Solaranlagen zur Brauchwasserbereitung
Wärmebedarf
Der Warmwasserbedarf eines Haushaltes verläuft - wie in Abbildung 1 dargestellt – über das Jahr betrachtet annähernd konstant. Die Übereinstimmung zwischen Energiebedarf und solarem Energieangebot ist daher größer als z. B. bei der Solarenergienutzung zu Heizzwecken (vgl. Abbildung 2). Hinzu kommt noch, dass infolge der laufenden Verbesserungen bei der Gebäudedämmung die Heizperiode kürzerm wird – und sich entsprechend der Sommerbetrieb, des Heizkessels ausschließlich für die Warmwasserbereitung verlängert. Gerade bei dieser Betriebsweise sind jedoch die Kesselverluste hoch, da für die Warmwasserbereitung nur vergleichsweise geringe Wärmemengen angefordert werden, dazu aber stets der Heizkessel auf Betriebstemperatur gebracht wird.
Selbst bei modernen Niedertemperaturkesseln liegt deren Nutzungsgrad im Sommerbetrieb nur bei 50 % und darunter. Daneben erhöhen diese kurzen Betriebsintervalle und häufigen Kaltstarts noch den Kesselverschleiß. Hier ergibt sich für die solarunterstützte Warmwasserbereitung ein interessanter Ansatzpunkt!
Eine Solaranlage kann – bei richtiger Dimensionierung – während der Sommermonate den hierzu erforderlichen Wärmebedarf nahezu vollständig (70 % ... 100 %) decken und leistet in der Übergangszeit (30 % ... 40 %) und im Winter (10 % ... 20 %) einen Beitrag zur Wasservorwärmung.
Abbildung 1
Wärmebedarf zur Warmwasserbereitung für einen 5-Personenhaushalt und Solarertrag von 5 m² Flachkollektoren im Jahresverlauf
Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung zeichnen sich durch eine einfache Anlagentechnik aus und sind technisch ausgereift.
Mit 7 m² Flachkollektorenmkönnen in einem 5-PersonenHaushalt zwischen 60 und 70 % der für die Trinkwassererwärmung benötigten jährlichen Energie mit Solarwärme gedeckt werden.
Anlagenkonzept
Die meisten in Deutschland installierten Solaranlagen sind als sog. Zweikreisanlagen aufgebaut:
der Kreislauf zwischen Kollektor und Speicher – der ein Wasser-Frostschutz-Gemisch enthält – und die Warmwasserinstallation, die über einen Wärmetauscher hydraulisch getrennt sind.
Abbildung 1a
Solaranlagen zur Brauchwasserbereitung und Heizungsunterstützung
Wärmebedarf
Sukzessiv verschärfte gesetzliche Vorgaben an den baulichen Wärmeschutz führten zu einer deutlichen Senkung des Energieeinsatzes für die Raumheizung. Diese Entwicklung lässt – in Verbindung mit ausgeklügelten Wärmespeicher- und Heizungssystemen – die Nutzung der Sonnenwärme auch für die Raumheizung immer interessanter erscheinen. Diese ist allerdings immer zu Jahreszeiten erforderlich, an denen die Sonne nur wenig scheint.
Eine Auslegung zur nennenswerten Heizungsunterstützung im Winterhalbjahr führt dann, wie in Abbildung 2 dargestellt, zwangsläufig zu häufigen überschussbedingten Stillstandszeiten während der Sommermonate.
Kombianlagen mit 12 bis 15 m 2 Flachkollektoren bzw. 8 bis 11 m² Vakuumröhrenkollektoren können bei einem nach der Wärmeschutzverordnung‘95 gebauten typischen Einfamilienhaus den Gesamtwärmebedarf um ca. 20 % verringern. Bei Gebäuden in Niedrigenergiebauweise lassen sich mit Kombianlagen dieser Größe sogar 25 bis 30 % des Wärmebedarfs abdecken.
Abbildung 2
Wärmebedarf eines typischen Einfamilienhauses und Solarertrag von 12 m² Flachkollektoren im Jahresverlauf
Anlagenkonzept
In Kombianlagen entspricht der Solarkreislauf prinzipiell dem der Anlagen zur Warmwasserbereitung.
Kombianlagen benötigen grundsätzlich eine größere Kollektorfläche, da sie zwei Wärmeverbraucher zu versorgen haben: Trinkwassererwärmung und Raumheizung. Deren jeweils unterschiedliche Temperaturniveaus muss der Speicher bereithalten können. Diese Anforderung resultiert zum einen in den beschriebenen, konstruktiven Lösungen zu Speicheraufbau und -beladung. Andererseits stellen auch die unterschiedlichen Einbindungen der Speicher in die Gebäudewärmeversorgung Lösungen dieser Aufgabenstellung dar.
a)
Einspeicheranlage mit Kombispeicher im Heizkreislauf
In Einspeicheranlagen wird ein zentraler Speicher – der sog. Kombispeicher – sowohl als Wärmespeicher für die Solaranlage zur Erwärmung des Trinkwassers und auch als Pufferspeicher für den Heizkessel benutzt.
Hierbei wird die vom Kessel abgegebene Heizwärme grundsätzlich zunächst dem Speicher zugeführt. Leistungsspitzen beim Heizwärmebedarf können so abgepuffert werden. Darüber hinaus wird häufiges Takten des Kessels z. B. zu Zeiten mit geringem Heizwärmebedarf - und daraus resultierende höhere Emissionen – vermieden.
Für Holzheizkessel ist ein Pufferspeicher ohnehin erforderlich. Diese Einbindung des Speichers in den Heizkreislauf bringt aber mit sich, dass die Leistung der Solaranlage abhängig wird vom Rücklauftemperaturniveau der Heizanlage.
Abbildung 2a
b)
Kombispeicher nur zur Rücklaufanhebung des Heizkreislaufs
Bei solar unterstützten Heizanlagen, die nach dem Prinzip der Rücklaufanhebung arbeiten, dient der Speicher primär nur zur solaren Erwärmung des Bereitschaftsvolumens für die Warmwasserbereitung; bei Bedarf wird dieses zusätzlich über den Heizkessel erwärmt. Die Wärme für die Raumheizung kann vom Kessel nur direkt in den Heizungsvorlauf eingespeist werden.
Sofern die Temperatur im unteren Bereich des Speichers um etwa 5 bis 10 °C höher ist als die Rücklauftemperatur des Heizkreises, wird über den mit einer Temperaturdifferenz-Regelung ausgestatteten Rücklaufwächter der Heizungsrücklauf durch den Speicher geleitet. Dadurch wird das Temperaturniveau des Heizungswassers angehoben, bevor es anschließend im Kessel vollends auf Vorlauftemperatur erwärmt wird.
Abbildung 2b
Quellennachweis (Bilder & Text): lga-bw
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