Die in den 1980er-Jahren noch wenig überzeugenden technischen Möglichkeiten für die solare Heizungsunterstützung führten beim Heizungsbaubetrieb Heckmeier Haustechnik zu Eigenentwicklungen. Ziel war die bevorzugte Nutzung der solaren Wärme, was durch eine spezielle Regelungstechnik in Verbindung mit einer patentierten hydraulischen Einrichtung (Hydraulikbus) erreicht wurde. Die Aktivitäten des Heizungsbaubetriebes führten im Jahr 2002 zur Gründung der Orange Energy GmbH & Co. KG in Schweitenkirchen, die technische Komplettlösungen für die solare Heizungsunterstützung und Frischwasserbereitung anbietet.
Ein wichtiger Gedanke ist dabei die Trennung der Wärmeerzeugung von der Wärmeverteilung, damit sich Wärmeerzeuger leicht austauschen oder ergänzen lassen. Der Kern der Anlage ist das Solarwärmecenter, das aus einem Energy-Modul, einem Schichtenspeicher und einem Basisregler besteht. Im Energy-Modul, das anschlussfertig vormontiert geliefert wird, sind die hydraulischen Komponenten zusammengefasst. Die solare Wärme wird über einen Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl in das System eingekoppelt.
Je nach Wärmebedarf und Wärmeangebot sorgt der Basisregler dafür, dass die solare Wärme bedarfsgerecht direkt in die Heizkreise eingespeist wird, wozu er die entsprechenden Ventile und Pumpen ansteuert. Überschüssige solare Wärme wird zunächst in den Puffer und dann mit Hilfe der Einzelraumregler, die über ein Bussystem mit dem Basisregler verbunden sind, in ausgewählte Räume des Hauses geschoben.
Ein Beispiel verdeutlicht das Speicher- und Regelkonzept: Zuerst wird das Bad um 3 K überheizt und dient als zusätzlicher Wärmespeicher, um das Überangebot der Sonnenenergie zu nutzen. Als nächstes könnte dann das Wohnzimmer kommen, das um 2 K überheizt werden darf. Fällt später die Sonneneinstrahlung weg, kann der Raum noch eine ganze Weile von der (mäßigen) Überhitzung zehren, bevor der Pufferspeicher entladen wird und zuletzt eine Wärmepumpe oder eine Gastherme anspringen muss. Welcher Raum um wie viel und mit welcher Priorität überheizt werden darf, bestimmt der Nutzer. Vorkonfigurationen im Regler verringern dabei den Programmieraufwand. Bei entsprechender Kollektorfläche und einem passenden Niedertemperatur-Heizsystem sollen solare Deckungsgrade über 50 % möglich sein.
Jahresarbeitszahlen von fünf bis über sieben
Noch höher auf der Effizienzskala kommt das solare System in Verbindung mit Wärmepumpen. Hierfür bietet der Hersteller die Wärmepumpenserie Elster an, die wie die Systemkomponenten für die solare Heizungsunterstützung in Deutschland gefertigt wird. Mit zwei Techniken werden die bei normalen Wärmepumpen üblichen Jahresarbeitszahlen von etwas über 3 bei Luft/Wasser-Wärmepumpen oder von etwa 4 bei Erdreich-Wärmepumpen deutlich übertroffen.
Der erste Schritt ist die Kombination der Wärmepumpe mit dem Solarwärmecenter und einer Solarthermieanlage. Die Solarausstattung deckt je nach Ausführung bereits 30 bis 50 % des Wärmeenergiebedarfs ab. Der zweite Schritt ist das zusätzliche Einkoppeln von Solarwärme in den Sole- oder Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe über ein spezielles Solar-Einspritzkit.
Dies ermöglicht die Nutzung von Sonnenenergie bereits bei einstelligen Temperaturwerten in °C, die für die direkte Raumheizung absolut ungeeignet wären. Durch den Wärmepumpenprozess wird diese Wärme gemeinsam mit der aus der Umgebungsluft oder dem Erdreich entnommenen Wärme auf ein für die Heizung nutzbares Niveau hochtransformiert und erhöht somit die Jahresarbeitszahl.
Bei Erdwärmeanlagen kann zudem auch das Erdreich über die Einspeisung von überschüssiger Solarenergie regeneriert werden. Dies beugt der Frostgefahr durch zu hohen Energieentzug während der Heizperiode vor und erhöht die Effizienz der Wärmepumpenanlage, weil sie geringere Temperaturdifferenzen zwischen dem Umgebungsreservoir und der Heiztemperatur überwinden muss. Unterm Strich sollen sich bei Luft/Wasser-Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen von 5 bis 6 ergeben und bei der Nutzung von Oberflächengeothermie Werte von weit über 7.
Ein Beispielprojekt in der Nähe von München
Ein konkretes Beispiel, für das Messwerte über das erste Betriebsjahr vorliegen, ist ein Einfamilienhaus in der Nähe von München mit 208 m2 Wohnfläche. Das Gebäude hat einen spezifischen Heizwärmebedarf von 35 kWh/m2a, woraus sich ein Wert von 7280 kWh/a ergibt. Für die vierköpfige Familie wird ein täglicher Warmwasserbedarf von 200 l zu Grunde gelegt, woraus sich ein Wärmebedarf von 4847 kWh/a ergibt. Zusammen ergibt das einen Wärmebedarf von 12127 kWh/a.
Die heiztechnische Ausrüstung, die im wesentlichen aus der solaren Heizung und einer Wärmepumpe besteht, die als Wärmequelle das Erdreich nutzt, ist im separaten Infokasten beschrieben. Der theoretische, durch Simulation berechnete Stromverbrauch der Anlage beträgt 1061 kWh/a, womit sich eine Jahresarbeitszahl von 11,4 ergibt.
Messwerte liegen für das erste Betriebsjahr ebenfalls vor. Der Zeitrahmen ist der 1.11.2009 bis zum 31.10.2010. Zu berücksichtigen ist bei den Messungen der Umstand, dass der Bau noch austrocknen musste. Der Wärmeverbrauch wurde mit 20851 kWh gemessen. Entsprechend höher war natürlich auch der Stromverbrauch mit 2349 kWh, womit sich für das gesamte Heizsystem eine Jahresarbeitszahl von 8,9 ergibt. Dass der gemessene Wert unter dem berechneten liegt, ist dabei sicher auch auf einen besonders strengen Winter in der Messperiode zurückzuführen. Naturgemäß fallen da solare Erträge, die bei solchen Anlagen in die Jahresarbeitszahlen eingehen, geringer aus.
Info zum Hersteller
Die Firma Orange Energy hat ihren Sitz in der Hallertau, einem Hopfenanbaugebiet zwischen München und Ingolstadt. Sie ging aus dem Heizungsbaubetrieb Heckmeier Haustechnik hervor, der heute in der dritten Generation besteht. Die Firma Heckmeier installiert seit 1984 Solaranlagen und seit 1991 Frischwassersysteme. Da zu dieser Zeit keine Systeme am Markt verfügbar waren, die den Ansprüchen von Josef Heckmeier entsprachen, hat er sich 1989 entschlossen, eigene Wärmeverteil- und Regelungssysteme zu entwickeln. In mehr als 25 Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit hat sich Orange Energy vom praxiserprobten Heizungsbaubetrieb zum innovativen Mittelstandsunternehmen mit patentierten Systemlösungen entwickelt, die sowohl in Einfamilienhäusern als auch in größeren Objekten zum Einsatz kommen. Die Herstellung erfolgt im eigenen Werk in Deutschland.
INFO
Heizanlage im Projektbeispiel
Orange Energy Solarwärmecenter SWC1 mit TLS800 Topladesystemspeicher inkl. Energybus-Regelungssystem EB6000
Orange Energy Sole/Wasser-Wärmepumpe 110NT-HG (11,6 kW Heizleistung mit Heißgas-Topladung, COP = 4,6 nach EN255)
Solar-Einspritzkit für Wärmepumpe und 8,6 m2 Vakuum-Röhrenkollektor zur Direktheizung und COP-Optimierung
„Energieschlange“ als Energiequelle und Wärmespeicher für Sole/Wasser-Wärmepumpen inkl. Gutachten zur Entzugsleistung des Bodens mit Folienwannenauskleidung und Drainagerohr zur Bodenfeuchtung und schnellen Regeneration
