Solarenergie im privaten Haushalt

Mit ca. 110 kWh je m² Wohnfläche für die Raumheizung und durchschnittlich 1.000 kWh je Verbraucher für warmes Wasser schlägt der jährliche Energiebedarf im häuslichen Bereich zu Buche. Dies sind im Mittel 88% des gesamten Energieverbrauchs eines Haushaltes (Mobilität, d.h. die Benutzung eines Pkw oder öffentlicher Verkehrsmittel nicht inbegriffen.
Mit marktüblicher Technik können zwischen 50 und 60 % der für die Trinkwassererwärmung benötigten Energie mit Solarwärme gedeckt werden.
Ein 4-Personen-Haushalt kann damit mindestens 210 Liter Öl bzw. Kubikmeter Gas einsparen.

Eine gute Darstellung von BINE finden Sie hinter diesem Link.

Solaranlagen mit Heizungsunterstützung

Aus Sonnenenergie gewonnene Wärme kann auch für die Raumheizung genutzt werden. Solaranlagen zur kombinierten Trinkwassererwärmung und Raumheizung, kurz Kombi-anlagen, machen nach Schätzungen des Deutschen Fachverbandes Solarenergie bereits 1/3 des Marktvolumens aus. Sie können nach Stiftung Warentest den Gesamtenergieverbrauch eines typischen Einfamilienhauses um rund 20%, entsprechend 370 Liter Heizöl, verringern. Hierfür müssen jedoch zuvor die baulichen Voraussetzungen geschaffen werden.
Die Rahmenbedingungen, unter denen eine Solaranlage mit Raumheizungsunterstützung sinnvoll ist werden weiter unten dargestellt.

Wie arbeitet eine Solaranlage ?

Im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen wird bei der thermischen Solaranlage die Strahlung in einem Kollektor (Sammler) in Wärme umgewandelt und an den Warmwasserspeicher abgegeben.
Die meisten in Deutschland installierten Solaranlagen sind als Zweikreisanlage aufgebaut.
Der Kreislauf zwischen Kollektor und Speicher ist von der Warmwasserinstallation, welche den zweiten Kreis darstellt, getrennt. Er ist mit einem Wasser-Frostschutz-Gemisch gefüllt. Dies ist notwendig, da es in unseren Breiten zu längeren Frostperioden kommt. Die Wärme aus dem Kollektorkreis wird über einen Wärmeübertrager im Trinkwasserspeicher an das Trinkwasser abgegeben. Dieser Wärmeübertrager sitzt im unteren Teil des Warmwasserspeichers, in den auch das kalte Leitungswasser nachfließt, sobald dem Speicher aus dem oberen Teil warmes Wasser entnommen wird.

 Schema einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung

Ist die Temperatur im unteren Speicherteil niedriger als die im Kollektor, wird über eine Regelung die Pumpe des Solarkreises eingeschaltet und das Kaltwasser mit Solarenergie erwärmt. Im Sommer kann über diesen Wärmeübertrager der gesamte Speicher auf über 90°C aufgeheizt werden. In den Übergangszeiten und im Winter muss über einen Wärmeübertrager im oberen Speicherteil nachgeheizt werden. Die Energie dazu kommt in der Regel von einem Gas- oder Ölkessel.

Der Flachkollektor

Solaranlagen werden in Deutschland zu 90 % mit Flachkollektoren gebaut. Deren Kernstück ist ein Absorber, der die Sonnenstrahlung aufnimmt, in Wärme umwandelt und an den Kollektorkreislauf weitergibt. Der Absorber ist wärmegedämmt in ein kastenförmiges Gehäuse eingebettet. Für die transparente Abdeckung wird meist Spezialglas mit hoher Lichtdurchlässigkeit und Bruchfestigkeit, seltener Kunststoff, verwendet.
Das auf die Kollektorabdeckung treffende Sonnenlicht kann nicht vollständig zur Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit genutzt werden, denn ein Teil geht verloren.

Energiefluss im Flachkollektor

Kleinere Mengen des einfallenden Lichtes werden an der Glasscheibe und am Absorber reflektiert (optische Verluste). Aber auch ein Teil der vom Absorber aufgenommen und in Wärme umgewandelten Sonnenenergie strahlt und strömt wieder durch die Glasabdeckung und Gehäuse nach außen und kann nicht genutzt werden (thermische Verluste). Um die Strahlungsverluste möglichst gering zu halten, sind moderne Absorber mit einer selektiven Oberfläche beschichtet. Diese wirkt wie ein Spiegelkabinett, aus dem nur 7 - 15 % der Wärmestrahlung herausfinden können. Die im Absorber verbleibende Wärme wird auf das Wärmeträgermedium übertragen und als Nutzenergie in den Speicher transportiert.
Ein Vakuumflachkollektor unterscheidet sich im wesentlichen vom Standardflachkollektor durch den Unterdruck im Kollektorgehäuse. Dadurch wird die Konvektion (Umwälzung) im Kollektor und der Wärmetransport vom Absorber nach außen verringert.

Der Vakuumröhrenkollektor

besteht aus einem Gestell mit mehreren nebeneinander liegenden Glasröhren, in denen sich jeweils ein Absorbersteifen mit Rohr befindet. Aus den zu beiden Seiten verschlossenen Röhren wird die Luft evakuiert, so dass sich keine Luftströmung mehr bilden kann, die zu unerwünschten Wärmetransport vom Absorber zum Glas führen würde. Darüber hinaus ist die Luft soweit verdünnt, dass selbst molekulare Wärmeleitung unterbunden wird. Für den Wärmetransport aus der Vakuumröhre durchdringt das Absorberrohr eine Seite des Glaskolbens. Das Rohr wird entweder direkt von der Wärmeflüssigkeit durchströmt oder ist verschlossen und mit ca. 1/3 mit einer Flüssigkeit gefüllt, die Wärmezufuhr verdampft. Der Dampf steigt im Rohr auf , gibt die Wärme durch Kondensation am gekühlten Rohrende außerhalb des Glaskolbens wieder ab, und fließt im Rohr zurück.
Diese Bauweise nennt sich "Wärmerohr". Die einzelnen Röhren können durch drehen zur Sonne ausgerichtet werden. Wärmerohre müssen jedoch einen Anstellwinkel von 15° zur Horizontalen haben.

Vakuumröhrenkollektor (direkt durchströmt)

Vakuumröhrenkollektor mit Heat-Pipe-Prinzip

Weiter Bauformen
Neben der oben dargestellten Solaranlage, die am häufigsten eingebaut wird, gibt es noch weitere Systemvarianten.

Thermosiphonanlagen

arbeiten nach dem Naturumlaufprinzip. Da der Speicher höher als der Kollektor liegt, muss das Wasser im Solarkreislauf nicht umgepumpt werden, sondern zirkuliert auf Grund eines natürlichen Antriebes von selbst, denn warmes Wasser ist leichter als kaltes. In unseren Breiten werden diese Anlagen als Zweikreissystem mit frostgeschütztem Kollektorkreislauf angeboten.

Thermosiphonanlage

Speicherkollektoren

oder IKS-System (Intergrierte-Kollektor-Speicher-Systeme) vereinen die Funktion des Kollektors und des Speichers in sich. So können sie beispielsweise aus dicken, wie Absorber beschichteten Metallröhren bestehen, die von der Solarstrahlung direkt und über einen rückseitigen Reflektor erwärmt werden. Wie in einem Speicher fließt beim Zapfen in den unteren Teil des Speicherkollektors kaltes Wasser hinein, warmes Wasser oben heraus zur Zapfstelle. Dafür sind weder Regelung noch Pumpe notwendig. Um den Wärmeverlust zu verringern sind Speicherkollektoren entweder in Vakuumröhrenkolletoren von evakuierten Glaskolben umgeben oder werden von einer Glasscheibe mit transparenter Wärmedämmung überdeckt. Dadurch wird auch ein Einfrieren des Speichers verhindert.

Schwimmbadabsorber

Kunststoffabsorber ohne Gehäuse und Glasabdeckung sind sehr gut zur solaren Schwimmbadheizung geeignet, da hier keine hohen Temperaturen erreicht werden müssen. Ähnlich wie in einem mit Wasser gefüllten Gartenschlauch erwärmt sich das durch den Absorber gepumpte Schwimmbadwasser in einem offenen System. Diese Absorber sind aus schwarzem, elastischem und UV-beständigem Kunststoff gefertigt.

Wieviel Sonne fängt der Kollektor ein ? (Wirkungsgrad n)

Die optischen Verluste eines guten Kollektors betragen ca. 20 %. Wieviel der restlichen 80 % tatsächlich von der ihn durchströmenden Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen werden, hängt von der Qualität der Wärmedämmung und von der Temperaturdifferenz des Kollektors gegenüber der Außenluft ab.
Je schlechter ein Kollektor gedämmt ist und je niedriger die Außentemperatur ist, desto mehr Wärme gibt er wieder an die Außenluft ab. Aus der Wirkungsgradkennlinie eines Kollektors kann sein Wirkungsgrad in einem bestimmten Betriebspunkt ermittelt werden.
Bei einer Temperaturdifferenz von 50 K (T-Kollektor =55°C, T-Außen = 5°C) erreicht ein durchschnittlicher Flachkolletoren bei einer Einstrahlung von 600 W/m² einen Wirkungsgrad n= 53%. Bei 1000 W/m² ca. 69 %. Sinkt die Strahlung auf 100 W/m² ab, erreicht die Kollektortermperatur nur noch 35°C.

Wirkungsgrad eines Flachkollektors (bei 1000, 600 und 100 W/m² Einstrahlung)

Für jeden Kollektor- bzw. Absorbertyp gibt es unterschiedliche Kennlinien, die auf Prüfständen nach einem genormten Meßverfahren ermittelt werden. Die Endpunkte der Kennlinien sind durch den optischen Wirkungsgrad (Beginn senkrechte Y-Achse, Ende waagerechten X-Achse) festgelegt. Aus der Steilheit kann auf die Wärmedämmung rückgeschlossen werden (je flacher die Linie, desto besser die Dämmung).

Auslegung

Eine Solaranlage für Ein- und Zweifamilienhäuser wird üblicherweise so ausgelegt, dass im Jahresmittel etwa 50 % und im Sommer 100 % des Warmwasserbedarfs durch Sonnenenergie gedeckt werden. Im Herbst und Winter heizt die Solaranlage vor. Die Nachheizung schafft dann mit weniger Energieaufwand, sodass das Wasser warm genug aus der Leitung kommt.
Bei einem täglichen Warmwasserbedarf von ca. 200 Litern bei 45°C sollte für einen 4-Personenhaushalt ein Speicher von 300 Litern gewählt werden. Bei einem Süddach mit 45° Neigung ist hierfür eine Flachkollektorfläche von 5m², mit Vakuumröhrenkollektoren 3,5m² nötig.

Als Faustregel gelten pro Person folgende Werte:

Kollektorausrichtung und Ausbeute

Bei extremer Abweichung der Ausrichtung, Neigung oder des Warmwasserbedarfs von den Standardwerten kann eine exakte Auslegung mittels Software erfolgen. Sehr hilfreich dabei ist, wenn der tägliche Wasserbedarf über längere Zeit gemessen und angegeben werden kann.
Die Ausrichtung und Neigung des Daches beeinflusst den Solarertrag nicht so stark, als allgemein angenommen. Gegenüber optimalen Bedingungen (Südausrichtung, 35° Dachneigung) verringert sich der Ertrag bei Südostausrichtung und 50° Dachneigung oder horinzontaler Aufstellung um weniger als 12 %. Dieses kann leicht durch eine entsprechend größere Kollektorfläche ausgeglichen werden.
In unseren Breiten gibt es einen hohen diffusen Strahlungsanteil (50 % im Jahresmittel). Angesichts der aufwendigen Technik und der damit verbundenen Mehrkosten kommen bei uns Nachführeinrichtungen für Flachkollektoren nicht in Frage.

Anlagen-Typen

Zweispeicheranlage

Bei Zweispeicheranlagen wird neben dem Warmwasserspeicher ein Heizungspufferspeicher eingebaut. Das Volumen beider Speicher sollte zusammen 70 - 100 l / m² Kollektorfläche betragen. Die Beladung durch den Kollektorkreis kann dann, je nach Temperaturen in den Speichern, durch ein Dreiwegeventil zwischen Warmwasser- und Heizungspufferspeicher umgeschaltet werden. Bei nicht ausreichender Sonnenstrahlung liefert der Heizkessel als "Nachheizer" die Wärme, die notwendig ist, um den Inhalt der Bereitschaftsteile auf Solltemperatur anzuheben.

Vorteile:

· Hoher Nutzungsgrad durch das niedrige Temperaturniveau im Warmwasserspeicher
· Insbesondere für große Wohnanlagen geeignet

Nachteile:

• · Durch Zweispeicherkonzept höhere Wärmeverlust während der Heizperiode

• · Hoher Installations- und Regelaufwand

• · Höhere Investitionskosten

• Hygienisch bedenklich bei zu groß dimensionierten Warmwasserspeichern

Anlage mit Tank-in-Tank Speicher

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Bei der Anlage mit Tank-in-Tank Speicher wird ein Warmwasserspeicher in den Pufferspeicher eingehängt. Da das gesamte Warmwasser im inneren Tank vorgehalten wird, kann sich dieses während der Stillstandzeiten erwärmen, so dass bei den Entnahmen ausreichende Leistungen zur Verfügung stehen.
Wichtig ist jedoch, dass bei diesen Speichern der innere Tank ganz in den unteren Bereich des Pufferspeichers gezogen ist und sich in diesem Bereich auch der Kaltwasserzufluss befindet.

Vorteile:

• · Weniger Wärmeverluste
• · Geringer Installationsaufwand, da sehr kompakte Bauweise
• · Geringer Regelaufwand

Nachteile:

• · Hygienisch bedenklich bei zu groß dimensionierten Warmwasserbehältern
• · Hohe Temperaturen im Bereitschaftsteil

Einspeicheranlage mit eingebauten Wärmeübertragern

Bei der Einspeicherheizung mit Wärmeübertragern dient der Pufferspeicher als zentrale Wärmeeinheit. Die solare Beladung des Pufferspeichers erfolgt im unteren Speicherbereich über einen Wärmeübertrager, der bei modernen Speichern von einer Schichtungsvorrichtung umgeben ist. Die Nachheizung geschieht direkt durch den Heizkessel. Wird warmes Trinkwasser benötigt, fließt das Frischwasser durch einen eingebauten Wärmeübertrager, der sich möglichst über die ganze Höhe des Speichers erstrecken sollte, um eine Temperaturschichtung aufrecht zu erhalten.

Vorteile:

• · Weniger Wärmeverluste
• · Geringer Installationsaufwand
• · Geringer Regelaufwand
• · Kostengünstige Anlagevariante
• · Hygienisch unbedenklich

Nachteile:

• · Höhere Temperaturen im Bereitschaftsteil bzw. begrenzte Zapfleistung
• · Leistung stärker von der Rücklauftemparatur der Heizungsanlage abhängig
• · Verringerter Nutzungsgrad

Einspeicheranlage mit externem Wärmeübertrager

Bei der Einspeicherheizung mit externem Wärmeübertrager wird zur Trinkwassererwärmung eine sog. Frischwasserstation verwendet, ein externer Plattenwärmeübertrager mit Durchflussregler für die speicherseitige Pumpe. Der Wärmeübergang ist so gut, dass das zum Speicher zurückströmende Wasser nur ca. 5 - 10°C wärmer als das Kaltwasser ist, was sich günstig auf den Betrieb auswirkt.

Vorteile:

• Weniger Wärmeverluste Geringer Installationsaufwand Hoher Nutzungsgrad Hygienisch unbedenklich

Nachteil:

• · Regelaufwand für Frischwassersystem

Low-Flow-Anlage mit Schichtspeicher

Mit ausgefeilter Regelstrategie werden "Low-Flow" Anlagen mit Schichtspeicher betrieben. Eine niedrige Durchflussrate im Kollektorkreis ermöglicht, dass sich das Wärmeträgerfluid bei entsprechender Einstrahlung nach einmaligem Durchströmen des Kollektors bis auf 60 - 70°C erhitzt. Die gewonnene Wärme wird über einen externen Wärmeübertrager und eine Schichtbeladevorrichtung auf das Wasser im Pufferspeicher übertragen. Die dabei erzielten, hohen Temperaturen werden genutzt, um im Speicher eine Temperaturschichtung aufzubauen, zu erhalten, das Trinkwasser zu erwärmen und die Raumheizung zu unterstützen.

Vorteile:

• · Wenig Wärmeverluste
• · Geringer Installationsaufwand
• · Höchster Nutzungsgrad
• · Hygienisch unbedenklich

Nachteile:

• · Erhöhter Bedarf an elektrischer Hilfsenergie
• · Regelaufwand für Frischwassersystem