Zur Einbindung thermischer Solaranlage in die Wärmeerzeugung bestehen diverse Lösungen auf dem Markt. Anhand von Simulationen für das kleine Einfamilienhaus mit 200 m2 EBF wurden die energeti-schen Auswirkungen verschiedener hydraulischer Schaltungsvarianten untersucht. Die Solaranlage bestehend aus Flachkollektoren wurde für diese Untersuchung stets optimal ausgerichtet (Südorien-tierung, 45 ° Neigung).
Der Zusatzwärmeerzeuger soll nebst dem Trinkwarmwasser auch die Gebäudeheizung mit Wärme ver-sorgen können. Da die Effizienz und damit der Stromverbrauch von Wärmepumpen wesentlich von der Vorlauftemperatur im Heizkreis abhängig ist, kommen im Neubau nur Niedertemperatur-Fussboden-heizungen als Wärmeabgabesystem in Frage. Dank der grossen Wärmeübertragungsfläche des gesamten Fussbodens können diese Systeme mit tiefen Temperaturen (Vorlauf kleiner 30 °C) betrie-ben werden. Der Fussboden bietet dabei meist genügend thermische Speichermasse um die Wärme der Wärmepumpe zu puffern, sodass die Heizung bei entsprechender Auslegung nicht über einen separaten Speicher angebunden werden muss. Gemäss [17] ist dies immer dann möglich, wenn der Thermostatventilanteil an der Heizfläche weniger als 40 % beträgt. Es wird daher davon ausgegangen, dass lediglich zur Speicherung des Trinkwarmwassers ein Puffer benötigt wird.
Bei allen Hydraulikvarianten wurde nebst den in Kapitel 3.1 genannten Randbedingungen von einer für alle Anlagen festen Kollektorfeldgrösse ausgegangen (vgl. Abbildung 9):
Brutto-/Aperturfläche: 3.2 / 2.9 m2
Diese Fläche erfüllt in den Simulationen der Variante 1 mit dem verwendeten Flachkollektor die kantonalen Anforderungen exakt, d.h. die Hälfte der an den Speicher gelieferten Wärme stammt vom Kollektorfeld.
Abbildung 9
Bezeichnungen der massgebenden Flächen an einem Solarkollektor: Die Bruttofläche wird mit Aussenmassen bestimmt, unter Apertur-fläche wird diejenige Fläche verstanden, durch welche Sonnenstrahlung in den Kollektor dringen kann. Auf der AbsorberApertur-fläche wird die einfallende Strahlung in Wärme umgesetzt.
Die negativen energetischen Auswirkungen einer direktelektrischen Nachheizung mittels Heizstab wurden bereits in [1] aufgezeigt, bei den hier simulierten Anlagen kommt daher keine solche Zusatz-heizung zum Einsatz.
In den folgenden Abschnitten 4.2.1 bis 4.2.5 werden die untersuchten Anlagetypen kurz beschrieben, in Kapitel 4.3 schliesslich sind die Simulationsergebnisse auf welchen die Bewertung basiert zusammen-gestellt.
4.2.1 Variante 1: High-Flow
In einer sogenannte High-Flow Solaranlage (Abbildung 10) beträgt der Durchfluss des Wärmeträger-mediums im Kollektorkreis etwa 30 l/h/m2 (bezogen auf die Kollektorfläche). Bei jedem Durchlauf durch den Kollektor erwärmt sich das Medium im Solarkreis und übergibt diese Wärme über einen Wärme-übertrager im untersten Speicherbereich an das Trinkwarmwasser. Das Trinkwarmwasser im Speicher wird dadurch langsam aufgewärmt. Die Anlage besteht aus wenigen Komponenten und ist so vielfach
bewährt im Einsatz. Ihre Eigenschaften sind hinreichend bekannt, Komponenten und komplette Sys-teme sind gut verfügbar. Es ist wohl die am häufigsten angebotene thermische Solaranlage am Markt, ihre Effizienz erweist sich auch in den Simulationen als gut.
Abbildung 10
Hydraulikschema High-Flow Anlage. Die Wärmeübertragerflächen betragen 1.9 m2 (unten) resp. 4.2 m2 (oben). Speichervolumen:
500 Liter. Speicherdämmung 50 mm (VH-500 WPS/E Speicher [15]).
4.2.2 Variante 2: Low-Flow
Energetisch gleichwertige Resultate wie mit einer High-Flow Anlage (Variante 1) werden unter den gegebenen Randbedingungen auch mit einer Low-Flow Anlage erreicht (Abbildung 11).
Abbildung 11
Hydraulikschema Low-Flow Anlage. Die Solar-Wärmeübertragerflächen betragen 1.7 m2 (unten) resp. 1.0 m2 (oben). Die Wärmepumpe ist über einen 3.6 m2 grossen Wärmeübertrager eingebunden, das Speichervolumen beträgt 500 Liter. Speicherdämmung: 90 mm (Soltop Quicksol 500 Speicher mit Zusatzwärmeübertrager für Wärmepumpen-Einbindung [18]).
Der Durchfluss des Wärmeträgermediums im Kollektorkreis ist bei solchen Anlagen etwa halb so hoch wie bei der High-Flow Variante (also ca. 15 l/m2/h, bezogen auf die Aperturfläche), um am Kollektor-austritt möglichst schnell ein nutzbar hohes Temperaturniveau zu erhalten: Durch den langsameren
Durchfluss verweilt die Wärmeträgerflüssigkeit länger im Kollektor und kann sich dadurch stärker aufheizen (Abb. 12).
High-Flow Solaranlage Low-Flow Solaranlage
Abbildung 12
Temperaturverhältnisse an einem Kollektorfeld (2 Kollektoren) einer High-Flow (links) und Low-Flow Anlage an einem sonnigen Märztag (Simulationsergebnisse). Die Austrittstemperatur bei der Low-Flow Anlage erreicht mit 60 °C bereits Nutzniveau.
Ist die Temperatur am Kollektoraustritt höher als im oberen Bereich des Speichers (Bereitschaftsbe-reich), so wird diese Wärme über einen zusätzlichen Wärmeübertrager zuerst dort hin übertragen (siehe Abbildung 11). Dadurch wird dort rasch Nutztemperaturniveau erreicht. Zwar sinkt durch die höhere Kollektorfeldtemperatur auch dessen Effizienz aufgrund höherer Wärmeverluste an die Um-gebung, im Idealfall muss aber der zusätzliche Wärmeerzeuger nicht nachheizen. Insbesondere in den Übergangszeiten Frühling und Herbst kann dadurch Betriebsenergie des Zusatzwärmeerzeugers eingespart werden kann. In den Sommermonaten ist das Strahlungsangebot ohnehin hoch genug um bei beiden Varianten eine vollständig solare Wärmeversorgung zu erreichen.
In Paketlösungen mit aufeinander abgestimmten Komponenten sind Low-Flow-Anlagen energetisch etwas besser als die High-Flow Variante (Variante 1), dies zeigen auch die Simulationen. Bei den relativ kleinen Kollektorflächen wie sie die EN-3 minimal fordert schwindet der Vorteil von Low-Flow Anlagen aber. Das System ist unter diesen Randbedingungen einer High-Flow Anlage energetisch ungefähr ebenbürtig. Um dies zu illustrieren wurde das Verhalten beider Systeme näher untersucht.
Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleiches. Beide Anlagentypen wurden mit den unter Kapitel 13.1 genannten Randbedingungen simuliert. Bei Anlagen mit einem einzigen Kollektor (2 m2 Brutto-fläche) benötigt die High-Flow Variante mit 832 kWh Stromverbrauch für die Wärmepumpe und die Umwälzpumpe im Solarkreis geringfügig weniger Zusatzenergie als die Low-Flow Variante mit
834 kWh. Die Situation ändert sich bei grösserem Kollektorfeld aus mehreren Kollektoren, dann werden die Low-Flow Systeme spürbar besser. Bei drei Kollektoren mit gesamthaft 6 m2 Bruttofläche benötigt die Low-Flow Anlage rund 8 % weniger an Zusatzenergie. Zwar liegt der Kollektorfeldertrag bei der Low-Flow Variante aufgrund der höheren mittleren Kollektortemperatur etwas tiefer als beim Low-Flow System, allerdings verzeichnet die Wärmepumpe auch weniger Einschaltungen, da die Solaranlage erwartungsgemäss auch ohne Zusatzheizung oft Nutztemperaturniveau erreicht.
Anlagenvariante Brutto-/
Resultate der Vergleichs-Simulation zwischen High-Flow und Low-Flow-System mit unterschiedlicher Aperturfläche. Warmwasser-bedarf EFH 200 m2 EBF. Kollektororientierung Süd, 45° Neigung. Die Anlage mit 2.9 m2 Aperturfläche würde genau 50 % der gesamten an den Speicher gelieferten Wärme bereitstellen.
Diese Resultate zeigen, dass es nicht empfehlenswert ist, Komplettsysteme welche auf dem Markt angeboten werden künstlich zu beschneiden, einzig weil von gesetzlicher Seite her weniger Kollektor-fläche vorgeschrieben wird. Der Ertragsvorteile einer Low-Flow Solaranlage würde dadurch hinfällig.
Eine Low-Flow Solaranlage kann also einen Mehrertrag erbringen. Nachteilig bei dieser Hydraulik sind jedoch die zusätzlich benötigten Komponenten und die damit verbundenen leicht höheren Kosten (nach Angaben eines Systemanbieters circa 5 % gegenüber High-Flow) und die Komplexität (alle drei
Wärmeübertrager, bei Wärmepumpensystemen allenfalls inklusive viertem Zusatzwärmeübertrager zur Vergrösserung der Übertragungsoberfläche müssen korrekt verschaltet werden) gegenüber einem
„konventionellen“ High-Flow System. Passende Speicher, welche (mit zusätzlichem Wärmeübertrager) auch für Wärmepumpeneinbindung geeignet sind, werden beispielsweise von der Fa. Soltop aus der Quicksol-Produktelinie angeboten [18] (Abb. 13).
Abbildung 13
Speicher mit drei fest eingebauten Wärmeübertragern für eine Low-Flow Solaranlage (links). Mit einem Zusatzregister im Flansch zur Vergrösserung der Wärmeübertragungs-Oberfläche für die Zusatzheizung (rechts) ist auch eine Kombination mit Wärmepumpen möglich. Das Zusatzregister muss in Serie zum eingebauten Wärmeübertrager für die Nachheizung verschaltet werden (Bildquellen:
Soltop Schuppisser AG [18] / Elcotherm AG [19]).
4.2.3 Variante 3: Kombispeicher Tank-in-Tank
Kombispeicher, zu denen das hier betrachtete Tank-in-Tank System aus Abbildung 14 gehört, werden üblicherweise dann eingesetzt, wenn die Solaranlage nebst der Warmwasserbereitstellung auch zur
reinen Trinkwasserspeichern Warmwasser auf hoher Temperatur vorrätig gehalten, während im kühleren unteren Bereich die solare Wärme eingebunden wird. Zusätzlich besitzt ein Kombispeicher eine mittlere Zone zur Bevorratung von Heizwasser auf niedrigem Temperaturniveau. Entsprechend weisen solche Speichertypen ein hohes Volumen ab ungefähr 750 Liter auf.
Abbildung 14
Solar-Kombispeicher mit Top-Sol-Integralboiler: Schematischer Darstellung der drei Speicherbereiche eines Kombispeichers. Das zufliessende Kaltwasser wird über einen Wärmeübertrager im unteren Speicherbereich vorgewärmt (Bildquelle: Feuron AG [20]).
Grundsätzlich lässt sich dieses System aber auch zur reinen Warmwasserbereitstellung in der Kom-bination Wärmepumpe mit Solarthermie einsetzen, als Vorteil steht der Wärmepumpe eine relativ grosse Warmwassermenge zur Wärmeabgabe zur Verfügung. Simuliert wurde ein System mit ins-gesamt 750 Liter Speichervolumen (Abbildung 15).
Abbildung 15
Anlage mit Kombispeicher. Die Oberfläche des inneren Tanks beträgt 2 m2, der Tankinhalt 220 Liter. Gesamtvolumen: 750 Liter.
Speicherdämmung 130 mm (Feuron Top-Sol Kombispeicher 750/220/1,2).
Der Innentank ist über einen Wärmeübertrager im unteren Teil des Speichers mit dem Kaltwasseran-schluss verbunden. Über diesen Wärmeübertrager wird das zufliessende Kaltwasser vorgewärmt,
wodurch das untere Speichervolumen, in welchem die Solarwärme eingekoppelt wird, abkühlt. Dadurch können die Kollektoren stets auf niedrigem Temperaturniveau mit hoher Effizienz betrieben werden. Die Simulations-Ergebnisse zeigen, dass die Gesamteffizienz mit 20 % Mehraufwand für den Zusatz-wärmeerzeuger dennoch um einiges schlechter ausfällt als in „konventionellen“ High-Flow Solar-anlagen zur Trinkwassererwärmung (Variante 1). Dies insbesondere wegen der, trotz Vorwärmung im unteren Speicherbereich, trägen Wärmeübertragung auf den Innentank mit 220 Liter Inhalt und relativ kleiner Oberfläche für die Wärmeübertragung. Um die gewünschte Zapftemperatur von 50 ºC zu erreichen, muss der Speicherinhalt auf über 60 ºC aufgewärmt werden. Dazu wird eine passende Hochtemperatur-Wärmepumpe benötigt. Dies ist aus energetischer Sicht ungünstig, das System wird zur reinen Warmwassererwärmung so auch nicht von Herstellerseite empfohlen.
4.2.4 Variante 4: Frischwasser-Kombispeicher
Auch die Speicher dieser Variante werden als Energiespeicher für kombinierte Systeme mit Trink-wassererwärmung und solarer Heizungsunterstützung angeboten. Erhältlich sind daher ebenfalls meist grossvolumige Speicher ab etwa 600 Liter Inhalt, beispielsweise TTE 600 FA 1 der Fa. Schüco [21].
Der grösste Teil des Speichervolumens dient als reiner Energiespeicher, das Trinkwasser wird im Durchflussprinzip über einen grossflächigen Wärmeübertrager der über die ganze Speicherhöhe reicht erwärmt. Dadurch wird nur relativ wenig Trinkwarmwasser vorrätig gehalten (rund 30 Liter), was die Legionellengefahr im Speicher reduziert. Zwar ist auch hier die Wärmeübertragung von der Wärme-pumpe an den Speicher ohne zusätzlichen Wärmeübertrager vorteilhaft, um aber das Trinkwasser im Durchflussprinzip zu erhitzen werden sehr hohe Übertragungsleistungen im Bereich von 30 kW am Trinkwasser-Wärmeübertrager benötigt. Dies erfordert im Speicher eine Vorrathaltung von einer grösseren Menge an Warmwasser auf hoher Temperatur. Die Simulationen zeigen, dass sich dies energetisch ungünstig auswirkt. Der elektrische Mehraufwand gegenüber einer High-Flow-Solaranlage beträgt rund 10 %.
Abbildung 16
Anlage mit Kombi-Frischwasserspeicher. Die Wärmeübertragerflächen betragen 2.0 m2 resp. 6 m2 (Durchlaufwärmeübertrager). Das Gesamtvolumen beträgt 572 Liter. Speicherdämmung 120 mm (Schüco TTE 600 FA 1 Speicher).
4.2.5 Variante 5: Frischwasserstation
Bezüglich Energieeffizienz am Besten schneidet das System mit Frischwasserstation ab (Abbildungen 17 und 18). Bei dieser Hydraulik-Variante wird im Speicher warmes Wasser bereitgehalten, welches seine Wärme im Moment der Zapfung über einen externen Plattenwärmeübertrager (sog. Frischwas-serstation) im Gegenstrom an das zufliessende Kaltwasser überträgt.
Abbildung 17
Links: Schematische Darstellung einer Frischwasserstation inkl. Pumpe und Plattenwärmeübertrager (Bildquelle: PAW GmbH & Co.
KG, Deutschland [22]). Rechts: Schema Pufferspeicher PSR500 zum Anschluss an eine Frischwasserstation (Bildquelle: Sonnekraft, Deutschland [23]).
Vorteil: Es wird kein warmes Trinkwasser vorrätig gehalten, was die Legionellenproblematik entschärft.
Gemäss Norm SIA 385/1 [24] sind für Durchflusserwärmer keine Mindesttemperaturen bei der Warm-wassererzeugung einzuhalten. Dadurch werden auch tiefere Warmwasser-Zapftemperaturen möglich, was der Systemeffizienz zu Gute kommt. Wie in [1] gezeigt wurde, steigt der Stromverbrauch und damit die Umweltbelastung der Warmwassererzeugung erheblich, wenn zur Legionellenbekämpfung hohe Temperaturen im Speicher mit direktelektrischem Heizstab erzeugt werden müssen. Ineffizient hohe Wärmepumpen-Temperaturen oder gar ein zusätzlich direktelektrischer Heizstab zur Erreichung hoher Temperaturen (60 ºC) sind bei Frischwasserstationen aber gar nicht notwendig. Die kritische Übergabe der Wärme von der Wärmepumpe an den Speicher wird durch den hier entfallenden Wärmeübertrager ebenfalls verbessert.
Entsprechende Systeme werden unter anderem von den Firmen Sonnenkraft und Viessmann ange-boten, sind in der Schweiz jedoch eher unüblich. Die Mehrkosten für die Frischwasserstation betragen etwa CHF 3000.- (Katalogpreis), dafür kann ein günstigerer Speichertyp ohne zweiten innenliegenden Wärmeübertrager gewählt werden.
Abbildung 18
Anlage mit Frischwasserstation. Die Wärmeübertragerfläche im Speicher beträgt 1.7 m2, das Speichervolumen beträgt 500 Liter. Die Komponenten in der grauen Fläche sind im Frischwassermodul integriert. Speicherdämmung 90 mm (Sonnenkraft PSR 500 Speicher).