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Solaranlagen zur Heizungsunterstützung bedienen zusätzlich zur Trinkwassererwärmung auch einen Teil der Gebäudeheizung – und liegen im Trend. Dafür sorgen sowohl der Rückgang des Heizwärmebedarfs durch immer besser gedämmte Gebäude als auch das neue Gebäudeenergiegesetz (GEG), in dem die wesentlichen Regeln zur Solarthermie quasi 1:1 aus dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) übernommen worden sind.
Umso wichtiger ist es zu wissen, dass die klassische Optimierung einer Anlage zur solaren Heizungsunterstützung nicht möglich ist. Dabei spielt der solare Deckungsgrad eine entscheidende Rolle. Er beschreibt den Anteil am Wärmebedarf, der vom Solarsystem erzielt werden soll. Während im Sommer eine 100-prozentige Deckung möglich ist, kann dies im Winter kaum erreicht werden.
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Natürlich lässt sich die Kollektorfläche deutlich vergrößern und so der solare Deckungsbeitrag vor allen Dingen in den Übergangszeiten erhöhen. Gleichzeitig wachsen jedoch die in der Regel nicht nutzbaren solaren Überschüsse im Sommer. Von einem hohen Deckungsgrad wird üblicherweise dann gesprochen, wenn eine Solaranlage über das gesamte Jahr deutlich mehr als die Hälfte des Warmwassers erwärmt.
Der Zusammenhang zwischen zunehmender Kollektorfläche und einem steigenden Deckungsbeitrag mit wachsenden Überschüssen kennt als einzigen markanten Anhaltswert in der Planung den Punkt, an dem die solare Heizungsunterstützung beginnt. Dies impliziert, dass sich die Kollektorfläche vielmehr nach den definierten Kundenwünschen, der zur Verfügung stehenden Fläche und letztendlich auch dem Budget des Kunden richten kann.
Um hier ein Gleichgewicht zwischen Investition und Ertrag zu finden, ist vor allen Dingen auch die Verwendung der teils enormen Wärmeüberschüsse im Sommer relevant. Hier ist in erster Linie die Schwimmbaderwärmung von Interesse. Denn selbst Speicher mit rund 1000 l Fassungsvermögen geraten bei großen Kollektorflächen im Sommerbetrieb schnell an ihre Grenzen der Wärmeaufnahme.
Solare Heizungsunterstützung: Was macht das Planen so komplex?
Anders als bei Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung müssen in der Planung der solaren Heizungsunterstützung die Aspekte des gesamten Gebäudekomplexes inklusive aller Wärmeströme innerhalb und an den Umschließungsflächen betrachtet werden. Grundsätzlich gilt, dass Gebäude mit hohen spezifischen Wärmelasten in W/m² durch die solare Heizungsunterstützung vergleichsweise mehr Brennstoffkosten als Niedrigenergiehäuser sparen.
Diese erreichen naturgemäß aber einen deutlich höheren Deckungsbeitrag. Gleichzeitig steigen die solaren Verluste im Sommerbetrieb umso höher, je größer der solare Deckungsbeitrag ausgelegt wird. Daher bekommt die Einbindung der Wärmeabnahme im Sommer eine hohe Priorität in der Anlagenplanung.
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Auch die Neigung des Kollektorfeldes hat eine größere Bedeutung für die Gesamtbilanz der Anlage. Steilere Neigungen zwischen 45° und 60° erhöhen den Strahlungseinfall auf den Kollektor gerade in der Übergangszeit und im Winter. Gleichzeitig reduzieren sie die sommerlichen Überschüsse. Auch die Dachrichtung spielt bei der solaren Heizungsunterstützung eine andere Rolle, denn ein nach Südwest ausgerichtetes Dach ist ausnahmsweise einer nach Südost ausgerichteten Fläche vorzuziehen, weil die Außentemperatur in Südwestlage an winterlichen Nachmittagen höher ist.
Wichtig für die eigene Planung und die Argumentation gegenüber dem Kunden ist, dass eine Solaranlage keinesfalls den herkömmlichen Wärmeerzeuger ersetzen kann. In seiner Leistung kann er darüber hinaus auch in keinem Fall kleiner dimensioniert werden. Er ist im Gegenteil immer so auszulegen, als ob er ohne solare Heizungsunterstützung arbeiten würde.
4 Schritte für Planung und Ausführung einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung
Schritt 1 – Rahmenbedingungen klären
Für eine detaillierte Planung müssen Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung immer unter Zuhilfenahme einer entsprechenden Software simuliert werden. Die Fülle der möglichen Einflussparameter sollte anhand eines Aufnahmebogens geklärt werden.
Dabei sollten vor allen Dingen die aktuelle Vorlauftemperatur im vorhandenen Heizsystem und ggf. die Möglichkeit zu deren Absenkung untersucht werden. Darüber hinaus sind der spezifische Heizwärmebedarf des Gebäudes und die Möglichkeit der Nutzung von sommerlicher Überschusswärme relevant.
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Schritt 2 – Kollektorfläche vorplanen
Bislang orientierte sich die Vorplanung der Kollektorfläche grob an der zu beheizenden Nutzfläche des Gebäudes. So werden beispielsweise für nach Energieeinsparverordnung (EnEV) gedämmte Gebäude 1 m² Kollektorfläche je 10 m² Wohnfläche angesetzt. Gleichzeitig schreibt das GEG für solarthermische Anlagen im Neubau einen Mindestanteil am Wärme- und Kälteenergiebedarf von mindestens 15 % vor.
Jedoch werden bei diesen Dimensionierungsvorschriften bzw. -hinweisen zwei Fakten außer Acht gelassen. Zum einen wird die Anzahl der Bewohner und damit der Warmwasserbedarf als wichtigster Verbraucher im Sommer nicht berücksichtigt. Zum anderen ergeben sich deutliche Unsicherheiten im Hinblick auf den tatsächlichen Heizwärmebedarf von Bestandsgebäuden.
Daher hat sich die auch vom Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik (BDH) vorgeschlagene Orientierung am möglichst hohen solaren Nutzungsgrad als Auslegungsempfehlung durchgesetzt. Dies bedeutet nichts anderes als die Auslegung auf ein Minimum an Kollektorfläche. Als Faustformel kann die Mindestkollektorfläche als das Zweifache der Fläche einer Anlage zur Trinkwassererwärmung mit hohem Deckungsbeitrag dienen.
Schritt 3 – Passendes System auswählen
Das zentrale Element in der solarunterstützten Beheizung ist neben dem Kollektor auch der Wärmespeicher. Insbesondere durch die Dimensionierung des Pufferspeichers ist eine gut funktionierende und wirtschaftliche Anlagenkombination sicherzustellen.
Doch auch die Auswahl zwischen Flach- und Röhrenkollektoren spielt eine wichtige Rolle. Flachkollektoren sind vergleichsweise kostengünstig und bilden eine sehr gute Basis für den Einstieg in die Nutzung solarer Energie. Sie sind ideal für die Warmwasserbereitung geeignet. Mit größeren Kollektorflächen ist auch eine Heizungsunterstützung denkbar.
Röhrenkollektoren können die bessere Wahl für alle sein, die die Sonnenenergie mit der technisch bestmöglichen Effizienz nutzen wollen. Sie sind vergleichsweise leicht und auch für anspruchsvolle Aufgaben wie die solare Heizungsunterstützung geeignet. Weil sie selbst unter schwierigen Bedingungen noch bestmögliche Erträge einbringen, gewährleisten sie einen maximalen Solarertrag auch im Frühjahr und Herbst.
Wirkungsgrad und Verdampfungsverhalten
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Generell sollte der Wirkungsgrad der verwendeten Kollektoren möglichst hoch sein, um auch bei niedrigen Außentemperaturen hohe Systemtemperaturen zu erreichen. Hier ist ein Kennlinienvergleich der Kollektoren wichtig: Gerade bei einer Temperaturdifferenz zur Umgebung von 50 bis 60 k sollte der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, weil dies annähernd den Verhältnissen entspricht, unter denen der Kollektor später arbeitet.
Außerdem ist bei der solaren Heizungsunterstützung zu beachten, dass das Verdampfungsverhalten bei Stillstand eine Rolle spielt. Bei druckgeführten Anlagen bzw. Kollektoren mit oben liegenden Anschlüssen muss im Stillstand der gesamte Kollektorinhalt verdampfen, ehe die Wärmeübertragung in das System zum Stillstand kommt.
Kollektoren mit mindestens einem unten liegenden Anschluss dampfen hingegen schneller leer, da schon kleinste Dampfmengen im Kollektor die Flüssigkeit aus dem Kollektor herausdrücken. Das Kollektorfeld sollte in diesem Fall so verlegt werden, dass die Anschlussleitungen zum Ausdehnungsgefäß hin fallend geführt werden.
Multifunktionsspeicher als Basis
Die Speicher in einem System mit solarer Heizungsunterstützung werden je nach Verwendungszweck zur Zwischenspeicherung von Heizungswärme oder zusätzlich für die Warmwasserbereitung konzipiert. Eine häufig anzutreffende Bauform sind Pufferspeicher. Kennzeichnend für diese Systeme ist, dass sie nur ein Medium aufnehmen. Hierbei wird die Überschusswärme in den Speicher geleitet und von dort bei Bedarf über die Heizkreispumpe abgerufen.
Im Unterschied zu Rohrschlangenspeichern nutzen Schichtladespeichersysteme die natürliche Schichtung von warmem Wasser (oben) und kaltem Wasser (unten) energetisch optimal aus. Im Speicherinneren wird die Bildung von Temperaturschichten unterstützt, sodass im oberen Speicherbereich Wasser mit der vorgegebenen bzw. erforderlichen Temperatur für die Warmwasserversorgung verfügbar ist. Wesentliche Eigenschaften von Schichtladespeichern sind das gegenüber konventionellen Speichern schnellere Aufheizverhalten sowie der höhere Nutzungsgrad.
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Multifunktionsspeicher wie der Vaillant Allstor Exclusive bieten damit eine passende Lösung, um unterschiedliche Energiequellen zu kombinieren. Ergänzt werden Speicher dieser Bauart in der Regel durch eine Solar- und/oder Trinkwasserstation.
„Die Solarladestation sollte über eine eigene, intelligente Regelung sowie eine Hocheffizienz-Solarpumpe verfügen“, erläutert dazu Markus Höher, technischer Produktmanager Solar- und Speichersysteme bei Vaillant Deutschland. „Bei unseren Produkten stellt sich der Volumenstrom automatisch ein. Deswegen sind ansonsten übliche manuelle Anpassungen nicht mehr erforderlich. Das integrierte beleuchtete Display liefert alle Informationen über den Solarertrag und den jeweiligen Betriebszustand. Dabei kommuniziert die Solarladestation mit der Regelung des Gesamtsystems der Heizanlage.“
Dimensionierung muss beiden Wärmeerzeugern gerecht werden
Solaranlagen zur Heizungsunterstützung werden immer bivalent betrieben. Die Dimensionierung des Speichers muss deswegen immer beiden Wärmeerzeugern gerecht werden. Wird die Solaranlage beispielsweise mit einer Wärmepumpe kombiniert, erfüllt ein Pufferspeicher zusätzliche Aufgaben wie die Überbrückung von Sperrzeiten der Energieversorger oder die Pufferung von Wärmeenergie für den Abtauvorgang bei Luft/Wasser-Wärmepumpen.
Als weitere Wärmeerzeuger im System können sowohl Heizgeräte auf der Basis fossiler als auch erneuerbarer Energieträger ins Spiel kommen. Eine ideale Verbindung besteht sicher im Hinblick auf Wärmepumpen.
Hilfreich ist es, wenn alle Anlagenbestandteile aus der Hand eines einzigen Herstellers kommen. Das ist nicht nur bei Haftungsfragen vorteilhaft, sondern auch in puncto einfacher und aufeinander abgestimmter Installation sowie einer einheitlichen, gemeinsamen Systemregelung. Nur so lässt sich durch eine perfekt aufeinander abgestimmte Anlage auch eine maximale Heizkostenersparnis erzielen.
Zudem sind Systemanlagen aus der Hand eines Anbieters flexibel sowie individuell erweiterbar in der Anbindung und Zusammenstellung zwischen Solaranlagen und der Wärmeerzeugung auf der Basis von Gas.
Schritt 4 – Angebot auf Basis einer Minimallösung erstellen
Anlagen der solaren Heizungsunterstützung mit unterschiedlichen Deckungsbeiträgen können preislich deutlich voneinander abweichen. Daher empfiehlt es sich, immer eine Minimallösung zu kalkulieren, damit der Kunde einen Überblick über die Mindestkosten erhalten kann.
Auf der Basis von Simulationen können dann Fälle ausgearbeitet werden, die von einer Vergrößerung der Kollektorfläche ausgehen. Darauf aufbauend können dann die erforderlichen Mehrinvestitionen konkret in Brennstoffersparnis und CO2-Minderung ausgedrückt werden.
Fazit
Die solare Heizungsunterstützung wird bei der Installation neuer Solaranlagen immer öfter eingesetzt. Die klassische Optimierung des solaren Deckungsgrades wie bei Anlagen zur solaren Warmwasserbereitung ist dabei nicht möglich. Vielmehr entscheiden Randbedingungen über die bestmögliche Auslegung und die Größe des Gesamtsystems. Erforderlich ist in der Regel immer eine Simulationsrechnung der geplanten Anlage.
Bei der Auswahl der bestmöglichen Systemkomponenten ist nicht nur die Frage des Kollektors, sondern insbesondere auch des Wärmespeichers und der passenden Regelung zu beantworten. Hierbei bieten Systemhersteller Vorteile, da sie alle Komponenten als abgestimmtes Produkt aus einer Hand anbieten können.
Dieser Artikel erschien zuerst in der Heftausgabe 08-2021 der SBZ unter dem Titel „Klassiker mit neuer Ausrichtung“ von Martin Schellhorn.
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