Effiziente Solarsysteme. solare Heizungsunterstützung F A C H B E I T R A G. Carsten Kuhlmann * Warum sollte man überhaupt

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1 Abb. 1 Sachgerechte Planung und exakt aufeinander abgestimmte Systemkomponenten sind Voraussetzung für die effiziente Nutzung der Sonnenenergie zur Heizungsunterstützung. Carsten Kuhlmann * Effiziente Solarsysteme zur Heizungsunterstützung Die solare Heizungsunterstützung ist heute Stand der Technik. Mehr als die Hälfte aller in den letzten Jahren in Deutschland installierten Solaranlagen erwärmt nicht nur das Trinkwasser, sondern arbeitet auch der Heizung zu. Für das effiziente und zuverlässige Funktionieren dieser Anlagen ist neben einer sachgerechten Planung auch die Auswahl genau aufeinander abgestimmter Systemkomponenten wichtig (Abb. 1). Energie sparen und Klima schützen Rund 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland wird für die Beheizung von Gebäuden und zur Warmwasserbereitung aufgewendet. Sparsame Wärmeerzeuger, wie Brennwertgeräte, Wärmepumpen und moderne Holzkessel, können diesen Verbrauch deutlich verringern und damit zur Schonung von Ressourcen und zum Schutz des Klimas beitragen. Ein noch höheres Einsparpotenzial bietet die zusätzliche Nutzung der Sonnenenergie: Gut 60 Prozent der zur Warmwasserbereitung benötigten Energie können in Ein- und Zweifami lien - häusern durch eine Solar anlage bereitgestellt werden. * Carsten Kuhlmann Product Sales Manager für Solarthermie und Photovoltaik der Viessmann Deutschland GmbH D Allensdorf Fax ( ) kcn@viessmann.com Bis zu 35 Prozent (in optimal gedämmten Neubauten auch mehr) des gesamten Wärmebedarfs eines Hauses kann eine Solaranlage decken, die zusätzlich zur Warmwasserbereitung auch die Heizung unterstützt. Entsprechend verringern sich mit dem Einsatz einer thermischen Solaranlage Brennstoffverbrauch und CO 2 -Ausstoß eines Haushalts sowie die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern. Damit ist die Solarthermie in der Regel für jede Heizung eine lohnende Ergänzung. Deshalb sollte bei der Planung einer Heizungsanlage im Neubau oder bei der Modernisierung immer geprüft werden, ob die kostenlose Sonnenenergie genutzt werden kann. Wird eine Solaranlage nicht gleich installiert, so sollte zumindest Vorsorge für die spätere Nachrüstung getroffen werden. Zum Beispiel, indem ein entsprechender Speicher installiert wird und die erforderlichen Rohr- und Fühlerleitungen bis zum Dach verlegt werden. Warum sollte man überhaupt solare Heizungsunterstützung einsetzen? In der Beratung stellt sich für jeden an einer Solaranlage inte - ressierten Bauherren die Frage, ob die Investition in eine kleine Anlage zur Warmwasserbereitung oder eine große Kombianlage richtig ist. Die Entscheidung fällt zumeist schnell zugunsten der zweiten Lösung, weil sich so die größte absolute Energieeinsparung realisieren lässt, und sich über den Kombioder Heizwasser-Pufferspeicher auch Wärmeerzeuger zur Nutzung weiterer Energieträger, wie zum Beispiel ein Holzkessel, in die Anlage einbinden lassen. Für die größere Investitionssumme erhält der Anlagenbetreiber eine Heizungsanlage, die höhere Brennstoffeinsparungen ermög- 84 FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 1/2 2011

2 licht und so in deutlich höherem Maße die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert und die damit besonders zukunftssicher ist. Er erhält damit auch eine Anlage, die durch die vermiedenen CO 2 -Emissionen einen besonderen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Über das ganze Jahr betrachtet kann die solare Heizungsunterstützung einen erhebli chen Beitrag (bis zu 35 %) zur Gebäudebeheizung leisten. Dies gilt insbesondere für die Übergangszeit und sonnige Wintertage. Die Solaranlage ist dazu als Bestandteil eines Gesamtsystems zu sehen, bei dem es gerade auch für den konventionellen Wärmeerzeuger auf höchste Effizienz ankommt. Denn der solare Energieeintrag steht nicht das ganze Jahr über stetig zur Verfügung. Gerade im Winter, wenn der Wärmebedarf hoch ist, leistet die Sonne nur kleine Beiträge. So reicht in unseren Breiten die Sonnenenergie während der Winterperiode in der Regel nicht aus, um ausschließlich mit ihr ein Gebäude zu beheizen. Wie Abb. 2 veranschaulicht, kann die Solaranlage den konventionellen Wärmeerzeuger nicht ersetzen. Dieser muss viel - mehr so dimensioniert werden, dass er auch an den besonders kalten Tagen des Jahres die benötigte Heizlast allein erbringen kann. Um Missverständnisse auszuschließen, empfiehlt es sich, in Beratungsgesprächen mit Investoren bzw. Anlagenbetreibern auf diesen Sachverhalt ausdrücklich hinzuweisen. Dimensionierung Wie groß sollte nun aber die Solaranlage in diesem Gesamtsystem sein? Ist sie zu klein, kann man kaum von solarer Heizungsunterstützung sprechen. Ist sie zu groß, führen die Überschüsse im Sommer zu sehr langen Stagnationszeiten und damit zu einer immer schlechteren Anlagenauslastung und starker Dampfbelastung aller Anlagenkomponenten. Um hier schnell das richtige Maß zu finden, haben sich die Anbieter von solarun - terstützten Heizsystemen auf die folgende Daumenregel verständigt: Die Basis für die Dimensionierung einer solaren Heizungsunterstützung ist zunächst immer der sommerliche Wärmebedarf. Er setzt sich zusammen aus dem Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung und weiteren, objektabhängigen Verbrauchern, die ebenfalls von der Anlage versorgt werden können, wie beispielsweise der Heizenergiebedarf zur Vermeidung von Kondensation in Kellerräumen oder ein im Sommer beheiztes Schwimmbecken. Für diesen sommerlichen Verbrauch wird die passende Kollektor fläche aus - gelegt. Die so ermittelte Kollektorfläche wird nun jeweils mit dem Faktor 2 und dem Faktor Juni 2011 Die weltweit größte Fachmesse der Solarwirtschaft Neue Messe München Aussteller m 2 Ausstellungsfläche Besucher Abb. 2 Zeitliche Verteilung von Energiebedarf und Solarertrag.

3 Abb. 3 Ausbreitung des Dampfes: Der Dampf kann sich im Vor- und Rücklauf ausbreiten, das Ausdehnungsgefäß wird mit Kühlstrecke im Rücklauf installiert. Abb. 4 Dampfproduktionsleistungen von Kollektoren. Abb. 5 Charakteristische Wirkungsgradkurven von Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Kollektor- und Außentemperatur. 2,5 multipliziert die Ergebnisse bilden den Bereich ab, in dem die Kollektorfläche für die solare Heizungsunterstützung liegen soll [1]. Auch die Größe des Heizwasser-Pufferspeichers bzw. des Kombispeichers kann überschlä - gig nach der folgenden Regel bestimmt werden: Pro Quadratmeter Kollektorfläche ist ein Speichervolumen von mindestens 50 Litern vorzusehen. Betriebssicherheit Eine so dimensionierte Solaranlage kann im Sommer die gesamt erzeugte Wärme nicht an das Heizsystem abgeben. Stagnation ist also anders als bei kleinen Trinkwasser-Anlagen ein geplanter Zustand. Um die Belastung aller Komponenten gering zu halten, muss also die sicherheitstechnische Ausrüstung der Anlage besonders sorgfältig erfolgen. Was passiert in einer Solaranlage, wenn sie in Stagnation geht? Im Prinzip ist das ganz einfach erklärt: Da die Sonne keinen Sicherheitstemperaturbegrenzer hat, also nicht abschaltet, steht auch bei abgeschalteter Pumpe weiter Leistung am Kollektor an, der sich dann bis zu seiner Stillstandstemperatur aufheizt. Diese liegt bei modernen Sonnenkollektoren und üblichen Betriebsdrücken immer über dem Siedepunkt des Wärmeträgers. Es wird also mit einer bestimmten Leistung Dampf aus dem Sonnenkollektor in das Rohrsystem gedrückt. Dieser so genannten Dampfproduktionsleistung (DPL) muss eine entsprechende Kühlleistung im System entsprechen, die sich aus den Verlusten der Rohrleitung und der eventuell notwendigen Kühlkörper zusammensetzt. Ist das der Fall, kann die thermische Belastung der Anlagenkom ponenten in einem unkritischen Bereich gehalten werden (Abb. 3). Für die richtige Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes (MAG) und eventueller Kühlkörper bieten die Hersteller ihren Marktpartnern Arbeitshil - fen an. So kann zum Beispiel unter das leicht zu bedienende Programm SOLSEC kostenlos heruntergeladen werden. Zusätzlich sollten alle Möglichkeiten des Solarreglers (Rückkühlfunktion) genutzt werden, um Stagnationszeiten zu reduzieren. Kollektorauswahl Grundsätzlich lassen sich für hei - zungsunterstützende Anlagen sowohl Flach- als auch Vakuum- Röhrenkollektoren verwenden. Bei beiden Typen sollte darauf geachtet werden, dass die Solarkreisverrohrung ohne Flüssigkeitssack ausgeführt wird, der Kollektor also bei Stagnation leicht leergedrückt werden kann. Das reduziert die Dampfproduktionsleistung erheblich (Abb. 4). Die Kollektorauswahl ist bei Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung nicht anders als bei Anlagen zur Warmwasserbereitung: Ist ausreichend Platz auf einem nach Süden geneigten Schrägdach vorhanden, bieten Flachkollektoren ein beson - ders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Bei geringem Flächenangebot oder ungünstiger Dachausrichtung werden Vakuum- Röhrenkollektoren eingesetzt. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen arbeiten Vakuum- Röhrenkollektoren mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad, die Kollektorerträge sind also besonders an klaren Wintertagen besser (Abb. 5). In Solaranlagen zur Heizungsunterstützung, bei denen wie beschrieben auslegungsbedingt mit längeren Phasen ho - her Sonneneinstrahlung ohne Wärmeabnahme zu rechnen ist, bieten nach dem Heatpipe- Prinzip funktionierende Vakuum-Röhrenkollektoren eine ho - he Stagnations-Sicherheit. Bei der Heatpipe-Röhre zirkuliert eine Verdampferflüssigkeit im Absorber, verdampft bei Sonneneinstrahlung und gibt die Wärme am Kopfende der Röhre über einen Wärmetauscher an das Wärmeträgermedium der Solaranlage ab. Aufgrund 86 FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 1/2 2011

4 Abb. 6 Vakuum-Röhrenkollek toren, die wie der abgebildete Vitosol 200-T nach dem Heat pipe-prinzip arbeiten, bieten eine hohe Stagnations-Sicherheit. (Werkfotos) durch die Solaranlage über die Rücklauftemperatur des Heizkreises gebracht wor - den ist, schaltet ein 3-Wege- Ventil um und der Heizkessel bekommt solar vorerwärmtes Wasser. Dieses wird dann durch den Wärmeerzeuger auf die gewünschte Vorlauftemperatur gebracht. Erhöht die Solaranlage die Temperatur im Speicher bis auf die Vorlauftemperatur, schaltet sich der Heizkessel ab (Abb. 8). 2. Der Heizkessel wird parallel betrieben, das bedeutet, der Heizkreis wird direkt aus dem Kombispeicher heraus versorgt. Der Speicher muss im Heizbetrieb also immer auf Vorlauftemperatur gehalten werden. Ist die Temperatur im Kombi - speicher nicht ausreichend, schaltet sich der Heizkessel dazu und heizt den Speicher bis zur gewünschten Vorlauftemperatur auf. Dabei nutzt er natürlich auch das solar vorerwärmte Heizkreiswasser (Abb. 9). Beide Arten der hydraulischen Einbindung können auch mit einem Heizwasser-Pufferspeicher statt des abgebildeten Kombispeichers realisiert werden. Systeme zur solaren Heizungsunterstützung sind in den letzten Jahren ausführlich wissenschaftlich vermessen und getestet worden. Die Untersuchungen zeigen, dass beide Systemeinbindungen sehr ähnliche Ergebnisse bringen. Bei der seriellen Betriebsweise verliert das System in geringem Maße Solarwärme, da das solar erwärmte Heizkreiswasser immer den Heizkessel durchströmt, auch wenn dieser ausgeschaltet ist. Bei der parallelen Betriebsweise geht etwas mehr konventionell erzeugte Wärme verloren, weil diese vor des geringen Dampfinhalts im Wärmetauscher ist das Wärme - trägermedium der Solaranlage im Stagnationsfall vergleichsweise wenig thermisch belastet. Darüber hinaus erlaubt diese so genannte trockene An bindung der Heatpipe-Röhren die zeitsparende Montage bzw. den Wechsel einzelner Röhren, ohne dass die Anlage dazu entleert werden muss (Abb. 6). Systemauswahl Zur Umsetzung einer Anlage zur solaren Heizungsunterstützung gibt es verschiedene Systemmöglichkeiten. Basis ist immer ein heizwassergeführter Kombioder Heizwasser-Pufferspeicher, der sowohl vom Heizkessel als auch von der Solaranlage erwärmt wird. Ist für den Heiz - kessel, zum Beispiel bei Gas- Wandgeräten, eine hydraulische Weiche sinnvoll, kann der Heizwasser-Pufferspeicher diese Funktion ebenfalls übernehmen. Ansonsten wird der Heizkessel über eine Rücklaufanhebung eingebunden. Bei der Art der Warmwasserbereitung orientiert sich die Entscheidung an der gewünschten Leistung. In Einfamilienhäusern (EFH) ist das integrierte Edelstahlwellrohr im Kombispeicher in der Regel ausreichend, mit Heizwasser-Pufferspeichern und Frischwasserstationen sind höhere Leistungen zu erreichen. Frischwasserstationen sind kaskadierbar. Anlagen mit zwei ge - trennten Speichern finden üb - licherweise in der Nachrüstung Verwendung (Abb. 7). Systemeinbindung des Heizkessels: seriell oder parallel? Eine heiß diskutierte Frage bei der solaren Heizungsunterstützung ist die der Einbindung des Heizkessels. Üblich sind zwei Systeme: 1. Der Heizkessel wird seriell eingebunden, das heißt, sobald der Kombispeicher FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 1/

5 sammenstellung der Komponenten führt zur richtigen Lösung. So empfiehlt sich bei Wandgeräten die parallele Betriebsweise, weil hier der Kombispeicher gleichzeitig die Funktion einer hydraulischen Weiche erfüllt. Auf dieses Bauteil kann in diesem Fall also verzichtet werden. Fazit Abb. 7 Verschiedene Systemmöglichkeiten für die solare Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung. ihrem Weg in den Heizkreis immer erst einmal im Kombi - speicher auf bewahrt wird. Beide Effekte sind durch die gute Wärmedämmung der Geräte sehr gering. Das gilt auch für die Un terschiede in der Betriebsweise des Heizkessels ( Takten ), sofern ein modulierender Brenner oder ein Heizkessel mit gro ßem Wasserinhalt verwendet wird. Die Erwärmung des Warmwasserteils des Kombi - speichers ist bei beiden Sys - temen gleich. Es gibt hier also keinen Grund für eine Glaubensfrage, im Gegenteil: Die Auswahl und Zu- Solaranlagen zur Heizungsun - terstützung können einen hohen Anteil des gesamten Wärmebedarfs eines Gebäudes decken. Entsprechend groß sind die Einsparungen bei den Jahresheizkosten. Darüber hinaus verringert ihr Einsatz die CO 2 - Emissionen, was dem Klima zugute kommt. Ein Maximum an solaren Erträgen und die jeweils höchstmögliche Effizienz der Gesamtanlage kann nur dann erzielt werden, wenn die Anlage sachgerecht geplant wird und genau aufeinander abgestimmte Systemkomponenten eingesetzt werden. Die Beachtung der in die sem Beitrag erläuterten Grundsätze hilft dabei, solche Anlagen zu realisieren. Literatur: [1] BDH-Informationsblatt Nr. 27: Solare Heizungsunterstützung, Teil 2: Praxistipps zu Planung und Installation, März 2009, Abb. 8 Serielle Einbindung des Heizkessels. Abb. 9 Hydraulikschema (vereinfachte Darstellung) mit paralleler Einbindung des Kessels. 88 FEE HEIZUNGSJOURNAL-SPECIAL 1/2 2011