1,5 bis 2 m2 Kollektorfläche pro Person
80 bis 120 Liter Warmwasserspeicher-volumen pro Person
Damit können im Jahr etwa 50 % bis 60 % des Warmwasserbedarfs gedeckt werden.
Während der meisten Zeit von Mai bis Sep-tember kann der Heizkessel komplett aus-geschaltet bleiben. Bei dieser Dimensionie-rung liegt der jährliche Kollektorertrag bei etwa 350 bis 550 kWh/m2 (bezogen auf die Absorberfläche).
Auch bei der Berücksichtigung der Dachori-entierung für die Festlegung der Kollektor-feldgrösse sollte man sich auf die Erfahrung der Systemanbieter verlassen, die dafür EDV-Programme (wie z. B. Polysun oder T-Sol) einsetzen. Oft wird von Laien intuitiv die Auswirkung der Dachorientierung stark überschätzt. Aus Abbildung 31 kann man entnehmen, dass eine Warmwasseranlage, deren Kollektorfläche um 30 ° geneigt und nach Südwesten ausgerichtet ist, nur etwa 7 % weniger Ertrag hat als ein optimal aus-gerichtetes Kollektorfeld, nämlich 42 ° Nei-gung und Orientierung nach Süden mit 5 ° Abweichung nach Westen bei den für die Simulationsrechnungen verwendeten Wet-terdaten. Selbst wenn die Neigung 30 °
beträgt und das Kollektorfeld genau nach Westen orientiert ist, wird nur etwa 20 % mehr Kollektorfläche benötigt um die Ertragsreduktion infolge der Orientierung auszugleichen. (Der Grund für den gerin-gen Einfluss der Kollektorfeldorientierung ist der hohe Diffusstrahlungsanteil in unse - rem Klima.)
Heizungsunterstützende Solaranlagen
Wenn die Solarwärme nicht nur für das Trinkwarmwasser, sondern in den Über-gangsjahreszeiten auch für einen Teil der Raumwärme genutzt werden soll, muss im Wesentlichen ein anderer Speicher einge-setzt werden. Die in der Schweiz am häu-figsten eingesetzte Variante ist ein «Kom-bispeicher» mit einem Tank-im-Tank-Kon-zept (Abbildung 32). Im äusseren Behälter befindet sich kein Trinkwasser, sondern das Heizungswasser, das auch durch die Heizkörper fliesst. Im unteren Teil dieses Speicherbereichs ist der Wärmetauscher des Solarkreises installiert. Alle Kompo-nenten des Solarkreises sind genau die gleichen, wie bei Warmwasseranlagen.
Das Trinkwasser befindet sich im inneren Speicher (Kaltwasserzulauf unten im sch-malen Bereich, Warmwasserentnahme oben im erweiterten Bereich). Die Nach-heizung des Warmwassers erfolgt durch den konventionellen Wärmeerzeuger, der
55 Orientierung und der Neigung des Kollektorfeldes.
den oberen Teil des Heizwasserbereichs er-wärmt. (Die Mantelfläche des oberen Be-reichs des Trinkwasserspeichers ersetzt quasi den Nachheizwärmetauscher der so-laren Warmwasseranlage von Abbildung 28.) An den Heizwasserteil des Kombispei-chers ist der Heizungskreis mit seiner Rücklaufbeimischung angeschlossen. Um Solarwärme für den Heizkreis nutzen zu können, ist es wichtig, dass möglichst gros se Heizflächen in der Wohnung instal-liert sind, z. B. Fussboden- und Wandheiz-flächen. Dadurch kann die Heizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen (z. B.
35 °C) betrieben werden. Bei den kleinen Heizflächen von konventionellen Heizkör-pern sind Vorlauftemperaturen von 60 °C notwendig, um die Wärme vom Heizkör-per in den Wohnraum zu übertragen.
Während der Heizperiode wird aber der Speicherteil des Kombispeichers, an dem der Heizungsvorlauf angeschlossen ist, nur sehr selten auf 60 °C erwärmt, so dass der Beitrag der Solarwärme zur Raumwärme bei Heizungsvorlauftemperaturen von 60 ° deutlich geringer ist als bei 35 °.
Ausser Kombispeicher nach dem Tank- im-Tank- Prinzip gibt es mehrere andere Systemmöglichkeiten (z. B. Trinkwassertank als grosser Rohrwendelwärme tauscher, Trinkwasserentnahme über Frischwasser-modul, Heizungsrücklaufanhebung), die im Ordner « Solarthermische Anlagen» von DGS und Swissolar beschrieben werden.
Insbesondere Kombinationen von
Solarkol-lektoren mit Holz- oder Pelletheizungen er-geben günstige Synergien für beide Techni-ken, weil ein grosser Pufferspeicher für ge-ringes Takten des Brenners sorgt.
Bei heizungsunterstützenden Solaranlagen ist es noch wichtiger als bei solaren Warm-wasseranlagen, optimierte Gesamtanlagen von Systemanbietern einzusetzen. Die Ins-tallationshöhe und geometrische Ausfüh-rung der Speicheranschlüsse, die Fühlerpo-sitionen zusammen mit den Reglereinstel-lungen haben einen sehr grossen Einfluss auf einen guten solaren Systemertrag.
Sehr deutlich wird das auch bei der Kombi-nation von Solarkollektoren mit Wärme-pumpen: ein Pufferspeicher, der gut geeig-net ist für Nachheizung durch Öl- oder Gas-brenner, kann ungeeignet sein für die Kom-bination mit einer Wärmepumpe. Für die Wärmepumpe werden für die Übertragung einer bestimmten Wärmeleistung höhere Volumenströme benötigt, weil sie einen kleineren Temperaturhub als Öl- oder Gas-brenner erzeugt. Dies führt zu höheren Fliessgeschwindigkeiten, wodurch wie-derum Vermischungen im Speicher verur-sacht werden. Durch die Zerstörung der Schichtung sind die Fühler an ungeeigne-ten Orungeeigne-ten angebracht bzw. sind die Ab-stände der Ein- und Auslaufanschlüsse des Speichers in Bezug auf die Lage der Wär-metauscher nicht mehr richtig gewählt, so dass die Regelungen nicht so funktionieren können, wie sie konzipiert waren für den Fall von Öl- oder Gasbrennern. Dadurch
ar-Sonnenkollektor
Warmwasser
Kaltwasser Solarkreispumpe
Regelung
Trink- wasser-speicher
Dreiwegventil
Wärmeerzeuger
Heizungsvorlauf
Heizungsrücklauf
Rücklauf-beimischung
Verbrühungs-schutz
Abbildung 32 : Heizungsunter-stützende Solar-anlage mit einem Kombispeicher nach dem
Tank-im-Tank-Konzept.
beiten die Wärmepumpen dann unnötiger-weise oft im Warmwassermodus und durch die fehlende Speicherwasserschichtung wird der Solarteil des Speichers über die Wärmepumpe aufgeheizt, wodurch ein So-lareintrag unterbunden wird bzw. die Kol-lektoren bei unnötig hohen Betriebstempe-raturen und dadurch geringem Wirkungs-grad arbeiten müssen. Die Systemanbieter müssen deshalb für die Kombination von Solarkollektoren und Wärmepumpe sehr sorgfältig die Kombispeicherkonstruktion und Regelung an diese Technik anpassen.
Die Dimensionierung der Anlagen in Einfa-milienhäusern ist stark von der konventio-nellen Heiztechnik und den benötigten Heizungsvorlauftemperaturen abhängig und wird vom Systemanbieter erarbeitet.
Häufig werden Kollektorflächen von 12 m2 bis 20 m2 installiert mit 800 l bis 1500 l Gesamtspeichervolumen. Damit wird ein solarer Anteil am Gesamtwärmebedarf (Heizung plus Warmwasser) von 10% bis 50% erreicht, natürlich sehr stark abhän-gig vom Dämmstandard des Hauses und der benötigten Heizungsvorlauftempera-tur (Abbildung 33). In solchen Systemen liegt der jährliche Kollektorkreisertrag zwi-schen 250 kWh und 350 kWh pro Quad-ratmeter Kollektorfläche.
Stagnationsverhalten
Bei Solaranlagen zur Heizungsunterstüt-zung treten im Sommer zwangsläufig so-genannte Stillstandssituationen auf, in de-nen das Kollektorfeld mehr Energie produ-ziert, als im Speicher aufgenommen wer-den kann. Wenn die maximal zulässige Speichertemperatur erreicht ist (z. B. 95 °C), muss die Solarkreispumpe durch die Rege-lung ausgeschaltet werden. Das Solarfluid in den Kollektoren wird dadurch sehr schnell auf Temperaturen über der Ver-dampfungstemperatur erhitzt. Das Fluid an den heissesten Stellen in den Kollektoren beginnt zu verdampfen, was mit einer grossen Volumenzunahme verbunden ist.
Der Dampf verdrängt dabei das Fluid aus dem Kollektorfeld und drückt es in das Membranausgleichsgefäss (MAG). Damit das möglich ist, muss das Kollektorfeld konsequent entleeren und der Solarkreis hydraulisch so aufgebaut sein, dass das Fluid ungehindert den Weg bis zum MAG nehmen kann. Das betrifft auch die Lage des Rückschlagventils und der Solarkreis-pumpe zum MAG sowie die Rohrführung im Kollektorfeld und vom Dach zum Spei-cher im Keller. Das MAG muss so gross aus-gelegt werden, dass das verdrängte Fluid aus dem Kollektorfeld vollständig im MAG
10 20 30 40 50 60 70
0
250 100 70 20
Energieeinsparung in %
Spezifischer Jahresheizwärmebedarf in kWh/(m² · a)
12 m²/800 l 20 m²/1000 l 30 m²/1500 l
Abbildung 33 : Die Energieein-sparung durch eine heizungsunter-stützende Solaran-lage ist sehr stark abhängig vom Heizwärme bedarf des Hauses und der Vorlauftemperatur des Heizsystems (Kollektorfläche/
Speichervolumen).
zur Verfügung steht und diese in den Puf-ferspeicher übertragen werden soll. Dabei werden immer Schichtladeeinrichtugen eingesetzt. Entweder sind es Schichtla-delanzen, wie in Abbildung 34 skizziert, oder die Schichtbeladung wird durch schaltbare Dreiwegventile realisiert, die den Solarwärmeeintrag auf unterschiedli-chen Speicherhöhen ermögliunterschiedli-chen. Die Energieentnahme aus dem Pufferspeicher erfolgt durch die Entladestation (oder
«Frischwasserstation»), die aus einem Plat-tenwärmetauscher und den gemeinsam geschalteten Pumpen P3 und P4 besteht.
Über sie wird das Trinkwasser im Vorwärm-speicher erwärmt. Besonders wichtig bei der Auslegung der Anlage sind ausrei-chend gross dimensionierte Plattenwär-metauscher, um im Solarkreis möglichst niedrige Kollektoreinlauftemperaturen, und deshalb hohe Kollektorwirkungsgrade zu ermöglichen. In beiden Wärmetau-schern soll die mittlere logarithmische Tem-peraturdifferenz nicht höher als 5 K sein.
Die Grösse des Wärmetauschers der Entla-destation ist dabei noch wichtiger als die des Wärmetauschers der Beladestation.
Warmwasser für 60 Personen
Als konkretes Beispiel für eine Warmwas-seranlage in einem Mehrfamilienhaus soll eine Anlage dienen, die im Jahr 2011 in der Nähe von Winterthur durch die Lutz Bodenmüller AG installiert wurde. In dem Haus befinden sich 20 Wohneinheiten, in denen insgesamt etwa 60 Personen leben.
aufgenommen werden kann. Das eben kurz beschriebene System mit Verdamp-fung eines kleinen Teils des Fluids wird auch als Steam-back-System bezeichnet, weil der Dampf das Fluid zurück zum MAG drückt. Daneben gibt es sogenannte Drain-back- Systeme, bei denen sich schon im Normalbetrieb das Kollektorfeld bei ausge-schalteter Solarkreispumpe immer entleert.
Dadurch befindet sich bei Stillstandssituati-onen kein Fluid im Kollektor und die An-lage kommt auch mit Stillstandssituationen im Sommer klar.