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Groß im SparenSolare Großanlagen - ein Systemüberblick

Solarthermische Anlagen werden vorwiegend in Ein- und Zweifamilienhäusern genutzt. Aber auch in Mehrfamilienhäusern, Hotels und Pflegeheimen wächst die Zahl der solarthermischen Großanlagen stetig. Denn es gibt in Deutschland mit rund 3 Mio. Mehrfamilienhäusern, darunter zwei Drittel mit mehr als sechs Wohneinheiten, großes Potenzial. Geht man im Heiztechnikbereich von einer jährlichen Sanierungsquote von 2–3% aus, umfasst dies jährlich 60.000 bis 90.000 Objekte.

 

Ausgangslage
Kleinere Mehrfamilienhäuser werden oft von Privatbesitzern vermietet oder sind Eigentümergemeinschaften. Je größer die Gebäude, desto eher werden sie von Wohnbaugesellschaften und -genossenschaften verwaltet. Je nach Eigentümer kann es verschiedene Gründe geben, eine solarthermische Anlage im Mehrfamilienhaus zu errichten. Dabei gilt es, zunächst zwischen Neubau und Bestand zu unterscheiden. Im Neubau muss das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) erfüllt werden. Für die Bestandssanierung in Baden-Württemberg gilt das Erneuerbare-Wärmegesetz Baden-Württemberg (EWärmeG) in ähnlicher Form. Solarthermie eignet sich besonders gut, diese Vorgaben umzusetzen, weil sie sich optimal in Systeme integrieren und mit unterschiedlichen konventionellen Wärmequellen wie Gas, Öl oder Fernwärme kombinieren lässt.
Doch es gibt noch bedeutendere Gründe, Solarthermie in Mehrfamilienhäusern einzusetzen. Die insbesondere für Eigentümergemeinschaften sowie für Hotels und Pflegeheime wichtigste Rolle spielen Energie- und damit Kosteneinsparungen. Hinzu kommen in jedem Fall eine Wertsteigerung der Immobilie und ein wichtiger Beitrag zum Umweltschutz.
Bei Vermietern hängt die Motivation, in eine Solaranlage zu investieren, zudem stark von den jeweils vorherrschenden Bedingungen im Wohnungsmarkt ab. Handelt es sich um einen Mietermarkt mit reichlich Wohnraum, liegt der Anreiz vor allem darin, die Mietnebenkosten zu senken. Der Vermieter kann sich so ein ökologisches Image verleihen, die Attraktivität des Gebäudes steigern und vor allem Leerstände vermeiden. In einem Vermietermarkt, also einem Markt mit knappem Wohnraum, kommt noch eine andere Motivation zum Tragen – die Modernisierungsumlage. Diese erlaubt es dem Vermieter, jährlich bis zu 11 % der entstandenen Kos­ten für die regenerative Heiztechnik auf die Kaltmiete umzulegen.

Bild 1: Zahl der Wohnungen nach Mehrfamilienhaus-Größenklassen. WE = Wohneinheiten

Trotz der vielen Vorteile ist das Potenzial solarthermischer Großanlagen auf den Dächern deutscher Mehrfamilienhäuser bislang nicht ausgeschöpft. Zur Zurückhaltung trägt sicherlich bei, dass die Planung aufwendiger ausfällt als bei Einfamilienhäusern. Ein Grund liegt womöglich auch im fehlenden Bewusstsein vieler Inves­toren und Hausbesitzer, dass auch solarthermische Anlagen im großen Maßstab längst Stand der Technik sind. In der Tat gibt es unterschiedliche solarthermische Systeme für Großanlagen, die sich seit Jahren etabliert haben. Dabei spielen unterschiedliche Ansätze zur hydraulischen Einbindung solarer Wärme eine Rolle.

Besonderheiten großer Solaranlagen
Bei der Gebäudesanierung und beim Neubau ist die Nutzung des Gebäudes entscheidend für die Auslegung einer passenden Solaranlage. Es ist wichtig zu unterscheiden, ob es sich beispielsweise um ein Mehrfamilienhaus, ein Pflegeheim, ein Hotel oder eine Sportstätte handelt, weil davon der individuelle Trinkwasserbedarf sowie das Zapfprofil und letztlich die Auslegung der Anlage abhängen.
Der Trinkwasserbedarf und die sogenannten Zapfspitzen sind bei großen Anlagen aufgrund schwankender Bewohnerzahlen und der zeitgleichen Nutzung von Duschen und Bädern besonders schwierig zu ermitteln. Solche Anlagen sind deshalb mit besonders großen Toleranzen auszulegen. Die Versorgung mit Trinkwasser muss zu jeder Zeit gewährleistet sein, auch in Spitzenbedarfszeiten dürfen die Zapftemperaturen nicht sinken. Weil die Größe von Trinkwasserspeichern begrenzt und ein tägliches Aufheizen der Vorwärmstufe auf mindestens 60 °C vorgeschrieben ist, ist es sinnvoll, Pufferspeicher und externe Wärmetauscher oder auch Frischwasserstationen ins System einzubinden.
Soll Solarthermie außer zur Trinkwassererwärmung auch zur Heizungsunterstützung dienen, gilt es, die Anlage so zu dimensionieren, dass möglichst wenig Stillstand (Stagnation) in den Kollektorfeldern entsteht. Denn Stillstände führen neben einer sinkenden Effizienz oft zu einer schnelleren Alterung des Solarfluides und bringen höhere Wartungs- und Servicekosten mit sich. Einen Stillstand gibt es immer dann, wenn sich die solare Wärme nicht ins System übertragen lässt und dadurch hohe Kollektortemperaturen entstehen, zum Beispiel im Hochsommer in der Ferienzeit. Deshalb ist es wichtig, auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kollektorfeldgröße und Pufferspeichervolumen zu achten.

Bild 2: Mit einer Speicherreihenschaltung lässt sich solare Wärme einfach in größere Heizsysteme einbinden.

Grundsätzlich ist die Wärmeversorgung eines Gebäudes als Gesamtkonzept zu betrachten. Es geht also nicht nur um die Auslegung des Kollektorfeldes, sondern auch um die intelligente Einbindung des Heizkessels oder der Fernwärme. Auch die Systemregelung ist dabei von zentraler Bedeutung. Für die Auslegung und Dimensionierung solarthermischer Anlagen lassen sich neben diversen Simulationsprogrammen auch Planungsunterlagen verwenden. Dabei gibt es folgende grundsätzliche Konzepte für solare Großanlagen: Speicherreihenschaltung, solares Vorwärmsystem, Frischwassersystem, Wärmezentrale.

Speicherreihenschaltung – unkomplizierte Einbindung
Mit einer Speicherreihenschaltung (Bild 2), lässt sich solare Wärme einfach in mittelgroße Heizsysteme einbinden. Häufig soll die Solaranlage in eine bestehende Anlage mit Trinkwasserspeicher integriert werden und die vorhandene Anlagentechnik weitgehend unangetastet bleiben. In einem solchen Fall lässt sich das bestehende System durch einen zusätzlichen Trinkwasserspeicher, den sogenannten Vorwärmspeicher, ergänzen, der mit solarer Wärme beladen wird.
Zusätzlich wird der Kaltwasseranschluss vom Bereitschaftsspeicher (dem Speicher im Bestand) auf den Vorwärmspeicher verlagert, sodass solarerwärmtes Wasser in den Bereitschaftsspeicher gelangen kann. Wenn bei einem hohen solaren Ertrag die Temperatur im Vorwärmspeicher höher ist als im Bereitschaftsspeicher, ist auch eine Umschichtung zwischen beiden möglich. Zu beachten ist dabei, dass das Trinkwasser im Bereitschaftsspeicher im Sinne des DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) zum Schutz vor Legionellen immer eine Temperatur von mindestens 60 °C aufweisen muss.
Der Vorwärmspeicher wiederum muss mindestens einmal täglich 60 °C erreichen. Gelingt das nicht durch solare Wärme, schichtet eine Umladepumpe das auf 60 °C erhitzte Wasser des Bereitschaftsspeichers in den Vorwärmspeicher um. Der Heizkessel muss den Bereitschaftsspeicher anschließend wieder auf die benötigten 60 °C aufheizen. Deshalb ist das Vorwärmspeichervolumen nicht zu groß zu dimensionieren.

Bild 3: Bei dem solaren Vorwärmsystem wird ein Großteil des Vorwärmspeichervolumens in den Heizungswasser-Pufferspeicher ausgelagert.

Bild 4: Aufbau eines Frischwassersystems, das Trinkwasser per Wärmetauscher im Durchfluss erwärmt.

Solares Vorwärmsystem – gut für Nachrüstungen
Bei der solaren Nachrüstung bedarf es ab ca. 1500 l Trinkwasservolumen (Bereitschafts- plus Vorwärmspeicher) einer anderen Systemlösung (Bild 3). Im Prinzip handelt es sich dabei um eine modifizierte Speicherreihenschaltung: Ein Großteil des Vorwärmspeicher-Volumens wird in den Heizungswasser-Pufferspeicher ausgelagert. Dadurch reduziert sich die Menge an zu bevorratendem Trinkwasser deutlich und auch die gegebenenfalls für die tägliche Aufheizung benötigte Energiemenge (bei nicht ausreichender solarer Wärme) verringert sich entsprechend.
Dieses System lässt sich relativ einfach installieren und eignet sich besonders gut für Nachrüstungen. Bei dieser Gelegenheit empfiehlt sich immer auch eine Überprüfung der Größe des vorhandenen Bereitschaftsspeichers. Denn häufig sind diese überdimensioniert, sodass bereits ein kleinerer Speicher dazu beiträgt, deutlich Energie zu sparen.

Frischwassersystem – Trinkwasser im Durchfluss
Eine ganz andere Variante solarer Großanlagen stellen Frischwassersysteme dar. Diese bevorraten kein Trinkwasser, sondern arbeiten nur mit Pufferspeichern und einer Frischwasserstation, die Trinkwasser per Wärmetauscher im Durchfluss erwärmt (Bild 4). Dieses Prinzip bietet damit hygienische Vorteile gegenüber einer Trinkwasserbevorratung. Zu beachten ist auch hier, dass in der Regel die Austrittstemperatur aus der Frischwasserstation nach DVGW mindestens 60 °C betragen muss. Entsprechend höher müssen die Vorlauftemperaturen aus dem Bereitschaftsteil des Pufferspeichers für die Frischwasserstation sein. Bei der Auslegung der Frischwasserstation ist besonders auf die jeweils mögliche Spitzenzapfung zu achten, also darauf, wie viele Personen gleichzeitig welche Menge Trinkwasser verbrauchen.
Beim Frischwassersystem beladen Solarkollektoren ein oder mehrere Pufferspeicher mit solarer Wärme. Sie wiederum versorgen die Frischwasserstation mit Wärme. Die Temperaturschichtung innerhalb des Speichers ist wichtig: Je niedriger die Temperatur im unteren Teil des Speichers, desto höher fallen die Kollektornutzungsgrade aus. Dagegen ist im oberen Teil, dem Bereitschaftsteil des Speichers, eine hohe Temperatur zur Versorgung der Frischwasserstation erforderlich.

Modular aufgebaute solare Anlagentechnik – von allem etwas
Eine komplexere, aber auch effizientere Lösung zur solaren Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung in Verbindung mit Frischwassertechnik sind modular aufgebaute Wärmezentralen (Bilder 5 und 6). Sie eignen sich für Mehrfamilienhäuser mit bis zu 30 Wohneinheiten sowie für Hotels und Pflegeheime ähnlicher Größenordnung. Dieses System, wie es von Buderus unter Bezeichnung „Logasol SAT-WZ midi“ angeboten wird, ist zwar hydraulisch deutlich anspruchsvoller, dank eines modularen Aufbaus jedoch einfach zu planen und zu installieren: Alle darin enthaltenen Komponenten sind bereits komplett vormontiert und verkabelt. Die Module sind in unterschiedlichen Baugrößen erhältlich und lassen sich miteinander kombinieren.
Solare Wärme gelangt bei der „Logasol SAT-WZ midi“ über das Solarmodul in den Pufferspeicher und kann so Trinkwasser- (im Vorrang) und Heizungsbedarfe unterstützen oder vollständig abdecken. Ähnlich wie beim Frischwassersystem soll bei fehlender Sonnenenergie der Speicher im unteren Teil – dem sogenannten Vorwärmteil – kalt sein. Die daraus resultierenden niedrigen Rücklauftemperaturen zum Kollektorfeld steigern die Nutzungsgrade und erhöhen damit den solaren Ertrag. Auch die Wahrscheinlichkeit eines Stillstandes wird reduziert.
Die indirekte Pufferbeladung hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Eine Versorgung der Heizkreise erfolgt bei entsprechendem solaren Ertrag entweder aus dem Puffer oder direkt vom Heizkessel – ohne Umweg über den Pufferspeicher. Wird Trinkwasser angefordert, obwohl kein solarer Ertrag vorhanden ist, muss der obere Teil des Pufferspeichers erwärmt werden. Das Speicher-Management leitet dann einen Teilvolumenstrom der Heizkreisversorgung in den Pufferspeicher. Das verlängert Kessellaufzeiten, verringert die Zahl der Kesselstarts und erhöht so den Nutzungsgrad.

Bild 5: Die „Logasol SAT-WZ midi“ eignet sich für Mehrfamilienhäuser mit bis zu 30 Wohneinheiten sowie für Hotels und Pflegeheime ähnlicher Größenordnung.

Bild 6: Ausgeführtes Beispiel einer modular aufgebauten Anlagentechnik.

Verbrauch vor Speicherung
Bei den meisten Großanlagen wird die solare Wärme vor der Nutzung zunächst im Pufferspeicher zwischengespeichert. Das Prinzip der Wärmezentrale „Logsol SAT-WZ“ (Buderus) hingegen lautet: Verbrauch vor Speicherung. Dafür sorgen drei in Reihe geschaltete Solarwärmetauscher (Bild 7).

Bild 7: Bei der „Logasol SAT-WZ“ lautet das Prinzip: Verbrauch vor Speicherung.

Die solare Wärme wird immer vorrangig über den ersten Solarwärmetauscher in die Trinkwassererwärmung übertragen. Die hierfür nicht nutzbare Wärme wird über einen zweiten Solarwärmetauscher den Heizkreisen direkt zugeführt. Dabei wird diese solare Wärme dem Beimisch-Volumenstrom für den Heizkreisvorlauf zugeführt. Erst wenn weder warmes Trinkwasser benötigt wird, noch Bedarf an Heizwärme besteht, wird die solare Wärme über einen dritten Solarwärmetauscher den Pufferspeichern zugeführt.

Ein weiterer Vorteil des Prinzips „Verbrauch vor Speicherung“ ergibt sich aus der niedrigen Rücklauftemperatur des Solarfluides durch die direkte Bedienung der Bedarfe. Das ermöglicht höhere solare Erträge und damit einhergehend einen höheren solaren Deckungsgrad. Auch das Risiko einer Stagnation im Kollektorfeld wegen zu hoher Temperaturen wird so deutlich reduziert. Zudem können die Pufferspeicher vergleichsweise klein dimensioniert werden, was Wärmeverluste verringert. Bei der Sanierung im Bestand sind kleinere Pufferspeicher in beengten Räumen ebenfalls vorteilhaft.
Das Trinkwasser wird im Durchflussprinzip erwärmt. Für die Deckung von Spitzenbedarfen steht zusätzlich ein relativ klein dimensionierter Trinkwasserspeicher zu Verfügung.
Als zusätzliche Besonderheit können beide Wärmezentralen „Logasol SAT-WZ midi“ und „Logasol SAT-WZ“ monatlich über Sonneneinstrahlung, Kollektorertrag, Nutzung der Solarwärme, Wärmelieferung von Kessel bzw. Fernwärme und Warmwasserverbrauch Auskunft geben. So werden der Anlagenbetrieb und der Solarertrag für den Betreiber transparent.

Fazit
Für nahezu jeden Anwendungsfall gibt es für größere und sehr große solarthermische Anlagen eine Lösung. Im Gesamtsystem aus effizienter Solar- und Heiztechnik sowie einem intelligenten Regelungskonzept lassen sich bei Großanlagen hohe Einsparungen erzielen. Mit der zusätzlichen Möglichkeit der Modernisierungsumlage hat so jeder, ob Mieter oder Eigentümer, einen enormen Vorteil von der Nutzung der umweltfreundlichen Sonnenenergie.

Autor: Christian Pfeiffer, Produktmanager Solartechnik/Speicher bei Bosch Thermotechnik GmbH (Buderus), Wetzlar

Bilder: Buderus


www.buderus.de

 


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