Solarthermie im GebäudebestandModernisierungskonzepte für Ein- und Zweifamilienhäuser

Unverzichtbar: Die gründliche Bestandsaufnahme
Bis zu 60 % der pro Jahr zur Warmwasserbereitung benötigten Energie kann von thermischen Solaranlagen bereitgestellt werden. Noch mehr Brennstoff kann gespart und der CO2-Ausstoß noch weiter verringert werden, wenn die Anlage auch die Heizung unterstützt. Eine sehr gute Wärmedämmung und luftdichte Bauausführung vorausgesetzt, lassen sich bis zu einem Drittel des Gesamtwärmebedarfs mit solarer Wärme decken. Doch auch im weniger gut gedämmten Gebäudebestand kann die solare Heizungsunterstützung eingesetzt werden. In jedem Einzelfall sollte geprüft werden, ob eine solare Heizungsunterstützung energetisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Bild 1: Der Speicher bildet die Schnittstelle zwischen Heizung und Solaranlage (vereinfachtes Schema für solare Trinkwassererwärmung).

Während für die solare Trinkwassererwärmung im Wesentlichen der tägliche Warmwasserbedarf der Bewohner sowie die Ausrichtung und Größe der Dachfläche für die Kollektormontage von Bedeutung sind, hängt die Wirksamkeit der solaren Heizungsunterstützung in erheblichem Maße von der energetischen Qualität des Gebäudes (Dämmung, Luftdichtheit) ab. Zu Beginn der Planung müssen deshalb eine Bestandsaufnahme der Bausubstanz und die exakte Ermittlung des Wärmebedarfs erfolgen. Erst dann können zum Beispiel mithilfe von Simulationsprogrammen gesicherte Aussagen darüber gemacht werden, ob die solare Heizungsunterstützung im konkreten Bestandsgebäude sinnvoll ist.
Unabhängig davon, ob nun eine solare Unterstützung der Heizung oder nur eine solare Trinkwassererwärmung installiert werden soll, schafft eine Bestandsaufnahme der vorhandenen Anlagentechnik Klarheit darüber, welche Komponenten überhaupt nachgerüstet werden müssen:

Bild 2: Kompaktgerät „Vitosolar 300-F“ (Viessmann) mit Gas- bzw. Öl-Brennwertgerät, multivalentem Kombispeicher für die solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung sowie Mischer, Hocheffizienzpumpen und Regelung.

Speicher
Dem Speicher kommt eine besondere Bedeutung zu. Er dient zum einen als Schnittstelle zwischen der Heizungs- und der Solaranlage und übergibt das solar vorerwärmte Wasser zum eventuell erforderlichen Nacherwärmen an das Heizsys­tem. Zum anderen ist er auch erforderlich, um die solar gewonnene Wärme für die spätere Nutzung zu bevorraten (Bild 1). In den weitaus meisten Fällen wird nur ein monovalenter Speicher vorhanden sein, der die zusätzliche Nutzung von Solarenergie nicht ohne Weiteres zulässt.

Rohrleitungen
In der Regel werden auch noch keine Rohrleitungen zum Anschluss von Solarkollektoren verlegt sein. Es müssen dann Leitungswege gefunden werden, die möglichst kurz sind und damit verlustarm die Wärme von den Kollektoren in den Speicher überführen.
Sind bereits Rohrleitungen vorhanden, sollte deren Querschnitte überprüft werden. Zu kleine Dimensionen haben unnötig hohe Druckverluste zur Folge, die durch eine höhere Pumpenleistung ausgeglichen werden müssen. Zu große Querschnitte – besonders in den senkrechten Leitungen – führen zur Ansammlung von Luft im Kollektorfeld, da die Luftbläschen in Wasser-Glykol-Gemischen bei Fließgeschwindigkeiten unter 0,4 m/s nicht mehr mitgezogen werden.

Bild 3: Gas-Brennwert-Kompaktgerät mit allen für die solare Trinkwassererwärmung erforderlichen Komponenten.

Regelungstechnik
Ein wichtiger Prüfpunkt ist die Regelung des vorhandenen Heizkessels. Moderne Solarregelungen stimmen die unterschiedlichen Wärmequellen optimal aufeinander ab und räumen der kostenlosen Sonnen­energie stets oberste Priorität ein. Voraussetzung dafür ist, dass beide Regelungen miteinander kommunizieren können. Die Kesselregelung muss daher mit der Solarregelung Daten austauschen können. Im Zweifelsfall sollte frühzeitig beim Hersteller geklärt werden, ob und wie eine Verbindung zwischen beiden Regelungen möglich ist.
Vorteile bieten diesbezüglich Komplett­anbieter, die sowohl Heizkessel als auch Solaranlagen im Programm haben. Hier sind alle Komponenten und insbesondere auch die Regelungen aufeinander abgestimmt, sodass deren problemloses Zusammenspiel gewährleistet ist.

Vollständige Anlagenmodernisierung
Wird eine Solaranlage im Rahmen der kompletten Erneuerung der Heizung ins­talliert, werden also zugleich auch Heizkessel, Speicher-Wassererwärmer und die Verrohrung ausgetauscht, so entspricht dies im Wesentlichen der Situation im Neubau. Dabei können alle Teilsysteme genau aufeinander abgestimmt werden. In diesen Fällen können in der Regel die üblichen Anlagenkonzepte wie zum Beispiel das in Bild 1 gezeigte zum Einsatz kommen.

Bild 4: Vakuum-Röhrenkollektoren können in allen Positionen montiert werden – flach liegend oder geneigt auf Dächern und senkrecht bzw. waagerecht an Fassaden. Die Röhren sind axial drehbar und können zur Sonne hin ausgerichtet werden.

Darüber hinaus bieten sich insbesondere für Einfamilienhäuser mit den modernen Kompaktgeräten besonders platzsparende und montagefreundliche Lösungen an. Sie beinhalten neben dem Wärmeerzeuger und einem bi- bzw. multivalenten Speicher auch die gesamte Solartechnik, sodass praktisch nur noch die Rohrleitungen der Kollektoren angeschlossen werden müssen. Ein Beispiel für eine solche komplette Heizzentrale mit solarer Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung ist das in Bild 2 gezeigte Gerät. Alle Komponenten – wahlweise ein Gas- oder Öl-Brennwertgerät, ein 750-l-Kombispeicher, die Verrohrung, Mischer, Hocheffizienzpumpen sowie die Regelung – sind in einer Einheit zusammengefasst. Das spart gegenüber der herkömmlichen Lösung aus getrennt montierten Anlagenkomponenten nicht nur erheblich Platz, auch der Aufwand für Planung und Montage wird deutlich vereinfacht und verkürzt. Gemäß dem Prüfprogramm der Stiftung Warentest erzielen diese Geräte in Bestandsgebäuden solare Deckungsraten von mehr als 12 %. Sie erfüllen die Anforderungen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) sowie des Erneuerbare-Wärme-Gesetzes (EWärmeG für Baden-Württemberg) und können vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert werden.
Auch wenn nur das Trinkwasser mithilfe der Solarenergie erwärmt werden soll, sind entsprechend komplett ausgestattete Brennwert- und Wärmepumpen-Kompaktgeräte verfügbar. Da für die Trinkwassererwärmung und -bevorratung ein deutlich kleinerer Speicherbehälter erforderlich ist als für die Heizungsunterstützung, benötigen solche Geräte nur sehr geringe Aufstellflächen von etwa 0,4 m2 und passen in das Küchenraster (Bild 3).

Nachrüsten von Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung
Die Nachrüstung von Solaranlagen reicht von der nachträglichen Montage eines Kollektorfeldes bis hin zur Installation des kompletten Solarkreislaufs einschließlich eines bivalenten Speicher-Wassererwärmers.

Bild 5: Bestandteile einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung.

Nachrüsten von Kollektoren
Der einfachste Fall der Nachrüstung liegt dann vor, wenn lediglich noch Solarkollektoren zu montieren und an bereits vorhandene Rohrleitungen anzuschließen sind. In diesen Fällen sind alle wichtigen Komponenten – vor allem ein bivalenter Speicher-Wassererwärmer und die Verrohrung zwischen Speicher und Hausdach – bereits eingebaut. Es müssen dann nur noch die Kollektoren entsprechend des Bedarfs, der vorhandenen Komponenten und der Aufstellbedingungen montiert werden.
Flach- und Vakuum-Röhrenkollektoren sind für den nachträglichen Einbau gleichermaßen geeignet. Flachkollektoren bieten ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis. Vakuum-Röhrenkollektoren haben aufgrund ihrer Bauweise einen besseren Wirkungsgrad. Um den gleichen solaren Ertrag zu erzielen, benötigen sie deshalb etwas weniger Fläche als Flachkollektoren. Besondere Vorteile bieten Vakuum-Röhrenkollektoren, die lageunabhängig montiert werden können (Bild 4). Sie können vertikal und horizontal in jedem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° montiert werden und bieten so eine große Flexibilität bei der Wahl des Montageortes.

Nachrüsten des gesamten Solarkreislaufs
In der Praxis wird es wesentlich häufiger vorkommen, dass sämtliche Komponenten – vom Speicher-Wassererwärmer bis zu den Kollektoren – nachgerüstet werden müssen (Bild 5). Für den Betrieb einer thermischen Solaranlage ist immer auch ein Speicher erforderlich, der die solare Wärme für die spätere Nutzung bevorratet. Wird zur Heizungsmodernisierung eine Solaranlage zur Trinkwassererwärmung installiert, so ist sehr oft ein Speicher-Wassererwärmer vorhanden, der jedoch nur als monovalenter Speicher ausgeführt ist und deshalb neben dem Heizkessel keine weitere Wärmequelle nutzen kann. Üblicherweise wird dieser Speicher dann gegen einen bivalenten Speicher-Wassererwärmer ausgetauscht.
In bivalenten Speichern, oft auch als Solarspeicher bezeichnet, ist ein zweiter Wärmetauscher eingebaut, der die solare Wärme auf das Trinkwasser überträgt. Damit dieser Ertrag möglichst hoch ausfällt, muss die Temperaturdifferenz zum Kollektor groß sein. Der Wärmetauscher für die solare Wärme befindet sich deshalb im unteren Speicherbereich, da dort das kalte Leitungswasser zufließt. Speichervorlauf- und -rücklauf des Heizkessels werden an den oberen Wärmetauscher angeschlossen. Ist die Sonneneinstrahlung nicht ausreichend, heizt der Wärmeerzeuger nach. Die Montage der Solaranlage vereinfacht sich erheblich, wenn ein Solarspeicher verwendet wird, bei dem alle wesentlichen hydraulischen und regelungstechnischen Komponenten bereits anschlussfertig vorhanden sind (Bild 6).
Als Alternative dazu besteht auch die Möglichkeit, einen zweiten monovalenten Speicher-Wassererwärmer zur Aufnahme der solaren Wärme zu installieren. Diese Zwei-Speicher-Lösung erfordert allerdings einen entsprechenden Platz im Aufstellraum – der nicht immer vorhanden ist – sowie eine zusätzliche Zirkulationspumpe für die Umschichtung des Wassers zwischen den beiden Speichern.
Unabhängig von der jeweils gewählten Speicher-Lösung erfolgt die Auswahl und Dimensionierung der weiteren Komponenten des Solarkreises nach den gleichen Regeln wie bei vergleichbaren Anlagen im Neubau.

Bild 6: Bivalenter Speicher-Wassererwärmer mit vormontierter Pumpengruppe, Verrohrung, Befüllarmatur, Solarregelung, Speicherthermometern und Luftabscheider.

Nachrüsten von Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung
Grundsätzlich kann im Rahmen einer Heizungsmodernisierung auch eine Solaranlage installiert werden, die neben der Trinkwassererwärmung auch die Wohnraumbeheizung unterstützt. An kalten Tagen und abends, wenn üblicherweise eine Beheizung der Wohnräume gewünscht wird, steht dazu allerdings nicht genügend Sonnenenergie zur Verfügung. Deshalb muss zu Zeiten hoher Sonneneinstrahlung möglichst viel Wärme gespeichert werden. Neben einem bivalenten Speicher-Wassererwärmer für das Trinkwasser wird darum ein Heizwasser-Pufferspeicher installiert (Bild 7).

Bild 7: Vereinfachtes Anlagenschema für eine Anlage mit bivalentem Speicher-Wassererwärmer und Heizwasser-Pufferspeicher.
1    Wärmeerzeuger
2    Kollektorfeld
3    Speicher-Wassererwärmer
4    Heizwasser-Pufferspeicher
5    Solarkreis-Umwälzpumpe für Speicher-Wassererwärmer
6    Solarkreis-Umwälzpumpe für Pufferspeichererwärmung
KW    Kaltwasser
WW    Warmwasser

Eine solche Lösung ist jedoch für Ein- und Zweifamilienhäuser relativ aufwendig und häufig allein aus Platzgründen nicht zu verwirklichen. Eine platzsparende Alternative stellen Kombispeicher dar. Sie bevorraten ein großes Volumen an Heizwasser für die Heizungsunterstützung, das über einen Edelstahl-Wärmetauscher innerhalb des Speicherbehälters das Trinkwasser im Durchlauf erwärmt. Der hydraulische Aufbau einer solchen Anlage mit Kombispeicher ist deutlich einfacher als die zuvor genannte Variante mit Speicher-Wassererwärmer und Heizwasser-Pufferspeicher (Bild 8).

Weitere Hinweise zu Planung und Ausführung
Für die Auslegung des Kollektorfeldes, die Dimensionierung des Speichers sowie der Rohrleitungen gelten bei nachträglich einzubauenden Solaranlagen im Allgemeinen die gleichen Regeln wie bei einer komplett neuen Anlage. Wichtig für eine größtmögliche Energieaufnahme ist die Ausrichtung der Solarkollektoren. Optimale Ergebnisse werden bei der Orientierung gen Süden erzielt. Abweichungen von 20° aus der Südrichtung haben nur einen geringen Einfluss (Minderung um ca. 2 %). Abweichungen bis 45° sind akzeptabel.
Der günstigste Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen beträgt bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung 30 bis 45°. Der optimale Aufstellwinkel bei Anlagen zur Heizungsunterstützung beträgt etwa 60°, da so die Neigung zur Stagnation der Solaranlage im Sommer (hoher Sonnenstand) verringert und zugleich der solare Ertrag im Winter und in der Übergangszeit (niedriger Sonnenstand) gesteigert wird. Der Neigungswinkel einer Kollektoranlage hängt natürlich von der gegebenen Dachneigung ab und kann somit nur selten frei gewählt werden. Eine Ausnahme stellt die Flachdachmontage dar, bei der der Montagewinkel in der Regel frei wählbar ist.
Orientierungsgröße für die Kollektorfläche bei einer Anlage zur Trinkwassererwärmung sollte bei Einfamilienhäusern eine Deckungsrate zwischen etwa 50 und 60 % sein. Die genaue Ermittlung der notwendigen Kollektorfläche erfolgt unter Berücksichtigung der geografischen Lage und der Kollektor-Ausrichtung sowie des voraussichtlichen Warmwasserbedarfs (je nach Komfortanspruch zwischen 30 und 50 l pro Person und Tag). Hierzu bieten die Hersteller Planungsanleitungen sowie Berechnungsprogramme an, die diese Arbeit erheblich vereinfachen.

Bild 8: Solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung mit einem Kombispeicher (vereinfachtes Anlagenschema).
1    Wärmeerzeuger
2    Kollektorfeld
3    Kombispeicher
4    Wärmetauscher für die Trinkwassererwärmung
5    Solar-Station

Die Basis für die Dimensionierung einer solaren Heizungsunterstützung ist zunächst der sommerliche Wärmebedarf des Gebäudes. Er setzt sich zusammen aus dem Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung und gegebenenfalls weiteren Verbrauchern, die ebenfalls von der Anlage versorgt werden können, wie beispielsweise der Heizenergiebedarf zur Vermeidung von Kondensation in Kellerräumen oder ein im Sommer beheiztes Schwimmbecken. Für diesen sommerlichen Verbrauch wird die passende Kollektorfläche ausgelegt. Die so ermittelte Fläche wird dann mit dem Faktor 2 und dem Faktor 2,5 multipliziert. Die tatsächliche Kollektorfläche für die solare Heizungsunterstützung sollte zwischen den beiden so ermittelten Werten liegen.
Auch die Größe des Heizwasser-Pufferspeichers bzw. des Kombispeichers kann überschlägig nach der folgenden Regel bestimmt werden: Pro m2 Kollektorfläche ist ein Speichervolumen von mindestens 50 l vorzusehen.

Fazit
Thermische Solaranlagen sind in der Lage, in Ein- und Zweifamilienhäusern bis zu 60 % des jährlichen Energiebedarfs zur Trinkwassererwärmung bzw. bis zu 35 % des gesamten Energiebedarfs für Warmwasser und Heizung einzusparen. Angesichts steigender Energiepreise, endlicher fossiler Ressourcen und des drohenden Klimawandels sollten Solaranlagen obligatorischer Bestandteil jeder Heizungsanlage sein.
Mit den in diesem Beitrag vorgestellten Konzepten kann der weitaus größte Teil der möglichen Varianten von Heizungsmodernisierungen abgedeckt werden. Bei der Detailplanung unterstützen unter anderem Planungsanleitungen und für praktisch alle erdenklichen Fälle ausgearbeitete Anlagenschemata den ausführenden Fachhandwerker. Trotzdem hält die Praxis immer wieder neue Problemstellungen bereit. Bei deren Lösung sind dann neben einer fundierten Ausbildung immer auch das Verständnis für die Zusammenhänge und eine reiche Praxiserfahrung gefragt – genau diese Eigenschaften zeichnen den Fachmann oder die Fachfrau aus.

Autor: Wolfgang Rogatty, Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf

Bilder: Viessmann

www.viessmann.de