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Thermische Solaranlage: Auf dieser Seite

Sonneneinstrahlung als unerschöpfliche Energiequelle

Karte der BRD mit den regionalen Globalstrahlungsdaten

Mit dem Sonnenlicht wird ca. 10.000 mal mehr Energie auf die Erde eingestrahlt, als die Menschheit verbraucht. In wolkenarmen Wüstenregionen wie z. B. der Sahara sind dies pro Jahr ca. 2.200  kWh/m2; in Deutschland immerhin etwa halb so viel , was dem ca. 100 fachen unseres derzeitigen Primärenergiebedarfs entspricht.

Die Solareinstrahlung in den Regionen unterscheidet sich nur um ca. 20 % und liegt in etwa zwischen 900 und 1.200 kWh je Quadratmeter und Jahr. Etwa drei Viertel davon entfallen auf das Sommerhalbjahr von April bis September. Daraus können in Deutschland je m2 Kollektorfläche jährlich ca. 450 bis 600 kWh an Sonnenwärme gewonnen werden.

Die solare Einstrahlung kann auf unterschiedlichste Weise genutzt werden:

  • Direkte Stromerzeugung (Photovoltaik)
  • Indirekte Stromerzeugung (solarthermische Kraftwerke)
  • Direkte Wärmeerzeugung (Solarthermie Kollektoren)
  • Indirekte Wärmeerzeugung (Nutzung der Luftwärme, der oberflächennahen Erdwärme oder der Wärme des Grundwassers mittels Wärmepumpe)

Da das Angebot an solarer Einstrahlung Abhängig von der Jahreszeit ist, trifft es nicht immer den aktuellen Bedarf. Der Jahreswirkungsgrad einer solarthermischen Anlage wird stark durch das Verhältnis von Angebot zu Nachfrage bestimmt (Stimmt das Verhältnis stimmt auch der Wirkungsgrad).

 

Bedarf  analog Angebot

Wärmeversorgung von Schwimmbädern , Campingplätzen und anderen sommertouristischen Einrichtungen z.B.:Berghütten

Bedarf kontinuierlich

Warmwasserbereitung in Wohngebäuden, Hotels und Gastronomie. Prozesswärme z.B.: Wäschereien, Industrie.

Bedarf  gegenläufig zu Angebot

Heizwärme für Gebäude

Prinzip der Warmwassererzeugung durch eine thermische Solaranlage

Die einfallenden Sonnenstrahlen erwärmen das Wasser im Kollektor. Im Kollektor wird analog zu einem Durchlauferhitzer durchfließendes Wasser erwärmt. Bei Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur am Kollektorausgang pumpt die Solarpumpe das erwärmte Wasser des Kollektors durch den Solarwärmetauscher. Dieser erwärmt das Brauchwasser im Boiler wobei das Kollektor Wasser abkühlt und zum Kollektor zurückgepumpt wird (Kollektorkreislauf). Das warme Brauchwasser sammelt sich im oberen Bereich des Boilers, wo es zum Verbrauch zur Verfügung steht. Reicht die Sonneneinstrahlung nicht aus, um das Wasser ausreichend zu erwärmen, heizt der Heizungskessel über einen zweiten Wärmetauscher im oberen Boilerbereich nach. Da bestehende Warmwasserspeicher, die durch den Heizkessel erwärmt werden nur über einen Wärmetauschen verfügen, müssen sie bei Einbau einer thermischen Solaranlage in der Regel ersetzt werden.

Prinzipieller Aufbau einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Sonnenkollektoren

Flachkollektoren

Vakuumröhrenkollektor

Prinzipieller Aufbau eines Flachkollektors
Prinzipieller Aufbau eines Röhrenkollektors
  • Einsatztemperaturbereich: 20 bis 80 Grad
  • Anwendung: Warmwasserbereitung und Raumheizungsunterstützung
  • Jahresertrag: 450 bis 500 kWh/m2
  • Einsatztemperaturbereich: 50 bis 120 Grad
  • Anwendung: Raumheizungsunterstützung, Warmwasserbereitung, Prozesswärme, solare Kühlung
  • Jahresertrag: 575 bis 625 kWh/m2

Wichtig für die richtige Wahl eines geeigneten Kollektortyps ist vor allem der geforderte Einsatztemperaturbereich. Für die Warmwasser Bereitung und Heizungsunterstützung werden sowohl Flachkollektoren als auch Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Im überwiegenden Arbeitsbereich s.u. weisen beide ähnliche Wirkungsgrade auf. Bei höheren Temperaturunterschieden, etwa im Winter, sind die Wärmeverluste eines Vakuumröhrenkollektors geringer, so dass im Jahresmittel – bezogen auf die jeweilige Absorberfläche – ein um 20 bis 30 % höherer Solarenergiegewinn als mit Flachkollektoren erwartet werden kann. Röhrenkollektoren sind etwas teurer als Flachkollektoren. Die Kollektoren werden von einem Wasser / Glykolgemisch (Frostschutz) durchflossen. Spezielle Anlagnetechnik ermöglicht auch den Betrieb mit reinem Wasser. Die Abmessungen der Kollektoren variieren Hersteller abhängig, Maßanfertigungen sind möglich.

Kollektorwirkungsgrad

Kollktorverluste in Abhängigkeit von Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur

Kollktorwirkungsgrad in Abhängigkeit von Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur
Minderung der  Nutzung solarer Einstrahlung in Abhängigkeit von der Kollektorausrichtung

Die im Kollektor auftretenden Verluste teilen sich auf in die optischen Verluste, die vor der Umwandlung der Strahlung in Wärme entstehen, und in die thermischen Verluste, welche die bereits erzeugte Wärme vermindern.

  • Optische Verluste entstehen durch Reflexion der Solarstrahlung sowohl an der transparenten Abdeckung als auch am Absorber. Die optischen Verluste sind unabhängig von der Umgebungstemperatur.
  • Wärmeverluste werden durch Wärmeleitung, Wärmetransport (Konvektion) und Wärmeabstrahlung des Kollektors verursacht. Sie sind um so höher, je grösser der Temperaturunterschied , je schlechter die Dämmung des Kollektors und je grösser das Temperaturgefälle zur Aussentemperatur ist.

Der optische Wirkungsgrad eines Vakuumröhrenkollektors ist aufgrund der Reflexionen an der Glasröhre niedriger als beim Flachkollektor. Andererseits liegen die Stillstandstemperaturen des Vakuumröhrenkollektors aufgrund der guten Wärmeisolation über den Werten des Flachkollektors.

Je nach Ausrichtung des Kollektors auf dem Dach oder an der Fassade kann nur ein Teil der Sonneneinstrahlung genutzt werden. Im Beispiel (siehe bild links) eines mit 30o Neigung und mit einer Südwestabweichung von 45o montierten Kollektors beträgt die solare Ausbeute noch 95%.

Grafik jährliche Einstrahlung: Quelle Viessmann

Speichertypen

Thermische Solaranlagen liefern Wärme relativ unregelmässig; abhängig vom Wetter. Die Schwankungen sind einmal saisonal (Jahreszeiten) zum anderen Wetterabhängig (bedeckter Himmel). Der Bedarf hat einen anderen Rhythmus, er folgt diesen Schwankungen nicht. Das bedeutet dass ein Ausgleich geschaffen werden muss. Diese Aufgabe übernehmen Pufferspeicher. Es gibt Pufferspeicher für Warmwasser (Speichern in der Regel den doppelten Tagesbedarf) und es gibt Heizwasserspeicher oder eine Kombination beider Typen (Kombispeicher). Heizwasserspeicher überbrücken gleichfalls Zeiträume von ein bis mehreren Tagen, es gibt aber auch Anlagen mit saisonalem Speicher zur Überbrückung der jahreszeitlichen Schwankungen (macht nur Sinn bei sehr gut gedämmten Häusern,  benötigen sehr viel Platz und werden zumeist speziell angefertigt). Die Typenvielfalt bei den handelsüblichen Speichern ist gross. Im Folgenden sind einige grundsätzliche Typen dargestellt.

Prinzip eines bivalenten Warmwasserspeichers
Bivalenter Speicher für die Warmwasserbereitung. Unten Wärmetauscher für die Solaranlage, oben Wärmetauscher zur Nachheizung durch die den Heizkessel an Tagen ohne ausreichenden Solareintrag. Der Speicher enthält Brauchwasser und muß daher aus Edelstahl bestehen oder emailliert sein.
Prinzip eines Kombispeichers mit  innenliegendem  Trinkwasserspeicher
Kombispeicher zur Brauchwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung. Unten Wärmetauscher für die Solaranlage. Der Speicher enthält Heizwasser (keine Anforderungen an Trinkwasser Hygiene). Trinkwasser wird in einem “Speicher im Speicher” erwärmt (Edelstahl). Die große Wärmeaustauschfläche verringert die Verkalkungsanfälligkeit.
Prinzip eines Kombispeichers mit Warmwasserbereitung im Durchlaufverfahren
Kombispeicher zur Brauchwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung. Unten Wärmetauscher für die Solaranlage. Der Speicher enthält Heizwasser (keine Anforderungen an Trinkwasser Hygiene). Trinkwasser wird im Durchlaufverfahren erzeugt (immer frisches Brauchwasser, keine Legionellenprobleme).
Prinzip eines bivalenten Warmwasserspeichers  mit Schichteneinrichtung
Bivalenter Schichtenspeicher für die Warmwasserbereitung. Der Wärmetauscher für die Solaranlage verteilt das erwärmte Wasser über eine im Speicher eingebaute Schichtenladeeinrichtung. Auf Grund des Dichteunterschiedes steigt  das erwärmte Wasser im Aufströmrohr und tritt erst dann aus diesem seitlich aus, wenn sich ausserhalb ähnlich warmes Wasser befindet. Hierdurch kann Solarwärme auf höherem Niveau direkt in den oberen Bereitschaftsteil gelangen, die Nachheizung muss nicht so oft zugeschaltet werden.

Prinzip der Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung durch eine thermische Solaranlage

Solar-Hzg-WW 

Obige Abbildung zeigt eine thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Warmwassererzeugung im Durchlaufverfahren durch Schlangenwärmetauscher. Die Auskopplung des Warmwassers kann auch über einen externen Plattenwärmetauscher erfolgen

Als kompakte Systemlösung werden “Solarheizkessel” angeboten. Die Einzelsysteme werden hierbei zu einer integrierten Anlage zusammengefasst, mit integriertem Brenner (z.B.:Gasbrennwert) zur Nachheizung. (Einfache Montage, geringe Wärmeverluste, geringer Raumbedarf)

 

Punkte die allgemein zu beachten sind

  • Eine thermische Solaranlage liefert unabhängig ob gutes oder schlecht gedämmtes Gebäude immer den gleichen  Energieeinsparbetrag (absolut).Es ist allerdings eine der teureren Energiesparmaßnahmen. Daher die grundsätzliche Empfehlung: zuerst die Dämmmöglichkeiten auszuschöpfen. Dies trifft auf jeden Fall für die Heizungsunterstützung zu. Der Warmwasserbedarf ist unabhängig von der Hausdämmung und kann auch unabhängig vom Dämmstandard jederzeit eingesetzt werden.
  • Eine den aktuellen Gegebenheiten angepasste Auslegung (eher knapp bemessen) ist anzustreben
  • Niedrige Rücklauftemperaturen des gekoppelten Heizungssystems führen zu höherem solarem Wirkungsgrad (Nutzung auch geringer Einstrahlungsintensität)
  • Ein sorgfältiger hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage sollte vor / mit dem Einbau einer Solaranlage mit Heizungsunterstützung durchgeführt werden(Voraussetzung für niedrige Rücklauftemperaturen)
  • Eine einfache Anlagenstruktur ist in der Regel auch die effektivste
  • Gemeinsame oder gut abgestimmte Regelungen steigern gleichfalls den Ertrag (Solarkreis/Heizungskreis)

Planung: Orientierungswerte

Abhängigkeit des Deckundsgrades einer Solaranlage von unterschiedlichen Konfigurationen

Wärmebedarf und solares Wärmeangebot decken sich je nach Anwendung nur  teilweise.

  • Der Warmwasserbedarf ist während des Jahres in etwa konstant. Hier kann eine thermische Solaranlage bei gutem Wirkungsgrad einen soliden Beitrag liefern. Ein Deckungsgrad von ~60% des Warmwasserbedarfs ist wirtschaftlich betrachtet optimal (s.u)
  • Zusätzliche Heizungunterstützung bringt zusätzliche Energieersparnis dieses aber u.U. bei geringerem Wirkungsgrad der Solaranlage.
  • Grundsätzlich steht an erster Stelle die Minderung des Wärmebedarfs eines Gebäudes. Als zweites kann dann mit vertretbarem Aufwand eine gute Deckungsrate erreicht werden. Siehe Beispiel unten (EFH Baujahr  2000)
  • Im konkreten Fall ist immer ein Kompromiss zu finden der sich aus den realen Gegebenheiten (Dachfläche, vorhandene Heizung, vorhandene Räumlichkeiten), Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und  anderen Aspekten wie Unabhängigkeit von Energiepreisen und ökologischen Gesichtspunkten ergibt.

Warmwasserbereitung

Heizungsunterstützung

Als grobe Regel gilt :

  • Kollektorfläche (pro Person im Haushalt):
    • 1,2 bis 1,5 m2 Flachkollektor
    • 0,9 bis 1,2 m2 Vakuumröhrenkollektor.
  • Speichergröße (pro m2 Kollektorfläche):
    • 60 bis 70 l Speicher (dies entspricht etwa dem 1,5- bis 2fachen des täglichen Warmwasser Verbrauchs)

Als grobe Regel gilt :

  • Kollektorfläche (pro m2 Wohnfläche):
    • 0,07 bis 0,1 m2 Flachkollektor
    • 0,05 bis 0,08 m2 Vakuumröhrenkollektor
  • Speichergröße (pro m2 Kollektorfläche):
    • 60 bis 70 l Speicher

Kosten/Wirtschaftlichkeit: Orientierungswerte

Für eine DHH Baujahr 1955 (Wohnfläche ~ 160 m2) mit neuer Anlagentechnik (Niedertemperatur Kessel Baujahr 2001 für Hzg. und WW mit normalen Heizkörpern) wird in einer Beispielrechnung der Einsatz von Solaranlagen gezeigt. Vor dem Einbau der Solaranlage wurde der Energiebedarf des Gebäudes durch Dämmaßnahmen (Aussenwände, Dach, Fenstertausch) in etwa halbiert, hierdurch sind nur noch Vorlauftemperaturen < 55oC erforderlich. Es werden zwei Konfigurationen betrachtet:

  • Thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung 5,7 m2 Flachkollektor
  • Eine Thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung 11,4 m2 Röhrenkollektor

Kostenbasis :  Ölpreis Heizöl EL = 0,80 € / Liter

Vergleich der Kennwerte

 

Heizenergie Bedarf [kWh/a]

WW Energie Bedarf [kWh/a]

Hilfsenergie (Strom) [kWh/a]

Verbrauch [Liter Öl/a]

Heizleistung [kW]

Energiekosten gesamt [€/a]

CO2 Ausstoß [kg/a]

Zustand vor Dämmung

26.301,06

4.804,30

647,61

2.630+490 (Hzg+WW)

15,6

2.573,91

10.333,80

Zustand nach Dämmung

14.470,20

4.939,87

551,38

1.477+490

9,5

1.654,81

6.565,00

Mit  Solaranlage: Warmwasserg

14.470,20

2.139,41

551,38

 

9,5

1.435,15

5.675,80

Mit Solaranlage: WW+Heizung

11.425,10

1.296,11

551,38

 

9,5

1.119,70

4.421,90

Warmwasserbereitung

Heizungsunterstützung

Monatliche Erträge und Wirkungsgrad einer Solaranlage zur Warmwasserbereitunger

Standort: München          geogr. Breite: 48,1°

  • Kollektor: 5,70 m² Flachkollektor, selektiv beschichtet
  • Kennlinie: c0 = 0,770   c1 = 3,500 W/(m²K)   c2 = 0,0200 W/(m²K²)
  • Neigung: 35,0° Südabweichung: 20,0°
  • Anlagentyp: Trinkwarmwasser
  • Speicher: 300 Liter
  • Temperatur: max. 85°C / min. 54°C
  • Wärmebedarf: 9,42 kWh/Tag   = 180 Liter/Tag von 10°C auf 55°C
  • Solare Deckung: WW-> 56%

 

Monatliche Erträge und Wirkungsgrad einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung°

  • Standort: München          geogr. Breite: 48,1
  • Kollektor: Vakuumröhrenkollektor Fläche: 11,40 m²
  • Kennlinie: c0 = 0,710   c1 = 1,000 W/(m²K)   c2 = 0,0090 W/(m²K²)
  • Neigung: 35,0° Südabweichung: 20,0°
  • Anlagentyp: Pufferspeicher + FWE (2)
  • Pufferspeicher: 800 Liter  Temperatur : max. 85°C / min. 65°C
  • Frischwassermodul: 20 Liter/Min bei 10 -> 45°C und 55°C Vorlauftemperatur
  • Wärmebedarf: 9,42 kWh/Tag   = 180 Liter/Tag von 10°C auf 55°C
  • 11683 kWh/Jahr Heizwärmebedarf
  • Solares Heizen: bei T außen < 16°C
  • Heizkreis: 55/40°C,  9 kW bei -16°C
  • Solare Deckung:WW ->74%, Heizung -> 21%

     

Kosten / Wirtschaftlichkeit

 

Kosten €

m2

Kosten

Flachkollektoren / m2

325,00

5,7

1.852,50 €

TW-Speicher (300 bis 400 l)

1.250,00

 

1.250,00 €

Solarstation incl.Regler

650,00

 

650,00 €

Rohrleitungen +Zubehör

750,00

 

750,00 €

Montage

1.250,00

 

1.250,00 €

Summe Kosten Anlage

 

 

5.752,50 €

Betriebskosten 4)

 

 

50,00 €

Förderbetrag (Bafa)  3)

 

 

-410,00 €

 

 

 

5.392,50 €

Energiekosten aktuell pro Jahr

 

 

1.654,81 €

Energiekosten neu pro Jahr

 

 

1.435,15 €

Kosteneinsparung pro Jahr

 

 

219,66 €

Amortisation statisch 2)

 

 

24,55

 

Kosten €

m2

Kosten

Röhrenkollektoren / m2

525,00

11,4

5.985,00 €

Kombispeicher (800 bis 1000 l)

2.250,00

 

2.250,00 €

Solarstation incl.Regler

650,00

 

650,00 €

Rohrleitungen +Zubehör

750,00

 

750,00 €

Montage

1.250,00

 

1.250,00 €

Summe Kosten Anlage

 

 

10.885,00 €

Betriebskosten 4)

 

 

90,00 €

Förderbetrag (Bafa)  3)

 

 

-1.197,00 €

 

 

 

9.778,00 €

Energiekosten aktuell pro Jahr

 

 

1.654,81 €

Energiekosten neu pro Jahr

 

 

1.119,70 €

Kosteneinsparung pro Jahr

 

 

535,11 €

Amortisation statisch 2)

 

 

18,27

2)Die Statische Amortisation berücksichtigt keine Kapitalkosten und keine Preissteigerungen. Wenn Kapitalkosten und Preissteigerung gleich sind, ist die statische Amortisation gleich der dynamischen Amortisation. Da davon auszugehen ist, dass die Preissteigerungsrate für Energie weiterhin höher sein wird als der Kapitalzins ist die Amortisationszeit real kürzer als hier gezeigt. Die Rechnung beruht auf durchschnittlichen Kollektoren. Mit effizienteren Kollektoren sind bessere Ergebnisse möglich.

3)Als kostenmindernder Posten wurde die Bafa Förderung für Solaranlagen aufgenommen. Siehe auch Förderungen

4)Als zusätzliche Kosten wurden unter Betriebskosten die Kosten für Betriebsstrom, Instandsetzung und Wartung aufgenommen.

 

Das Beispiel zeigt, dass thermische Solaranlagen (bei 20 Jahren Lebensdauer) auch aus wirtschaftlicher Sicht eine lohnende Investition sein können. Reine Trinkwasserunterstützung ist meist gerade an der Amortisationsgrenze. Grosse thermische Solaranlagen haben in der Regel annehmbare Amortisationszeiten trotz erheblich höherer Investitionskosten. Wesentlicher Faktor in der Wirtschaftlichkeitsrechnung ist der Energiepreis (hier 0,8€ pro Liter Heizöl)

Durch die große Anlage werden CO2 Ausstoß und die Energiekosten um ~ 33% reduziert.

In einem konkreten Fall hilft zur Abschätzung des Ertrages am besten eine Simulation der geplanten Anlage mit unterschiedlichen Parametern.

Simulation thermischer Solaranlagen

Eine Simulation sollte immer durchgeführt werden, wenn Sie vor Auftragserteilung an einen Handwerker eine verlässliche Information zu Ertrag und Wirtschaftlichkeit haben wollen. Dies gilt insbesondere, wenn auch eine Heizungsunterstützung zu erwägen ist.

  • Eine vorab Prognose der Wirtschaftlichkeit einer Thermischen Solaranlage ist nur auf Basis einer Ertragssimulation mit konkreten lokalen Randbedingungen möglich
  • In der Simulation kann mit unterschiedlichen Kollektorgrößen, realen  Kollektoren unterschiedlicher Hersteller, unterschiedlichen Positionierungen der Kollektoren, Verschattungen und verschiedene Anlagenkonfigurationen gearbeitet werden.

Wir bieten die Dienstleistung “Simulation thermischer Solaranlagen” als Zusatz zu einer Energieberatung oder als Einzelleistung an

Rechtlicher Hinweis: Alle Angaben sind ausschliesslich unverbindliche Richtwerte. Die exakte Dimensionierung, Kosten und Erträge für ein konkretes Bauvorhaben können nur von einem qualifizierten Fachbetrieb unter Berücksichtigung der Bausubstanz und der Gegebenheiten vor Ort ermittelt werden.

Kennlinien in hier gezeigten Grafiken dienen der  Erläuterung von qualitativen Sachverhalten. Sie zeigen nicht reale Werte bestimmter Produkte.

Weiterführende Lektüre

Gute Broschüren zum Thema sind:

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