Kombianlagen – der nächste Schritt

Warmwasser und Heizung durch Solaranlagen

Lediglich ca. 20?% des Wärmebedarfs ent­fallen bei einem durchschnittlichen Wohngebäude auf die Warmwasserbereitung inkl.Zirkulation. 80?% werden für die Raumheizung benötigt. Solaranlagen, die neben der Warmwassererwärmung auch die Heizung unterstützen, erschließen somit ein großes Einsparpotential. Allerdings steigen damit auch die Wärmekosten.

Weil sich die Sonne im Winter rar macht und damit der Wärmebedarf hoch ist, benötigen Solaranlagen zur Heizungsunterstützung groß dimensionierte Kollektorflächen. Dadurch kommt es im Sommer zu einem Überangebot an Solarenergie, die ohne große saisonale Wärmespeicher ungenutzt verpufft. Man spricht von Stagnation. Es gibt verschiedene Strategien, um Wärme zu reduzieren und die Belastung des Systems zu verringern. Bedingt durch die höheren Rücklauftemperaturen im Heizungssystem arbeitet das Solarsystem bei der solaren Heizungsunterstüt­zung mit geringerer Effizienz als bei der Erwärmung von kaltem Trinkwasser. Im Winter arbeiten die Kollektoren aufgrund nie­drigerer Außentemperaturen mit geringerem Wirkungsgrad. Der Jahresnutzungsgrad von Kombianlagen ist aus diesen Gründen geringer als bei der reinen Trinkwassererwärmung. Das drückt sich auch in höheren Wärmekosten aus. Die Performance eines solchen Solarsystems kann verbessert werden, indem die Rücklauftemperatur möglichst niedrig gehalten wird, beispielsweise durch große Heizkörperflächen oder eine Fußbodenheizung.

Die Optimierung von nutzbaren solaren Erträgen und Kosten erfolgt durch die Wahl eines möglichst auf den Anwendungsfall zugeschnittenen Anlagen- und Speicherkonzep­tes sowie durch die konkrete Dimensionierung und Ausführung der Anlage. Wie bei den Systemen zur Warmwasserbereitung existieren zahlreiche Schaltungsvarianten zur Heizungs­unterstützung. Sie unterscheiden sich durch die serielle Heizungsanbindung, bei der Solarspeicher, Kessel und Heizung in Reihe geschaltet sind, oder die parallele Anbindung des Heizkessels an den oberen Teil des (Solar-) Pufferspeichers, der die Heizung speist. Neben der Optimierung der Solarsysteme selbst muss auch der Einfluss der Solaranlage auf das Betriebsverhalten des Kessels berücksichtigt werden. Bei Systemen zur solaren Raumheizungsunterstützung ist es wichtig, dass sowohl die Solaranlage als auch der konventionelle Heizkessel und das Heizungssystem aufeinander abgestimmt werden. Für den großen Einfamilienhaus-Markt gibt es Komplettangebote, die Solaranlage, Speicher, Heizkessel, Warmwasserbereitung und Regelung beinhalten und teilweise in einem Gerät integriert sind. Bei vorgefertigten Systemen sind die Komponenten optimal aufeinander abgestimmt und die wichtigsten Regelparameter eingestellt. Auch für Mehrfamilienhäuser werden inzwischen vorgefertigte Module, Kompaktstationen oder Solarenergiezentralen für die Heizungsunterstützung angeboten.

Dimensionierung

Kombianlagen können sehr unterschiedlich dimensioniert werden. Je nach gewünschtem solaren Deckungsanteil kann man das System vergrößern. Sogar eine solare Volldeckung von Heizwärme und Warmwasserbereitung über das Jahr ist mit entsprechendem Aufwand möglich. Während konservative Strategien die Vergrößerung des Systems zur Warm­wasserbereitung mit Zirkulationseinbindung um den Faktor 1,8 empfehlen, rechnen ambitionierte Anbieter für die solare Heizungsunterstützung mit 1?m² Kollektorfläche pro 10?m² Wohnfläche oder empfehlen, sogar 20?% der Wohnfläche als Solarfläche anzusetzen. Im Niedrigenergiehaus vervierfacht sich der Beitrag einer Kombianlage zur Wärmebedarfs­deckung gegenüber dem System zur reinen Warmwasserbereitung, wenn 35?% höhere Wärmekosten akzeptiert werden. Im sanierten Altbau sind auch erhebliche Steigerungen möglich, hier bleibt der Deckungsbeitrag eher klein. Betriebswirtschaftlich gesehen lohnt sich die Einbindung der Zirkulation erst ab einer Vergrößerung des Systems zur Trinkwassererwärmung um den Faktor 1,8. Für die Heizungsunterstützung zeigt sich ein Kostenminimum bei einer Vergrößerung um den Faktor 3,2.

Während der Energiebedarf für Warmwasser durch die Anzahl der Personen, deren Nutzungsgewohnheiten sowie die Zirkulationsverluste bestimmt werden, hängt der Heiz­wärmebedarf von der Größe der Wohnfläche und dem Gebäudestandard ab. Gut abgesicherte Ergebnisse existieren für die Dimensionierung von Speichern. Für Anlagen zur Trink­wassererwärmung werden üblicherweise 50?l/m² Kollektorfläche angesetzt. In verschiedenen Quellen wird dieses Verhältnis auch für Anlagen zur Heizungsunterstützung genannt. Simulationsrechnungen für Kombianlagen zeigen, dass das Puffervolumen nicht linear mit der Kollektorfläche wachsen sollte, sondern dass die betriebswirtschaftlich besten Ergebnisse mit einer überproportionalen Vergrößerung zu erzielen sind, für die ein exponentieller Ansatz gewählt werden kann.

Wird also ein Solarsystem zur Trinkwassererwärmung für die Heizungsunterstützung um den Faktor „x“ vergrößert, so wird dieser Faktor zur Berechnung der Speichergröße mit dem Exponenten 1,3 bis 1,35 potenziert. Das Ergebnis ist der Vergrößerungsfaktor für das Speichervolumen.

Verbraucher und Solarsystem

Da die Effizienz eines Solarsystems entscheidend von den Arbeitstemperaturen abhängt, können die Erträge durch Senkung der Rücklauftemperaturen deutlich gesteigert werden. Bei Kombianlagen erfordern die Erwärmung des Trinkwassers, die Heizwärmeversorgung und der Ausgleich der Zirkulationsverluste jeweils sehr unterschiedliche Verbrauchstemperaturen und Temperaturspreizungen. Diese sind für:

– Gezapftes Warmwasser (mit Wärmetauschersprung von 5 K): 15-65°C – je nach Systemvariante

­– Warmwasser-Zirkulationsrücklauf (mit Wärmetauschersprung von 5 K): 60-65°C

­– Heizung (ohne Wärmetauschersprung, da kein Wärmetauscher notwendig): 22-65°C (je nach Heizsystem im Gebäude und je nach Witterung).

Diese drei Verbraucher sollten auf jeden Fall ihrem Temperaturniveau entsprechend separat mit einem jeweils eigenen Wärmetauscher an das Solarsystem angekoppelt werden. So ist auch eine saubere hydraulische Trennung gewährleistet. Das Warmwasser-Zapfsystem erfordert die höchsten Temperaturen und eine hohe Temperaturspreizung, liefert aber auch niedrige Rücklauftemperaturen. Der Vorlauf wird ganz oben am Speicher angebunden, der Rücklauf sollte unten in den Solarpuffer eingespeist werden. Wegen des schwankenden Temperaturbereichs ist eine geschichtete Einspeisung zweckmäßig, z.?B. über speicherinterne Schicht­einrichtungen. Das System mit der höchsten Rücklauftemperatur ist die Warmwasser-Zirkulation. Deren Einspeisung muss also weit oben im Solarpuffer erfolgen. Eine geschichtete Einspeisung ist wegen des geringen Variationsbereichs der Temperatur hier nicht nötig. In welcher Höhe der Rücklauf aus dem Heizsystem eingespeist wird, hängt von dem vorhandenen Heizsystem ab. Bei Niedertemperaturheizungen speist man tiefer ein als bei knapper dimensionierten Radiatorsystemen mit hoher Betriebstemperatur. Wegen der Abhängigkeit der Rücklauftemperatur von der Außentemperatur ist eine geschichtete Einspeisung sinnvoll. Ein separater Puffer regelt die Mindestlaufzeit des Kessels und vermeidet häufiges Kesseltakten.