Die steigenden Preise bei den konventionellen Energieträgern verstärken den Druck, so dass sich auch Wohnungsbesitzer zunehmend für Solarenergie interessieren. In Frage kommen für diese Anwendungen große solarthermische Anlagen (Grosol), die nicht nur eine größere Kollektorfläche als Kleinanlagen haben, sondern auch eine andere Systemtechnik benötigen.
Wirtschaftlicher als Kleinanlagen
Die Wirtschaftlichkeit von Großanlagen ist meist deutlich höher als beim Ein- und Zweifamilienhaus. Aus ökonomischer Sicht sind sie für Mehrfamilienhäuser sowie für Hotels, Pensionen, Pflege- und Seniorenheime, also überall dort wo ein hoher Warmwasserverbrauch vorliegt, eine gute Zukunftsinvestition. Denn die solaren Bauteile, wie Kollektor und Speicher, versorgen hier viele Wohneinheiten, wodurch die spezifischen Kosten pro Wohneinheit – hinsichtlich Material und Montage – deutlich niedriger sind als bei Kleinanlagen.
Das Gesamtsystem einer großen Solaranlage greift zudem noch in die bestehende Heizungsanlage ein. Synergieeffekte im anlagetechnischen Bereich können hier bei bestimmten Systemen auch den Kesselwirkungsgrad um bis zu 5 % erhöhen. Über die Wärmebereitstellung in einem Solarschichtenspeicher kann z.B. eine effizient arbeitende und legionellensichere (ab 400 l) Warmwasserbereitung eingeplant werden.
Neben der direkt ersichtlichen Wirtschaftlichkeit, steigern Solaranlagen den Wert der Immobilie. So lassen sich Mehrfamilienhäuser mit Solaranlagen oft auch schneller vermieten, weil dort die Betriebskosten niedriger sind. Die Betreiber der Solaranlage leisten zudem einen (sichtbaren!) Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz.
Erleichtert wird die Anschaffung durch Förderprogramme in Form von zinsgünstigen Krediten (KfW-Förderbank) sowie durch Zuschüsse über das Marktanreizprogramm des Bafa. Bei besonders innovativen Projekten gibt es noch das Programm „Solarthermie plus“. Auch die Bundesländer und die Stadtwerke bieten teilweise noch regionale Fördermöglichkeiten an.
Systemtechnik für Großanlagen
Solartechnik wurde bislang meist für Kleinanlagen entwickelt, dort ist sie längst ausgereift und auch größtenteils standardisiert. Mittlerweile gibt es auch für Großanlagen Systeme, die aus vorgefertigten Komponenten bestehen. Komplizierte Anschlüsse und umständliche Hydraulik lassen sich dadurch vermeiden; Fehlerquellen werden reduziert. Durch eine solare Energiezentrale, die auch Heizkessel, Zirkulation und Warmwasserbereitung mit betrachtet, wird ein leistungsfähiges Gesamtsystem erreicht, das mit deutlich geringeren Kollektorflächen und Speichervolumen gleiche oder sogar höhere Effizienz erreicht.
Prinzipiell muss eine Großanlage immer individuell, also in Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten geplant werden. Hinsichtlich der Auslegung ist eine erhöhte Aufmerksamkeit nötig, um Fehldimensionierungen zu vermeiden, da diese zu beträchtlichen die Ertragsminderungen führen können. Sehr wichtig ist es deshalb, den Warmwasserverbrauch des Objekts so exakt wie möglich zu ermitteln, um später einen möglichst wirtschaftlichen Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Sinnvoll ist es, vorab eine Warmwasserverbrauchsmessung – vorzugsweise in einer verbrauchsschwachen Periode (meist im Sommer) – durchzuführen. Ist dies nicht möglich, können die Verbrauchskostenabrechnungen der (mindestens) drei letzten Jahre Anhaltspunkte liefern. Auch Erfahrungswerte vergleichbarer Objekte können mit herangezogen werden. Je nach Auslegungsziel wird die Größe des Kollektorfeldes bestimmt. Sie gibt die Dimensionierung der anderen Systemkomponenten vor.
Auch zur Heizungsunterstützung
Aus rein betriebswirtschaftlicher Sicht wurden in der Vergangenheit z.B. von Hausverwaltungen meist so genannte solare Vorwärmanlagen bevorzugt. Diese besitzen einen hohen Systemnutzungsgrad bei niedriger solarer Deckung, die zwischen 10 und 30 % der Warmwasserbereitung liegt. Die Kollektorfläche wird relativ knapp ausgelegt, ebenso das zugehörige Speichervolumen. Die Vorteile dieses Systems sind niedrigere Investitionskosten und ein hoher Ertrag pro m² installierter Kollektorfläche bei gleichzeitig geringeren Stillstandszeiten der Solaranlage. Allerdings muss der konventionelle Heizkessel auch im Sommer mitarbeiten und das System hat geringere Energieeinsparungen.
Bei den heutigen (und künftigen) relativ hohen Brennstoffpreisen für Öl und Gas sind höhere solare Deckungen und eine zusätzliche Heizungsunterstützung empfehlenswert. In den Übergangszeiten kann die überschüssige Solarenergie für die Gebäudebeheizung verwendet werden. Rechnet man mit etwa 10 % Energiepreissteigerung in einem Betrachtungszeitraum von 20 Jahren, gleichen sich die höheren Investitionskosten im Vergleich zur reinen Warmwasserbereitung bei gut geplanten Anlagen nicht nur aus: Es werden sogar deutlich höhere Einsparungen erzielt, so dass Amortisationszeiten von 8 bis 12 Jahren erreicht werden können.
Systeme mit Pufferspeichern, die eine die Schichtung unterstützende Be- und Entladetechnik aufweisen, sind – aus hygienischen Gründen und wegen der entfallenden Legionellenschaltung – reinen Trinkwasserspeichern vorzuziehen. Das Trinkwasser wird hier mittels sogenannter Frischwasserstationen im Durchlaufverfahren erwärmt oder in einem möglichst geringen Bereitschaftsvolumen bevorratet.
Bei Anlagen ab etwa 30 m² Kollektorfläche werden der solare Teil der Anlage und das eigentliche Trinkwassersystem hydraulisch vollständig voneinander getrennt.
Beratungshilfe fürs Fachhandwerk
Das gemeinnützige Solarenergiezentrum Solid in Fürth führt das Projekt „Grosol“ durch, das auch für Fachhandwerker und Planer eine passende Beratung bietet. In diesem Zusammenhang konnten allein im August 2008 in Nürnberg drei große solarthermische Anlagen in Betrieb genommen werden. Anfang Mai wurde die Vor-Ort-Besichtigungen mit Datenaufnahme gestartet, die die Basis für eine auf das Objekt abgestimmte Projektierung, inkl. Simulation und Wirtschaftlichkeitsberechnung, waren. Anhand dieser Unterlagen kann der Auftraggeber erkennen, mit welchen Kosten und Einsparungen er rechnen kann. Wie dies in der Praxis aussieht, soll das nachfolgende Beispiel verdeutlichen: Eine ca. 39 m² große Kollektoranlage wurde Mitte August auf dem Dach eines Mehrfamilienhauses mit 20 Wohneinheiten (und 34 Bewohnern) errichtet. Nachdem vor zwei Jahren an diesem Gebäude aus dem Jahr 1958 die Fassade und die oberste Geschossdecke gedämmt sowie das Dach erneuert wurde, dachte die Eigentümergemeinschaft über weitere Einsparungsmöglichkeiten nach. Zunächst hatte man eine Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung in Betracht gezogen. Nachdem aber klar war, dass eine Solarthermieanlage für das selbst genutzte Wohngebäude wirtschaftlicher ist, wurde diese Lösung bevorzugt und von allen Eigentümern mitgetragen. Am Projektbeginn stand die Idee, nur eine solare Warmwasserbereitung zu installieren. Der ausführende SHK-Betrieb und Solid rieten jedoch aus wirtschaftlichen Gründen zu einer Anlage mit Heizungsunterstützung, die dann auch zur Ausführung kam.
Saubere, dichte Dachdurchführung
Die Kollektoren wurden mit dem Kran auf des etwa 30° steile Süddach gehoben und dort in drei Reihen mit jeweils fünf Kollektoren von den Handwerkern montiert. Die Rohre sind sofort am Kollektor durch die Dachhaut in den unbeheizten Dachraum bis zum Schornstein geführt worden. Der SHK-Handwerker hat dann einen freien Kaminzug genutzt, um die Rohre mit den Pufferspeichern im Keller zu verbinden. Für eine saubere und dichte Dachdurchführung wurden handgefertigte Ziegel verwendet, die eine Öffnung genau in der Größe des Rohrdurchmessers besitzen.
Im Keller stehen drei 800-l-Pufferspeicher, die untereinander parallel verschaltet sind. Über ein Schichtlademodul, das extern an einen der Speicher angehängt ist, lässt sich das Heizwasser an vier unterschiedlichen Stellen für vier unterschiedliche Temperaturniveaus beladen und ebenso wieder entladen. Im oberen Speicherteil befindet sich der Vorhaltebereich für die Trinkwassererwärmung. Hier wird das Wasser – je nach Witterungsbedingungen – entweder mit dem solaren Kollektorertrag oder durch die Wärmezufuhr über den Heizkessel auf einer Temperatur von 60 bis 95 °C gehalten. Drei in Kaskaden geschaltete Frischwassermodule, bestehend aus Wärmetauscher, Pumpe, Durchflussregler und Temperaturregeleinheit, sorgen im Bedarfsfall dafür, dass Kaltwasser im Durchlaufprinzip erhitzen wird (Zapfleistung: 35 l/min).
Ist nur ein geringer Warmwasserbedarf vorhanden, kann das erste Frischwassermodul diesen alleine decken. Erst wenn der Bedarf steigt, schaltet sich das zweite hinzu. Um die Spitzen abdecken zu können, gibt es noch ein drittes Frischwassermodul. Dieses Prinzip gewährleistet eine hygienische und effiziente Warmwasserbereitung, da kein Trinkwasser bevorratet und auf 60 °C, zum Schutz vor Legionellen, gehalten werden muss.
Ferngesteuerte Zirkulationspumpe
Wenn die Temperatur im unteren Pufferspeicherbereich über der Temperatur des Heizkessels liegt, kann über ein Dreiwegeventil Wärme aus den Kollektoren in den Heizkreis gepumpt werden. Erweist sich die Auslastung der Kollektoranlage als gut, ließe sich der Effekt der Heizungsunterstützung durch die Erweiterung des Kollektorfeldes, um zwei Kollektoren je Reihe, noch verstärken.
Damit die energetischen Verluste in der Zirkulationsleitung gering bleiben und um den Stromverbrauch zu reduzieren, wurde eine ferngesteuerte Zirkulationspumpe installiert. Ein Sensor registriert dabei die Betätigung einer Warmwasserarmatur und setzt erst dann die Pumpe in Gang. Zudem wird über die Erfassung der Bedarfszeiten mittels einer Software das Einschalten der Zirkulationspumpe optimiert. Bei der Abnahme wurde durch den Hersteller noch eine Feinjustierung des kompletten Systems durchgeführt. Durch die Fernüberwachung des kompletten Anlagensystems lassen sich eventuell auftretende Störungen rasch beheben.
Mit Hilfe eines Datenloggers kann der Ertrag der Anlage aufgezeichnet werden. Dazu gibt es acht Fühler, die die Temperaturen an unterschiedlichen Stellen des Systems messen: im Kollektor, an mehreren Stellen im Speicher und im Schichtlademodul sowie beim Umschaltventil im Heizkreis. Ein Temperaturvergleich zwischen diesen Fühlern ist übrigens auch für die Steuerung und Regelung des Systems wichtig. Der Datenlogger zeichnet alle Werte in einem Intervall von fünf Minuten auf und kann sie bis zu 120 Tage speichern. Dann werden die Daten ausgelesen und kontrolliert.
Einsparung von 1861 Euro/Jahr
Nach Simulationsberechnungen ist mit einem solaren Ertrag von 18100 kWh/Jahr zu rechnen. Dies entspricht einer Gas-Einsparung von 2895 m³ bzw. von etwa 1861 Euro/Jahr bei einem Gaspreis von derzeit 6,24 ct/kWh. Eine Energiepreissteigerung ist dabei noch nicht berücksichtigt. Die Anlagenkosten lagen bei rund 35000 Euro, womit sich spezifische Kosten von lediglich 1750 Euro pro Wohneinheit ergeben. Der Förderbetrag durch das Marktanreizprogramm beträgt 8000 Euro und steht noch aus. Die Eigentümer des Mehrfamilienhauses überlegen zudem, den Gaskessel gegen einen Pelletskessel austauschen, um das Gebäude komplett regenerativ zu versorgen.
Das gemeinnützige Solarenergiezentrum Solid hofft, dass die gebauten Anlagen eine Signalwirkung für die Gebäudebetreiber bzw. -eigentümer sowie für die SHK-Fachhandwerksbetriebe haben. Solid möchte künftig sein Beratungsangebot zu solaren Großanlagen ausbauen und dazu u.a. Seminare und Workshops für Handwerker und Planer anbieten
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Unsere Autorin Dipl.-Ing. (FH) Anna Bedal hat Architektur studiert. Sie ist Fachberaterin für energetische Gebäudeoptimierung und Mitarbeiterin bei Solid in Fürth; E-Mail: bedal@solid.de
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Koautor Dipl.-Ing. (FH) Matthias Hüttmann ist Mitarbeiter bei Solid sowie Ausschussvorsitzender S4 in der Gütegemeinschaft Solarenergieanlagen; E-Mail: huettmann@solid.de
