Solartechnik

Unter Solartechnik oder auch Solarthermie versteht man ganz allgemein die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme. Meist wird die Sonnenenergie mit Kollektoren auf dem Dach aufgenommen, in den Heizungskeller transportiert und dort für die Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung genutzt. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, wie Öl, Gas und Kohle, ist Solarenergie praktisch in unbegrenztem Maße verfügbar, klimaneutral und kostenlos. Daher spricht man auch von einer erneuerbaren- oder auch regenerativen Energie. Aufgrund des Klimawandels, der angestrebten Energiewende und der immer schärfer werdenden Gesetze im Bezug auf den Einsatz regenerativer Energien, gewinnt die Solarenergie stetig an Bedeutung.

Beschäftigt man sich mit der Planung, Berechnung oder Wirtschaftlichkeit einer solarthermischen Anlage, stößt man immer wieder auf einen Begriff: - solarer Deckungsgrad- oder auch: - solare Deckunsgsrate-

Der solare Deckungsgrad gibt in % an, welcher Anteil des Gesamtenergiebedarfs durch die solarthermische Anlage abgedeckt werden kann. Dabei handelt es sich lediglich um Richtwerte, da der tatsächliche Deckungsgrad von diversen Faktoren abhängt. Zum Beispiel die Größe und die Qualität der Kollektoren, die Dauer und Intensität der Sonneinstrahlung sowie die Beschaffenheit des Speichers und der Verbrauch der Bewohner. Die Schwierigkeiten der solaren Energienutzung und damit auch in ihrer Planung, liegen in dem regional und zeitlich stark schwankendem Angebot. Zudem verhält sich das Angebot entgegengesetzt zum Heizenergiebedarf. Im Sommer hat man ein hohes Angebot an solarer Energie und einen geringen Bedarf. Im Winter hat man ein niedriges Angebot an Solarenergie, dafür aber einen hohen Bedarf.

Es wird deutlich, dass ein zu hoher solarer Deckungsgrad nicht unbedingt sinnvoll ist. Strebt man eine maximale Verbrauchsabdeckung durch die Solaranlage im Winter an, stehen dem hohe Energieüberschüsse ( Verluste ) im Sommer gegenüber.

Bei Anlagen zur Warmwasserunterstützung wird in der Regel ein solarer Deckungsgrad zwischen 40 und 65 % erreicht. Für die solare Heizungsunterstützung ist der Wert abhängig von der energetischen Qualität des Gebäudes (Dämmung, Luftdichtheit) und kann allgemein nicht sinnvoll mit Standardwerten angegeben werden.

Der Solarkreis hat die Aufgabe, die gewonnene Solarenergie vom Kollektor mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit zum Speicher zu transportieren. Er setzt sich aus folgenden Hauptteilen zusammen:

• Kollektor
• Solarstation
• Rohrleitungen
• Sicherheitseinrichtungen
• Wärmetauscher ( Speicher )
• Solarregler

^{Quelle: www.oventrop.de}

Die Solarstation wird von den meisten Herstellern als kompakte, fertigmontierte und wärmegedämmte Baugruppe geliefert, an die Vor- und Rücklauf des Solarkreises angeschlossen werden. Hauptsächlich besteht sie aus Bauteilen, die gleichzeitig zu den Sicherheitseinrichtungen gehören. In der Solarstation integriert sind:

• Sicherheitsventil mit Anschlussleitung und Auffangbehälter
• Manometer und Thermometer
• Solar-Umwälzpumpe mit Schwerkraftbremse ( einzubauen im Rücklauf, da dort die Temperaturbelastung niedriger ist )
• Durchflussbegrenzer
• Anschluss für MAG

Bau- und Funktionsweise der Sicherheitseinrichtungen sind meist mit denen der Heizungstechnik identisch. Lediglich der in Solaranlagen übliche Betriebsdruck von 4 - 6 bar ist höher als bei den meisten Heizungsanlagen. Der Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegt daher bei 6 bar und es gilt zu beachten, dass die maximale Druckbelastung des MAG etwas höher sein sollte als der Ansprechdruck des Sicherheitsventils.

^{Quelle: www.oventrop.de}

An die Rohrleitungen und deren Montage werden hauptsächlich die gleichen Anforderungen gestellt, wie auch an die allgemeine Rohrinstallation. Folgende Punkte sollten dennoch besonders betrachtet werden:

• Die Rohrlängen zwischen Kollektor und Speicher sollten so kurz wie möglich sein
• Häufige Rohrwerkstoffe: Kupfer und Edelstahlwellrohre
• sorgfältige Dämmung aller Bauteile
• Alle Teile ( z.B. Dichtungen, Membrane ), die mit der Wärmeträgerflüssigkeit in Berührung kommen, müssen aus Werkstoffen bestehen, die gegenüber dem Wärmeträger beständig sind

^{Quelle: www.oventrop.de}

Speicher haben in Solaranlagen die Aufgabe, die Schwankungen der solaren Strahlung und die zeitlichen Unterschiede zwischen dem Strahlungsangebot ( Mittagszeit ) und der Nutzung ( Morgen- und Abendstunden ) der solaren Wärme auszugleichen. Nach dem Verwendungszweck und dem Anlagensystem lassen sich Solarspeicher einteilen in:

Der bivalente Trinkwasserspeicher ist der am weitesten verbreitete Solarspeicher. Er verfügt über zwei Wärmetauscher mit denen das Wasser im Speicher auf zwei verschiedene Arten ( bivalent ) erwärmt werden kann. Im unteren Bereich befindet sich der Solarwärmetauscher über den die Solarenergie eingespeist wird. Im oberen Bereich liegt der Heizkreiswärmetauscher über den die Nachheizung erfolgt, wenn die Solarenergie nicht ausreicht. Der Kaltwasserzufluss befindet sich im unteren Teil des Speichers und das warme Wasser wird aus dem oberen Teil entnommen.

^{Quelle: www.flamcogroup.com}

Üblich ist eine schmale, hohe Bauform, da so eine gute Schichtung des Trinkwassers erreicht wird. Entnimmt man Warmwasser ( oberer Bereich ), fließt Kaltwasser von unten nach. Da aber kaltes Wasser „schwerer“ ( abnehmende Dichte ) ist als warmes, bleibt es fast ausschließlich im unteren Bereich des Speichers. So verschieben sich die einzelnen Wärmeschichten des Wassers von unten nach oben und eine Durchmischung von warmen und kaltem Wasser ist weitesgehend ausgeschlossen. Im oberen Bereich bleibt also auch bei großer Wasserentnahme eine Wärmeschicht mit nutzbaren Temperaturen erhalten und es muss nur selten nachgeheizt werden. Da der Heizkreiswärmetauscher ebenfalls im oberen Bereich angeordnet ist, muss auch dann, wenn die Sonne länger nicht scheint, nur ein geringer Teil des Speichervolumens erwärmt werden. Außerdem ist die Wärmedämmung bei diesen Speichern, um die Wärmeverluste so minimal wie möglich zu halten, dicker und stabiler als bei herkömmlichen Trinkwasserspeichern.

Pufferspeicher sind mit Heizungswasser (kein Trinkwasser !) gefüllte Speicher. Das Heizwasser im Speicher dient dabei als Speichermedium für die Solarenergie und die Wärmeenergie des Heizkessels. Genutzt werden sie hauptsächliche für die solare Trinkwassererwärmung mit Heizungsunterstützung. Wird Wärmeenergie für die Raumheizung oder Trinkwassererwärmung benötigt, übergibt der Pufferspeicher die Wärme entsprechend an den Heizkreislauf oder die Warmwasserbereitung. Es gibt viele Möglichkeiten den Pufferspeicher hydraulisch in die Heizungsanlage einzubinden. Welches die optimale Lösung ist, sollte nach den anlagenspezifischen Gegebenheiten beurteilt werden.

Beispiel: Pufferspeicher mit einem Wärmetauscher

^{Quelle: www.flamcogroup.com}

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Für die Kombination mit einer thermischen Solaranlage ist der konventionelle Pufferspeicher allerdings problematisch. Der Kollektor weist den höchsten Wirkungsgrad dann auf, wenn die Solarenergie im Speicher an möglichst kaltes Wasser abgegeben wird. Daher muss der Solarwärmetauscher im unteren Teil des Speichers angeordnet werden. Das hat zur Folge, dass das erwärmte Wasser im Speicher nach oben steigt. Es vermischt sich aber sofort mit dem umgebenen kälteren Wasser. Der Speicher erreicht dadurch schnell ein einheitlich niedriges Temperaturniveau, das nicht ausreicht um das Trinkwasser zu erwärmen oder die Heizung zu betreiben. Die Nachheizung muss relativ häufig zugeschaltet werden.

Ein Schichtenspeicher ist ein Pufferspeicher, der in einer solarthermischen Anlage mit Heizungsunterstützung eingesetzt wird. Er nutzt das physikalische Prinzip, dass Wasser je nach Temperatur eine unterschiedliche Dichte hat. Warmes Wasser ist leichter und steigt nach oben, kaltes Wasser ist schwerer und sinkt nach unten. In einem Schichtenspeicher wird das Wasser mit Hilfe einer speziellen Konstruktionsanordnung der Solarwärmetauscher unter­schiedlich temperiert, sodass das Wasser sich nach der Temperatur im Speicher einschichtet. So wird erreicht, dass das Wasser zwar unten im Schichten­speicher verhältnismäßig kühl ist, die Temperatur im oberen Bereich des Speichers jedoch um einiges höher ist, als die Durchschnittstemperatur in konventionellen Pufferspeichern. Der Vorteil ist, dass die Abnahme von Warmwasser von oben erfolgt und die Nachheizung weniger häufig zugeschaltet werden muss.

Es gibt viele Möglichkeiten den Schichtenspeicher hydraulisch in die Heizungsanlage einzubinden. Welches die optimale Lösung ist, sollte nach den anlagenspezifischen Gegebenheiten beurteilt werden.

Kombispeicher kombinieren Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung in einem Speicher. Diese Speicher werden vom Wasser aus der Heizungsanlage durchströmt und im unteren Bereich mittels eines Solarwärmetauschers erwärmt und im oberen Bereich bei Bedarf von der Nachheizung auf die Solltemperatur gebracht. Sie weisen ein wesentlich höheres Gesamtvolumen auf als reine Trinkwasserspeicher ( mindestens doppeltes Volumen ). Ein Kombispeicher kann unterschiedlich aufgebaut sein. Zum Einen besteht die Möglichkeit eines „Tank-in-Tank“ Systems und zum Anderen die eines Durchflussprinzips.

Es gibt viele Möglichkeiten den Kombispeicher hydraulisch in die Heizungsanlage einzubinden. Welches die optimale Lösung ist, sollte nach den anlagenspezifischen Gegebenheiten beurteilt werden.

Bei dieser Bauweise befindet sich ein kleiner Trinkwasserbehälter im oberen, heißen Teil des Kombispeichers. Die Wärme des Heizungswassers im Speicher wird dann an diesen Behälter abgegeben. So können Trinkwasser und Speicherwasser einfach voneinander getrennt werden.

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Im Inneren befindet sich ein gewendeltes Edelstahlrohr, durch welches das Trinkwasser strömt und ähnlich wie bei einem Durchlauferhitzer vom Heizwasser im Speicher erwärmt wird. Das hat aus hygienischer Sichtweise den Vorteil, dass Warmwasser nicht bevorratet werden muss und eine Legionellenbildung somit ausgeschlossen ist.

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Die Solarenergie, die der Solarkreis in den jeweiligen Speicher einspeist, kann zur Trinkwassererwärmung und zur Trinkwassererwärmung + Heizungsunterstützung verwendet werden. Es gibt eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten von Solaranlagen, Speichern, Wärmeerzeugern und den daraus resultierenden hydraulischen Einbindungsmöglichkeiten. Auf die Vielzahl der Möglichkeiten können wir hier nicht eingehen.

Die Solaranlage zur Trinkwassererwärmung ist heutzutage die einfachste und verbreitetste Form der thermischen Solaranlagen. Sie besteht im Wesentlichen aus dem Solarkreis, einem Trinkwasserspeicher mit zwei Wärmetauschern und der Nachheizung. Mit einer richtig dimensionierten Anlage lassen sich bis zu 65% des jährlichen Energiebedarfs für die Trinkwassererwärmung in einem Einfamilienhaus durch die Solarenergie gewinnen. In den Sommermonaten kann der Warmwasserbedarf sogar zu 100% von der Solaranlage abgedeckt werden.

^{Quelle: www.flamcogroup.com}

Die einfallenden Sonnenstrahlen erhitzen im Kollektor die Wärmeträgerflüssigkeit ( Solarflüssigkeit ). Die Solarpumpe pumpt die Wärmeträgerflüssigkeit über Rohrleitungen vom Kollektor zum Solarspeicher. Dieser verfügt über einen unteren und einen oberen Wärmetauscher ( bivalenter Speicher ). Über den unteren Wärmetauscher wird die Solarenergie in den Speicher eingespeist. Der obere Wärmetauscher führt dem Speicher Wärmeenergie von einem Heizkessel zu, wenn die Solarenergie nicht ausreicht ( Nachheizung ).

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Damit die zuvor beschriebene thermische Solaranlage effektiv arbeitet, benötigt man ein elektronisches Regelsystem, welches im wesentlichen das Ein- und Ausschalten der Solar-Umwälzpumpe regelt. Dies geschieht mit Hilfe eines sogenannten Temperaturdifferenzreglers. Dieser vergleicht über zwei Temperaturfühler die Temperatur am Kollektor mit der Speichertemperatur im Bereich des unteren Wärmetauschers. Liegt die Temperatur am Kollektorfühler um einen bestimmten Betrag ( ca. 7-10 K ) über der Temperatur im unteren Teil des Speichers, schaltet der Regler die Umwälzpumpe ein. Fällt die Temperatur am Kollektorfühler um einen bestimmten Betrag unter die Temperatur im unteren Teil des Speichers, schaltet er die Pumpe ab. Ebenfalls ausgeschaltet wird die Umwälzpumpe, wenn die maximale Speichertemperatur erreicht ist. Ein weiterer Fühler befindet sich im oberen Teil des Speichers. Wird eine bestimmte Speichertemperatur unterschritten, weil die Solaranlage den Wärmebedarf nicht abdecken kann, schaltet der Regler die Speicherladepumpe der Heizungsanlage ein und die sogenannte Nachheizung beginnt.

Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung werden in der Regel auf eine solare Deckungsrate von 50 - 65% ausgelegt. Die Anlage ist dann groß genug, um im Sommer den Warmwasserbedarf komplett zu decken und im Winter die Nachheizung ausreichend zu unterstützen. Die wichtigste Einflussgröße bei der Auslegung der Solaranlage ist der Warmwasserbedarf. Ist dieser bekannt, kann man die Kollektorfeldgröße und den Speicher optimal auslegen. Der Bedarf richtet sich nach der Personenzahl im Haus und deren Verbrauch. Ist dieser nicht bekannt, lässt sich die Anlage wie folgt überschlägig dimensionieren:

Speichervolumen = Personenzahl * Bedarf * f

f = Auslegungsfaktor 1,5

Flachkollektoren = 1,3 m² Kollektorfläche * Personen

Vakuumröhrenkollektoren = 1,0 m² Kollektorfläche * Personen

Thermische Solaranlagen können neben der Erwärmung von Trinkwasser auch zur Heizungsunterstützung genutzt werden. Dazu wird die Solaranlage mit einem Kombi- oder Pufferspeicher und entsprechend größerer Kollektorfläche ausgeführt. Die Sonnenenergie kann damit während der Übergangszeit (Frühjahr und Herbst) die nötige Heizwärme liefern. An sonnigen Wintertagen unterstützt die Solaranlage den Wärmeerzeuger und hilft damit Brennstoff einzusparen. Für solare Heizungsunterstützung eignen sich besonders Heizsysteme mit niedrigen Betriebstemperaturen wie z. B. Fußbodenheizungen.

Beispiel: Kombipufferspeicher mit Warmwasserbereitung im Durchflussprinzip

^{Quelle: www.flamcogroup.com} http://flamcogroup.com

Die Heizungsunterstützung wirkt durch die Anhebung der Rücklauftemperatur aus dem Heizkreis.

Empfohlen wird dies allerdings nur in Kombination mit einem modulierenden Brenner oder einem Kessel mit hinreichend großem Wasservolumen. Ansonsten besteht bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem beim Durchströmen des Pufferspeichers erwärmten Rücklauf und der Vorlauf-Solltemperatur die Gefahr, dass der Brenner häufiger taktet. Die Folge wäre ein verschlechterter Kesselwirkungsgrad. Positiv auf die durch die Solaranlage erzielbare Energieeinsparung würde sich zudem auswirken, wenn das Bereitschaftsvolumen für die Warmwasserbereitung nicht überdimensioniert wird.

Herzstück einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung ist der Pufferspeicher. Es gibt mehrere verschiedene Speichertypen mit ihren individuellen Vor- und Nachteilen. Im Ein- und Zweifamilienhaus kommen zum Großteil Pufferspeicher mit einem Fassungsvermögen von 500 bis 1000 Litern zum Einsatz.

Damit das Zusammenspiel der Komponenten optimal funktioniert, führt bei der solaren Heizungsunterstützung kein Weg an einer effizienten Solarregelung vorbei. Aufgabe des Regelsystems ist, die Ventile, Mischer und Pumpen so anzusteuern, dass die Nutzung der Solarthermie stets Vorrang hat. Erst wenn die Solarwärme nicht ausreicht, schaltet sich der konventionelle Wärmeerzeuger dazu. Die elektronische Regelung koordiniert die unterschiedlichen Anlagenteile und sorgt für einen energieoptimierten Betrieb.

Die Auslegung thermischer Solaranlagen sollte mit computergestützten Simulationsprogrammen erfolgen. Insbesondere bei Anlagen zur Heizungsunterstützung stößt die Anwendung reiner Faustformeln an ihre Grenzen.
Nur mittels Simulation lässt sich das komplexe Zusammenspiel zwischen realem Warmwasserverbrauch, Speichertemperatur und solarem Anlagenertrag bewerten und optimieren. Eine Solarsimulation wird durchgeführt, um die Energieerträge einer solarthermischen Anlage über den Zeitraum eines gesamten Jahres an jedem beliebigen Ort, mit den entsprechend tatsächlich zu erwartenden Wetterbedingungen, ermitteln zu können. Eine Berechnung auf Basis von Testdaten spiegelt dagegen nur die Erträge zu einem bestimmten Zeitpunkt und Laborbedingungen an einem Referenzort wider. Basis der Simulation ist der typische Wetterverlauf des Standortes / der Region, der auf den Wetterdaten der letzten 5 Jahre beruht. Hierbei werden sowohl saisonale Schwankungen des Sonnenstandes als auch die Gegebenheiten des Installationsortes, wie z. B. Schattenwurf durch umgebende Bäume oder Kamine, berücksichtigt.
Ebenfalls wird der Solarertrag exakt für den spezifischen Warmwasserverbrauch der Nutzer und den spezifischen Wärmebedarf des beheizten Gebäudes ermittelt. So können auch die Einflüsse eines veränderten Warmwasser oder
Heizbedarfs auf die solaren Gewinne dargestellt werden.
Die Solarsimulation bietet somit die Möglichkeit die zu erwartenden Energieerträge einer solarthermischen Anlage spezifisch für jeden Anwender zu ermitteln und die Anlage im Detail auf die Anforderungen abzustimmen.