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Die Auflagen und Gesetzesvorgaben zwingen Immobilieneigentümer, bei einem Neubau einen bestimmten Anteil der Wärmeenergie über alternative Quellen einzubeziehen. Bei Strahlungsenergie (z.B. Solarthermieanlagen) sind es 15%. Da die Kosten der verschiedenen Systeme nicht unerheblich sind sowie deren Nutzen bzw. Amortisationszeit sich erheblich unterscheiden, ist eine Entscheidung zur richtigen Heiztechnik bzw. zum richtigen Heizsystem für den Hauseigentümer schwierig. Dies ist für Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser sowie große Wohnanlagen mit einer Vielzahl von Wohneinheiten gleichermaßen gültig.

Um die gesetzlich geforderten 15% regenerativen Energieertrags zu erbringen, werden vielerorts Solaranlagen zur Heizungsunterstützung mit Kombipufferspeicher, in dem ein Rohrwärmetauscher zur Warmwasserbereitung eingebaut ist, realisiert. Während beim Einfamilienhaus die Gesamtkosten von nur einem „Nutzer“ aufzubringen sind, teilen sich die Kosten einer größeren Anlage auf die Gesamtanzahl, z.B. 15 Nutzer, auf. Dadurch verringert sich der Preis je m² erheblich. Überschreitet die Wohnungsanzahl bzw. Wohnfläche jedoch eine kritische Grenze, so reicht eine Anlage für die Anforderungen nicht mehr aus, bzw. der Aufwand wäre unverhältnismäßig hoch, um eine befriedigende bzw. funktionsfähige Anlage zu erstellen.

Auswahl der Systeme
In Deutschland sind Öl, Gas, Holz, Strom und Sonne die wesentlichen Ener­gieträger. Sie kommen als mono- oder bivalente Systeme in unterschiedlichen Kombinationen zur Anwendung. Am häufigsten werden die fossilen Energieträger Öl und Gas im Wohnungsbau eingesetzt. Mithilfe der Brennwerttechnik sowie weiteren technischen Veränderungen am Kessel und optimierten Anlagenkonzepten konnten die Wirkungsgrade wesentlich verbessert werden. Auch Holz als nachwachsender Brennstoff konnte sich in den letzten Jahren durch moderne Heizkesselsysteme wie Stückgutkessel oder Pelletanlagen etablieren. Auch elektrisch betriebene Wärmepumpen (Wasser/Wasser, Sole/Wasser, Luft/Wasser) sind zwischenzeitlich im Neubaubereich weit verbreitet.
Um die Energieressourcen zu schonen und den Rauch- sowie Abgasausstoß wie Staub, CO₂, NO_x oder andere umweltschädigende sowie globaltemperaturerhöhende Stoffe zu verringern, wird eine Vielzahl der Anlagen mit Solarthermie ergänzt. Eine solche Kombination wird als Hybridanlage bezeichnet.

Wirtschaftlichkeit ist gegeben
In Deutschland kann man im Jahr – von Nord nach Süd gesehen – von ca. 900 bis 1100 kW je m² möglicher solarer Einstrahlung ausgehen. Davon können ca. 30% als Ertrag nutzbar gemacht werden. Neben der geografischen Lage spielt die topografische Situation wie Insel-, Küstenlage mit geringer Bewölkung oder Täler in Gebirgslage mit häufiger Bewölkung eine weitere Rolle. Selbst Beschattungen von Gebäuden oder des Baumbestandes wirken sich auf den möglichen Ertrag aus.
Rentabel ist i.d.R., wenn die Kollektoren in südliche Richtungen (SO, S oder SW) ausgerichtet sind. Hinzu kommt noch die Dachschräge bzw. der Anstellwinkel der Kollektoren. Je nördlicher die Anlage steht, desto steiler, z.B. 60°, sollten die Kollektoren montiert werden. Im Süden sollte der Anstellwinkel nicht unter 30° liegen. Die durchschnittliche Sonneneinstrahlung eines Gebietes oder Ortes kann aus Klimakarten abgelesen werden.
In Deutschland geht man davon aus, dass der Ertrag einer Solaranlage für die ausschließliche Trinkwassererwärmung 20% bis 60% der Energiekosten einsparen kann. Diese Einsparung ist in Relation zu den Erstellungs-, Wartungs- und Reparaturkosten sowie der durchschnittlichen Lebenserwartung derartiger Anlagen zu stellen.
Werden alle Faktoren berücksichtigt, ergeben sich für die Investitionskosten ca. 6000 bis 14.000 Euro und eine Amortisationszeit zwischen 8 und 15 Jahren. Die Lebenserwartung einer solarthermischen Anlage liegt bei 20 bis 25 Jahren. Dies bedeutet, dass während der Lebensdauer der Investitionsbetrag in etwa als Gewinn erwirtschaftet wird. Damit erreicht man eine theoretische Verzinsung des eingesetzten Kapitals von ca. 5% pro Jahr. Steigen die Energiekosten, dann erhöht sich auch die Rentabilität entsprechend. Doch jede Anlage muss unbedingt für sich gesehen, berechnet und ausgeführt werden. Die Bauart, Größe des Pufferspeichers, die Brauchwasserbereitung, die Größe der Kollektorfläche, deren Ausrichtung und Neigungswinkel in Südrichtung sind für die Rentabilität ausschlaggebend. Mit der Verringerung des CO₂-Ausstoßes ist die Umwelt in jedem Falle der Gewinner.

Regeln für die Dimensionierung
Die Größe der Solaranlage richtet sich nach dem verwendeten Kollektorsystem (Flachkollektor, Röhrenkollektor), dem Wärmeträgermedium (Wasser, Glykol) sowie deren Aufgaben (nur Trinkwassererwärmung, Heizungsunterstützung). Im Mittel verbraucht jede Person in Deutschland im Haushalt z.B. für Körperhygiene und Reinigungsarbeiten 40-80 l Warmwasser pro Tag. Für die Warmwasserbereitung eines Ein- oder Zwei-Familienhauses reicht somit i.d.R. eine Kollektorfläche von 1 bis 2 m² je Person und ca. 80 bis 100 l Speichervolumen pro Person aus. Damit können ca. 50-60% der Energie­kos­ten im Jahr für Trinkwassererwärmung eingespart werden. Da über den Sommer (Mai bis August) die Kesselanlage zudem fast stillsteht, erhöht sich der Nutzen einer Solaranlage um die nicht eintretenden Abgas- und Stillstandsverluste sowie die Verlängerung der Lebenserwartung des Kessels weiter.
Wird der Solarertrag auch zu Heizzwecken verwendet, erhöht sich der Installationsbedarf. Die Kollektorfläche sollte ca. 2-3 m² je Person, das Speichervolumen je m² Wohnfläche mindestens ca. 5 l betragen. Mit einer optimalen Solarthermieanlage lassen sich dann bis zu 30% der jährlichen Energiekosten für Heizung und Trinkwassererwärmung einsparen.
Bei südöstlicher, südwestlicher Ausrichtung ist die Kollektorfläche um ca. 10-30% zu erhöhen. Statt Flachkollektoren können auch Röhrenkollektoren, die einen höheren Ertrag generieren, eingesetzt werden. Für ungünstige Neigungswinkel sollten ca. 5-15% größere Kollektorflächen gewählt werden oder durch entsprechende Konstruktionen oder Aufbauten die Ausrichtung der Kollektoren in südliche Richtung und deren Neigungswinkel verbessert werden. Steiler aufgestellte Kollektoren haben im Winter einen besseren Wirkungsgrad und den Vorteil, dass sie schneller schneefrei werden.

Berechnung ist notwendig
Für eine optimale Auslegung sind standortbezogene, nutzerbezogene und anlagenspezifische Daten erforderlich. Diese werden in Simulationsprogramme eingegeben. Hinsichtlich der Energieeinsparung folgendes Beispiel (stichwortartige Zusammenstellung): Einfamilienhaus, 300 m² Wohnfläche, vier Personen, 200 l Warmwasserverbrauch am Tag, Gesamt­energiebedarf für Heizung und Warmwasser rund 35.800 kWh/Jahr, Heizsys­tem Gas-Brennwertkessel, Röhrenkollektorfläche 24 m², Aufstellung 30° Neigung mit 45° Südabweichung, möglicher Ertrag 7000 kWh/a, Deckungsrate:

• Warmwasser ca. 78%
• Heizung ca. 12%

Ökobilanz: Energieeinsparung 7000 kWh/a
Einsparung an Erdgas H: 675 m³
Einsparung CO₂-Emissionen: 1280 kg/a

In Simulationsprogrammen können die Anlageneckdaten weiter bearbeitet sowie der Anlagenaufbau verändert bzw. optimiert werden. Größere Kollektorflächen und/oder Speicher führen nicht zwangsläufig zu einer besseren Wirtschaftlichkeit und könnten sich sogar negativ auswirken. Würden die Kollektoren jedoch z.B. durch Unterbauen mit einem Neigungswinkel von 40° montiert, könnte der Ertrag um ca. 6-8% erhöht werden. Durch drehen der Röhren oder seitliches Unterbauen könnte auch die Südabweichung auf ca. 30° verringert werden, was zu einer weiteren Ertragssteigerung von 10-15% führen würde. So läge der Ertrag auf mehr als 8000 kWh/a (Deckungsrate 23-26%). Bei der Ausführung wäre jedoch die erhöhte Windlast durch verstärkte Befestigungsmaßnahmen zu berücksichtigen.

Unterscheidung der Kollektoren
Jeder Hersteller hat seine eigene Philosophie. Bei Flachkollektoren sind auf oder in metallische Absorberflächen Metallrohre eingesetzt. Die einzelnen Flächen sind in Rahmen eingefasst, nach unten isoliert und besitzen eine Glasabdeckung. Die einzelnen Kollektorfelder werden auf oder in die Dachfläche eingesetzt. Die Anschlüsse für den solaren Vor- und Rücklauf sind seitlich angebracht. So können die Kollektoren miteinander verbunden werden.
Bei Röhrenkollektoren sind U-Rohre auf die schmalen Wärmeübertragungsflächen eingesetzt. Sie werden in einzelne Röhren von 50-80 mm Durchmesser eingesetzt, die luftfrei bzw. in einem Vakuum oder mit einem Isoliergas umgeben sind. Die Röhren werden in einen Sammlerbalken eingesetzt. Bei der durchströmten Anbindung fließt der Anlagenrücklauf in den Verteilerbalken, durchströmt die einzelnen U-Rohre der Röhren. Dabei erwärmt sich die Sole und fließt als Vorlauf zum Pufferspeicher. Bei der sogenannten trockenen Anbindung verdampft das Wärmeträgermedium in den U-Rohren (Heat-Pipe) und steigt nach oben an einen kolbenförmigen Wärme­übertrager auf. Die durch den Rücklauf in den Sammelbalken fließende Flüssigkeit nimmt die Wärme des Kolbens auf. Das in der U-Röhre befindliche Wärmeträgermedium kondensiert und fließt wieder nach unten.