlagen unterschieden. Der Zweispeicheran-lage ist ihre historische Abstammung anzu-sehen: Eine Solaranlage zur Trinkwasser-bereitung wird einfach um einen weiterenPufferspeicher für die Heizung ergänzt. DieWeiterentwicklung der Zweispeicheranlageist die Einspeicheranlage. Hier wird ein zen-traler Speicher – der sog. Kombispeicher –als Wärmespeicher für die Solaranlage zurErwärmung des Trinkwassers und auch alsPufferspeicher für den Heizkessel genutzt.

• Art der Trinkwassererwärmung: Die Erwärmung des Trinkwassers kann ent-weder während der Entnahme im sog.Durchlaufverfahren erfolgen oder bereitsdavor. Beim Durchlaufverfahren wird dieim Speicherwasser enthaltene Wärme erstwährend des Zapfens, z. B. mittels eines sichüber die gesamte Speicherhöhe erstrecken-den Wärmetauschers, an das Trinkwasserabgegeben. Anlagen, bei denen das Trink-wasser bereits vor der Entnahme erwärmtwird, arbeiten nach dem „Speicherprinzip“und benötigen daher für das Trinkwassereinen zusätzlichen Speicherbehälter. Bei der Zweispeicheranlage ist dies ein separater

Einheizen mit Solarwärme

18

Trinkwasserspeicher, bei Einspeicheranlagen ist der Speicher für das Trinkwasser in denKombispeicher eingebaut. Diese Kategorie vonKombispeichern wird als „Tank im Tank“-Speicher bezeichnet.

• Pufferfunktion des Kombispeichers fürden Heizkessel:Hier wird zwischen Kombianlagen mit undohne Pufferfunktion für den Heizkesselunterschieden. Die vom Heizkessel abgege-bene Wärme wird bei ersterem immer demSpeicher zugeführt. Wird das Wasser desHeizungsrücklaufs vom Speicher solar nurvorgewärmt (Rücklaufanhebung), bevor esim Heizkessel vollends auf Vorlauftempera-tur erhitzt wird, spricht man auch von sog.Vorwärmanlagen.

• Kombispeicher mit eingebauter Wärme-quelle:Bei diesen Anlagen sind Heizkessel undPufferspeicher durch einen Speicher ersetzt,in den als Wärmequelle ein Gas- oderÖlbrenner eingebaut ist.


19

4.2 Gängige Anlagenkonzepteim Überblick

• ZweispeicheranlageBei Zweispeicheranlagen – wie in Abb. 4.1dargestellt – wird neben dem Warmwasser-speicher noch ein Pufferspeicher für den Heiz-kreislauf eingebaut. Beide Speicher könnenauch über den Kollektorkreis beladen werden;dieser wird – je nach Temperaturniveau imSpeicher – über ein 3-Wege-Ventil umgeschal-tet. Bei nicht ausreichender Sonneneinstrah-lung werden beide Speicher über den Heiz-kessel auf Solltemperatur gebracht.

Vorteile:• hoher Nutzungsgrad der Solaranlage infolge

des niedrigen Temperaturniveaus des in denWarmwasserspeicher zuströmenden Kalt-wassers

• relativ einfach aufgebaute Speicher einsetz-bar; ggf. Mitnutzung des vorhandenen kon-ventionellen Warmwasserspeichers möglich

• Konzept insbesondere für größere Wohnan-lagen geeignet

Nachteile:• höhere Wärmeverluste als mit kompakterem

Einspeicherkonzept• höherer Installations- und Regelaufwand

• Anlage mit „Tank im Tank“-Speicher

Integriert man den Trinkwasserspeicher in denPufferspeicher (siehe Abb. 4.2), vereinfachtdies Verrohrung und Regelung. Die Solarwärmewird an das Heizwasser abgegeben, welcheswiederum den innen liegenden Trinkwasser-speicher mit erwärmt. Dieser sollte möglichstweit in den unteren Bereich des Pufferspeichershineinragen, so dass der Kaltwasserzufluss denumgebenden Pufferspeicherbereich mit demSolarwärmetauscher auf einem möglichst nied-rigen Temperaturniveau hält. Bei einem sinnvollkonzipierten „Tank im Tank“-Speicher umfasstder Trinkwassertank etwa ein Viertel desGesamtvolumens. Aus diesem Grund werdendiese Speicher meist nur bis zu Größen von1.000 bis 1.500 Liter eingesetzt.

Vorteile:• kompakte Bauweise• geringer Installations- und Regelaufwand• kostengünstig

Regel-einheit

Warmwasser VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Heiz-kessel

Regeleinheit

Kaltwaser

Warm-wasser-speicher

Kollektor

Puffer-speicher

Abb. 4.1:

Zweispeicher-

anlage

Warmwasser

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Heiz-kessel

Regeleinheit

Kaltwaser

Warm-wasser-behälter

Regel-einheit

Kollektor

Abb. 4.2:

Einspeicheranla-

ge mit „Tank im

Tank“- Speicher

• Einspeicheranlagemit Kombispeicherim Heizkreislauf

In Einspeicheranlagen wird gem. Abb. 4.3 einzentraler Speicher – der sog. Kombispeicher –sowohl als Wärmespeicher für die Solaranlagezur Erwärmung des Trinkwassers und auchals Pufferspeicher für den Heizkessel benutzt.Hierbei wird die vom Kessel abgegebene Heiz-wärme grundsätzlich zunächst dem Speicherzugeführt. Leistungsspitzen beim Heizwärme-bedarf können so abgepuffert werden. Darüberhinaus wird häufiges Takten des Kessels z. B.zu Zeiten mit geringem Heizwärmebedarf – und daraus resultierende höhere Emissionen –vermieden. Für Holzheizkessel ist ein Puffer-speicher ohnehin erforderlich. Diese Einbindungdes Speichers in den Heizkreislauf bringt abermit sich, dass die Leistung der Solaranlageabhängig wird vom Rücklauftemperaturniveauder Heizanlage (vgl. Kap. 2.1).

Die Warmwasserbereitung erfolgt im Durch-laufverfahren entweder über einen eingebautenWärmetauscher (Abb. 4.3a) oder extern mit-tels Plattenwärmetauscher und durchfluss-geregelter Pumpe (Abb. 4.3b).

Kombispeicher mit Schichtladevorrichtungfür „Low Flow“-Anlagen

In dieser Einspeicheranlage wird über einenexternen Wärmetauscher (siehe Abb. 4.4) dieSolarwärme auf die Schichtladevorrichtungim Kombispeicher übertragen. Die niedrigeDurchflussrate im Kollektorkreis bei „LowFlow“-Anlagen ermöglicht, dass sich derWärmeträger bei entsprechender Einstrahlungstärker erhitzt. Damit kann der Bereitschaftsteilim Speicher – bei gezielter Einschichtung –sehr schnell auf Gebrauchstemperatur gebrachtwerden. Der Nachheizbedarf wird entspre-chend verringert und andererseits die solareDeckungsrate gesteigert. Hierzu ist aber eineausgefeilte Regelstrategie erforderlich.

Vorteile:• wenig Wärmeverluste, da kompakte Bauweise• höchster Nutzungsgrad bei geschichteter

Speicherbeladung

Nachteile:• Nutzungsgrad der Solaranlage von Tempera-

turniveau des Heizkreises abhängig• ggf. zusätzlicher Regelaufwand für externen

Warmwasser-Wärmetauscher• zusätzlicher Regelaufwand für Schichtlade-

betrieb


20

Warm-wasser

Kalt-wasser

RücklaufHeizung

Nach-heizung

Bei-mischung

VorlaufHeizung

Regel-einheit

Kollektor

Regeleinheit

Abb. 4.4:

„Low Flow“-

Anlagen mit

Schichtspeicher

und externem

Plattenwärme-

tauscher

Regel-einheit

Kollektor

Nach-heizung

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Regeleinheit

Kalt-wasser

Warm-wasserBei-

mischung

Abb. 4.3b:

Einspeicheranla-

ge mit externem

Gegenstrom-

Warmwasser-

Wärmeüber-

trager

Heiz-kessel

Regel-einheit

Kollektor Warmwasser

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Regeleinheit

Kaltwaser

Abb. 4.3a:

Einspeicher-

anlage mit

eingebautem

Warmwasser-

Wärmeüber-

trager im Durch-

laufverfahren


21

• Kombispeicher nurzur Rücklaufanhebungdes Heizkreislaufs(„Vorwärmanlage“)

Bei solar unterstützten Heizanlagen, die – wiein Abb. 4.5 dargestellt – nach dem Prinzip derRücklaufanhebung arbeiten, dient der Speicherprimär nur zur solaren Erwärmung des Bereit-schaftsvolumens für die Warmwasserberei-tung; bei Bedarf wird dieses zusätzlich überden Heizkessel erwärmt. Die Wärme für dieRaumheizung kann vom Kessel nur direkt inden Heizungsvorlauf eingespeist werden.

Sofern die Temperatur im unteren Bereich desSpeichers um etwa 5 bis 10 °C höher ist als dieRücklauftemperatur des Heizkreises, wird überden mit einer Temperaturdifferenz-Regelungausgestatteten Rücklaufwächter der Heizungs-rücklauf durch den Speicher geleitet. Dadurchwird das Temperaturniveau des Heizungswas-sers angehoben, bevor es anschließend im Kes-sel vollends auf Vorlauftemperatur erwärmtwird.

Vorteile:• niedrigeres Temperaturniveau im Speicher

während der Heizperiode, dadurch• geringere Wärmeverluste

Nachteile:• häufigeres Takten des Heizkessels, da

Speicher keine Pufferfunktion hat, daher• nur in Verbindung mit modulierendem

Brenner oder mit Kessel mit großemWasservolumen sinnvoll

Rücklaufwächter

RücklaufHeizung

Nach-heizung

Rücklauf-anhebung

Kaltwasser

Warmwasser

VorlaufHeizung

Regel-einheit

Kollektor

Regeleinheit

Heiz-kessel

Abb. 4.5:

Vorwärmanlage

mit Rücklauf-

anhebung und

Warmwasser-

Wärmeübertra-

gung im Durch-

laufverfahren

• Kombispeicher mit ein-gebauter konventionellerNachheizung

Anlagen dieses Typs unterscheiden sich vonden bisher vorgestellten Anlagenvariantendarin, dass die konventionelle Nachheizunggem. Abb. 4.6 direkt in den Kombispeichereingebaut ist. Diese betriebsfertige Einheitbraucht nur noch mit dem Heizungs- undWarmwassernetz des Gebäudes sowie derEnergieversorgung und Abgasleitung für denKessel verbunden zu werden.

Vorteile:• geringer Installationsaufwand• wenig Wärmeverluste, da sehr kompakte

Bauweise• geringer Platzbedarf

Warmwasser

Kaltwasser

Regel-einheit

Kollektor

Regeleinheit

Heizkessel

VorlaufHeizung

RücklaufHeizung

Abb. 4.6:

Einspeicheran-

lage mit einge-

bauter konven-

tioneller Nach-

heizung und

Warmwasser-

Wärmeübertra-

gung im Durch-

laufverfahren

Ein Platz an der Sonne

22

5 Ein Platz an der Sonne

Das gestalterische Potenzial bei der Anbrin-gung von Sonnenkollektoren wird oftmalsnicht ausgeschöpft. Hier sind die Architektenund Ingenieure aufgefordert, mehr als nur dasMindestmaß an technischen, funktionalen undwirtschaftlichen Möglichkeiten zu erschließen.Thermische Solaranlagen sollten als integralerBestandteil gestalterisch guter Gebäude in dasBlickfeld der Öffentlichkeit gerückt und so zueinem selbstverständlich anerkannten Bestand-teil des Bauens werden.

5.1 Einfluss der Kollektor-ausrichtung auf denEnergieertrag

Die Ausrichtung und Neigung des Kollektor-feldes beeinflusst entsprechend Abb. 5.1 denSolarertrag nicht so stark wie allgemein ange-nommen. Gegenüber den optimalen Bedingun-gen (Südausrichtung und etwa 35° Dachnei-gung) verringert sich z. B. der Ertrag bei Süd-westausrichtung und 50° Neigung nur um ca.5 %. Eine entsprechende Ausrichtung nachSüdost führt allerdings zu Ertragseinbußen vonbereits über 10 %. Der Grund für diesen Unter-schied ist der höhere Luftfeuchtegehalt in denMorgenstunden. Eine darüber hinausgehendeSüdabweichung kann durch eine entsprechendgrößer ausgelegte Kollektorfläche ausgeglichenwerden. Dies ist kostengünstiger als eine Kom-pensation der Ertragsminderung über eineschräge Aufständerung.

Folgende Erfahrungswerte für die Ausrichtungsollten bei der Anlagenplanung entsprechendder Nutzungsart berücksichtigt werden:

Ausrichtung möglichst nach Süden:• tolerierbare Abweichung nach Osten um 30°

für Warmwasserbereitung bzw. 15° für dieHeizungsunterstützung

• tolerierbare Abweichung nach Westen um45° für Warmwasserbereitung bzw. 15° fürdie Heizungsunterstützung

Neigung der Kollektorfläche• ca. 30° bis 50° für die Warmwasserbereitung• ca. 45° bis 70° für die Heizungsunterstützung

Ein über das bei 35° liegende ganzjährigeErtragsmaximum hinausgehender Anstellwin-kel führt – wie aus Abb. 5.2 ersichtlich – zueiner Reduktion der Erträge im Sommer unddamit zu einer Vergleichmäßigung im Jahres-verlauf; insbesondere bei heizungsunterstüt-zenden Kombianlagen sollte man sich dahernach Möglichkeit am oberen Bereich für denAnstellwinkel orientieren.

Neigungswinkel von weniger als 15° sind austechnischen Gründen sowie wegen des abneh-menden Selbstreinigungseffekts durch Regennicht zu empfehlen.

90° 70° 50° 30° 10° 10° 30° 50° 70° 90°

Neigungswinkel (Grad)

Süd

Südwest Südost

OstWest

Himmelsrichtung

100 %95 %

90 %

85 %

Rel

ativ

e En

ergi

eabg

abe

des

Kol

lekt

ors

(%)


50

40

30

20

10

60

70

80

90

100

Kol

lekt

orne

igun

g

30°35°

20°

45°

50°

60°

65°

Abb. 5.1:

Einfluss der

Kollektororien-

tierung auf den

solaren Energie-

gewinn

Abb. 5.2:

Monatlicher

Solarenergie-

gewinn eines

südorientierten

Kollektors in

Abhängigkeit

von der Neigung

[Solarfibel]

Ein Platz an der Sonne

23

5.2 Montagemöglichkeitenam Gebäude

Sonnenkollektoren können prinzipiell überalldort aufgestellt werden, wo sie nicht durchBäume, benachbarte Gebäude, Kamine undsonstige Dachaufbauten verschattet werden.Der Weg zum Aufstellort des Speichers solltedabei möglichst kurz sein. Hoch gelegene Auf-stellorte wie z. B. ein geeignet ausgerichtetesHausdach (Abb. 5.3) bieten sich daher alsMontagefläche an. Ist dort ein Blitzschutzinstalliert, müssen die Kollektorgehäuse mitdiesem elektrisch leitend verbunden werden.

Eine Indachmontage bietet sich vor allem beiNeubauten an. Sie ist eine optisch ansprechen-de Lösung, da der Kollektor sich wie ein Dach-fenster in das Gebäude integriert und die Kol-lektorleitungen geschützt und unsichtbar unterder Dacheindeckung verlaufen. Darüber hinausverringert diese Einbindung in die Gebäude-hülle die Wärmeverluste.

Die Aufdachmontage wird hauptsächlich beibestehenden Gebäuden angewandt. Dabei wirdder Kollektor auf Montageschienen, die durchSparrenanker gehalten werden, über den Dach-ziegeln befestigt. Somit wird die Dachhaut nichtverändert; Einpassungs- und Abdichtungspro-bleme im Dach können erst gar nicht entstehen.Die Anschlussverschraubungen des Kollektorsliegen außerhalb des Dachs; Rohrleitungen undFühlerkabel werden durch die Dacheindeckunghindurch ins Gebäude geführt.

Indachmontage

Aufdachmontage

Fassadenmontage

Integration inAnbauten (Wintergarten)

Aufständerung

Abb. 5.3:

Montagemög-

lichkeiten für

Kollektoren

am Gebäude

Vor einer Aufständerung auf einem Flachdachist zunächst zu klären, ob tragfähige Dach-flächen, Stützpunkte oder Wände zur Ableitungder Zusatzlasten aus Eigengewicht, Wind- undSchneelast vorhanden sind. Bei vollflächigbelastbaren Dächern mit entsprechend druck-fester Dachhaut kann der Montagerahmen fürdie Solaranlage auf Zusatzgewichten (Beton-platten oder mit Kies gefüllte Blechwannen)verschraubt werden – ohne Eingriff in die Dach-haut. Ist das Dach nur punktweise belastbar,muss die Montagefläche mit Trägern überspanntwerden; für deren Verankerung mit der Gebäu-dekonstruktion sind in der Regel Durchdrin-gungspunkte in der Dachhaut erforderlich. Die Aufständerung ermöglicht eine ertragsopti-mierte Ausrichtung des Kollektorfelds. Sie istaber in der Regel teurer als die Auf- bzw. In-dachmontage.

Gibt es auf dem Dach keine geeignete Möglich-keit, die Kollektoren zu installieren, könnendiese auch an einer Hauswand, an Balkonen,auf Anbauten (z. B. Wintergärten), Garagenoder Pergolen montiert werden.

5.3 Ihr Recht auf Solar-energie: Zu Baurechtund Denkmalschutz

In der Landesbauordnung für Baden-Württem-berg sind Anlagen zur thermischen Solarnut-zung als verfahrensfreie Vorhaben aufgeführt.Damit sind diese auch von der Kenntnisgabe-pflicht ausgenommen – die Baurechtsbehördebraucht demnach über deren Errichtung nichtinformiert zu werden. Unabhängig von derGenehmigungsfreiheit sind jedoch die Vor-schriften des Baurechts einzuhalten, z. B.bezüglich der Standsicherheit. Darüber hinaussollten Solaranlagen so angeordnet werden,dass sie nicht verunstaltend wirken. Insbeson-dere wenn eine Solaranlage das Erscheinungs-bild eines Kulturdenkmals beeinträchtigt, isteine Genehmigung nach dem Denkmalschutz-gesetz erforderlich.

Wenn der Bebauungsplan eine Firstrichtung inNord-Süd-Richtung vorschreibt, können Bau-herren mit dem Verweis auf eine geplanteSolaranlage einen Antrag auf Abweichungvom Bebauungsplan stellen; die Gemeinde hatdann darüber „nach sachgemäßem Ermessen“zu entscheiden. Hierbei kann sich der Bauherrauf §1 des Bundesbaugesetzes berufen, der dieNutzung erneuerbarer Energien ausdrücklichals Ziel der Bauleitplanung hervorhebt.

Abb. 6.2:

Beitrag solar-

thermischer

Anlagen zur

Trinkwasser-

erwärmung

[ITW]

sola

re D

ecku

ngsr

ate

(%)

Jan.

Nachheizung Solarertrag

Feb. März Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez.0

50

40

30

20

10

60

70

80

90

100

Planen mit der Sonne

24

6 Planen mit der Sonne

6.1 Auslegung von Solar-anlagen zur Warmwasser-bereitung

Eine Solaranlage für Ein- und Zweifamilien-häuser wird üblicherweise so ausgelegt, dassim Sommer der Warmwasserbedarf durchSonnenenergie vollständig gedeckt wird. ImFrühling, Herbst und Winter heizt die Solaran-lage nur vor; der Heizkessel sorgt dann – mitentsprechend weniger Energieaufwand – fürgenügend warmes Wasser aus der Leitung.Solltemperatur und Warmwasserverbrauchbzw. der zugrunde liegende Wärmebedarf sinddie wichtigsten und oft am wenigsten bekanntenAuslegungsgrößen. Die tatsächliche Zapfratebestimmt die Temperatur im Speicher unddamit den Arbeitspunkt des Kollektors (vgl.Kap. 2.1). Die Solltemperatur hat – neben derVersorgungssicherheit – einen ausgeprägtenEinfluss auf die Speicherverluste. Da dieWarmwasserlast bereits ab einer Speichertem-peratur von ca. 45° vollständig abgedeckt wird,bringen höhere Temperaturen im Bereitschafts-teil keinen Vorteil.

Der tägliche Warmwasserbedarf kann beispiels-weise mit einer Wasseruhr am Ausgang desSpeichers über längere Zeit gemessen werden.Übrigens sind zusätzliche Warmwasseran-schlüsse für Spülmaschine und Waschmaschinegünstig für den Nutzungsgrad einer Solaranlage.Um möglichst schnell warmes Wasser am Wasserhahn verfügbar zu haben, ist in vielenGebäuden eine Zirkulationsleitung eingebaut.Diese Zirkulation verursacht aber hohe Wär-meverluste, die den Ertrag von 2 bis 3 m2 Kol-lektorfläche zunichte machen können – undzerstört darüber hinaus auch die Temperatur-schichtung im Warmwasserspeicher. DessenVolumen sollte etwa das 1,5- bis 2fache destäglichen Warmwasserbedarfs umfassen. EineÜberdimensionierung des Speichers hat nureinen geringen Einfluss auf den solarenDeckungsanteil und bringt praktisch keinenzusätzlichen Gewinn.

Auslegung

Als Faustregel für die Anlagenauslegunggelten – pro Person – folgende Werte:

Kollektorfläche: 1,0 bis 1,3 m2 Flachkollektoren 0,8 bis 1,0 m2 Vakuumröhrenkollektoren

Speichervolumen: 60 bis 80 Liter

Dies entspricht dem 1,5- bis 2fachen des täg-lichen Warmwasserverbrauchs von 45 bis 60Litern pro Tag mit 45 °C .

Diese Erfahrungswerte zur überschlägigenAuslegung einer Solaranlage für die Warm-wasserbereitung sind in das Diagramm in Abb. 6.1 eingeflossen.

Bei einem täglichen Warmwasserbedarf eines5-Personen-Haushalts von etwa 250 Litern mit45 °C sollte ein Speicher von etwa 350 Literngewählt werden. Bei einem Süddach mit 30°bis 40° Neigung ist zur Erwärmung eine Flach-kollektorfläche von etwa 5,5 m2 nötig, mitVakuumröhrenkollektoren genügt eine Flächevon ca. 4 m2.

Eine nach diesen Vorgaben ausgelegte Solar-anlage erreicht gem. Abb. 6.2 eine anteiligejährliche Energieeinsparung von ca. 60 % beider Trinkwassererwärmung und produziert nurgeringe Wärmeüberschüsse im Sommer.

Speichergröße

aktiv

e Ab

sorb

erflä

che

in (m

2 )

0 75 150 225 300 375 4500

Vakuumröhren-kollektoren

Flachkollektoren

1

2

3

4

5

6

7

8

Abb. 6.1:

Diagramm zur

Auslegung von

Solaranlagen

zur Warmwas-

serbereitung

[Öko-Institut]


25

6.2 Auslegung von Kombi-anlagen

In Betriebsfällen, wo der Wärmeerzeuger sehrsensibel auf die Temperaturanforderungen beider Wärmeübergabe reagiert, ist eine Abstim-mung von Anlagentechnik und Gebäude ele-mentar wichtig. So arbeitet z. B. eine Solaran-lage umso besser, je niedriger die Temperaturdes zu erwärmenden Wassers ist (vgl. Kap. 2.1).Bei einer solaren Warmwasserbereitung sinddiese Voraussetzungen gegeben – beträgt dochdie Temperatur des zu erwärmenden Frisch-wassers ganzjährig nur ca. 10 °C.

Bei einer solar unterstützten Heizung dagegenwird das Speichertemperaturniveau vom Heiz-kreislauf vorgegeben – welcher an kaltenTagen zusätzlich von der Heizungsregelungangehoben wird. Aufgrund der geringen Tem-peraturspreizung zwischen Vor- und Rücklaufist auch das im Bereich des Solarwärmetau-schers in den Speicher zurückfließende Wassernoch relativ warm.

Um dennoch eine Solaranlage effektiv zurHeizungsunterstützung einsetzen zu können,ist daher Voraussetzung, dass das Gebäudeoptimal gedämmt ist, die Lüftungsverlusteminimiert wurden und möglichst viel Solar-wärme passiv über Südfenster gewonnen wer-den kann – so dass die Heizung auf einemmöglichst niederen Temperaturniveau betriebenwerden kann. In diesem Zusammenhang sindFlächenheizungen geradezu prädestiniert füreine Kombination mit Solaranlagen, da diesemit niedrigen Vorlauftemperaturen auskommen.

Auslegung

Eine konkrete Anlagenauslegung erfolgt aufder Grundlage der Gebäudedaten, der Bewoh-nerzahl und deren Verbrauchsgewohnheiten. Folgende Erfahrungswerte für ein typischesnach der Wärmeschutzverordnung ‘95 gebau-tes Einfamilienhaus können für die überschlä-gige Auslegung einer Kombianlage angesetztwerden:

Kollektorfläche pro 10 m2 Wohnfläche:0,9 bis 1 m2 mit Flachkollektoren bzw.0,5 bis 0,6 m2 mit Vakuumröhrenkollektoren

Pufferspeichervolumen:Ca. 50 Liter je m2 Flachkollektorfläche,zusätzlich ca. 50 Liter für Warmwasserbedarfje Person

Marktübliche Kombianlagen für den Einfami-lienhausbereich sind mit 10 bis 15 m2 Flach-kollektorfläche – bei Vakuumröhrenkollekto-ren entsprechend weniger – und einem Spei-chervolumen von 600 bis 1.000 Litern ausge-stattet. Eine nach diesen Vorgaben ausgelegteKombianlage ermöglicht gem. Abb. 6.3 jährli-che Energieeinsparungen für Heizung undWarmwasserbereitung von ca. 20 %. In Häusernmit einem um ca. 25 % niedrigeren Wärmebe-darf für die Raumheizung erhöht sich der sola-re Deckungsanteil um weitere 2 bis 4 %.

Bei einer weiteren Vergrößerung auf 20 m2

sind Einsparungen bis 30 % möglich. Einezunehmende Anlagengröße führt aber dazu,dass im Sommer ein immer größerer Teil derüber die Kollektoren gewonnenen Solarenergienicht genutzt werden kann.

Für den Anlagenplaner sind nachfolgend auf-geführte Aspekte wichtig. Sie sollten vomBauherrn – anhand der Checkliste in Tab. 6.1 –auch als Vorbereitung für Beratungsgesprächund Angebotseinholung nach Möglichkeitvorher erfasst werden.

Kollektorfläche (m2)0 5 1510 2520 3530

0

10

20

30

40

50350 700 1050 1400 1750 2100 2450

Speichergröße (l)

Vakuumröhren-kollektoren

Flachkollektoren

Ende

nerg

ieei

nspa

rung

(%)

0

Abb. 6.3:

Diagramm zur

Auslegung von

Kombianlagen

[ITW]

26


Angaben zum Gebäude

Gebäudetyp:EinfamilienhausMehrfamilienhaus/Stockwerke:

Montageort für Kollektoren:Schrägdach FlachdachFassade, Balkon

Dacheindeckung: Dachneigungswinkel: °Dachausrichtung:

Nutzbare Montagefläche:Länge x Breite = m2

Zusätzliche Angaben für eine solare Trinkwassererwärmung

Warmwasserbedarf für:

Personen: LiterSpülmaschine: LiterWaschmaschine: Liter

Größe des Warmwasserspeichers: Liter

Warmwasserbereitung erfolgtzentral, Ort:

mit/ohne Zirkulationsleitungdezentral an den Zapfstellen

Zusätzliche Angaben zursolaren Heizungsunterstützung

Baujahr des Gebäudes:Größe der beheizten Wohnfläche: m2

Heizleistung des vorh. Kessels: kWBaujahr des vorhandenen Kessels:Abgasverluste (lt. Abgasmessung): %

Raumheizung erfolgtzentral, Vorlauf- /Rücklauftemperatur

°C / °Cmit Heizkörpernmit Fußboden- bzw. Wandflächenheizung

dezentral mit Einzelöfen

Skizze des Montageortes:(ggf. Teilverschattung mit einzeichnen)

Energieträger zur Trinkwassererwärmung:

ÖlGasStromHolzFernwärme

Jährlicher Warmwasserverbrauch laut Heizkostenabrechnung bzw. Warmwasser-Zähler: Liter

Energieträger zur Gebäudeheizung:

ÖlGasStromHolzFernwärme

Jährlicher Energieverbrauch laut Heizkostenabrechnung bzw. Wärmemengenzähler: kWh

Tab. 6.1:

Planungs-

relevante

Gebäudedaten

(Kopiervorlage)

Checkliste der planungsrelevanten Gebäudedaten

Von der Theorie zur Praxis

27

7 Von der Theorie zur Praxis

7.1 Inbetriebnahme

Der Kollektorkreis muss nach Fertigstellungeiner Druckprobe unterzogen werden bei einemMindestdruck entsprechend der Angabe desKollektorherstellers. Danach wird die Anlagegespült. Dies ist zur Entfernung von Schmutz-resten unbedingt erforderlich, die ansonsten diePumpe beschädigen könnten. Zur Befüllungdes Kollektorkreises ist dessen Gesamtinhaltanhand der Herstellerangaben abzuschätzen.Vor dem Befüllen sind die Entlüfter zu öffnen.

Generell sollte bei der Auswahl des Wärme-trägers darauf geachtet werden, dass nur aus-drücklich für Solaranlagen geeignete, thermischhochbelastbare Medien verwendet werden.Ein leistungsfähiger Wärmeträger muss einerVielzahl von Anforderungen genügen. Hierzugehört neben der effizienten Wärmeübertra-gung ein zuverlässiger Frostschutz. Wasser-Glykol-Gemische mit einem Frostschutzanteilvon ca. 40 % verhindern sicher ein Einfrierender Anlage: Die Anlage bleibt dann bis ca.minus 20 °C betriebsbereit, bei tieferen Tem-peraturen bildet sich ein zähflüssiger Eisbrei,der jedoch nicht in der Lage ist, die Rohrlei-tungen aufzusprengen. Allerdings sinkt durchdie Frostschutzbeimischung die Wärmekapa-zität gegenüber Wasser um ca. 20 %. Glykol-konzentrationen über 50 % erhöhen die Druck-verluste und erfordern dann eine höhere Pum-penleistung.

Der Durchfluss im Kollektorkreis kann amDurchflussmesser abgelesen und über eineVariation der Pumpenstufe eingestellt werden.(Drehzahlgeregelte Kollektorkreispumpenregulieren den Volumenstrom selbsttätig ein).Die Nachheizung sollte auf eine möglichstniedrige Temperaturschwelle (45 °C) einge-stellt werden. Dies widerspricht im Übrigenauch nicht der im Arbeitsblatt W 551 desDeutschen Vereins des Gas- und Wasserfachse. V. (DVGW) als Legionellenprophylaxegeforderten Möglichkeit einer täglichen Auf-heizung von Warmwasserspeicher und Zirku-lationsleitungen auf 60 °C, da Kleinanlagenvon dieser Empfehlung ausgenommen wurden:Warmwasserspeicher und zentrale Durchfluss-Trinkwassererwärmer in Ein- und Zweifami-lienhäusern sowie generell Anlagen mit einemSpeicherinhalt unter 400 Liter unterliegennicht dieser Anforderung.

Die durchgeführten Arbeiten sowie die einge-stellten Werte sollten in einem Übergabepro-tokoll (Tab. 7.1) festgehalten werden. DieseAngaben können dann für die Betriebskontrol-le als Vergleichswerte herangezogen werden,um so ggf. sich anbahnende Defekte frühzeitigzu erkennen.

28

Anlagenstandort / Betreiber:

Füllen der AnlageAnlage gespültDruckprobe bei _____ bar PrüfdruckWärmeträgermedium: Hersteller ___________________________________________Einfüllmenge _____ l, Gemisch _____ %, frostsicher bis - _____ °CVordruck am Ausdehnungsgefäß _____ barAnlagenbetriebsdruck _____ bar bei _____ °C VorlauftemperaturAnsprechdruck des Sicherheitsventils bei _____ barKollektorkreis entlüftetAutomatikentlüfter mit vorgeschaltetem Kugelhahn abgesperrtFremdstromanode in Funktion gesetzt (sofern vorhanden)

PumpeDrehrichtung kontrolliertVolumenstrom _____ l/hRückschlagklappe in Arbeitsstellung

RegelungTemperaturdifferenz des Kollektorkreisreglers auf _____ °C eingestelltFunktionskontrolle der Regelung durchgeführtTemperatur für die Nachheizung auf _____ °C eingestelltMaximalbegrenzung der Speichertemperatur auf _____ °C eingestelltThermostatisches Mischventil auf _____ °C eingestellt (max. 60 °C)

Einweisung des AnlagenbetreibersGrundfunktion und Bedienung des SolarreglersFunktion und Bedienung der NachheizungFunktion der FremdstromanodeWartungsintervalleBetriebsanweisung übergeben

Datum, Name, Unterschrift/Firmenstempel


Tab. 7.1:

Übergabe-

protokoll [DKI]

(Kopiervorlage)

Inbetriebnahme-/Übergabeprotokoll


29

7.2 Betriebskontrolle undWartung

Kontrolle

Eine verständliche Beschreibung der Kontroll-und Wartungsmöglichkeiten ist Grundvoraus-setzung zur Vermeidung von Schäden undFehlfunktionen. Ohne eine hinreichende Doku-mentation des Systemaufbaus und der Regelungist eine Solaranlage daher nicht vollständig.Diese Unterlagen sollten an einer gut einseh-baren Stelle im Heizraum aufgehängt werden.

Um die Funktion der Solaranlage im Betriebzu kontrollieren, genügt es, gelegentlich einenBlick auf die Messinstrumente zu werfen (vgl.Kap. 2.3). Besonderes Augenmerk erfordertder Anlagendruck. Abgesehen von temperatur-bedingten, kleineren Schwankungen deutet einkontinuierliches Absinken des Systemdrucksweit unter den eingestellten Wert auf Undich-tigkeiten im Kollektor oder Leitungssystem hin.

Der Überdruck im Kollektorkreis verhindertdas Eindringen von Luft. Kommt dies dennochvor, macht sich das in typischen Geräuschenbemerkbar. Neben der akustischen Belästigungkann dies auch zu Schäden an der Pumpe füh-ren. Insbesondere zur Vorbeugung gegen Innen-korrosion muss das Eindringen von Luft in denKollektorkreis vermieden werden; ggf. ist danneine komplette Entlüftung erforderlich.

Die beiden Thermometer im Vor- und Rück-lauf des Kollektorkreises geben zusammen mitdem 3. Thermometer im Speicher Aufschlussüber das thermische Verhalten der Anlage: Die bei der Inbetriebnahme eingeregelte Tem-peraturdifferenz zwischen Kollektorvorlaufund -rücklauf (vgl. Abb. 3.1) sollte auch imlaufenden Betrieb erhalten bleiben.

Steigt diese Temperaturdifferenz an, deutetdies auf einen verringerten Wärmeträgerum-lauf hin: Verstopfung im Leitungssystemdurch Schmutz, Defekt an der Pumpe oderLuft im System könnten die Ursache sein.

Sinkt die Temperaturdifferenz bei ähnlichenEinstrahlungsbedingungen immer weiter unterdiesen Wert, ist dies meistens Zeichen für einezunehmende Verkalkung des Wärmetauschers.Ein Rückgang der Kollektorleistung – z. B.durch Verschmutzung der Abdeckscheiben,Abschattung oder Luft in Teilen des Absorbers –könnten andere mögliche Ursachen sein.

Die Temperatur im Vorlauf sollte im Normal-betrieb nicht mehr als 5 bis 10 °C über derSpeichertemperatur liegen. Sehr viel größereTemperaturdifferenzen zeigen (bei normalerTrinkwasserentnahme) ebenfalls die nachlas-sende Leistung des Wärmetauschers an.

Hohe Speichertemperaturen im Sommer müs-sen nicht unbedingt Grund zur Freude sein;sie können ebenso gut Anzeichen für eine zuüppig dimensionierte Kollektorfläche sein.Dagegen können mäßige Speichertemperaturendurchaus auch auf eine gut genutzte Anlagehinweisen. Durch regelmäßiges Beobachtender Temperaturanzeigen in Verbindung mitdem Wetter bekommt man schnell ein Gefühlfür das Anlagenverhalten.

Wartung

Neben einer gelegentlichen Kontrolle der In-strumente fallen bei Solaranlagen nur wenigWartungsarbeiten an: Ist der Druck im Kollek-torkreis abgesunken, ohne dass Undichtigkeitenfestgestellt werden konnten (z. B. durch Abbla-sen von Dampf bei Stillstand der Anlage imSommer), muss Wasser nachgefüllt werden.Dabei ist auch auf die Frostschutzkonzentrationzu achten, die laut Herstellerempfehlung alle 2Jahre mit einem einfachen Test des pH-Wertesüberprüft werden soll; ggf. muss dann auchFrostschutzmittel zugegeben werden. Eineregelmäßige Kontrolle des Füllstands und einejährliche Überprüfung der Qualität des Wär-meträgers empfehlen sich insbesondere bei(groß dimensionierten) Anlagen mit hohenBetriebstemperaturen und häufigem Stillstandim Sommer. Ggf. sollte beim Speicher gelegent-lich der Zustand der Opferanode kontrolliertund diese bei Bedarf erneuert werden.

Da Anlagen in Wohngebieten durch Ver-schmutzung nur wenig an Leistungsfähigkeitverlieren, ist eine regelmäßige Reinigung nicht erforderlich. In diesem Zusammenhangist es im Hinblick auf Vogelschmutz aber von Bedeutung, ob sich über dem KollektorFreileitungen, Antennen o. Ä. befinden.

Analog zum Inbetriebnahmeprotokoll solltenauch die bei der Wartung durchgeführtenTätigkeiten notiert und die überprüften Anla-gendaten in einem Wartungsprotokoll (Tab. 7.2) festgehalten werden.

Anlagenstandort / Betreiber:

KollektorkreisAnlagenbetriebsdruck _____ bar bei _____ °C VorlauftemperaturDichtheit des Kollektorkreises geprüftSicherheitsventil geprüftFrostschutz geprüft: bis - _____ °C Kollektorkreis entlüftetVolumenstrom geprüft: _____ l/minRückschlagklappe in FunktionSchmutzfänger gereinigt (wenn vorhanden)

SonnenkollektorSichtprüfung der Kollektoren durchgeführtSichtprüfung der Kollektorhalterung durchgeführtSichtprüfung der Dachdichtheit durchgeführtSichtprüfung der Wärmedämmung durchgeführt

SolarspeicherSchutzstrom der Opferanode geprüft: _____ mAKontrolleuchte der Fremdstromanode

RegelungPumpenfunktion in den Stellungen An / Aus / Auto geprüftRegelung zeigt _________ Betriebsstunden im Zeitraum von __/__/__ bis __/__/__Temperaturanzeige aller Fühler kontrolliertNachheizung funktionstüchtiggewünschte Solltemperatur wird eingehaltenThermostatisches Mischventil in FunktionWärmemengenzähler zeigt _________ kWh im Zeitraum von __/__/__ bis __/__/__

Datum, Name, Unterschrift/Firmenstempel


30

Tab. 7.2:

Wartungs-

protokoll [DKI]

(Kopiervorlage)

Wartungsprotokoll

Das Angebot der Sonne: Energie zum Nulltarif

31

8 Das Angebot der Sonne:Energie zum Nulltarif

8.1 Tipps für die Marktrecherche

Der Markt für thermische Solaranlagen um-fasst eine ganze Fülle von Anbietern: Von denortsansässigen Unternehmen des Heizungsbau-handwerks bis hin zu spezialisierten Solarfir-men aus der Region. Da bei der Preisgestal-tung eine Streuung vorliegen kann, ist es rat-sam, vor Auftragserteilung mehrere Angeboteeinzuholen. Hierzu eignet sich insbesondereder Besuch einer Energie- bzw. Haustechnik-messe. Im Adressenverzeichnis diverser Fach-zeitschriften sind ebenfalls zahlreiche Anbieteraufgelistet.

Um eine Aussage über die Qualität der Anlagezu erhalten und vor allem um einen Preisver-gleich zu ermöglichen, sollten die Angebotemöglichst detailliert aufgeschlüsselt sein. Dieangebotenen (standardisierten) Montagekalku-lationen können jedoch nur als Grobabschät-zung betrachtet werden. Da die Installationsfäl-le zu unterschiedlich sind, kann der tatsächli-che Montageaufwand erst nach einer Vor-Ort-Begehung realistisch bewertet werden.

Das dargestellte Beispiel für die Ausgestaltungeines Komplettangebots (Tab. 8.1) zu Liefe-rung und Montage einer Solaranlage zurWarmwasserbereitung gibt einen Überblicküber die notwendigen Einzelkomponenten undderen Leistungsmerkmale. Auch für die Ge-staltung eines solchen Angebots kann es alsOrientierung dienen.

Verrohrung 30 %

Regelung 7 %

Speicher 25 %

Kollektoren 35 % Sonstiges 3 %

Abb. 8.1:

Verteilung der

Gesamtkosten bei

kleinen Solaran-

lagen zur Warm-

wasserbereitung

[sbz]

Wenn nicht auf ein Komplettangebot zurück-gegriffen wird, besteht eine der Hauptschwie-rigkeiten in der Auswahl der Solarkollektorenund des Solarspeichers. Immerhin werdendurch diese beiden Komponenten gemäß Abb.8.1 ungefähr zwei Drittel der Materialkostenverursacht. Bei der Auswahl der sonstigenAnlagenteile sind vor allem der Solarregler,die Umwälzpumpe, die Mess- und Sicherheits-einrichtungen und die verwendete Solarflüssig-keit von Bedeutung.

Menge

__ Stück

1 Satz

1 Stück

____ m

1 Satz

1 Stück

____ m

Position

1

2

3

44.1

4.2

4.3

55.1

5.2

5.3


32

Zusätzliche Information

Datenblattggf. Prüfzertifikat

Skizze

Datenblatt

ggf. Datenblatt

ggf. Datenblatt

Betrag

A

A

A

A

A

Bezeichnung

Kollektor (Hersteller, Typ, Abmessun-gen, wirksame Kollektor-fläche, sonstige Kollektor-kennwerte)

Montagesatz für die Dachmontage(Werkstoff, Zubehör, Montageart)

Solarspeicher(Hersteller, Typ, nutzbaresVolumen ____ l, Abmessun-gen, Dämmstärke ____ mm)

SolarkreislaufInstallationseinheit für denSolarkreislauf bestehend aus: Sicherheitsventil __ bar, Ausdehnungsgefäß ___ l,Manometer __bar, Vor- und Rücklaufthermome-ter, Absperr-, Entleerungs-und Füllhähne, Rückschlag-ventil, EntlüftungseinrichtungUmwälzpumpe (Hersteller, Typ, Leistung)Vor- und Rücklaufleitungen (Rohrtyp, Durchmesser ____ mm) mit Isolierung (Stärke ____ mm) – im Außenbereich witte-rungs- und UV-beständig

NachheizungInstallationseinheit fürAnschluss vom Solarspeicherzum Heizkessel bestehendaus: Absperrventil, Rückschlag-ventil, …Umwälzpumpe (Hersteller, Typ, Leistung)Rohrleitungen (Werkstoff, Durchmesser____ mm) mit Isolierung (Stärke ____ mm)

Angebot über Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Tab. 8.1:

Angebotsmuster

für Lieferung

und Montage

einer Solaran-

lage zur Trink-

wassererwär-

mung für ein

Einfamilienhaus

[sbz]


33

Menge

1 Satz

____ m

1 Stück

1 Stück

__ Stück

____ m

____ l

1 Satz

__ Std.__ Std.__ Std.

Position

66.1

6.2

6.3

77.1

7.2

7.3

8

9

9.1

9.2

1010.110.210.3

10.4

Zusätzliche Information

Datenblatt

ggf. Datenblatt

Betrag

A

A

A

A

A

Bezeichnung

TrinkwasseranschlussInstallationseinheit für denWassernetzanschluss beste-hend aus: Rückschlagventil, Sicher-heitsventil (__ bar) mitAnbindung an das Abfluss-rohr, Absperr- und Entleerungs-ventilKalt- und Warmwasserleitun-gen zum Speicher (Leitungs-material je nach bestehendemRohrnetz)Thermostatisch gesteuertesMischventil zur Begrenzungder Trinkwassertemperaturauf 60 °C

SolarregelungTemperatur-Differenz-Rege-lung (Hersteller, Typ, Zusatz-funktionen)Temperaturfühler für Kollek-tor und Speicher (Hersteller,Typ, Messbereich)Fühlerkabel (Material)

Montagesatz für Blitzschutzund Erdung

InbetriebnahmeWärmeträgerflüssigkeit(Zusammensetzung, Frost-schutz bis – ____ °C)Dokumentation der Anlage(technische Beschreibung,Rohrverlegeplan, elektrischerSchaltplan, Betriebsanleitung,Wartungsplan)

MontageFachgerechte MontageFahrt- und RüstzeitenInbetriebnahme (Spülen, Füllen, Einregeln) Übergabe der fertigen Anlagemit Einweisung

GesamtbetragMehrwertsteuer (___%)

Endbetrag (inkl. MwSt.)

8.2 Kostenrahmen fürAnlagenkomponentenund Gesamtsystem

Gegenwärtig kann man etwa von folgendenKostenrahmen für das Material ausgehen:

Flachkollektoren:250 bis 350 A/m2 1)

Vakuumröhrenkollektoren: 450 bis 950 A/m2 2)

Trinkwasserspeicher (300 – 400 l): 1.000 bis 1.500 A 3)

Kombispeicher (800 – 1.000 l):2.000 bis 2.800 A 4)

Regler mit Fühlern• für Warmwasseranlagen: 150 bis 200 A• für Kombianlagen: 350 bis 500 ARohrleitungen, Pumpen, Armaturen500 bis 750 AUnterkonstruktion50 bis 100 A/m2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1 / 2): Marktübersicht Solarkollektoren,Solarthemen 155, 13.03.03;

3 / 4): Marktübersicht Solarspeicher,www.solid.de/solarspeicher

Die Materialkosten einer Solaranlage für dieWarmwasserbereitung eines 5-Personenhaus-haltes (5,5 m2 Flachkollektoren /350 LiterSpeichervolumen) betragen etwa 4.750 A. MitVakuumröhrenkollektoren (4 m2) belaufen sichdie Materialkosten auf ungefähr 6.750 A.

Hinzu kommen die Kosten für die Montage,die bei üblichen baulichen Gegebenheiten vonzwei Handwerkern in 2 bis 3 Tagen ausgeführtwerden kann. Für Standardanlagen im Ein- undZweifamilienhausbereich können ungefähreRichtwerte angegeben werden. So liegen dieMontagekosten in Neubauten bei ca. 1.000 A,bei Altbauten muss mit ca. 1.500 bis 2.000 Agerechnet werden. Zusatzkosten für ein even-tuell benötigtes Gerüst oder einen Kran sinddabei nicht berücksichtigt. Gegebenenfallskommen noch Dachdecker- und Elektroinstal-lationsarbeiten hinzu.


34

Abb. 8.2:

Entwicklung

der spezifischen

Anlagenkosten

für Solaranlagen

zur Warmwas-

serbereitung im

Privathausbe-

reich [Stiftung

Warentest / ITW]

Es ergeben sich Gesamtkosten von ca. 6.000 Afür Flach- bzw. 8.000 A für Vakuumröhren-kollektoren. Bei Neubauten können die Mehr-kosten für eine mitinstallierte Solaranlage ggf.auf unter 3.000 A sinken.

Aus Abb. 8.2 geht hervor, dass sich die durch-schnittlichen Anlagenkosten für Solaranlagenzur Warmwasserbereitung in den zurückliegen-den 20 Jahren halbiert haben.

Die mittleren Preise von marktüblichen Kombi-anlagen für Einfamilienhäuser – mit 10 bis 15 m2

Flachkollektoren bzw. 6 bis 10 m2 Vakuum-röhrenkollektoren – liegen bei 12.000 A und15.000 A; hinzu kommen ca. 2.500 A für dieMontage.

Der günstigste Zeitpunkt für den Einbau einerSolaranlage ist, diese beim Neubau gleich mitzu installieren. Häufig fehlt es den Bauherrenaber am Geld für diese (relativ geringe) Zusatz-investition. Zumindest sollten dann aber dieRohrleitungen vom Dach in den Heizraum –zwei wärmeisolierte Kupferrohre sowie einLeerrohr für das Kabel zum Temperaturfühleram Kollektor – gleich mit verlegt werden, waseinen späteren Einbau erheblich vereinfacht.

Kostengünstig lässt sich eine Solaranlage auchdann einbauen, wenn ohnehin gerade eineGebäuderenovierung durchgeführt wird. BeimEinbau einer neuen Heizung sollte statt deskonventionellen Warmwasserspeichers gleichein Solarspeicher mit zwei Wärmetauschernangeschafft werden.

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

1987 1995 1998 20021984

Trendlinie

Anla

genk

oste

n (g

/m2 )


35

Tab. 8.2:

Wärmegeste-

hungskosten bei

Warmwasser-

Solaranlagen

mit Flachkollek-

toren sowie mit

Vakuumröhren-

kollektoren

5,5 m2 Flachkollektoren/ 350 l Speicher

4.750 A

2.000 A

6.750 A

- 750 A

6.000 A

30 A

480 A

510 A

2.860 kWh

ca. 18 ct/kWh

Materialkosten

Montagekosten

Anlagenkosten

Speichergutschrift

effektive Kosten

Betriebskosten/Jahr

Kapitalkosten/Jahr

Jährliche Kosten

Jährliche Erträge

Wärmegestehungskosten

4 m2 Vakuumröhren-kollektoren/

350 l Speicher

6.750 A

2.000 A

8.750 A

- 750 A

8.000 A

30 A

640 A

670 A

2.680 kWh

ca. 25 ct/kWh

8.3 Wärmegestehungskosten

Neben den Anschaffungskosten sind die Wärme-gestehungskosten eine wichtige ökonomischeBewertungsgröße. Sie werden in Tab. 8.2 undTab. 8.3 berechnet, indem man den gesamtenKaufpreis zum jährlichen Energiegewinn insVerhältnis setzt. Ausgehend von einer Anla-genlebensdauer von 20 Jahren lässt sich darausder Erzeugungspreis für eine KilowattstundeSolarwärme berechnen.

Für die jährlichen Betriebskosten werden etwa0,5 % der Anschaffungskosten angesetzt. Derjährlichen Annuität wird ein Zinssatz von 5 %zugrunde gelegt. Bei einem Betrachtungszeit-raum von 20 Jahren ergibt sich daraus einKapitalwiedergewinnungsfaktor von 0,08. BeimSolarspeicher werden 750 A gut geschrieben,da ohnehin – unabhängig vom Einbau einerSolaranlage – ein konventioneller Warmwasser-speicher benötigt würde.

Zur Bemessung des Energiegewinns für kleineSolaranlagen zur Trinkwassererwärmung wer-den spezifische Erträge zugrunde gelegt inHöhe von 520 kWh/m2 x Jahr beim Einsatzvon Flachkollektoren und 670 kWh/m2 x Jahrbei Verwendung von Vakuumröhrenkollekto-ren [test 4/2002]. Damit ergeben sich Wärme-gestehungskosten um 18 ct/kWh bei Anlagenmit 5,5 m2 Flachkollektoren sowie ca. 25 ct/kWhbei Anlagen mit 4 m2 Vakuumröhrenkollektoren.

Unter der Annahme, dass die Anlage aus-schließlich aus verfügbaren Eigenmittelnfinanziert wird, ergeben sich für o. g. Annah-men Wärmegestehungskosten um 11 ct/kWhbzw. 16 ct/kWh. Wenn zusätzlich ein Förder-zuschuss in Anspruch genommen werdenkann, reduzieren sich diese Wärmepreise zu-sätzlich prozentual entsprechend dem Förder-satz.


36

Tab. 8.3:

Wärmegeste-

hungskosten

bei Kombisolar-

anlagen mit

Flachkollektoren

sowie mit

Vakuumröhren-

kollektoren

12 m2 Flachkollektoren/700 – 900 l Speicher

12.250 A

2.400 A

14.650 A

- 750 A

13.900 A

75 A

1.110 A

1.185 A

3.600 kWh

ca. 33 ct/kWh

Materialkosten

Montagekosten

Anlagenkosten

Speichergutschrift

effektive Kosten

Betriebskosten/Jahr

Kapitalkosten/Jahr

Jährliche Kosten

Jährliche Erträge

Wärmegestehungskosten

9 m2 Vakuumröhren-kollektoren/

600 – 800 l Speicher

15.000 A

2.400 A

17.400 A

- 750 A

16.650 A

75 A

1.330 A

1.405 A

3.330 kWh

ca. 42 ct/kWh

Bei Kombianlagen zur zusätzlichen Heizungs-unterstützung liegen die erzielbaren Wärme-preise bei Anlagen mit 12 m2 Flachkollektorenim Bereich von 33 ct/kWh. Mit 9 m2 Vakuum-röhrenkollektoren ergeben sich Wärmegeste-hungskosten von ca. 42 ct/kWh. Hierbei wur-den spezifische Erträge zugrunde gelegt inHöhe von 300 kWh/m2 x Jahr mit Flachkollek-toren sowie 370 kWh/m2 x Jahr für Vakuum-röhrenkollektoren [test 4/2003].

Bei vollständiger Finanzierung mit Eigenmit-teln ergeben sich Wärmepreise um 21 ct/kWhbzw. 27 ct/kWh. Entsprechend reduzieren sichdiese Wärmepreise auch hier prozentual mitdem Fördersatz, wenn zusätzlich ein Förderzu-schuss in Anspruch genommen werden kann.

Zum Vergleich hierzu beträgt der mittlereVollkosten-Wärmepreis einer gas- bzw. öl-betriebenen Zentralheizung mit integrierterWarmwasserversorgung im Privathausbereich– incl. Wärmeverteilung – ca. 15 ct/kWh.

Da für diese Solaranlagen eine konventionelleWärmeversorgung zusätzlich vorgehaltenwerden muss, kann man den solaren Wärme-preisen vorerst nur die dadurch eingespartenBrennstoffkosten gegenüberstellen. Diese liegenbei Öl bzw. Gas derzeit bei ca. 5 bis 6 ct/kWh.

Kurz und bündig: Die Zusammenfassung

37

8.4 Solarwärmenutzung wirdbelohnt: Informationenüber Fördermaßnahmen

Aus den aufgeführten Kalkulationsbeispielengeht hervor, dass Solaranlagen bereits heuteWärmeenergie zu erschwinglichen Preisenliefern. Dies gilt umso mehr, wenn derenAnschaffung durch öffentliche Fördermaß-nahmen unterstützt wird.

Förderprogramme für thermische Solaranlagenwerden vom Bund und den Ländern aufgelegt;auch zahlreiche Kommunen und Energiever-sorgungsunternehmen fördern die Sonnen-energienutzung.

Die Förderrichtlinien und -programme unter-liegen einem ständigen Wandel. Ob eineKumulation zwischen den einzelnen Förder-programmen des Bundes, des Landes undanderer Zuwendungsgeber möglich ist, gehtaus den jeweiligen Richtlinien hervor. Im All-gemeinen gilt, dass die Anträge auf Förderungvor Anschaffung der Solaranlage, d. h. vorAuftragserteilung gestellt werden müssen.

Oftmals haben interessierte AnlagenbetreiberSchwierigkeiten mit der Zuordnung der Pro-gramme; im Extremfall wirkt sich diese unüber-sichtliche Fördersituation sogar als Kaufhemm-nis aus. Damit es nicht soweit kommt, infor-miert das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg über die aktuellen Förderpro-gramme und deren jeweilige Zielgruppen undhat hierzu entsprechendes Informationsmaterialerstellt. Diese Förderübersicht kann auch aufder Internetseite des WirtschaftsministeriumsBaden-Württemberg abgerufen werden unter:

www.wm.baden-wuerttemberg.de

Auch die im Anhang aufgelisteten Stellenbieten weitere Informationen – u. a. auch überFördermaßnahmen.

9 Kurz und bündig:Die Zusammenfassung

Die beiden im Wohngebäudebereich haupt-sächlich eingesetzten Kollektortypen „Flach-kollektor“ und „Vakuumröhrenkollektor“ werdenvorgestellt und bezüglich ihrer Anwendungzur Warmwasserbereitung und Heizungsunter-stützung diskutiert.

Entsprechend der Erkenntnis, dass letztlich dasGesamtsystem für den Ertrag entscheidend ist,werden Speicher, Regler, Pumpe und Sicher-heitseinrichtungen umfassend erläutert, sodass sich der Leser ein Bild machen kann vonAufbau und Funktion der Gesamtanlage.

Die Kapitel über die Anlagenkonzepte führenzu dem Schluss, dass eigentlich der Speicherdas „Herzstück“ einer Solaranlage ist: Derjeweilige Speicheraufbau bestimmt dieBetriebsweise! Die derzeit gebräuchlichenLösungen werden mit ihren Vor- und Nachteilenvorgestellt, um eine Zuordnung zu einemkonkret vorliegenden Anwendungsfall zuerleichtern.

Im Kapitel zur Montage des Kollektorfeldswird zunächst der Einfluss der Ausrichtungentschärft. Darüber hinaus wird herausgear-beitet, wie mit einer „ertragsmindernden“Anordnung Wärmeüberschüsse im Sommerreduziert werden können. Ein kurzer Abrissüber die Montagemöglichkeiten am Gebäudesoll nicht zuletzt auch als Hinweis auf dasgestalterische Potenzial verstanden werden.

Nach der Theorie zur praktischen Umsetzung:Für Warmwasser- und Kombianlagen werdenüberschlägige Auslegungen vorgestellt. Aucherhält der künftige Anlagenbetreiber einenEindruck, was beim Anlagenbetrieb „von ihmabverlangt“ wird. Abschließend werden Fragenzu Kosten und Wirtschaftlichkeit erläutert –ergänzt mit Hinweisen zu ggf. möglichen Fördermaßnahmen.

Ihr heißer Draht zur Sonne

38

E-Mail / Internet

[email protected]


[email protected]

www.zukunftaltbau.de

[email protected]

www.fvshkbw.de

[email protected]

www.kea-bw.de

[email protected]

www.bsw-solar.de

[email protected]

www.hs-ulm.de

[email protected]

www.ise.fhg.de

[email protected]

www.itw.uni-stuttgart.de

[email protected]

www.stz-egs.de

Telefon / Fax

0711/1 23-2569

0711/1 23-2377

0721/9 84 71-26

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0761/4588-5141

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Ansprechpartner

Herr Lutz

Frau Rist

Herr Knapp

Herr Dr. Sawillion

Herr Stryi-Hipp

Herr Ziegler

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Herr FischerHerr Drück

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Anschrift

WirtschaftsministeriumBaden-WürttembergTheodor-Heuss-Straße 470174 Stuttgart

Zukunft AltbauKlimaschutz- u. EnergieagenturBaden-Württemberg GmbHKaiserstraße 94a76133 Karlsruhe

Fachverband Sanitär-Heizung-Klima Baden-WürttembergViehhofstraße 1170188 Stuttgart

Klimaschutz- und EnergieagenturBaden-Württemberg GmbHKaiserstraße 94a76133 Karlsruhe

Bundesverband Solarwirtschaft(BSW) e.V. EnergieforumStralauer Platz 3410243 Berlin

Hochschule UlmThermische Systemeund SimulationPrittwitzstraße 1089075 Ulm

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEHeidenhofstraße 279110 Freiburg

Institut für Thermodynamikund Wärmetechnik der Universität StuttgartPfaffenwaldring 670550 Stuttgart

Steinbeis-TransferzentrumEnergie-, Gebäude- undSolartechnik (STZ-EGS)Gropiusplatz 1070563 Stuttgart

10 Ihr heißer Draht zur Sonne: Informationsstellen in Baden-Württemberg

Auswahl

Kampagnensatz „Solarthermie“

39

11 Wanderausstellung„Thermische Solar-anlagen“

Auf 16 Tafeln erfährt der Betrachter allesWesentliche in Sachen thermischer Solaranla-gen. Im ersten Teil werden Aufbau und Mon-tage beschrieben sowie die relevanten Kompo-nenten „Flach- bzw. Röhrenkollektor“ und„Wärmespeicher“ erläutert. Es folgt die Vor-stellung der gängigen Anlagenkonzepte zurWarmwasserbereitung und Heizungsunterstüt-zung mit nützlichen Auslegungshinweisen.

Der letzte Teil der Ausstellungstafeln illustriertdas breite Anwendungsspektrum für thermischeSolaranlagen anhand der drei Beispiele „Ein-familienhaus“, „Wohnanlage“ und „Freibad“.

Die einfach aufzustellende Wanderausstellungbenötigt etwa 50 m2 Stellfläche; zum Transportgenügt ein PKW. Gemeinden, Wirtschaftsorga-nisationen, Bildungseinrichtungen, Firmensowie Solarvereine und lokale Agenden ausBaden-Württemberg können die Wanderausstel-lung kostenlos beim WirtschaftsministeriumBaden-Württemberg ausleihen.

12 Vortragsfoliensatz „Thermische Solar-anlagen“

Für begleitende Vortragsveranstaltungen hatdas Wirtschaftsministerium Baden-Württem-berg einen Foliensatz „Thermische Solaranla-gen“ konzipiert.

Ca. 50 Seiten stehen zur Auswahl, die man ausdem Internet unter


herunterladen und auf Folienvorlagen aus-drucken bzw. in eigene multimediale Präsenta-tionen einbinden kann.

Thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und ... · Seit Anfang der 90er Jahre wächst der...

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