Große Solaranlagen zur Warmwasserbereitung

Laut DIN V ENV 12977-1 („Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile – Kundenspezifisch gefertigte Anlagen“) bestehen große Solaranlagen im Allgemeinen aus einer Kollektorfläche von mehr als 30 m² oder verfügen über ein Speichervolumen über 3000 l.

Leicht ins Heizsystem einzubinden

Als eine Art Standardlösung für große Warmwasserbedarfe können Anlagen mit Heizwasser-Puffer- und Vorwärmspeicher betrachtet werden (Bild 2). Bei Untersuchungen im Forschungsprogramm „Solarthermie 2000“, die im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit an über 50 Solaranlagen durchgeführt wurden, hat sich dieser Anlagentyp im Vergleich zu anderen Anlagenkonfigurationen als der zuverlässigste herausgestellt. Ein solche Anlage ist leicht in ein vorhandenes Heizungssystem einzubinden, die Entladeregelung für den Pufferkreis ist technisch einfach auszuführen und betriebssicher. Die Hydraulik des in Bild 2 dargestellten Anlagentyps zur Trinkwasser­erwärmung kann in drei jeweils über Wärmetauscher miteinander verbundene Kreise ­unterteilt werden:

• <b>Beladekreis</b>: Die von der Kollektoranlage (A) in Wärme umgewandelte Sonnenenergie wird über den Plattenwärmetauscher (B) an den Heizwasser-Pufferspeicher (C) abgegeben.
• <b>Pufferkreis: </b>Im Pufferkreis wird die vom ­Beladekreis gelieferte Wärme zwischen­gespeichert. Bei dem im Bild 2 dargestellten Beispiel befindet sich nur ein Heizwasser-Pufferspeicher im Pufferkreis. Bei schwierigen Bedingungen für die Einbringung eines gro&szlig;en Speicherbehälters können genauso gut mehrere kleinere, in Reihe geschaltete Heizwasser-Pufferspeicher verwendet werden. Die Regelung der Speicherbeladung erfolgt durch Temperaturdifferenzmessung zwischen Kollektorfeld und Speicher über die Solar­regelung.
• <b>Entladekreis: </b>Vor den Speicher-Wasser­erwärmer (F) ist ein Vorwärmspeicher (E) geschaltet, in den das Trinkwasser eintritt. In diesem Vorwärmspeicher werden die Schwankungen des Warmwasserverbrauchs gepuffert. Abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Puffer- und Vorwärmspeicher, wird die solare Wärme über den Plattenwärmetauscher (D) auf das Trinkwasser im Vorwärmspeicher übertragen. Steht nicht genügend solare Wärme zur Verfügung, kann das Trinkwasser im Speicher-Wassererwärmer über einen zentralen Wärmeerzeuger (G) nachgeheizt werden.

Eine energetisch gute Auslastung des Heizwasser-Pufferspeicher-Volumens und ein ­hoher Wirkungsgrad der Kollektoranlage werden durch möglichst kleine Temperaturdifferenzen zwischen Vorwärm- und Heizwasser-Pufferspeicher bzw. zwischen Heizwasser-Pufferspeicher und Solarkollektor gewährleistet.

Bei großen Solaranlagen, die unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten (hohe Erträge pro Quadratmeter) konzipiert werden, ist besonders darauf zu achten, dass ineffiziente Betriebszustände wie z. B. Stillstandszeiten und Wärmeüberschüsse vermieden werden. Eine an den Verbrauch angepasste Dimensionierung der Anlage ist notwendig, wenn das System mit möglichst hoher Effi­zienz arbeiten soll.

Wahl der solaren Deckungsrate

Die solare Deckungsrate gibt an, wie viel Prozent der jährlich für die Trinkwassererwärmung erforderlichen Energie durch die Solaranlage gedeckt werden kann. Die Apertur- bzw. Absorberfläche (im folgenden Kollektorfläche genannt) sollte so bemessen sein, dass im Sommer möglichst kein Wärmeüberschuss „produziert“ wird.

Je größer die solare Deckungsrate gewählt wird, desto mehr konventionelle Energie wird eingespart. Damit sind jedoch im Sommer Wärmeüberschüsse und allgemein ein im Mittel niedrigerer Kollektorwirkungsgrad verbunden. Außerdem steigen die Kollektorstillstandszeiten und der Ertrag (Energiemenge in kWh) pro Quadratmeter Kollektorfläche sinkt. Um ein Ertragsoptimum zu erzielen und damit das beste Verhältnis von Investitionskosten zu Anlageneffizienz, empfiehlt es sich bei Solaranlagen über 30 m² Kollektorfläche eine solare Deckungsrate zwischen 30 und 40 % anzustreben (Bild 3).

Warmwasserverbrauch ermitteln

Bei der Dimensionierung der Solaranlage wird unterschieden zwischen:

• Maximalverbrauch, der für die Auslegung des Speicher-Wassererwärmers und die Berechnung der Nachheizleistung des Heizkessels (nach DIN 4708) herangezogen wird, um den höchsten zu erwartenden Verbrauch abzudecken.
• Auslegungsverbrauch als Grundlage der optimalen Auslastung der Solaranlage. Dieser orientiert sich an den Zeiten mit dem niedrigs­ten zu erwartenden Bedarf bei maximaler Sonneneinstrahlung (Schwachlastperiode, z.B. Urlaubszeit im Sommer, Bild 4).

Der nach DIN 4708 ermittelte Verbrauch für den Geschosswohnungsbau ist in der Regel höher als der tatsächliche. Wenn möglich, empfiehlt es sich deshalb, vor der Planung der Anlage den Verbrauch über einen längeren Zeitraum zu messen.

Erfolgt die Errichtung einer Solaranlage im Zusammenhang mit größeren Sanierungen oder dem Einbau von Wasserzählern, müssen auch die wahrscheinlichen Nutzungs- oder Belegungsänderungen berücksichtigt werden. Sind Messungen nicht möglich, ist der zu erwartende tatsächliche Verbrauch unter Berücksichtigung der Gebäude- und Bewohnerstruktur eher niedrig anzunehmen.

Können für das Objekt keine genauen Daten ermittelt werden, sollte für die Dimensionierung in der Schwachlastperiode mit 22 Liter pro Person und Tag bezogen auf 60 °C Warmwasser-Solltemperatur (Empfehlung nach VDI 6002 T1) gerechnet werden.

Kollektorfeld dimensionieren

Optimale Kollektorfläche

Die optimale Kollektorfläche ist die Fläche, mit der in Zeiten des niedrigsten Bedarfs die Energie für die Trinkwassererwärmung ohne solare Überschüsse bereitgestellt wird. Für den ermittelten Auslegungsbedarf (22 l/ (Person x d)) wird die Energiemenge berechnet, die erforderlich ist, um das Trinkwasser von 10 auf 60 °C zu erwärmen. Die erforderliche Energiemenge kann aus dem Diagramm in Bild 5 ermittelt werden.

Beispiel:

Anlage mit Flachkollektoren, Mehrfamilienhaus mit 270 Bewohnern

270 Personen x 22 l/(Person x d) = 5940 l/d = ca. 6000 l/d

Man würde somit von rund 6000 l pro Tag in der Praxis ausgehen.

Für einen durchschnittlichen, nicht bewölkten Sommertag kann auf Grundlage des Kollektorwirkungsgrades die maximale solare Nutzenergie pro m² Kollektorfläche ermittelt werden. Das sind z. B. bei dem Flachkollektor Vitosol 200-F von Viessmann ca. 3,5 bis 4 kWh/(m² x d). Mit dieser Energiemenge können mit Flachkollektoren bei 45° Neigungswinkel und Südausrichtung ca. 60 bis 70 l Wasser auf 60 °C erwärmt werden (bei Röhrenkollektoren ca. 25 % mehr). Daraus ergeben sich 100 m² Kollektorfläche für die Erwärmung von 6000 l Wasser.

Tatsächliche Kollektorfläche

Die errechnete optimale Kollektorfläche muss den baulichen Gegebenheiten angepasst werden. Eine wesentliche Rolle spielt die Aufteilung des Kollektorfeldes. Beispielsweise können beim Flachkollektor Vitosol 200-F (Absorberfläche 2,3 m²) maximal 12 Kollektoren, d. h. 27,6 m² Kollektorfläche, zu einem Feld zusammengefügt werden.

Beispiel:

Ermittelte optimale Kollektorfläche 100 m².

100 m² / 2,3 m² = 43,5 Kollektoren

Problemlose Anlagen bestehen aus gleich großen Untergruppen, die nach Tichelmann angeschlossen sind und damit keine Abgleicheinrichtungen an den Untergruppen ­erfordern (siehe „Betriebssicherheit im Kolektorfeldes“). Dieser sichere Aufbau sollte bei der Planung der Anzahl der Kollektoren im Vordergrund stehen.

Ergeben sich aus der Dimensionierung der Anlage wie im Beispiel 43 und ein „halber“ Kollektor, sollte auf 44 Kollektoren aufgestockt werden, um gleich große Teilfelder zu ermöglichen. Ist der Aufbau gleich großer Felder nicht möglich, müssen Abgleicheinrichtungen gewählt werden, die einer ther­mischen Belastung bis zur Stagnationstemperatur des Kollektors standhalten.

Bei Vakuum-Röhrenkollektoren kann ebenso vorgegangen werden (Bild 6). Dabei ist die größte seriell zusammenfügbare Kollektor­fläche zu beachten.

Durchströmung des Kollektorfeldes

Der Volumenstrom im Kollektorkreis bestimmt wesentlich das Betriebsverhalten der Solaranlage. Bei gleicher Einstrahlung, also gleicher Kollektorleistung, bedeutet ein hoher Volumenstrom eine geringe Temperaturspreizung im Kollektorkreis. Ein niedriger ­Volumenstrom erzeugt dagegen eine große Temperaturspreizung. Bei großer Temperaturspreizung steigt die mittlere Kollektor­temperatur, wodurch die Wärmeverluste der einzelnen Kollektoren steigen und ihr Wirkungsgrad entsprechend sinkt.

Insbesondere in größeren Solaranlagen wird häufig der Low-Flow-Betrieb (Betrieb mit niedrigem Durchfluss) empfohlen. Während beim so genannten High-Flow-Betrieb, der üblicherweise bei kleineren Solaranlagen ­angewendet wird, der mittlere Durchsatz ca. 40 l/(h x m²) bei Flachkollektoren und bis zu ­etwa 80 l/(h x m²) bei Röhrenkollektoren betragen kann, beträgt der Volumenstrom im Low-Flow-Betrieb nur etwa 15 l/(h x m²). Vorteile sind u.a.:

– Es wird schnell ein hohes Temperaturniveau im Kollektorkreis erreicht.

– Durch den geringen Volumenstrom im ­Kollektorkreis ergeben sich deutlich kleinere erforderliche Rohrquerschnitte.

– Die erforderliche Pumpenleistung ist ge­ringer.

Bei Anlagen mit nur einem Kollektorfeld hat sich mittlerweile der so genannte Matched-Flow-Betrieb durchgesetzt, d. h. der aktuelle Volumenstrom wird der Temperaturdifferenz zwischen Kollektoraustritt und Speicher angepasst. Der Wärmegewinn steigt dadurch kaum, es wird aber Pumpenstrom eingespart.

Betriebssicherheit im Kollektorfeld

Da große Solaranlagen in der Regel aus mehreren parallel verschalteten Kollektorfeldern aufgebaut werden, muss auch der Aspekt der Betriebssicherheit beachtet werden. Parallel verschaltete Kollektorfelder sind sensibel gegenüber geringen Volumenströmen. In der Praxis hat es sich bewährt, „auf die sichere Seite“ zu gehen. Dafür wird mit konstanten Volumenströmen von etwa 25 l/(h x m²) gearbeitet. Denn je höher der Volumenstrom ist, desto sicherer werden alle Teilfelder angeströmt. Richtwerte für die entsprechenden Volumenströme können den technischen Unterlagen der Hersteller entnommen werden.

Die spezifischen Volumenströme von Flach- bzw. Röhrenkollektoren variieren ja nach Konstruktion und Hersteller. Jeder der im Feld installierten Kollektoren muss aber den gleichen spezifischen Volumenstrom aufweisen.

Eine gleichmäßige Durchströmung des Kollektorfeldes wird auch durch die Verrohrung nach Tichelmann erreicht. Dabei ist die Summe der Längen der Vor- und Rücklaufleitungen an jeder Stelle im Rohrsystem annähernd gleich groß. Dadurch muss im Prinzip jedes „Wasserteilchen“ die gleiche Wegstrecke zurücklegen, gleichgültig welchen Weg es im Rohrsystem nimmt.

Wärmeübertragung zwischen Kollektorfeld/Pufferspeicher

Die Berechnungsabfolge in einem handelsüblichen Auslegungsprogramm für Plattenwärmetauscher ergibt sich aus den bisherigen Planungsschritten. Der spezifische Volumenstrom ist durch das Kollektorfeld vorgegeben und damit auch der Volumenstrom im Beladekreis bzw. im Primärkreis des Wärmetauschers. Die durchschnittliche Kollektorleis­tung wird für die Auslegung mit einem Durchschnittswert von 600 W/m² Absorberfläche angenommen (entspricht nicht der Maximalleistung nach EN 12 975). Als Austrittstemperatur aus dem Wärmetauscher können 20 °C, als Eintrittstemperatur in den Wärmetauscher 15 °C eingegeben werden (Bild 7).

Der Volumenstrom im Sekundärkreis des Plattenwärmetauschers ist um den Faktor 1,15 kleiner eingestellt als der des Primärkreises. Dies ist bedingt durch die unterschied­liche spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgermediums im Primärkreis und von Wasser im Sekundärkreis.

Pufferspeichervolumen ermitteln

Heizwasser-Pufferspeicher überbrücken den zeitlichen Unterschied zwischen dem Angebot an Sonnenenergie und dem Bedarf der Verbraucher. Der Heizwasser-Pufferspeicher soll so ausgelegt werden, dass die Temperatur des Speichermediums maximal 70 °C beträgt, da bei höheren Temperaturen der Kollektorwirkungsgrad sinken würde. Eine typische Erzeugungskurve (Jahresmittelwerte) zeigt die Grafik in Bild 8. Die gezackte Kurve B stellt ein durchschnittliches Tageszapfprofil dar. Das durchschnittliche Tagesprofil der solaren Wärmeerzeugung an einem verschattungsfreien Tag beschreibt näherungsweise die hyperbelartige Kurve. Die Wärmemengen, die mittags aktuell nicht benötigt werden (graue Fläche), kennzeichnen den Speicherbedarf. Bei 50 K Temperaturdifferenz zwischen beladenem und entladenem Heizwasser-Pufferspeicher ergibt sich bei durchschnittlichen Zapfprofilen im Wohnbereich ein festes Verhältnis zwischen Kollektorfläche und Speichervolumen.

Beispiel:

Bei den Flachkollektoren Vitosol 200-F und 300-F beträgt das Verhältnis zwischen Kollektorfläche und Speichervolumen: Aperturfläche [m²] x 50 [l/m²]

bei den Vakuum-Röhrenkollektoren Vitosol 200-T und 300-T:

Aperturfläche [m²] x 60 [l/m²]

Für Solarkollektoren von Viessmann ergeben sich somit die in Bild 9 aufgelisteten Pufferspeicher-Volumina pro Kollektor.

Für das obige Beispiel einer Solaranlage, die aus 44 Flachkollektoren Typ Vitosol 200-F besteht, ergibt das: 44 x 2,32 x 50 l = 5100 l. Das heißt, es ist ein Pufferspeichervolumen von rund 5100 Litern erforderlich. In der Praxis würde man einen Behälter mit einem ­Inhalt von 5000 Liter wählen.

Mehrere Pufferspeicher kombinieren

Die Wärmeverluste von Speichern sind neben der Qualität und Dicke der Wärmedämmung auch von ihrer Größe abhängig. Je größer der Speicher, desto günstiger das Verhältnis von Inhalt zu Oberfläche. Wenn es die räum­lichen Verhältnisse zulassen, sollte ein Speicher mit möglichst großem Volumen ausgewählt werden.

Werden, z. B. aus Platzgründen, statt einem großen mehrere kleinere Heizwasser-Pufferspeicher zu einem System kombiniert, sollten diese seriell geschaltet werden. Durch Ventile können die einzelnen Speicher getrennt geladen werden. Da der Durchflusswiderstand in Speichern bei den vergleichsweise geringen Volumenströmen der Be- und Entladekreise sehr klein ist, sollte keine ungeregelte parallele Verschaltung der Speicher geplant werden. Auch bei Anschluss nach Tichelmann ist der Be- und Entladevorgang so kaum beherrschbar. Dies haben Messungen an entsprechend ausgeführten Anlagen belegt.

Dimensionierung des Entladekreises

Zur optimalen Nutzung des Heizwasser-Pufferspeichervolumens sollte eine möglichst geringe Temperaturdifferenz am Plattenwärmetauscher von 5 bis 6 K eingeplant werden (Bild 10). Dadurch wird mit einem gut ausgelegten Beladekreis eine niedrige Kollektorrücklauf-Temperatur erzielt und dadurch der Kollektorwirkungsgrad verbessert.

Das Trinkwasser wird auf dem Weg zum Speicher-Wassererwärmer (konventionell auf Versorgungssicherheit ausgelegt) durch den Vorwärmspeicher geführt, an den der Sekundärkreis des Plattenwärmetauschers (Entladekreis) angeschlossen ist. Der Vorwärmspeicher hat die Aufgabe, Verbrauchsspitzen zu puffern, um die Volumen- und Wärmeströme im Entladekreis sicher planen zu können. Für diese Funktion sollte der Vorwärmspeicher möglichst groß sein. Da er aber einmal täglich auf 60 °C gebracht werden muss (thermische Desinfektion), sollte er zur Vermeidung von Verlusten fossiler Energie nicht größer sein, wie für die Realisierung dieser Funktion erforderlich.

Von der Größe des Vorwärmspeichers sind außerdem die Wärmetauscherleistung und die Volumenströme des Entladekreises abhängig. Je kleiner der Vorwärmspeicher ist, desto geringer ist das Zeitfenster, in dem das Kaltwasser für den Entladevorgang im Vorwärmspeicher verfügbar ist, desto größer ­also Wärmetauscher- und Pumpenleistung.

Aufstellung der Speicher

Bei der Aufstellung der Speicher ist darauf zu achten, dass der Vorwärmspeicher, auf den die Energie vom Heizwasser-Pufferspeicher übertragen wird, möglichst dicht, am besten direkt neben dem Heizwasser-Pufferspeicher zu stehen kommt. Denn der Heizwasser-Pufferspeicher-Entladekreis ist einer der sen­si­bels­ten Punkte in der Gesamtanlage. Seine Ausführung ist deutlich einfacher, wenn bei der Installation möglichst kurze Rohrstrecken eingehalten werden können.

Abgestimmte Solar-Komponenten

Große Solaranlagen liefern hohe spezifische Kollektor-Erträge und sind deshalb z.B. für Wohnungsbaugesellschaften und die Betreiber von Hotels oder Krankenhäusern interessant, weil sich mit ihrer Hilfe der Verbrauch von Heizöl und Erdgas deutlich reduzieren lässt. Die Planung solcher Anlagen kann nicht mit der von Solaranlagen verglichen werden, die in Ein- und Zweifamilienhäusern die Trinkwassererwärmung unterstützen. Die speziellen Randbedingungen für große Solaranlagen stellen auch entsprechend andere Anforderungen an Handwerker und Planer.

Der Aufwand für die Planung großer Solaranlagen kann in einem moderaten Rahmen gehalten werden, wenn Solarsysteme zum Einsatz kommen, deren Systemkomponenten entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Deshalb werden komplett konfektionierte Sets für Belade- bzw. Entladekreise angeboten, die u.a. auch die passend dimensionierten Plattenwärmetauscher enthalten. Um alle Leistungsbereiche und Installationsbedingungen abdecken zu können, sind solche Sets in verschiedenen Größen erhältlich. Aus diesem Angebot können zeitsparend die jeweils passenden Komponenten zusammengestellt werden.

Unser Autor Carsten Kuhlmann war ab 1982 als Geschäftsführer in einem Handwerksbetrieb und ab 1992 zusätzlich in einem Planungsbüro tätig. Seit 2003 ist Kuhlmann bei Viessmann für die Projektierung großer Solaranlagen zuständig.

Investitionszuschüsse

über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa):

Erstinstallation von Anlagen zur Warmwasserbereitung bis 40 m² installierte Bruttokollektorfläche (iBkf): 60 Euro je angefangenem m² iBkf mindestens jedoch 410 Euro.

Erweiterung bis 40 m² iBkf bereits in Betrieb genommener Anlagen zur Warmwasserbereitung: 45 Euro je angefangenem zusätzlichem m²

Erstinstallation von Anlagen über 40 m² zur Warmwasserbereitung und Heizungs­unterstützung in Ein- und Zweifamilienhäusern:

– für die ersten 40 m² iBkf: 105 Euro je angefangenem m²

– für jeden weiteren m² Bkf: 45 Euro pro m²

Zusätzlich muss ein Pufferspeicher von 100 l je m² Bruttokollektorfläche vorhanden sein.

Solaranlagen zwischen 20 und 40 m² iBkf können unter bestimmten Voraussetzungen eine Innovationsförderung in Höhe von 210 Euro je angefangenem m² erhalten (Voraussetzungen siehe http://www.bafa.de).

Wichtig: Der Antrag für die Innovationsförderung ist unbedingt vor Abschluss eines Lieferungs- und Leistungsvertrages zu stellen.

Darlehen und Tilgungszuschüsse

über das KfW-Programm Erneuerbare Energien – Große thermische Solaranlagen:

Förderfähig sind Anlagen ab 40 m² iBkf zur Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung bei Wohngebäuden mit mind. 3 Wohneinheiten bzw. bei Nichtwohngebäuden mit mind. 500 m² Nutzfläche sowie Anlagen zur solaren Kälteerzeugung bzw. Bereitstellung von Prozesswärme. Die Förderung geschieht über ein zinsgünstiges Darlehen der KfW mit einem maximal 30 %-igen Tilgungszuschuss.

Wichtig: Dieses Programm ist noch nicht geöffnet, da eine Genehmigung der EU noch aussteht. Deshalb gelten übergangsweise Änderungen zur fristgerechten Antragstellung. Zurzeit kann mit dem Vorhaben begonnen werden, sobald bei der jeweiligen Hausbank ein „hinreichend konkretisierter formloser“ Antrag gestellt worden ist. Die vollständigen Unterlagen sind dann innerhalb von drei Monaten nach erfolgter EU-Genehmigung des Programms bei der KfW einzureichen.

(Stand Juni 2008)