Grundlagen der Auslegung

Bei der Planung einer Solaranlage müssen im ersten Schritt die Auslegungsziele geklärt werden. Da eine Solaranlage fast immer Teil einer bivalenten Anlage ist, beziehen sich die Auslegungsziele im Wesentlichen auf die geplante solare Deckungsrate.


Solare Deckungsrate

Die solare Deckungsrate beschreibt das Verhältnis zwischen der für die Wärmeerzeugung benötigten Energie und der nutzbaren Solar­wärme. Je höher die solare Deckung ist, desto weniger Energie muss von der konventionellen Anlage bereitgestellt werden.

Die Berechnungsgrundlage für die solare Deckungsrate ist immer die Wärmemenge, die von den jeweiligen Wärmeerzeugern pro Jahr bereitgestellt wird (und nicht deren Leistung).

Solare Deckungsrate (Trinkwassererwärmung)

Solare Deckungsrate (Trinkwassererwärmung)

Für jede Solaranlage muss ein guter Kompromiss zwischen der solaren Deckungsrate und dem solaren Ertrag gefunden werden.

Nutzungsgrad

Die zweite Kenngröße für ein Solarsystem ist der Nutzungsgrad der Anlage, mit dem das Verhältnis von eingestrahlter Energie zu nutzbarer Solarwärme beschrieben wird. Hohe Temperaturen und längere Stillstandszeiten verschlechtern den Nutzungsgrad. Der Nutzungsgrad hat unmittelbaren Einfluss auf die dritte Kenngröße, den spezifischen Ertrag der Kollektoranlage. Dieser Wert besagt, wie viel Nutzwärme pro Quadratmeter Kollektorfläche und Jahr von der Solaranlage erzeugt werden kann. In der Regel gilt: Je größer der spezifische Ertrag, desto höher ist die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Die solare Deckungsrate und der spezifische Ertrag stehen in einem direkten Verhältnis zueinander: Je höher die geplante solare Deckung, desto länger die Zeiten im Sommer, in denen die eingestrahlte Energie wegen des geringeren Wärmebedarfs nicht mehr genutzt werden kann. In diesen Phasen kann die Anlage also auch keine Wärme mehr in das System einspeisen. Das bedeutet: Die Energiemenge, die pro Quadratmeter Kollektorfläche sinnvoll genutzt werden kann, sinkt. Andererseits steigt in diesem Fall die absolute Einsparung an konventioneller Energie.


Anlage zur Trinkwassererwärmung

Der bivalente Speicher-Wassererwärmer wird von zwei Wärmequellen beheizt. Der obere Bereich wird durch den Heizkessel erwärmt. Der zweite, im unteren Speicherbereich eingebaute Wärmetauscher wird von der Solaranlage nur dann beheizt, wenn zwischen Kollektortemperatursensor und Speichertemperatursensor eine Temperaturdifferenz gemessen wird, die größer ist als der in der Regelung eingestellte Wert – die Umwälzpumpe des Solarkreises wird erst dann eingeschaltet.

Als Auslegungsziel für die Trinkwassererwärmung im Ein- und Zweifamilienhaus ist eine solare Deckung von rund 60 Prozent üblich. Im Sommer wird damit rechnerisch eine Volldeckung erreicht, d. h. allein die Solaranlage übernimmt an den meisten Tagen die Bereitstellung der Warmwasserversorgung (ohne Unterstützung der Kesselanlage). Nicht verwertbare Wärmeüberschüsse halten sich in vertretbaren Grenzen, der Nutzer spürt deutlich den Ertrag der Solaranlage und spart über einen längeren Zeitraum die konventionelle Nachheizung. Eine deutlich höhere solare Deckung für die Trinkwassererwärmung als 60 Prozent ist aus anlagentechnischen und wirtschaftlichen Gründen im Einfamilienhaus nicht sinnvoll.

Anlage zur Trinkwassererwärmung

Im Standardfall kommt ein bivalenter Speicher-Wasser­erwärmer zum Einsatz, der von zwei Wärmequellen beheizt wird. Das ist eine gute Kombination von Energieeinsparung und Versorgungssicherheit.

Auslegungsverbrauch

Um die Solaranlage auslegen zu können, muss als erstes der Warmwasserverbrauch bekannt sein. Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen maximalem Bedarf und Auslegungsverbrauch.

Der maximale Bedarf bildet die Berechnungsgrundlage für die Versorgungssicherheit, er ist die Planungsgröße für den Speicher-Wassererwärmer und die Berechnung der Nachheizleistung des Heizkessels.

Um eine Fehldimensionierung zu vermeiden, wird für die Solaranlage der Auslegungsverbrauch zugrunde gelegt. Der Auslegungsverbrauch bezeichnet den durchschnittlich zu erwartenden Verbrauch während der Sommermonate. Er ist etwa halb so groß wie der maximale Bedarf, auf den der konventionelle Anlagenteil ausgelegt wird.

Um eine solare Deckung von etwa 60 Prozent zu erzielen, hat sich in der Praxis eine zweitägige Betrachtung bewährt, d. h. der Solarspeicher soll das Doppelte des zu erwartenden Tagesbedarfes (bezogen auf den Auslegungsverbrauch) aufnehmen können.

Die Kollektoranlage wird so dimensioniert, dass der gesamte Speicherinhalt an einem sonnigen Tag auf mindestens 60 °C erwärmt werden kann. Damit lässt sich ein Folgetag mit schlechter Sonneneinstrahlung überbrücken. Unter diesem Gesichtspunkt wird das Verhältnis von Speichervolumen und Kollektorfläche bestimmt.

Auslegungsübersicht Trinkwassererwärmung

Auslegungsübersicht Trinkwassererwärmung

Annahmen für die Auslegung: Verbrauch von 30 Liter pro Person bei 60 °C. Liegt der Verbrauch pro Person deutlich höher, erfolgt die Auswahl nach Litern pro Tag.

 

Speichervolumen

In Mitteleuropa stehen an einem wolkenlosen Sommertag ca. 5 kWh Einstrahlung pro m2 Kollektorfläche zur Verfügung. Um diese Energiemenge in den bivalenten Speicher-Wassererwärmer einbringen zu können, werden bei Flachkollektoren mindestens 50 Liter Speichervolumen je m2 Kollektorfläche eingeplant, bei Vakuum-Röhrenkollektoren 70 Liter je m2. Diese Angaben beziehen sich auf den Teil des bivalenten Speichers, der nicht von der Nachheizung erwärmt wird.

Der an die Nachheizung angeschlossene Teil des bivalenten Speicher-Wassererwärmers steht für die Speicherung von Solarwärme erst dann zur Verfügung, wenn die Kollektoranlage eine über der Nachheiztemperatur liegende Temperatur erreicht.

Als Faustregel für die Auslegung im Einoder Zweifamilienhaus (bei hoher Deckungsrate) gilt: Ist die Kollektorfläche zwischen Südost und Südwest ausgerichtet, können pro 100 Liter Speichervolumen 1,5 m2 Flachkollektor- oder 1,0 m2 Röhrenkollektorfläche angenommen werden. Um durch ungünstige Ausrichtung oder Neigung bedingte Mindererträge auszugleichen, kann die Kollektorfläche etwas vergrößert werden.

 


Anlage zur Heizungsunterstützung

In Deutschland wird deutlich mehr als die Hälfte der gesamten Kollektorfläche in Solaranlagen installiert, die neben der Trinkwassererwärmung auch die Raumheizung unterstützen. Die solare Heizungsunterstützung ist heute Stand der Technik.

Bei der solaren Heizungsunterstützung verhalten sich Angebot und Nachfrage gegenläufig: Über den Jahresverlauf hinweg betrachtet ist der Wärmebedarf für die Heizung dann am höchsten, wenn die Sonneneinstrahlung am geringsten ist.

Die Möglichkeiten der solaren Heizungsunterstützung sind ohne eine saisonale Speicherung eingeschränkt, eine vollständige Deckung des Wärmebedarfs im Winter durch die Solaranlage ist nicht möglich. Die Solaranlage kann also den konventionellen Wärmeerzeuger nicht ersetzen und dieser darf in seiner Leistung auch nicht reduziert werden.

Anlage zur Heizungsunterstützung

Bei Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung werden Pufferspeicher eingesetzt, hier als Kombispeicher mit integriertem Wärmetauscher aus Edelstahlwellrohr für die Trinkwassererwärmung.

Die solare Heizungsunterstützung ohne saisonale Speicherung hat ihre Grenzen – nicht nutzbare Wärmeüberschüsse im Sommer.

Solare Heizungsunterstützung

Erfahrungsgemäß schätzen Interessenten die Möglichkeiten einer heizungsunterstützenden Solaranlage im Gebäudebestand oft falsch ein. Im Beratungsgespräch sollten Fehleinschätzungen deshalb zu einem möglichst frü­ hen Zeitpunkt korrigiert und die realistischen Erwartungen an eine solare Heizungsunterstützung erläutert werden. In der Modernisierung sind Deckungsraten bezogen auf den Energiebedarf für Warmwasser und Raumheizung größer 30 Prozent nur mir sehr hohem anlagentechnischen Aufwand zu realisieren.

Die Solaranlage ist somit immer ein Bestandteil eines Gesamtsystems, bei dem es gerade auch für den konventionellen Wärmeerzeuger auf höchste Effizienz ankommt.

Auslegungstabelle Heizungsunterstützung (EFH)

Auslegungstabelle Heizungsunterstützung (Einfamilienhaus)

Zur Auswahl der Komponenten bei solarer Heizungsunterstützung bietet diese Tabelle eine schnelle Übersicht.

Sommerlicher Wärmebedarf

Die Basis für die Dimensionierung einer solaren Heizungsunterstützung ist immer der sommerliche Wärmebedarf. Er setzt sich zusammen aus dem Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung und eventuellen weiteren objektabhängigen Verbrauchern, die ebenfalls von der Anlage versorgt werden können – wie beispielsweise eine Beheizung von Kellerräumen im Sommer zur Vermeidung von Kondensation.

Für diesen sommerlichen Wärmebedarf wird mit Hilfe der Auslegungstabelle die passende Kollektorfläche ausgelegt. Die so ermittelte Kollektorfläche wird nun jeweils mit dem Faktor 2 und dem Faktor 2,5 multipliziert – zwischen diesen beiden Ergebnissen liegen die Werte für die Kollektorfläche zur solaren Heizungsunterstützung. Die genaue Festlegung erfolgt dann unter Berücksichtigung architektonischer Gegebenheiten und den Abmessungen der einzelnen Kollektoren.

Das Verhältnis von Kollektorfläche zu Speichervolumen wird genauso festgelegt wie bei Anlagen zur Warmwasserbereitung. Pro 1,5 m2 Flachkollektor oder 1,0 m2 Röhrenkollektor können pro 100 Liter Speichervolumen angenommen werden, pro m2 Kollektorfläche jedoch mindestens 50 Liter.


Integrierte Lösung Vitosolar 300-F

Das komplexe Zusammenspiel von Solaranlage und konventionellem Wärmeerzeuger erfordert eine umfassende und sorgfältige Planung. Speziell für die solare Heizungsunterstützung im Einfamilienhaus hat Viessmann mit dem Vitosolar 300-F eine kompakte Lösung entwickelt.

Der Vitosolar 300-F ist eine leistungsstarke Unit zur solaren Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung. Die Einheit besteht aus einem 750-Liter-Kombispeicher mit einem vorverrohrten Grundträger zur direkten Montage eines Gas- oder Öl-Brennwertgeräts.

Die Montagekonsole ist bereits mit Heizkreisverteilung, Solar-Divicon, wärmegedämmten Rohrleitungen und Absperrventilen vormontiert. Die Regelung umfasst alle notwendigen Funktionen von Wärmeerzeuger und Solaranlage. Zur Energiebilanzierung zeigt das Display der Regelung den Solarertrag an. Der Vitosolar 300-F ist mit stromsparenden Hocheffizienzpumpen für Heiz- und Solarkreis ausgestattet.


Anforderungen an den Heizkreis

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist die Annahme, solare Heizungsunterstützung sei nur mit Fußbodenheizungen möglich. Diese Annahme ist falsch. Die Erträge bei einer Radiatorenheizung sind im Jahresdurchschnitt nur unwesentlich geringer. Der Grund für diese leichte Reduzierung ist die etwas höhere Zieltemperatur der Solaranlage, die immer vom Rücklauf des Heizkreises bestimmt ist.

Beim Vergleich der verschiedenen Heizflächen muss bedacht werden, dass die Solaranlage die Energie hauptsächlich in der Übergangszeit an den Heizkreis liefern soll. Zu diesen Zeiten arbeiten Heizflächen jedoch nicht im Bereich ihrer Auslegungstemperaturen, der Rücklauf kann auch bei Radiatoren auf niedrigem Temperaturniveau gefahren werden. Wichtig ist aber der korrekte hydraulische Abgleich.


Produktübersicht

[ A ] Bivalenter Speicher-Wassererwärmer  

Vitocell 100-B mit zwei Heizwendeln, über den unteren Wärmetauscher erfolgt die Beheizung über die Sonnenkollektoren, über den oberen erfolgt bei Bedarf eine Nachheizung durch den Wärmeerzeuger.

[ B ] Multivalente Heizwasser-Pufferspeicher

Ideal für solare Heizungsunter­stützung: der multivalente Heizwasser-Pufferspeicher mit integrierter Trinkwassererwärmung Vitocell 340-M

[ C ] Kompaktgerät Vitosolar 300-F

Die kompakte Heizzentrale Vitosolar 300-F besteht aus einem
750-Liter-Kombispeicher und dem direkt angebauten
Gas-Brennwert-Wandgerät Vitodens 300-W.


Dampfbildung

Dampfbildung

Die Dampfproduktionsleistung ist deutlich geringer, wenn die Kollektoren bzw. Kollektorfelder ohne Flüssigkeitssäcke installiert werden.


Druckhaltung

Je höher der Druck ist, desto später beginnt eine Flüssigkeit bei Erwärmung zu sieden. Für das Solarfluid bedeutet das, dass die Dampfbildung bei höherem Anlagenbetriebsdruck im Stagnationsfall später oder ggf. gar nicht einsetzt.

Aufgrund der erfreulich geringen Stillstandstemperaturen in Vitosol-Kollektoren – dank ThermProtect und automatischer Temperaturabschaltung – kann mit einem Anlagenbetriebsdruck größer 3 bar das Risiko der Dampfbildung auf ein Minimum reduziert und zugleich das Solarfluid vor Überhitzung geschützt werden.

Zur korrekten Einstellung der Druckverhältnisse im gesamten Solarkreis wird mit dem Mindestdruck am Hochpunkt der Anlage von 3 bar und dem statischen Druck der Betriebsdruck der Anlage durch Addition berechnet. Kontrolliert wird dieser am Manometer – dabei muss berücksichtigt werden, dass tiefer liegende Bauteile einem höheren Druck ausgesetzt sind. Dies ist besonders wichtig bei der Festlegung des Vordrucks des MAG. Befindet sich beispielsweise das Manometer „in Augenhöhe“ und das MAG auf dem Boden, ergibt sich bereits eine Druckdifferenz von etwa 0,15 bar.

Der MAG-Vordruck ergibt sich aus dem Betriebsdruck der Anlage am Anschlusspunkt des MAG, abzüglich 0,3 bar für die Wasservorlage. Die Wasservorlage ist wichtig, um den Volumenverlust durch Abkühlung gegen- über der Befülltemperatur auszugleichen. Mit einem Wert von 0,3 bar ist bei üblichen Anlagen gewährleistet, dass die notwendige Wassermenge (4 Prozent des Anlagenvolumens, mindestens aber 3 Liter) bei der Befüllung der Anlage in das MAG gedrückt wird.

Um die Entgasung des Mediums in den ersten Betriebswochen auszugleichen (Druckabbau durch Entlüftung), ist eine zusätzliche Druckreserve von ca. 0,1 bar empfehlenswert. Der Befülldruck bei Inbetriebnahme liegt also um diese 0,1 bar über dem Anlagenbetriebsdruck


Druckverhältnisse

Druckverhältnisse

Die Druckverhältnisse im System haben maßgeblichen Einfluss auf die Betriebssicherheit der Anlage.


Schwimmbad

Schwimmbäder werden nach Art ihres Bedarfs in drei Kategorien eingeteilt, woraus sich unterschiedliche Anforderungen für die Einbindung einer Solaranlage ergeben: „

  • Freibäder ohne konventionelle Nachheizung (Swimmingpools) „
  • Freibäder, die auf Stütztemperatur gehalten werden (öffentliche Freibäder, teilweise auch außenliegende Becken im Einfamilienhaus) „
  • Hallenbäder (Bäder, die bei ganzjähriger Nutzung ständig auf Stütztemperatur gehalten werden)

Als Stütztemperatur wird die gewünschte Mindesttemperatur des Beckenwassers bezeichnet. Diese wird durch eine Kesselanlage gewährleistet.

Generell sollte darauf geachtet werden, dass der Energiebedarf des Schwimmbeckens mit einer Abdeckung so gering wie möglich gehalten wird.

Swimmingpools

Bei nicht nachgeheizten Freibädern ergibt sich aufgrund der Sonneneinstrahlung auf die Beckenoberfläche eine Art „natürlicher Temperaturverlauf“. Eine Solaranlage ändert an diesem typischen Temperaturverlauf nichts, sie kann jedoch die Grundtemperatur um einige Grad erhöhen. Die Größenordnung des Temperaturhubs ist abhängig vom Verhältnis der Beckenoberfläche zur Absorberfläche. Wegen der vergleichsweise geringen Kollektortemperaturen und der Nutzungszeit (Sommer) hat der verwendete Kollektortyp keinen Einfluss auf die Werte. Erfahrungsgemäß sind bereits 3 bis 4 Kelvin Temperaturerhöhung ausreichend, um eine spürbar angenehmere Badetemperatur zu erzielen. Dies wird erreicht mit einer Kollektorfläche, die maximal halb so groß ist wie die Beckenoberfläche.

Beheizte Freibäder

Wird das Becken mittels konventioneller Heizungsanlage auf Stütztemperatur gebracht und gehalten, ändern sich das Betriebsverhalten der Solaranlage und deren Auswirkung auf die Beckentemperatur kaum. Die Solaranlage sorgt für einige Grad Celsius Temperaturerhöhung über die (so gering wie möglich) gewählte Stütztemperatur hinaus und vermeidet so im Sommer die Nachheizung. Da Freibäder nur im Sommer beheizt werden, steht die Kollektoranlage in der kalten Jahreszeit für die Heizungsunterstützung zur Verfügung. Sinnvoll sind hier deshalb Anlagen zur Kombination von Schwimmbaderwärmung, Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Für die Auslegung dieser Kombination wird zur Kollektorfläche für die Beckenwassererwärmung die Kollektorfläche für die Trinkwassererwärmung addiert. Zuschläge für die Heizungsunterstützung sind nicht notwendig.

Hinweis: Die Einbindung einer ­ Solaranlage in ein Hallen­bad ist zu komplex, um hier mit Faustregeln arbeiten zu ­können. Erforderlich ist statt­dessen eine vollständige Simulation des Ge­bäudes.

Temperaturverlauf unbeheiztes Freibad

Temperaturverlauf unbeheiztes Freibad

Standort: Würzburg
Beckenoberfläche: 40 m²
Tiefe: 1,5 m
Lage: geschützt und nachts abgedeckt