Solare Heizungsunterstützung für Industriehallen - Einbindung von luftbasierten Solarkollektoren in ein Hallenheizsystem
Die Energieeffizienz von Wohngebäuden ist schon länger im Blickfeld von Politik und Nutzern. Zunehmend werden aber auch im gewerblichen Bereich höhere Standards gefordert. Das betrifft einerseits den Komfort für den Nutzer, andererseits den Energieverbrauch und damit die Betriebskosten des Gebäudes. Hallengebäude erfordern durch das große Raumvolumen und die geringe Gebäudekapazität spezielle Techniken. Häufig werden luftgestützte Hallenheizsysteme angeboten, mit denen sowohl die Temperierung als auch die Frischluftzufuhr sichergestellt werden. Durch Sonnenenergienutzung können die Betriebskosten solcher Anlagen reduziert werden. Der Einbau dieser Technik wird in Deutschland beispielsweise über die BAFA-Innovationsförderung mit 180 Euro/m² Kollektorfläche gefördert.
Auch bei gewerblich genutzten Hallengebäuden spielen Komfort und Energieeffizienz eine wichtige Rolle.
Solarluft-Kollektoren auf dem Dach bringen Sonnenenergie in Form von warmer Luft ins Gebäude. Die Einbindung der solar erzeugten Wärme in die Hallenluftheizung erfolgt über die Umluftansaugung der Luftheizanlage.
Hohe Effizienz und Betriebssicherheitder Kollektoren durch spezielle Solarverglasung und Luft als Wärmeträgermedium.
Standardmontagesysteme ermöglichen eine Montage auf üblichen Hallendächern auch bei großen Spannweiten.
Solare Hallenheizung der Firma LK-Hallenheizung aus Schwabach mit Grammer Solar-Luftkollektoren vom Typ Jumbosolar. Bild: LK-Metall
Almut Petersen.
Ein luftgestütztes Hallenheizsystem saugt Luft an, erwärmt diese und transportiert sie über ein Rohrverteilsystem dorthin, wo Wärme benötigt wird. Bereits bei geringer Solarstrahlung kann ein Teil der benötigten Heizenergie für die Halle über spezielle Solar-Luft-Kollektoren von der Sonne bereitgestellt werden: Die Kollektoren auf dem Dach wandeln das Sonnenlicht in Wärme um und geben diese Energie an die Luft ab. Mithilfe eines Ventilators wird diese erwärmte Luft über die Umluftansaugung der Luftheizanlage dem Hallenheizsystem zugeführt. Ein simples, aber effizientes Prinzip.
Bereits bei einer Solarstrahlung von unter 250 W/m2 (volle Einstrahlung ~1000 W/m2) erhitzen sich die Kollektoren so stark, dass die Luft in den Kollektoren wärmer ist als die Hallenluft: Dann beginnt die Solaranlage zu arbeiten und bläst die warme Luft unter die Hallendecke. Dort bildet sich ein „Wärmepuffer“. Die solar erwärmte Luft wird dann bedarfsgerecht mithilfe von Deckenventilatoren oder über die Hallenluftheizung in der Halle verteilt. Reicht die solare Wärme nicht aus, schaltet sich automatisch die Hallenheizung ein und erwärmt die Luft auf den gewünschten Sollwert.
Die Regelung der Solaranlage kann in die Gesamtregelung integriert werden oder über eine separate Temperaturdifferenz-Solarregelung erfolgen. Die bestehende Regelung der Hallenheizung ist davon dann unberührt. Dadurch ist eine Einbindung auch in Bestandsanlagen ohne großen regeltechnischen Aufwand möglich.
Verglaste Solarluft-Kollektoren – effizient und betriebssicher
Ein schwarzer Aluminiumabsorber, durch den die Luft gesaugt wird, darüber eine Abdeckung aus transparentem Sicherheitssolarglas und dahinter eine Isolierung aus Steinwolle – das Ganze wetterfest verpackt und schon kann die Sonnenernte beginnen. Einfrieren, auslaufen, abdampfen ist bei Luftkollektoren gänzlich unmöglich. Das gewährleistet einen störungsfreien Betrieb auch nach Stillstandsperioden und unter extremen Bedingungen.
Solaranlagen benötigen „einen Platz an der Sonne“. Meistens bietet sich dafür das Hallendach oder auch die Südfassade der Halle an. Für die üblichen Hallenkonstruktionen liegen Standardmontagesysteme vor. Die bei Industriehallen üblichen großen Spannweiten zwischen den Metallträgern der Dachkonstruktion können mit einem speziellen T4-Profilträger überbrückt werden. Zu beachten ist jeweils die Traglast des Hallengebäudes, die im Einzelfall mit einer statischen Berechnung überprüft werden muss.
Anlagenauslegung und solarer Ertrag
Solare Zusatzheizungen können je nach Kundenwunsch für eine größere oder geringere solare Deckung ausgelegt werden. Lange Betriebszeiten und damit eine hohe Wirtschaftlichkeit wird bei einer Auslegung auf ca. 15% des Energiebedarfs erreicht. Dazu wird in Deutschland abhängig von Temperaturniveau, Nutzungsprofil und Gebäudequalität auf 50m³ Hallenvolumen etwa 1m² Kollektorfläche eines hocheffizienten Luftkollektors benötigt. Üblicherweise sind die Hersteller bei der Kollektorauslegung behilflich. Es gibt aber auch Planungstools wie T-Sol pro, mit denen über eine Simulationsrechnung der Solarertrag für verschiedene Standorte und Anlagenkonfigurationen prognostiziert werden können.
In Deutschland ist der Einsatz regenerativer Energiequellen zur Beheizung von Gebäuden auch im gewerblichen Bereich im EEWärmeG (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz) vorgeschrieben – zum Beispiel 15% solar. Diese Anforderung kann bei Hallengebäuden in der Regel mit einer Solarluftanlage erfüllt werden. Der Einsatz von Solartechnik wird in Deutschland weiterhin staatlich gefördert. Bei größeren Objekten kommt zum Beispiel die Innovationsförderung der BAFA infrage, bei der pro m2 Kollektorfläche 180,- Euro Zuschuss gezahlt werden.
Beispielanlage in Schwabach
Die 20 m2 große nach Süden ausgerichtete Luftkollektor-Anlage hat eine Spitzenleistung von 13,4 kW. Sie wurde über spezielle T4-Profilträger auf dem Industriedach montiert, die die bei Industriehallen üblichen großen Spannweiten zwischen den Metallträgern der Dachunterkonstruktion ermöglichen. Die Einbindung der solar erwärmten Luft in die Hallenluftheizung erfolgt über die Umluftansaugung der Luftheizanlage. Ist die Hallenluftheizung nicht in Betrieb, so bläst das Solar-Luft-System die Energie unter die isolierte Hallendecke. Über die Hallenluftheizung oder über Deckenventilatoren kann der „Wärmepuffer“ später bedarfsgerecht genutzt werden (rechtes Bild auf Seite 47).
Die von der Firma Grammer Solar vertriebenen Luftkollektoren vom Typ Jumbosolar können als Kollektorsystem inklusive Ventilator, Montagesystem und Regelung bei der Firma Grammer Solar aus Amberg (Bayern) bezogen werden. Die Kollektoren werden dort auch produziert. Die Integration in das bestehende Hallenheizsystem erfolgt in der Regel bauseits. Die Firma LK-Hallenheizung hat die Luftkollektoren vom Typ Jumbosolar in ihr Hallenheizsystem Rheinland RE integriert. Heizgerät, Kollektorgröße und Regelkonzept sind hier bereits aufeinander abgestimmt, was den bauseitigen Planungsaufwand reduziert.
Nachgefragt
IKZ-HAUSTECHNIK: Welche maximalen Lufttemperaturen lassen sich mit modernen Kollektoren in der Praxis erzielen? Gibt es eine Temperaturgrenze? Und welche Volumenströme werden gefahren?
Almut Petersen: Üblicherweise werden im Anlagenbetrieb maximale Kollektortemperaturen von 50 bis 60°C bei einem Volumenstrom von etwa 700m³/h pro Kollektorstrang erreicht. Der Volumenstrom pro Kollektorstrang kann auf bis zu 2000m³/h erhöht werden. Die maximal erreichbare Temperatur im Kollektor ist die Stillstandstemperatur des Kollektors, die bei Grammer-Solar-Kollektoren bei knapp 150°C liegt.
IKZ-HAUSTECHNIK: Lässt sich das System mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kombinieren, um den Energieertrag aus der Umwelt zu erhöhen?
Almut Petersen: Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen üblicherweise entweder Abwärme oder Umweltwärme. Selbstverständlich kann auch eine solare Vorerwärmung sinnvoll sein, insbesondere wenn die Wärme über Tag benötigt wird. Leider vertragen die meisten Wärmepumpen aber keine hohen Lufttemperaturen, sodass bei starker Solarstrahlung kalte Luft beigemischt werden muss. Obwohl diese Lösung in Einzelprojekten immer wieder umgesetzt wird, gibt es aktuell keinen Wärmepumpenhersteller, der eine solche Lösung als Standard anbietet, was gegebenenfalls zu Gewährleistungsproblemen führen kann.
IKZ-HAUSTECHNIK: Mit welchen Amortisationszeiten werden die Projekte kalkuliert, von welchen Investitionen reden wir hier?
Almut Petersen: Für eine 20-m²-Solaranlage zur solaren Hallenheizung muss man mit einer Investitionssumme von etwa 6400 Euro rechnen, wobei hier die staatlichen Zuschüsse abgezogen sind. Üblicherweise hat sich eine solche Anlage dann in knapp 7 Jahren amortisiert. Grammer Solar leistet selbstverständlich Unterstützung bei der Beantragung von Fördermitteln, bei denen auch eine projektspezifische Ertragsprognose für die Solaranlage eingereicht werden muss.
IKZ-HAUSTECHNIK: Da Luft eine sehr geringe Wärmespeicherkapazität besitzt, erscheint die Pufferung des Solarertrags in Form eines Luftpolsters unter der isolierten Hallendecke auf den ersten Blick als wenig effizient. Gibt es Alternativen?
Almut Petersen: Das Preis-Leistungs-Verhältnis einer solchen Pufferung unter der Hallendecke ist unschlagbar, weil keinerlei zusätzliche Investitionen notwendig sind. Zusätzlich sollte die Kapazität des Gebäudes bzw. des Mobiliars bestmöglich genutzt werden, indem die maximal zulässige Temperatur bei solarer Heizung höher liegt als die Solltemperatur des konventionellen Systems. Das kostet auch nichts.
IKZ-HAUSTECHNIK: Wird die solar erwärmte Luft vor oder nach dem Kollektor gefiltert?
Almut Petersen: Die Luft wird bei Grammer Solar-Systemen grundsätzlich vor dem Kollektor gefiltert, damit der Kollektor nicht von innen verschmutzt und somit die Leistungsfähigkeit erhalten bleibt. Wenn spezielle zusätzliche Anforderungen an die Luftqualität gestellt werden, kann selbstverständlich eine zusätzliche Filterung nach den Kollektoren erfolgen.
IKZ-HAUSTECHNIK: Welche Kosten entstehen für die Wartung und den Betrieb der Anlage?
Almut Petersen: Die Kollektoren brauchen an sich keine Wartung. Wie bei jedem Lüftungssystem müssen allerdings die Filter regelmäßig gereinigt bzw. ausgetauscht werden. Strom wird nur verbraucht, wenn auch Sonnenenergie geerntet wird. Für 50 kWh Wärme wird bei direkter Luftführung nur etwa 1 kWh elektrische Energie benötigt.
IKZ-HAUSTECHNIK: Abschließende Frage: Welche weiteren Anwendungsgebiete sehen Sie für diese Technik?
Almut Petersen: Überall dort, wo warme Luft benötigt wird und zur gleichen Zeit die Sonne scheint, können Luftkollektoren zum Einsatz kommen. Viele Trocknungs- oder industrielle Prozesse benötigen warme Luft, zum Beispiel Mälzereien oder Textilfabriken. Da wird ganzjährig Wärme gebraucht, weswegen sich die Anlagen dann noch deutlich schneller amortisieren. Für Prozesswärme gibt es seit letztem Sommer zudem eine sehr interessante Förderung über die BAFA von bis zu 50%. Ansonsten werden Luftkollektoren häufig als solare Lüftungen im Wohnbereich eingesetzt, speziell nach der energetischen Sanierung, wenn die Fenster dicht sind oder bei Feuchtigkeitsproblemen von Kellerräumen oder in Ferienwohnungen. Interessant sind Luftkollektoren auch bei extremen Klimabedingungen in den Höhenlagen der Berge oder auch in heißen Ländern, weil Luft weder einfrieren noch überhitzen kann.
Autorin: Dipl. Phys. Almut Petersen, Geschäftsleitung Vertrieb bei Grammer Solar
Bilder: Wenn nicht anders angegeben, Grammer Solar
