Die heizungsunterstützende Solaranlage ist in der Regel für jede Heizungsanlage eine lohnende Ergänzung. Es sollte deshalb bei der Planung immer geprüft werden, ob nicht zusätzlich solare Wärme nutzbar ist. Wird die Solaranlage nicht gleich installiert, sollte zumindest ihre Nachrüstung vorbereitet werden.
Solare Heizungsunterstützung wird oft nicht richtig eingeschätzt
Die Erfahrung zeigt, dass viele Interessenten die Möglichkeiten einer heizungsunterstützenden Anlage im Gebäude oft nicht richtig einschätzen. Im Beratungsgespräch sollten Fehleinschätzungen deshalb zu einem möglichst frühen Zeitpunkt korrigiert und die realistischen Erwartungen an eine solare Heizungsunterstützung dargelegt werden. In Bild 2 ist folgendes erkennbar:
1. Die Solaranlage ersetzt den Wärmeerzeuger (Heizkessel bzw. Wärmepumpe) nicht, weshalb dieser in seiner Leistung auch nicht reduziert werden darf. Denn das solare Angebot und die Nachfrage nach Wärme verlaufen gegenläufig.
2. Die Solaranlage ist Bestandteil eines Gesamtsystems, bei dem es gerade auch für den konventionellen Wärmeerzeuger auf höchste Effizienz ankommt. Die Integration der Solarenergie erhöht die Effizienz des Gesamtsystems, kann aber nicht den Wärmeerzeuger ersetzen.
3. Ohne saisonale Speicherung sind die Möglichkeiten der solaren Heizungsunterstützung begrenzt. Würde das Diagramm in Bild 2 um weitere Kurven mit einem Sonnenenergieertrag für 30 m² oder 50 m² Absorberfläche ergänzt, würde deutlich, dass die zusätzlich gewonnene Wärme zum größten Teil in die sommerlichen Überschüsse ginge – die Schnittmengen von Erzeugung und Bedarf würden nur unwesentlich größer.
4. Einrichtungen, die geeignet sind, den solaren Wärmeüberschuss im Sommer in den Winter „hinüberzuretten“ (z.B. besonders groß dimensionierte Speicherbehälter oder alternative Speichertechnologien), erfordern bisher neben ausreichendem Platz sehr hohe Investitionssummen oder sind noch im Entwicklungsstadium.
5. Jede Anlage zur solaren Heizungsunterstützung stagniert im Sommer über längere Zeiten, sofern keine rein sommerlichen Verbraucher in das System eingebunden werden. Die damit verbundene Dampfbildung erfordert eine sehr sorgfältige Anlagenplanung und Ausführung.
Dimensionierung der Kollektorfläche
In der Praxis gibt es drei Ansätze für die Dimensionierung einer Anlage zur solaren Heizungsunterstützung.
1. Orientierung an der solaren Deckung
Die Bezugsgröße solare Deckung entspringt häufig dem Kundenwunsch, möglichst viel Brennstoff zu sparen. Bei der solaren Heizungsunterstützung ist eine Auslegung auf eine bestimmte solare Deckung ohne genaue Betrachtung des zu beheizenden Gebäudes jedoch seriös nicht machbar. Die solare Deckung ergibt sich aus einer auf das Gebäude abgestimmten Planung, als Zielgröße ist sie im Bestand wenig tauglich.
2. Orientierung an der zu beheizenden Nutzfläche des Gebäudes
Die zweite Möglichkeit ist die Auslegung in Bezug auf die zu beheizende Nutzfläche. Berücksichtigt man jedoch den sehr unterschiedlichen Heizenergiebedarf von Gebäuden, wird schnell deutlich, dass pauschale Auslegungsempfehlungen einen sehr weiten Rahmen abstecken müssen: Der Schritt von 0,1 m² zu 0,2 m² Kollektorfläche pro Quadratmeter beheizter Nutzfläche bedeutet einen Faktor 2 in der Anlagengröße. Dieser Effekt erschwert die nachvollziehbare Festlegung auf eine bestimmte Anlagengröße deutlich.
Außerdem fließt der sommerliche Bedarf für die Trinkwassererwärmung nicht angemessen in die Planung ein; es wird kein festes Verhältnis zwischen Wohnfläche und Anzahl der Warmwasser verbrauchenden Bewohner hergestellt.
Eine rein auf Nutzfläche ausgelegte Anlage wird sich in einem von zwei Personen bewohnten Gebäude mit 250 m² Wohnfläche anders verhalten als eine Anlage in einem kleinen Einfamilienhaus mit einer 5-köpfigen Familie.
3. Orientierung am Jahresnutzungsgrad
Als Beurteilungsgröße hat sich der Jahresnutzungsgrad der gesamten Heizungsanlage bewährt. Auf diese Größe hat sich die deutsche Heizungsindustrie insgesamt verständigt. Die betreffenden Empfehlungen sind in die Informationsblätter des BDH eingeflossen und stehen unter https://www.bdh-industrie.de/ zum Download bereit.
Die Basis für die Dimensionierung nach dem Jahresnutzungsgrad ist 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 z. B. ein Heizenergiebedarf zur Vermeidung von Kondensation in Kellerräumen.
Für diesen sommerlichen Verbrauch wird die passende Kollektorfläche ausgelegt. Die so ermittelte Kollektorfläche wird nun jeweils mit dem Faktor 2 und dem Faktor 2,5 multipliziert – die Ergebnisse bilden den Bereich ab, in dem die Kollektorfläche für die solare Heizungsunterstützung liegen soll. Die genaue Festlegung erfolgt dann unter Berücksichtigung der Gebäudevorgaben und der Planung eines betriebssicheren Kollektorfeldes. Ergibt die Berechnung beispielsweise sieben oder acht Kollektoren, die Süddachfläche reicht jedoch nur für sieben Kollektoren aus, dann ist es nicht sinnvoll, einen achten Kollektor auf das Garagendach zu montieren.
Beispiel: Für ein Einfamilienhaus werden 7 m² Kollektorfläche (Flachkollektoren) für die Trinkwassererwärmung veranschlagt, einen weiteren sommerlichen Bedarf gibt es nicht. Die Kollektorfläche zur solaren Heizungsunterstützung soll also zwischen 14 m² und 17,5 m² liegen. Gewählt werden sieben Flachkollektoren mit je 2,33 m² Absorberfläche, als insgesamt 16,3 m².
Dimensionierung des Speichers
Speicher haben in Solaranlagen die Aufgabe, die Schwankungen der solaren Strahlung und die zeitlichen Unterschiede zwischen dem Strahlungsangebot und der Nutzung der solaren Wärme auszugleichen. In heizungsunterstützenden Solaranlagen werden entweder Heizwasser-Pufferspeicher oder Kombispeicher eingesetzt. Der Kombispeicher ist eine platzsparende Kombination aus Pufferspeicher und Speicher-Wassererwärmer (Bild 3). Das Trinkwasser wird hierbei durch ein Edelstahl-Wellrohr innerhalb des Speicherbehälters geleitet und so im Durchfluss vom umgebenden Heizungswasser erwärmt.
Für die Speicherdimensionierung ist es im Prinzip gleichgültig, ob das System mit einem Kombispeicher oder mit einem Heizwasser-Pufferspeicher plus Speicher-Wassererwärmer für die Trinkwassererwärmung ausgerüstet wird. Mindestgrößen für den Pufferspeicher, um BAFA-Förderung zu erhalten, sind 40 l/m² bei Flachkollektoren bzw. 50 l/m² bei Vakuum-Röhrenkollektoren. Da die Anlage durchaus mehrere Schlechtwettertage überbrücken kann, sollten bei Flachkollektoren allerdings 50 l pro m² Absorberfläche die untere Grenze sein – der optimale Bereich liegt zwischen 50 und 70 l. Bei Vakuum-Röhrenkollektoren liegt der Bereich zwischen 70 und 90 l/m². Zur Auswahl der Komponenten (Viessmann Kollektoren und Speicher) bietet Bild 4 eine schnelle Übersicht.
Stagnation von Solaranlagen
Ein Sonnenkollektor erzeugt immer dann Wärme, wenn Licht auf den Absorber trifft – unabhängig vom aktuellen Bedarf. Ist eine Wärmeabnahme im System nicht mehr möglich oder sinnvoll, schaltet die Anlage ab und geht in Stagnation. Das führt bei Sonneneinstrahlung zu einem Anstieg der Temperaturen im Kollektor bis zur maximalen Temperatur, bei der Energiegewinn und -verlust einander die Waage halten. In den Kollektoren werden dabei Temperaturen erreicht, die in der Regel den Siedepunkt der Solarflüssigkeit überschreiten.
Für den Regelbetrieb beispielsweise einer Anlage zur solaren Heizungsunterstützung ist es wichtig, die zu erwartenden Stagnationsphasen in die Planung einzubeziehen: Mit Hilfe von Simulationsprogrammen lässt sich ermitteln, zu welchem Zeitpunkt und wie lange etwa mit Stagnation zu rechnen ist.Aber auch Defekte oder Stromausfall können zur Stagnation einer Anlage führen, sodass dem Kollektor keine Wärme mehr entnommen wird. Ein solcher Betriebszustand muss in der Anlagenplanung immer berücksichtigt werden, d. h. die Eigensicherheit der Anlage muss immer gewährleistet sein.
Eigensicherheit bedeutet:
– Die Anlage darf durch Stagnation keinen Schaden nehmen.
– Die Anlage darf während der Stagnation keine Gefährdung darstellen.
– Die Anlage muss nach Beendigung der Stagnation wieder selbsttätig in Betrieb gehen.
– Kollektoren und Anschlussleitungen müssen für die im Stagnationsfall zu erwartenden Temperaturen ausgelegt sein.
Dampfmenge bei der MAG-Auslegung berücksichtigen
Im Betriebszustand der Stagnation werden in der Solaranlage die höchsten Temperaturen und Drücke erreicht. Dabei bildet sich nicht nur im Kollektor Dampf, sondern auch Teile der Anschlussleitungen werden mit Dampf gefüllt (Bild 5). Die Dampfmenge, die bei der Auslegung des Membran-Ausdehnungsgefäßes (MAG) berücksichtigt werden muss, ist zudem abhängig von der Einbaulage und der Bauart der Kollektoren.
Bislang wurde die Dampfbildung mit pauschalen Zuschlägen in die Dimensionierung des MAG einbezogen. Mittlerweile ist die lageabhängige Dampfproduktionsleistung (die Leistung des Kollektorfeldes, die bei Stagnation in Form von Dampf an die Rohrleitungen abgegeben wird) weitreichend erforscht, so dass ein exaktes Berechnungsverfahren für die Auslegung des MAG und der eventuell benötigten Kühlstrecke zur Verfügung steht. Besonders bei größeren Anlagen kann sich dadurch eine preiswertere Alternative zur bisherigen MAG-Auslegung ergeben.
Im neuen Viessmann-Planungshandbuch Solarthermie ist im Kapitel „Stagnation und sicherheitstechnische Einrichtungen“ dieses Verfahren ausführlich beschrieben (siehe Kasten „Extras“).
Pufferbeladung und Rücklaufanhebung
Beim Aufbau des Gesamtsystems gibt es zwei Möglichkeiten, die solar gewonnene Wärme zu speichern und dem Heizkreis zur Verfügung zu stellen: die Pufferbeladung und die Rücklaufanhebung.
Bei einer Anlage mit Pufferbeladung wird der Speicher durch die Solaranlage oder den Heizkessel auf Vorlauftemperatur gebracht. Aus dem Heizwasser-Pufferspeicher bzw. dem Kombispeicher heraus erfolgt dann direkt die Versorgung des Heizkreises (Bild 6).
Bei einer Anlage mit Rücklaufanhebung wird das solar erwärmte Wasser entnommen, wenn die Temperatur im Speicher über der Rücklauftemperatur des Heizkreises liegt. Ist die Vorlauftemperatur nicht erreicht, schaltet der Kessel zu (Bild 7).
Bei alten, sehr verlustreich arbeitenden Kesselanlagen wird manchmal argumentiert, dass die konventionell erzeugte Wärme unter Vermeidung häufiger Brennerstarts möglichst rasch in den Heizwasser-Pufferspeicher eingebracht werden sollte – das reduziere die Wärmeverluste (durch Vermeidung von Auskühlverlusten im Stillstand). Hier ist anzumerken, dass derartige Kesselanlagen nicht mit einer Solaranlage kombiniert, sondern vorrangig ausgetauscht werden sollten.
Bei modernen Wärmeerzeugern greift dieses Argument nicht. Sie erzeugen modulierend genau die Energiemenge, die für das Erreichen der Vorlauftemperatur notwendig ist. Eine Pufferbeladung bedeutet eine Verschiebung der Systemgrenze: Sie vergrößert grundsätzlich die Oberfläche, an der konventionell erzeugte Wärme verloren geht und zwar unabhängig von der Qualität der Speicherdämmung. Und sie erhöht immer die Zieltemperatur der Solaranlage, was automatisch deren Wirkungsgrad senkt. Aus diesem Grund sollte die Rücklaufanhebung bevorzugt werden, sofern wegen bestimmter Anforderungen keine andere Systemlösung erforderlich ist (z.B. die Einbindung von Festbrennstoffkesseln).
Anforderungen an den Heizkreis
Ein häufig auftretendes Missverständnis ist die Annahme, solare Heizungsunterstützung sei nur mit Fußbodenheizungen möglich. Diese Annahme ist falsch. Die Erträge bei einer Radiatorenheizung sind im Jahresdurchschnitt nur unwesentlich geringer. Der Grund dafür ist die etwas höhere Zieltemperatur der Solaranlage, die immer durch den Rücklauf des Heizkreises bestimmt ist.
Beim Vergleich der verschiedenen Heizflächen muss bedacht werden, dass die Solaranlage im Wesentlichen in der Übergangszeit Energie an den Heizkreis liefern soll. Zu diesen Zeiten arbeiten Heizflächen jedoch nicht im Bereich ihrer Auslegungstemperaturen, so dass der Rücklauf auf niedrigem Temperaturniveau gefahren werden kann. Wichtig ist aber der korrekte hydraulische Abgleich der Radiatorenheizkreise.
Solaranlagen + Brennwertkessel
Ein weiteres Missverständnis ist, dass Solaranlagen nicht mit Brennwertkesseln kombinierbar seien. Auch das ist falsch. Richtig ist, dass die Solaranlage immer vorrangig das kalte Wasser (Trinkwasser oder Heizkreiswasser) im System aufwärmt. Muss dann die Kesselanlage „den Rest“ übernehmen, arbeitet der Kessel – bei Erhöhung der WW-Temperatur von z. B. 50 °C (solar vorerwärmt) auf 60 °C (Zieltemperatur) – in der Tat nicht mehr im Kondensationsbereich. Das könnte der Brennwertkessel in diesem Temperaturbereich allerdings auch ohne Solaranlage nicht.
Ein vergleichbares Beispiel ließe sich für die solare Heizungsunterstützung durchrechnen. Grundsätzlich hat die Kombination mit einer Solaranlage keinen Einfluss auf die Effizienz und die Betriebssicherheit des Kessels.
Richtig ist, dass der Jahresnutzungsgrad des Heizkessels leicht sinkt, der des gesamten Systems allerdings enorm steigt. Entscheidend ist die absolute Energieeinsparung.
Solaranlagen + Holzkessel
Heizkessel für Holz oder andere feste biogene Brennstoffe haben konstruktiv bedingt eine große Masse, sie bestehen aus relativ viel Metall und beinhalten viel Wasser. Im Heizbetrieb ist das kein Nachteil, doch bei der sommerlichen Nachheizung von Warmwasser ist der Nutzungsgrad aber im Vergleich z. B. zu einem Gasbrennwertgerät deutlich schlechter. Biomassekessel werden deshalb häufig mit Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung kombiniert. Das hat den Vorteil, dass die Anlage im Sommer von der Auslegung her nachheizungsfrei arbeitet. In der Übergangszeit verhält sich der Kessel bei geringer Wärmeanforderung ähnlich wie bei der Trinkwassererwärmung, die Wärmebereitstellung übernimmt dann im Wesentlichen die Solaranlage.
Bei den automatisch beschickten Pelletkesseln im Einfamilienhaus eignet sich die Verbindung mit einem Kombispeicher (Bild 8). Die Auslegung dafür erfolgt wie zuvor beschrieben.
Handbeschickte Anlagen erfordern einen kompletten Ausbrand und werden mit einem Heizwasser-Pufferspeicher ausgestattet, dessen Volumen für einen störungsfreien Betrieb des Holzkessels ausgelegt wird. Dabei muss die Volumenbestimmung immer auf die Temperaturdifferenz zwischen der zu erwartenden Rücklauftemperatur (kälter kann das Speicherwasser nicht werden) und der Speichermaximaltemperatur (heißer darf das Speicherwasser nicht werden) bezogen werden. Der Speicher wird also so ausgelegt, dass bei einem vollständigen Ausbrand die gesamte Energiemenge im Heizwasser-Pufferspeicher untergebracht werden kann. Das Verfahren ist in der EN 303-5 festgelegt. Zusätzlich ist die aktuelle Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImschV) zu beachten.
Wird dieser Speicher solar vorerwärmt, reduziert sich dessen Kapazität, da die Ausgangstemperatur aufgrund der Vorerwärmung steigt (bei unveränderter Maximaltemperatur). Die Temperaturdifferenz verringert sich also und damit auch die Speicherkapazität – ein vollständiger Ausbrand des Holzkessels ist nicht mehr möglich. Soll die Kesselanlage mit einer Solaranlage kombiniert werden, muss deshalb das Speichervolumen entsprechend vergrößert werden.
Solaranlagen + Wärmepumpen
Wärmepumpen unterliegen vom Stromtarif her oft bestimmten Sperrzeiten und müssen dann mit einem Heizwasser-Pufferspeicher kombiniert werden, der sich aber auch für die solare Beladung anbietet. Da die Sperrzeiten in aller Regel tagsüber bestehen, ist eine „Konkurrenz” um die davor liegenden Ladezeiten nicht zu vermeiden. Diese Situation kann regeltechnisch teilweise entschärft, jedoch nicht verhindert werden.
Das Puffervolumen wird bestimmt durch das Minimum an Wärmekapazität, das für die Überbrückung der Sperrzeiten notwendig ist. An diesen Heizwasser-Pufferspeicher kann eine passende Kollektorfläche angeschlossen werden. Soll eine höhere Deckung erzielt werden, kann der Heizwasser-Pufferspeicher vergrößert werden. In diesem Fall muss der Teil des Speichers, der zur Überbrückung von Sperrzeiten notwendig ist, der Wärmepumpe hydraulisch und regeltechnisch getrennt zur Verfügung gestellt werden.
Ist für den Betrieb der Wärmepumpe ein Heizwasser-Pufferspeicher nicht zwingend notwendig, wird der Pufferspeicher für die Solaranlage auf die gleiche Weise ausgelegt wie bei Kombinationen mit Kesselanlagen.
Fazit: Immer prüfen, ob solare Wärme genutzt werden kann
Mehr als die Hälfte der heute neu installierten Kollektorfläche dient neben der Trinkwassererwärmung auch zur Unterstützung der Gebäudebeheizung – die solare Heizungsunterstützung ist damit Stand der Technik. Neben den häufig anzutreffenden Kombinationen mit Öl- und Gas-Heizkesseln unterstützen thermische Solaranlagen immer öfter auch Holzkessel und Wärmepumpen. Der grundsätzliche Aufbau solcher bivalenten Anlagen ändert sich bei den verschiedenen Kombinationen nicht. Um die vorhandenen Effizienzpotenziale solcher Anlagen auszuschöpfen sollte aber insbesondere das Pufferspeichervolumen den besonderen Anforderungen dieser Wärmeerzeuger entsprechen.
Heizungsunterstützende Solaranlagen kommen damit für praktisch jede Art von Heizungsanlage in Frage. Angesichts der möglichen Energieeinsparungen von bis zu 35 %, der klimaschonenden CO2-Einsparungen und der Schonung der weltweiten Rohstoffreserven sollte deshalb bei der Planung einer Heizung immer auch geprüft werden, ob die solare Wärme nicht auch zur Gebäudebeheizung genutzt werden kann – dies gilt für Neubau und Modernisierung.
Extras
Eine – gerade auch für den SHK-Fachhandwerker – sehr interessante Informationsquelle ist das Viessmann-Planungshandbuch Solarthermie. Darin werden alle wichtigen Themen angesprochen und anhand von Beispielen und Grafiken anschaulich dargestellt.
Wo Sie die PDF-Version des Handbuchs herunterladen können, erfahren Sie unter
Tipp
Förderung durch das BAFA
Basisförderung von Solarkollektoranlagen (bis 40 m²)
Hinweis: Für Neubauten (Bauantrag ab 1.1.2009) verringern sich die Basisförderbeträge um 25 %.
1. Solarkollektoranlagen zur Warmwasserbereitung: 60 Euro/m², mind. jedoch 410 Euro je Anlage.
2. Kombinierte Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung: 105 Euro/m². Voraussetzungen:
– bei Vakuumröhrenkollektoren mind. 7,0 m² Fläche und mind. 50 l/m² Puffervolumen
– bei Flachkollektoren mind. 9,0 m² Fläche und mind. 40 l/m² Puffervolumen
3. Für die Erweiterung von bereits in Betrieb genommenen Solarkollektoranlagen um bis zu 40 m² Solarkollektorfläche beträgt die Förderung 45 Euro je zusätzlich installiertem m²
Bonusförderungen
Zusätzlich zu dieser Basisförderung können ein oder mehrere Boni in Anspruch genommen werden wie z. B.
1. Kesseltauschbonus: Die Errichtung von Solarkollektoranlagen wird zusätzlich mit einem Bonus gefördert, sofern gleichzeitig der bisher betriebene NT-Heizkessel durch einen Brennwertkessel ersetzt wird. Der Bonus beträgt 750 Euro in Verbindung mit Solaranlagen zur kombinierten WW-Bereitung und Heizungsunterstützung und 375 Euro bei Solaranlagen zur reinen WW-Bereitung. Diese Förderung ist bis zum 31.12.2009 (Tag der Antragstellung) befristet.
– Kombinationsbonus: Einen Bonus von 750 Euro gibt es auch, wenn gleichzeitig eine förderfähige Biomasseanlage oder eine förderfähige Wärmepumpenanlage errichtet wird.
– Effizienzbonus: Beim Einsatz energieeffizienter Umwälzpumpen erhöht sich die Förderung um 200 Euro pro Heizungsanlage.
Förderung durch die KfW
Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) hat die bisherigen Förderprogramme zum 1.4.2009 ersetzt durch die neuen Förderprogramme „Energieeffizient bauen“ und „Energieeffizient sanieren“. Für Einzelmaßnahmen, z. B. beim Wechsel vom NT- auf einen Brennwert-Kessel mit zusätzlicher Installation einer Solaranlage, gilt weiterhin der Zuschuss von 5 % zu den förderfähigen Investitionskosten.
Neu gefördert wird jetzt eine qualifizierte Baubegleitung durch einen Sachverständigen mit einem Zuschuss in Höhe von 50 % der förderfähigen Kosten.
Autor
Carsten Kuhlmann kommt aus der handwerklichen und planerischen Praxis und ist seit 2003 bei Viessmann u.a. für die Projektierung großer Solaranlagen zuständig, https://www.viessmann.de/
