Solare Wärme optimal einspeisen

Die Solarthermie zählt zu den regenerativen Energiesystemen, die nicht als Alleinheizung eingesetzt werden können. Es setzt sich aber zunehmend die Erkenntnis durch, dass eine solare Heizungsunterstützung durchaus mehr als nur 20 oder 30 % des Heizwärmebedarfs decken kann. Solarwärmeanlagen werden zusammen mit einem oder mehreren Wärmeerzeugern als bivalentes oder multivalentes Heizsystem betrieben. Für Gebäude wie Ein- und Zweifamilienhäuser oder kleinere Gewerbeobjekte zählen Solaranlage mit Brennwertheizgerät, Pelletheizkessel oder Wärmepumpe zu den gängigsten bivalenten Kombinationen. In größeren Heizungsanlagen kann die Solarthermie auch in ein multivalentes System eingebunden sein, bei dem mehr als zwei Wärmeerzeugungsarten vertreten sind.

Ausbeute maximieren statt nur die Rücklauftemperatur anheben

Unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Wärmeerzeugungssysteme bedeutet die Kombination unterschiedlicher Energiesys­teme dabei auch immer, dass am Heizungsverteiler Wärmeströme mit verschiedenen Durchflussmengen und auch unterschied­lichen Systemtemperaturen aufeinandertreffen. An dieser Schnittstelle zwischen den Kreisen der Wärmeerzeuger und der Wärmeabnehmer herrschen damit auch unterschiedliche Druckverhältnisse. Eine funktionierende Anlagenhydraulik ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass das gesamte Heizsystem effizient arbeitet. Dar­über hinaus gilt es die Ausbeute an Solarwärme zu maximieren, um eine größtmögliche Energieeinsparung zu erzielen. Entscheidend ist deshalb, wie die Solaranlage hydraulisch in das System eingebunden wird.

Bereits die vergleichsweise einfache Kombination eines Brennwertheizgerätes oder eines Pelletkessels mit Solarthermie wirft die Frage auf, wie die Solarthermie so in das hydraulische System eingebunden werden kann, dass die Solarwärme auch vorrangig und effizient genutzt wird. Noch immer wird ein Großteil der Solarwärmeanlagen lediglich zur Rücklaufanhebung für den Wärmeerzeuger in das Heizsystem eingebunden. Die Rücklaufanhebung ist lediglich z. B. für Holzpellets oder Festbrennstoffkessel notwendig, um Kondensation im Kessel zu verhindern. Alle anderen Wärmeerzeuger wie Brennwertheizgeräte, Wärmepumpen oder Klein-BHKWs benötigen jedoch für eine effiziente Energieausnutzung möglichst tiefe Rücklauftemperaturen. Mit niedriger Temperatur sollte auch die Solarflüssigkeit zum Kollektor strömen, um dort eine möglichst hohe Wärmeausbeute zu erzielen – zumal Solarkollektoren mittlerweile so leistungsfähig sind, dass sie bereits bei geringer Sonneneinstrahlung Wärme liefern. Damit wird die Nutzung von Solarthermie zunehmend auch für die Jahreszeiten interessant, in denen der Heiz­wär­mebedarf am größten ist.

Niedertemperaturkreis nutzt niedrige Solartemperaturen

Das solare Wärmeangebot liegt überwiegend zeitlich versetzt zum Bedarf an Heizwärme. Die Solarwärme wird deshalb in einem Pufferspeicher – je nach Anlagengröße auch in mehreren Pufferspeichern – zwischengelagert. Damit steht bei richtiger Anlagenauslegung ausreichend Wärme mit Nutztemperatur für Raumheizung und Trinkwassererwärmung zur Verfügung. Die Menge der eingestrahlten Solarenergie hängt jedoch in erster Linie vom Wetter ab. An kälteren, regnerischen Sommertagen kann so der Solarertrag ebenso niedrig ausfallen wie in der Zeit der Heizperiode, wenn die Sonne flacher am Himmel steht.

Etwa 75 % der jährlich auf die Erdoberfläche eingestrahlten Sonnenenergie entfallen in unseren Breitengraden auf die Zeit von April bis September; entsprechend verbleiben für die Monate von Oktober bis März 25 % der jährlich nutzbaren Energiemenge. An bedeckten Sommertagen wie auch an sonnigeren Wintertagen ist das Temperaturniveau im Kollektorkreislauf entsprechend niedrig, so dass diese Wärmeenergie bei der Einschichtung in den Puffer das Heizwasser allenfalls noch auf ein mittleres, aber kaum nutzbares Temperaturniveau erwärmen kann. Ließe sich aber das Heizwasser ­ohne Umweg über den Puffer mit der verfügbaren Solarwärme aufheizen, reicht das Temperaturniveau oftmals noch für die Versorgung von Niedertemperaturkreisen wie zum Beispiel einer Fußbodenheizung aus.

Dreistufiger Verteiler erleichtert direkte Solarnutzung

Die mit niedrigerer Temperatur anfallende Solarwärme lässt sich für die Raumheizung oder zur Trinkwassererwärmung nutzen, wenn das Heizwasser damit direkt erwärmt wird und dieses unmittelbar über die Heizungsverteilung in das System strömen kann. In der Praxis lässt sich diese Möglichkeit mit der Zortström-Technologie realisieren, die sowohl Verteiler und Sammler als auch hydraulische Weiche ist. Die Solarwärme wird dabei über einen vorgeschalteten Plattenwärmetauscher oder eine Ladestation in die mittlere Ebene eines Zortström-Verteilers mit drei Temperaturstufen geleitet. Der behälterförmige Verteiler hält ein Puffervolumen bereit, in das die Wärmeerzeuger Heizwärme zuführen, während die Abnehmerkreise daraus die benötigten Volumenströme aus den jeweiligen Temperaturstufen entnehmen. Das im Infokasten „Betriebsvarianten“ abgebildete Hydraulikschema zeigt den hydraulischen Aufbau der Heizungsverteilung für ein Einfamilienhaus, dessen Heizwärmebedarf über ein Gas-Wandheizgerät und eine Solarwärmeanlage gedeckt wird. Bei geringer Sonneneinstrahlung und während der Übergangszeiten reicht die Solarwärme im Regelfall aus, um über den Zortström die Fußbodenheizung direkt zu versorgen.

Die Betrachtung von drei möglichen Fällen solarer Einstrahlung unterschiedlicher Intensität verdeutlicht, dass bei entsprechender Regelung nach diesem Prinzip die Solarenergie auch bei schwacher Sonneneinstrahlung effizient und flexibel genutzt werden kann, ohne dass dazu aufwendige hydraulische Schaltungen erforderlich sind.

Fazit

Die Intensität der verfügbaren Solarenergie schwankt je nach Jahreszeit und Wetterlage. Anzustreben ist deshalb, die Solaranlage so in das hydraulische System einzubinden, dass auch bei schwacher Sonneneinstrahlung die Solarwärme noch möglichst effizient genutzt werden kann. Die Anlagenhydraulik muss dazu das wechselnde dynamische Verhalten von unterschiedlichen Volumenströmen, Druckverhältnissen und Temperaturen ausgleichen. Diese Aufgabenstellung lässt sich lösen, indem an einem zentralen Punkt die Kreise von Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung hydraulisch voneinander entkoppelt werden. „Beim Einsatz integraler Heiztechnik, also der Kombination konventioneller mit regenerativen Energien, sind die zur Verfügung stehenden und die benötigten Temperaturstufen ein grundlegender Planungsansatz“, erklärt Rembert Zortea, der Erfinder der Zortström-Technologie. Der Aufbau des Sammel- und Verteilsystems ermöglicht, dass Wärmeerzeuger und regenerative Energiesysteme unabhängig voneinander mit ihren jeweiligen Massenströmen und Systemtemperaturen betrieben werden können. Der stufenweise Temperaturabbau bewirkt darüber hinaus, dass für Solar- und Brennwertnutzung stets tiefe Rücklauftemperaturen verfügbar sind. Die Funktion als hydraulischer Nullpunkt verhindert gleichzeitig, dass sich die Umwälzpumpen der angeschlossenen Kreise gegenseitig beeinflussen können.

Betriebsvarianten

Die nachstehenden Beispiele zeigen drei unterschiedliche Betriebssituationen einer Heizungsanlage in einem Einfamilienhaus mit einem Gas-Brennwertheizgerät, Solarthermie sowie Fußbodenheizung und Radiatorenheizung. Durch die direkte Übergabe der Solarenergie in den dreistufigen Verteiler kann die Solarwärme unmittelbar für die Fußbodenheizung genutzt werden. So kann der Heizwärmebedarf auch im Winter zu einem großen Teil solar gedeckt werden. Über den Zortström-Verteiler erhalten sowohl das Brennwertheizgerät als auch der angeschlossene Solarkreislauf die benötigten tiefen Rücklauftemperaturen. Gleichzeitig wirkt das Sammel- und Verteilsystem als hydraulischer Nullpunkt der gesamten Heizungsanlage, was in den Bildern als Durchlässigkeit zwischen den Ebenen dargestellt ist.

Bei geringer Sonneneinstrahlung ist die Solar-Vorlauftemperatur geringfügig höher ist als die Temperatur in der unteren Ebene des Verteilers, an die der Solar-Rücklauf angeschlossen ist. Die Solarenergie wird in die mittlere Ebene eingeleitet (A) und kann daraus unmittelbar für einen Niedertemperaturheizkreis genutzt werden (B). Bei geladenem Pufferspeicher wird die im Puffer gespeicherte Solarwärme in die obere Ebene des Zortström geleitet und von dort in das Heizungsnetz gespeist (C). Fehlende Wärmeenergie für Radiatorenheizung und Trinkwassererwärmung wird über den Wärmeerzeuger zugeführt (D).

Bei starker Sonneneinstrahlung reicht im Sommer die Solarenergie aus, um den Trinkwassererwärmer zu versorgen, so dass keine zusätzliche Energie über den Wärmeerzeuger zugeführt werden muss (E). Überschüssige Solarwärme wird in den Pufferspeicher geladen (F). Im Winter wird die eingespeiste Solarwärme auch zur Heizungsunterstützung verwendet. Falls der Wärmeerzeuger z. B. ein Pelletsheizkessel oder ein Klein-BHKW ist, kann während der Übergangszeiten die Solarwärme zur Rücklaufanhebung genutzt werden (G).

Bei ausbleibender Sonneneinstrahlung wird der gesamte Wärmebedarf über den Wärmeerzeuger gedeckt (H). Bei einem regenerativen Heizsystem (z. B. Pelletheizkessel) überbrückt das Puffersystem den Wärmebedarf (I), bis aufgrund der Trägheit die volle Heizleistung verfügbar ist.

Wolfgang Heinl schreibt als Fachjournalist für die SHK-Branche, 88239 Wangen, ­Telefon (0 75 22) 90 94 31, wolfgang.heinl@t-online.de