Thermische Solaranlagen welche Technik an welchem Standort?

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1 Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Strömungstechnik und Akustik Fachhochschule Düsseldorf Thermische Solaranlagen welche Technik an welchem Standort? Rechnet sich eine thermische Solaranlage oder wird der Nachbarschaft nur eine ökologische Fassade gezeigt? Einzig die Investition in die richtige Technik entscheidet darüber. Die solare Energieausbeute unterscheidet sich von Hamburg bis München nach gängigen Berechnungsmethoden um rund 25 % (Bild1, berechnet mit T*SOL) % Hamburg Kassel Berlin Bild 1 Vergleicht man dagegen den Ertrag in 28 zweier baugleicher thermischer Solaranlagen mit 7,8 m 2 Kollektorfläche und 5 Liter Schichtenspeicher, unterscheidet sich der Ertrag von Mai bis November 28 sogar um 65 %, Bild 2. kwh Januar 8 Februar 8 März 8 April 8 1 Aachen Dresden Würzburg Solarertrag in Bibertal Solarertrag in Düsseldorf Bild 2 Eine geringere Sonneneinstrahlung am Standort kann durch die Auswahl besonders effizienter Technik ausgeglichen werden. Die Zeitschrift Ökotest gab 28 nach Messungen der Universität Stuttgart (ITW) an, das Vakuumröhrenkollektoren 5 bis 13 kwh pro Quadratmeter Kollektorfläche mehr Ertrag bringen, das sind 9 bis 28 % mehr als von verschiedenen Flachkollektoren. Betreibt man die Vakuumröhren statt mit dem Frostschutzmittel Glykol mit Wasser, erzielt man weitere Verbesserungen. Wasser hat eine höhere Speicherkapazität für Wärme. Zu dem bildet sich bei Wasser eine turbulente Strömung in den Leitungen, die für eine effiziente Wärmeübertragung bei reduzierten Laufzeiten der elektrischen Pumpe sorgt. Im Vorfeld der Planung für die größte thermische Solaranlage der Welt mit 133 m 2 wurden umfangreiche Vergleichsmessungen durchgeführt. Mit Wasser gefüllte Vakuumröhren sind um 2 % leistungsfähiger und Flachkollektoren liefern bis zu 63 % weniger Energie zum Speicher. Warum 28 bei Stiftung Warentest Flachkollektoren bei der Energieausbeute im Schnitt um 1 % besser waren, steht im Widerspruch zu allgemein akzeptierten physikalischen Erfahrungen und schränkt die Glaubwürdigkeit des Testergebnisses erheblich ein. Mai 8 Juni 8 Juli 8 August 8 September 8 Stuttgart Oktober 8 Freiburg November 8 München Mai-Nov

2 Vor dem Einfrieren schützt die Vakuumröhren warmes Wasser aus dem Heizungssystem. Eine clevere Elektronik schränkt die dabei entstehenden Verluste auf ein Minimum ein. In Flachkollektoren ist gegenüber dem Thermoskanneneffekt von Vakuumröhren der Energieverlust zu groß, um sie im Winter mit Wasser betreiben zu können. Bild 3 Die Effizienzbetrachtung einer Solaranlage basiert in der Regel auf theoretischen Annahmen, da Wetter abhängige Statistiken nur über sehr lange Zeiträume aussagekräftig werden. Auch die Berechnungen nach der Energieeinsparverordnung (EnEv) basieren auf entsprechenden Normierungen zur Bereinigung von klimabedingten Schwankungen. Für den Hausbesitzer ist es dadurch aber nicht immer einfach zu verstehen, welche Einsparungen z.b. bei Modernisierung oder dem Einbau einer thermischen Solaranlage möglich sind. Auch kann ein prognostizierter Verbrauch von tatsächlichen Messwerten durchaus deutlich abweichen. Als Gegenüberstellung von Prognose und Verbrauchsstatistik wird eine Doppelhaushälfte, Baujahr 1949, über einen Zeitraum von 1 Jahren betrachtet. Protokolliert wurden der Energieverbrauch unterschiedlicher Nutzer (Besitzerwechsel), der Einbau einer Gasbrennwertheizung sowie der Energieertrag einer thermischen Solaranlage (Bild3). Anhand von tatsächlichen Verbrauchsdaten werden statistische Grundlagen für verschiedene Interpretationen möglich. kwh/tag nach EnEv kwh/tag nach EnEv mit Solar kwh/tag kwh/(a m^2) nachenev kwh(a m^2) nach EnEv mit Solar kwh/(a m^2) 25 2 Modernisierung Heizung kwh Bild 4 Bild 4 zeigt den Jahresverbrauch an Gas für das Haus inklusive der Warmwasserbereitung. Gemäß Vorgaben der Universität Kassel für eine Berechnung des Energiebedarfs nach der gültigen Energieeinsparverordnung wurde das Rechenprogramm Wohngebäude als vereinfachtes Heizperiodenverfahren angewendet. Die verwendete Excel Tabelle ist für jedermann frei zugänglich und ohne wirkliches Spezialwissen ausfüllbar. Individuell sind die Teilflächen des Hauses einzugeben. Ferner müssen Werte für die Wärmeleitfähigkeit der Materialien angegeben werden, die sich leicht mit der U-Wert Berechnung von berechnen lassen. Für das

3 hier betrachtete Haus aus dem Jahr 1949 mit Anbauten aus den 6er und 7er Jahren sowie einer Modernisierung in 1994 und einem Heizungswechsel (21 kw atmosphärische Therme gegen 11kW Brennwertkessel) in 2 ergaben sich bei 161 m 2 Wohnfläche folgende absolute Bedarfe nach EnEv: 212 kwh pro Jahr für Warmwasser und 2582 kwh pro Jahr für Heizung. In der Summe ergibt das einen durchschnittlichen Verbrauch von 173 kwh/(a m^2) oder 76 kwh pro Tag. Die Modernisierung der Heizungsanlage führte zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs von über 25 %. Die berechneten Werte nach EnEv gemäß liegen mindestens 15% über den tatsächlichen Verbrauchsdaten. Die Prognose wird somit als ausgesprochen realitätsnah bewertet, da Düsseldorf im Vergleich zum üblichen Bezugsort Würzburg deutlich wärmere Klimawerte hat. Vergleich man noch detaillierter Verbrauchsdaten der Jahre 2 (Bild 5) und 28 (Bild 6) sind eine Reihe von Interpretationen möglich: Der durchschnittliche Verbrauch von Gas für Kochen und Warmwasser liegt im Sommer 2 bei etwa 17 kwh pro Tag und kann somit auf das Jahr hochgerechnet werden auf 625 kwh. 28 wurde Ende April eine thermische Solaranlage (7,8 m 2 Vakuumröhren als Aquasystem und 5 l Schichtenspeicher) in Betrieb genommen. Aus dem Vergleich des Gasverbrauchs der Jahre 2 und 28 kann recht genau berechnet werden, dass etwa 2 kwh pro Tag für Kochen und Backen verbraucht werden. Etwa 11 kwh pro Tag lieferte die thermische Solaranlage in den Sommermonaten, die den Warmwasserbedarf zu 1 % deckte. Die mit dem Einbau der thermischen Solaranlage verknüpfte Modernisierung des Warmwasserspeichers führte zu eingesparten 4 kwh pro Tag, das sind etwa 7 % des Jahresverbrauchs. Da seit der Modernisierung in 28 noch kein volles Jahr vergangen ist, wird entsprechend auf das Jahr 28 hochgerechnet: Der durchschnittliche Verbrauch an Gas mit 52 kwh pro Tag und der Solargewinn mit 7 kwh pro Tag ergeben einen Jahressolarertrag von 25 kwh und einen Jahresgasverbrauch von 19 kwh. Die Berechnungen nach Energieeinsparverordnung (EnEv) mit den technischen Daten nach der Modernisierung des Hauses in 28 ergeben im Vergleich kwh pro Jahr an Heizbedarf und 212 kwh pro Jahr an Warmwasserbedarf. Zieht man von den hochgerechneten 19 kwh Gasverbrauch pro Jahr den Anteil für das Kochen und Backen ab, erhält man 1827 kwh und liegt somit erstaunlich nah an dem nach EnEv berechneten Wert. Auch der Unterschied beim Solarertrag ist erklärbar: die für die Berechnung nach EnEv verwendete Beispielanlage geht von Flachkollektoren und ohne Heizungsunterstützung aus, so dass bei der verwendeten Anlage ein um 2 % höherer Solarertrag plausibel ist. Bestätigt wird die Größenordnung des Solarertrags auch gemäß einer Rechnung mit der Simulationssoftware T*SOL, die einen Wert von 2293 kwh pro Jahr errechnet. Die Prognosewerte nach EnEv stimmen also wieder recht genau mit dem tatsächlichen Endenergiebedarf überein. Primärenergiebedarf oder Endenergiebedarf auf dem Energieausweis lassen sich nicht unmittelbar für den Hausbesitzer mit dem tatsächlichen Verbrauch in Relation bringen. Es handelt sich dabei nur um Maßstäbe für die energetische Güte der Immobilie. kwh/tag Januar Februar März April Gas kwh/tag Mittelwert Gas Modernisierung Heizung Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Bild 5 3

4 kwh/tag Januar 8 Einbau Solar Februar 8 März 8 April 8 Mai 8 Juni 8 Heizung kwh/tag Solargewinn kwh/tag Mittelwert Heizung Mittelwert Solar Juli 8 August 8 September 8 Oktober 8 November 8 Dezember 8 Bild 6 Die Berechnungen zum Solarertrag der eingebauten thermischen Solaranlage ergeben einen Gewinnertrag nach etwa 18 Jahren ohne zu investierendes Eigenkapital bei Finanzierung über das Öko PLUS Modernisierungsprogramm der KfW. Allerdings wurden im vorliegenden Fall in einem Zug Warmwasserspeicher, Fassade und Dach modernisiert, so dass die Solaranlage nur als regenerative Ergänzung zu finanzieren war. Alleine die Modernisierung des Warmwasserspeichers spart täglich 4 kwh Energie und damit mehr als 7% des Jahresenergiebedarfs. 2 % weniger Solarertrag verlängert die Amortisationszeit um etwa 3 Jahre auf 21 Jahre. Für eine mit Glykol gefüllte Vakuumröhrenanlage werden Solarerträge von % gegenüber dem hier installierten Aquasystem angegeben. Das führt bei einem mittleren Wert von 83 % zu einem Gewinn bringenden Betrieb der Solaranlage auch erst im 21. Jahr. Anlagen mit preiswerteren Flachkollektoren bringen nur 37 bis 53 % des Ertrags eines Aquasystems. Bei einem Mittelwert von 45 % verlängert sich die Amortisationszeit auf satte 28 Jahre trotz reduzierter Investitionskosten von 2 %. Folgende Empfehlungen zur Installation thermischer Solaranlage können zusammenfassend gegeben werden: Die Installation einer thermischen Solaranlage, die nur zur Warmwassererwärmung dient und nicht die Heizung unterstützt, lohnt erst ab einem Verbrauch von über 2 kwh pro Jahr rein für die Warmwassererwärmung. Nur an besonders ertragreichen Standorten in Süddeutschland (Bild 1) sollten Flachkollektoren verbaut werden. In Norddeutschland ist die Installation von Flachkollektoren unrentabel, da mindestes doppelt so große Kollektoren verbaut werden müssen, wie die hier betrachtete Anlage mit 7,8 m 2. Die Investition in eine thermische Solaranlage mit einem Schichtenspeicher von mindestens 5 Litern, der Heizung und Warmwasserbereitung bedient, lohnt auch schon bei Kleinfamilien, sofern die effizientesten Anlagen (Vakuumröhren mit Wasser als Trägermedium) verbaut werden. Schichtenspeicher ermöglichen einen effizienten Heizungsbetrieb mit der vollständigen Ausnutzung des Brennwertprinzips. Ferner ist die Trinkwasserqualität aufgrund des Durchlauferhitzerprinzips gegenüber einem Trinkwasserspeicher (Boiler) extrem hoch. Nur eine thermische Solaranlage zur Heizungsunterstützung ermöglicht eine hohe solare Energieausbeute bereits in Monaten wie Februar, März, April. Die Verwendung von Wasser als Trägermedium in Vakuumröhrenkollektoren führt zu einer nicht unerheblichen Verkürzung der Pumpenlaufzeit (Faktor 3 gegenüber Flachkollektoren) und spart somit bedeutend elektrischen Strom. Flachkollektoren können wegen des fehlenden Thermoskanneneffekts nicht mit Wasser betrieben werden. 4

5 Entscheidend für die Bewertung und Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit thermischer Solaranlagen sind der geografische Standort der Anlage und ein notwendiger Mindestverbrauch an Warmwasser im Sommer. Das was in den Speicher transportiert wird, muss auch verbraucht werden, so dass sich bei Anschluss von Wasch- und Geschirrspülmaschine an die zentrale Warmwasserversorgung die Bilanz bedeutend verbessert. Das Return to Invest einer thermischen Solaranlage ist massiv verbrauchs- und standortabhängig, obwohl dies bei einer öffentlichen Förderung in Gänze unberücksichtigt bleibt. Wird die effizienteste thermische Solaranlage verbaut, muss man im Zuge einer umfangreicheren Hausmodernisierung kein Idealist sein, da der subventionierte Einbau spätestens nach 18 Jahre Gewinn bringen wird. Mit Glykol betriebene Flachkollektoren sollten trotz hoher öffentlicher Subvention in Norddeutschland nur von Idealisten verbaut werden, da sonst der Ärger über die mangelhafte Energieausbeute groß werden kann, vgl. Folgende Quellen im Internet sind zu empfehlen: Maas, A., Höttges, K.,Kammer, A., Berechnungen zum Energieausweis, Rechenprogramm Wohngebäude (vereinfachtes Heizperioden-Verfahren), Universität Kassel, Energiesparhaus.at, U-Wert Berechnung Statistik Süddeutschland, Bibertal(Bayern) zwischen Ulm und Augsburg Über den Effizienzschwindel mit thermischen Solaranlagen Online Solarberechnung, T*Sol Professional 5