TGA II. Solarthermie

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1 TGA II Solarthermie TGA II - Solarthermie -1

2 Inhalt 1. Allgemeines Lebensdauer Genehmigungen 2. Aufbau einer Solarthermieanlage Thermische Speicher Kollektoren Etc. 3. Montage 4. Dimensionierung Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? Beispiele 5. Wirtschaftlichkeit TGA II - Solarthermie -2

3 Solarthermie Solarthermie ist die Umwandlung der solaren Einstrahlung in Wärme. In der Solartechnik wird dieser Effekt zur direkten Erwärmung von Räumen, sowie zur indirekten Erwärmung von Räumen, Trinkwasser usw. über thermische Solaranlagen verwendet. TGA II - Solarthermie -3

4 Lebensdauer Qualitativ hochwertige Solaranlagen können noch nach über 30 Jahren Wärme produzieren. Auf die Funktionsfähigkeit der einzelnen Komponenten einer Solaranlage geben viele Hersteller eine mehrjährige Garantie. TGA II - Solarthermie -4

5 Genehmigung von Solaranlagen Eine Solaranlage auf einem Einfamilienhaus, die in den meisten Fällen auf dem Dach errichtet oder in das Dach integriert wird, ist in den meisten Bundesländern genehmigungsfrei. Die Genehmigungspflichten regeln die Landesbauordnungen (LBO) der Länder. Grenzen der Genehmigungsfreiheit sind in den Landesbauordnungen genannt. Diese betrifft oft die Größe der Anlagen, die genehmigungsfrei sind bzw. die Gebäude, Carporte, etc., auf denen die Solaranlagen errichtet werden sollen. Ebenso bei allen Anlagen, die nicht auf Dächern errichtet werden wie z.b. Freiflächenanlagen und Fassaden- bzw. Überkopfanlagen. Es ist ratsam, vor dem Bau der Anlage in der Landesbauordnung nachzulesen bzw. beim Bauamt nach der Anzeige- oder Genehmigungspflicht nachzufragen. Denkmalschutz: grundsätzlich eine Genehmigung der Denkmalschutzbehörde einzuholen. TGA II - Solarthermie -5

6 Aufbau einer Solarthermieanlage Solarthermische Anlagen bestehen üblicherweise aus einem Sonnenkollektor, einer Regeleinheit mit Pumpe und einem gut gedämmten Warmwasserspeicher. Im Kollektor sammeln besonders beschichtete Kupferbleche die Solarenergie (lateinisch: Kollektor = Sammler). Unter den Blechen sind Kupferrohre befestigt, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit fließt. Die Regeleinheit mit der Pumpe sorgt dafür, dass die Wärme abtransportiert wird. Im Speicher wird die Wärme dann durch einen Wärmetauscher an das Speicherwasser abgeben. So steht das warme Wasser auch nachts oder an Regentagen zur Verfügung. TGA II - Solarthermie -6

7 Solarflüssigkeit Flüssigkeiten, die als Medium des Wärmetransports verwendet werden, nennt man Wärmeträgerflüssigkeiten. In thermische Solaranlagen verwendet man meist ein frostsicheres Gemisch aus Wasser und Propylenglykol als Wärmeträger, das den Solarkollektor durchfließt und die absorbierte Wärme über den Wärmetauscher an das Brauchwasser abgibt. Die in thermischen Solaranlagen eingesetzte Flüssigkeit ( Solarflüssigkeit ) muss einerseits im Winter frostsicher sein, um Schäden durch Eisbildung in den Kollektoren und den Rohrleitungen zu verhindern und andererseits muss sie wegen der hohen Kollektortemperaturen verdampfungssicher sein. Außerdem ist darauf zu achten, dass die verwendete Flüssigkeit biologisch abbaubar ist. Nach DIN 4757 T1 darf sie nicht giftig, ätzend oder reizend sein. Inzwischen wird überwiegend ein Gemisch aus 60 Prozent Wasser und 40 Prozent Propylenglykol verwendet. Es ist bis 23 frostschutzsicher und hat einen Siedepunkt von 150 C. TGA II - Solarthermie -7

8 Wärmetauscher Ein Wärmetauscher überträgt die Wärme von einem Medium auf ein anderes. Wärmetauscher (auch "Wärmeüberträger") werden in solarthermische Anlagen benötigt, um die Wärme aus der Solaranlage an das im Speicher befindliche Brauchwasser zu übertragen und dieses Brauchwasser auf der gewünschten Temperatur zu halten. Interne Wärmetauscher befinden sich direkt im Solarspeicher, externe Wärmetauscher hingegen sind außerhalb des Speichers im Leitungssystem eingebaut. Bei den internen Wärmetauschern unterscheidet man Glattrohr- Wärmetauscher, die meist schon fertig eingebaut geliefert werden, und Rippenrohr- Wärmetauscher, die erst beim Verbraucher eingesetzt werden. Externe Wärmetauscher werden meist in Großanlagen eingesetzt. Sie bieten den Vorteil, dass über einen Wärmetauscher mehrere Speicher beladen werden können, ihre Übertragungsleistung ist höher und sie verkalken kaum. Sie sind aber teurer als interne Wärmetauscher und machen eine zusätzliche Pumpe erforderlich. TGA II - Solarthermie -8

9 Thermischer Speicher Der Speicher einer Solaranlage dient der Aufbewahrung des solar erzeugten Warmwassers. Je besser der Speicher ist, desto besser ist auch der Gesamtertrag der Anlage, da z.b. bei einer guten Wärmedämmung des Speichers weniger solar erzeugte Energie verloren geht. Der Speicher stellt das Warmwasser auch in der Nacht und an Tagen, an denen das Strahlungsangebot der Sonne nicht komplett zur Wassererwärmung ausreicht, zur Verfügung. Durch die automatische Regelung der Solaranlage und des Heizungskreislaufes erwärmt eine Zusatzheizung (Gas-, Öl- oder Holzheizung) einen Teil des Wassers, wenn die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht. Speicher lösen das Problem der Gleichzeitigkeit bei aktiver solarer Nutzung. TGA II - Solarthermie -9

10 Thermischer Speicher Der Solarspeicher muss also neben dem Kollektoranschluss den Anschluss einer Nachheizung ermöglichen (bivalenter Speicher). Deshalb sind konventionelle Brauchwasserspeicher als Solarspeicher nicht geeignet. Ein Speicher im Ein- und Zweifamilienhaus hat eine Größe von etwa 300 bis 500 Litern. Das ist ungefähr das 1,5 bis 2- fache des täglichen Warmwasserbedarfs. Bei der Wahl des Speichers spielen neben der Größe auch die Kriterien Wärmedämmung und Temperaturschichtung eine Rolle. Die Dämmung sollte Wärmeverluste von unter 2 kwh/tag bei einem 300 l Speicher gewährleisten. Gute Speicher erreichen Werte von 1,5 kwh/tag. Auch die Anschlüsse müssen gut isoliert sein. Bei der Wahl muss auch die Größe des Speichers beachtet werden - dieser wird meistens in Kellerräumen aufgestellt und muss durch die Türen passen! Als alternative können mehrere kleinere Speicher gekoppelt werden. Hier müssen die erhöhten Wärmeverluste über eine größere Hüllfläche berücksichtigt werden. TGA II - Solarthermie -10

11 Temperaturschichtung Ein guter Solarspeicher zeichnet sich durch eine ausgeprägte Temperaturschichtung über die Höhe aus. Oben befindet sich das wärmste, unten das kälteste Wasser. Die Schichtung stellt sich auf natürliche Weise ein, da erwärmtes Wasser leichter wird und nach oben steigt (Thermosyphon- Effekt). Aus einem geschichteten Speicher wird Brauchwasser aus dem oberen Bereich entnommen und Kaltwasser unten zugeführt. Die Brauchwasserleitung sollte vom Boden her in den Speicher führen, um Verluste durch Wärmebrücken im heißen Kopfteil und unerwünschte Zirkulationsströmungen in der Leitung zu vermeiden. TGA II - Solarthermie -11

12 Kombispeicher Bei heizungsunterstützenden Solaranlagen wird zusätzlich entweder ein Pufferspeicher für das Heizungswasser installiert oder ein Kombispeicher eingebaut, in dem in einzelnen Tank das Trinkwasser und das Heizungswasser gespeichert wird. TGA II - Solarthermie -12

13 Betriebsweisen Monovalenter Betrieb Solarthermische Anlage: alleiniger Wärmeerzeuger mit Abdeckung des gesamten Wärmebedarfs schwierig möglich Voraussetzung: Vorlauftemperatur des Wärmeverteilers unterhalb der Vorlauftemperatur des Pufferspeichers Bivalenter Betrieb = Solarthermische Anlage + zus. Wärmeerzeuger Alternativer Betrieb / Teilparalleler Betrieb / Paralleler Betrieb Monoenergetischer Betrieb Die solarthermische Anlage arbeitet prinzipiell monovalent. nur an wenigen sehr kalten Tagen wird der Pufferspeicher mit einem integrierten elektrischen Direktheizstab betrieben TGA II - Solarthermie -13

14 Kollektoren Parabolrinnen- Vakuumkollektor Flachkollektoren Flach- Vakuumkollektor Flachluftkollektor Vakuum- Röhrenkollektor TGA II - Solarthermie -14

15 Flachkollektor Bei diesem Kollektortyp ist der Absorber in einem flachen, wärmegedämmten Gehäuse untergebracht, das mit einer Glasplatte verschlossen wurde. Flachkollektoren sind meist nicht evakuiert, so dass Wärmeverluste durch den Transport von Luft entstehen. TGA II - Solarthermie -15

16 Flachkollektor Flachkollektoren bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Als transparente Abdeckung kommt meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, das sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch (Treibhauseffekt). Außerdem verhindert die transparente Abdeckung den Wärmeentzug vom Absorber durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion). Gemeinsam mit dem Gehäuse schließlich schützt sie den Absorber vor Witterungseinflüssen. TGA II - Solarthermie -16

17 Flachkollektor Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech, manchmal wird auch glasverstärkter Kunststoff verarbeitet. Durch die Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert. Als Dämmaterialien werden hauptsächlich Polyurethan- Schaum und Mineralwolle bevorzugt, in seltenen Fällen auch Mineralfaser-Dämmstoffe wie Glaswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas. Flachkollektoren zeichnen sich durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis aus, sowie durch eine breite Palette an Montagemöglichkeiten (Indach, Aufdach, Freiaufstellung). Um Konvektionsverluste im Kollektorkasten zu reduzieren, besteht auch die Möglichkeit, die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herauszupumpen. Diese Kollektoren nennt man Vakuum-Flachkollektoren. Quelle: de TGA II - Solarthermie -17

18 Flachluftkollektor Bei der Verwendung von Luft ist die spezifische Wärme des Transportmediums zwar klein, jedoch kann die erwärmte Luft zugleich zur Raumklimatisierung eingesetzt werden. TGA II - Solarthermie -18

19 Flachvakuumkollektor Bei dem gezeigten Flachvakuumkollektor sind zwei Maßnahmen, die zur Reduktion der Wärmeabfuhr dienen, durchgeführt: Eine Vakuumisolierung des Absorbers und eine selektive Beschichtung des Absorbers und der Glasplatte. TGA II - Solarthermie -19

20 Selektive Beschichtung Fällt Licht auf ein schwarz lackiertes Absorberblech, wird zwar fast die gesamte Strahlung aufgenommen, es wird aber auch nahezu die gesamte absorbierte Energie als Wärmestrahlung wieder abgegeben. Nur ein geringer Teil bleibt im Absorber. Durch eine selektive Beschichtung des Absorbers wird von der absorbierten Energie nur ein geringer Teil als Wärmestrahlung wieder abgegeben. So bleibt der Großteil der eingestrahlten Sonnenenergie im Absorber erhalten. Dazu gehörten vor allem auf Kupfer aufgebrachte Titanoxinitrid-Beschichtungen sowie keramische Beschichtungen und Aluminiumbleche. Diese Beschichtungen erreichen Absorptionswerte um 95% sowie noch niedrigere Emissionswerte in der Größenordnung von 3 bis 5%. Quelle: de TGA II - Solarthermie -20

21 Vakuum-Röhrenkollektor Bei dieser Art von Vakuumkollektor befindet sich der Absorberstreifen in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr- System. TGA II - Solarthermie -21

22 Vakuum-Röhrenkollektor Mehrere einzelne hintereinandergeschaltete bzw. über eine Sammelleitung verbundene Röhren bilden den Sonnenkollektor. Beim Heat-Pipe-Röhrenkollektor befindet sich eine schon bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Bei Erhitzung verdampft die Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsdampf steigt im Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder an das Wärmerohrende zurück. Die Lebensdauer wird aufgrund einer Schwachstelle zwischen Glasröhre und Metallrohr nur 6-8 Jahre angegeben. TGA II - Solarthermie -22

23 Vakuum-Röhrenkollektor Damit der beschriebene Verdampfungs- und Kondensierungsprozess ablaufen kann, müssen die Röhren mit einer Mindestneigung von der Horizontalen aufgebaut sein. Vakuumkollektoren bieten den Vorteil, dass sie auch bei hohen Absorbertemperaturen und bei niedrigen Einstrahlungen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem sind höhere Temperaturen erreichbar (Heißwasserbereitung, Dampferzeugung, Klimatisierung). TGA II - Solarthermie -23

24 Die Montage der Solaranlage Sonnenkollektoren lassen sich auf nahezu allen Dachformen installieren. Vier Möglichkeiten der Kollektormontage: Aufdachmontage Indachmontage Freiaufstellung Fassadenmontage Bei der Wahl der Montageart spielen neben der für die Kollektoren günstigen Ausrichtung und Neigung auch optische und architektonische Gesichtspunkte eine Rolle. Zeitaufwand: in der Regel nicht mehr als zwei bis drei Tage in Anspruch. TGA II - Solarthermie -24

25 Montage - Ausrichtung Winkelscheibe zur Ermittlung des Anlagenertrags bei unterschiedlichen Ausrichtungen Je flacher das Dach ist, um so geringer sind die Auswirkungen einer Abweichung von der Südrichtung. TGA II - Solarthermie -25

26 Montage - Aufdachmontage Bei der Aufdachmontage von Solaranlagen wird der Solarkollektor oder das Solarmodul mittels spezieller Montagesätze aus verzinktem Stahl, Aluminium oder Edelstahl etwa 5 bis 15 Zentimeter über der Dacheindeckung installiert. Die Montageschienen werden mit Dachhaken auf den Dachsparren befestigt. Besonders einfach zu montieren sind Systeme, bei denen die Kollektoren oder Module in ein Schienensystem eingehangen werden und daher weitere Schraubarbeiten auf dem Dach entfallen. Bei der Nachrüstung einer Solaranlage in bestehende Gebäude mit Schrägdächern ist eine Aufdachmontage preisgünstiger als eine Dachintegration, da die bestehende Ziegeleindeckung nur an wenigen Punkten durchbrochen wird, ohne die Dichtigkeit des Daches zu gefährden. TGA II - Solarthermie -26

27 Montage - Indach Bei der Indachmontage von Solaranlagen wird der Solarkollektor oder das Solarmodul in die vorhandene Dacheindeckung von geneigten Dächern integriert. Die Indachmontage ist unter ästhetischen Gesichtspunkten meist die ansprechendere Variante. Die neuste Technik sind Solardachziegel sowie Solar-Roof-Systeme, bei denen die gesamte Dachfläche mit großen Kollektoren oder Modulen abgedeckt wird ( Energiedächer ). TGA II - Solarthermie -27

28 Montage - Freiaufstellung Die Verankerung eines Solarmoduls bzw. Kollektors im Boden gestaltet sich teilweise einfacher als auf dem Dach die Montage geht schneller, Wartung und Reinigung sind einfacher. Das Modul bzw. der Kollektor wird auf ein Fundament geschraubt. TGA II - Solarthermie -28

29 Montage - Fassadenintegration Die Fassadenintegration von Solaranlagen bietet sich vor allem bei großflächigen Büro- und Industriegebäuden sowie Mehrfamilienhäusern an ("Energiefassaden"). Bei der Integration in die Fassade werden Kalt- und Warmfassaden unterschieden. Bei Kaltfassaden werden die Solarmodule oder Kollektoren additiv, d.h. nachträglich vor die Fassade installiert und dienen der Energieproduktion, der Fassadengestaltung und dem Witterungsschutz. Bei Warmfassaden übernimmt die Solaranlage zusätzliche Funktionen der Gebäudehülle. TGA II - Solarthermie -29

30 Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? Kollektorwirkungsgrad Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors gibt an, welcher Anteil der Globalstrahlungsleistung, die auf die Absorberfläche des Kollektors trifft, in eine nutzbare Wärmeleistung umgesetzt werden kann. Der Wirkungsgrad ist keine Konstante, sondern abhängig von der jeweiligen Strahlungsleistung der Sonne, die von der Tages- und Jahreszeit abhängig ist. Außerdem spielt die Temperaturdifferenz zwischen der Absorber- und der Umgebungstemperatur des Kollektors eine Rolle. Je höher die Temperatur des Absorbers und je niedriger die Außentemperatur, desto mehr Wärme geht auch durch Wärmestrahlung, Konvektion (Wärmeübertragung an die Luft) und Wärmeleitung (Wärmeübertragung in einem festen Körper wie z.b. den Rahmen des Kollektors) verloren. Kollektoren von Thermische Solaranlagen haben einen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent. TGA II - Solarthermie -30

31 Dimensionierung Solares Strahlungsangebot Deutschland Quelle: www. solarfoerderung.de TGA II - Solarthermie -31

32 Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? Konversionsfaktor - optischer Wirkungsgrad Der optische Wirkungsgrad gibt den maximalen Wirkungsgrad eines Solarkollektors an. Er setzt sich aus der Lichtdurchlässigkeit der Glasabdeckung und dem Absorptionsvermögen des Absorbers zusammen. Der Wert liegt bei Kollektoren bei etwa 80 Prozent. Die Reflexionsverluste durch die Glasabdeckung und der Anteil an nicht absorbiertem Sonnenlicht durch den Absorber betragen 20 Prozent. Wenn die Temperatur des Absorbers gleich der Umgebungstemperatur ist, entspricht der optische Wirkungsgrad genau dem Kollektorwirkungsgrad. Es treten keine thermischen Verluste auf. TGA II - Solarthermie -32

33 Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? TGA II - Solarthermie -33

34 Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? TGA II - Solarthermie -34

35 Inhalt Geschichte Allgemeines Aufbau Montage Dimensionierung Wirtschaftlichkeit Alternativen Architektur Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? Leistungskennlinien eines Flachkollektors mit Einfachabdeckung und schwarzlackbeschichtetem Absorber. Die Steigung der Kennlinie ist der Wärmeübergangskoeffizient (k-wert). TGA II - Solarthermie -35

36 Inhalt Geschichte Allgemeines Aufbau Montage Dimensionierung Wirtschaftlichkeit Alternativen Architektur Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor? TGA II - Solarthermie -36

37 Dimensionierung Für die Dimensionierung sind folgende Angaben notwendig: Informationen über das Klima an Ihrem Wohnort Ziel: Brauchwassererwärmung und Heizsystemunterstützung? täglich benötigte Warmwassermenge (WW) Heizsystem Dachneigung Ausrichtung des Gebäudes TGA II - Solarthermie -37

38 Dimensionierung Beispiel 1: TGA II - Solarthermie -38

49 Dimensionierung Vergleich Beispiel 1/ Beispiel 2: TGA II - Solarthermie -49

50 Kosten einer solarthermischen Anlage Die Preise für eine Anlage mit Flachkollektoren für einen 4-Personen-Haushalt liegen zwischen und Euro inklusive Montage. Wenn zusätzlich eine Heizungsunterstützung gewünscht wird, liegen die Preise bei etwa bis Euro. Vakuumröhrenkollektoren sind etwa um 30% teurer als Flachkollektoren. Diese Preise gelten für alle erforderlichen Komponenten inklusive Montage und Mehrwertsteuer. Nach starken Kostensenkungen in den letzten zehn Jahren wird erwartet, dass sich die Preise für solarthermische Anlagen in den nächsten Jahren langsamer verringern werden. Staatliche Zuschüsse reduzieren schon heute die Investitionskosten. TGA II - Solarthermie -50

51 Förderung Die Förderprogramme in den einzelnen Bundesländern sind teilweise nicht einheitlich und es gibt in einigen Gemeinden besondere Förderangebote. Einige Förderungen, zum Beispiel vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), sind an die Bedingung geknüpft, dass keine anderen Fördermittel für dieselbe Anlage beantragt und beansprucht werden. Dies gilt in der Regel nicht für die zinsgünstigen Kreditangebote der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Für die Solarthermie gibt es in der Regel eine finanzielle Unterstützung zu den Anschaffungskosten der Anlage. Laufende ertragsabhängige Vergütungen gibt es nicht, weil die gewonnene Energie selbst genutzt wird. Aus dem Marktanreizprogramm des Bundesumweltministeriums (MAP) werden Sonnenkollektoren, Pellet-Kessel und Scheitholz-Vergaserkessel mit Zuschüssen gefördert. TGA II - Solarthermie -51

52 Amortisation In der Solartechnik gibt es zwei Amortisationszeiten, die energetische und die finanzielle. Die energetische Amortisation (auch Energierücklaufzeit) einer Solaranlagen gibt die Zeit an, in der die Anlage die Energiemenge erzeugt, die zu ihrer eigenen Herstellung benötigt wurde. Solaranlage zur Brauchwassererwärmung amortisieren sich im Schnitt nach 1,2 2,5 Jahren. Die unterschiedliche Bandbreite der Amortisationszeiten hängt stark von der Einstrahlung am Standort und den verwendeten Technologien ab. Die finanzielle Amortisation, also die Zeit, in der sich eine solarthermische Anlage rechnet, ist von den Techniken für die Warmwassererzeugung abhängig sowie von den Zuschüssen, die man für den Einbau einer Solaranlage erhält. TGA II - Solarthermie -52

53 . technische universität Marktentwicklung TGA II - Solarthermie -53

54 Architektonische Umsetzung Kindergarten Solarcity Pichling 30 m² thermische Kollektoren 130 m² Luftkollektoren Liter Boiler für thermische Kollektoren 90 m³ Kiesspeicher für Luftkollektoren Warmwasserbereitung und Warmluftheizung für den Kindergarten TGA II - Solarthermie -54

55 Architektonische Umsetzung EFH 22 m² Solaranlage Liter Speicher Solare Deckung 80 % (WW, Raumheizung) Nachheizung: Scheitholzofen, Lüftungsanlage TGA II - Solarthermie -55

56 Architektonische Umsetzung TGA II - Solarthermie -56