Sonne für alle - Für die Integration einer großen thermischen Solaranlage in die Heizungs- und Trinkwasseranlage gibt es mehrere, praktikable Möglichkeiten

Die Solarthermie findet sich häufig auf Dächern von Ein- und Zweifamilienhäusern. Rund 13,2 Mio. Gebäude dieser Größe stehen in Deutschland, sie stellen aber nur 46% der Wohneinheiten. Etwa 18,7 Mio. und damit 54% aller Wohneinheiten befinden sich in Mehrfamilienhäusern. Betrachtet man nur Wohngebäude mit mehr als sieben Einheiten, beinhalten diese rund 10,8 Mio. Wohnungen und bieten damit ein enor­mes Potenzial für solarthermische Großanlagen.

Einfache Planung durch abgestimmte Systemlösungen

Für Ein- und Zweifamilienhäuser bieten Heiztechnikhersteller komplett konfektionierte Paketlösungen an – die Planung ist somit relativ einfach und sicher. Größere Anlagen waren in der Vergangenheit mit einer individuellen und damit aufwendigen Planung verbunden. Heute gibt es jedoch auch für solare Großanlagen bewährte Hydrauliken und Systemlösungen. Dabei spielen unterschiedliche Ansätze zur hydraulischen Einbindung solarer Wärme eine Rolle. Das Hauptunterscheidungskriterium liegt im Einsatz von Warmwasserspeichern oder von Frischwasserstationen. Hierfür stehen unterschiedliche Konzepte zur Auswahl: Speicher-Reihenschaltung, Vorwärm-Frischwasserstation, Frischwasserstation und Pufferentladestation.
Entscheidend bei der Auslegung einer solaren Großanlage ist der individuelle Trinkwasserbedarf. Daher ist die Unterscheidung wichtig, ob es sich beispielsweise um ein Mehrfamilienhaus, ein Pflegeheim, ein Hotel oder eine Sportstätte handelt, weil davon der Trinkwasserbedarf und das Warmwasserzapfprofil 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 aber der Größe von Warmwasserspeichern Grenzen gesetzt sind und eine tägliche Aufheizung der Vorwärmstufe auf mindestens 60°C vorgeschrieben ist, macht besonders bei Großanlagen der Einsatz von Pufferspeichern und externen Wärmeübertragern Sinn.
Soll die Sonnenenergie außer zur Trinkwasserbereitung auch zur Heizungsunterstützung dienen, muss die Anlage so dimensioniert werden, dass möglichst wenig Stillstand (Stagnation) in den Kollektorfeldern entsteht. Denn Stillstände führen neben einer geringeren Effizienz oft zu einer schnelleren Alterung des Solarfluides und bringen höhere Wartungs- und Servicekosten mit sich. Stagnation ergibt sich immer dann, wenn Temperaturen über 120°C in den Kollektoren herrschen und keine Abnahme dieser Wärme erfolgt – z.B. im Hochsommer in der Ferienzeit. Deshalb ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kollektorfeldgröße und Pufferspeichervolumen wichtig. Als Faustregel gilt: 1 bis 3m² Brutto-Kollektorfläche pro Wohneinheit. Je größer das Objekt ist, desto kleiner kann die Kollektorfläche ausfallen.
Das Pufferspeichervolumen muss mindestens 40l/m² Kollektorfläche betragen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Anlage mit der Dimensionierung ihrer Einzelkomponenten (Kollektoren, Pufferspeicher etc.) so ausgelegt ist, dass die öffentlichen Förderkriterien eingehalten werden. Denn für den Einbau thermischer Solaranlagen kann es Mittel der KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) oder Investitionskostenzuschüsse von Bund, Ländern oder Gemeinden geben.

Trinkwassererwärmung mit Reihenschaltung

Systeme mit Warmwasserspeichern eignen sich gut für die Nachrüstung, weil für die Vorwärmstufe und den Bereitschaftsteil separate Speicher eingesetzt werden. So kann der vorhandene Trinkwasserspeicher des bestehenden Heizsystems als Bereitschaftsspeicher genutzt werden. Das System wird lediglich durch einen zweiten Trinkwasserspeicher – den sogenannten Vorwärmspeicher – ergänzt, der mit solarer Wärme beladen wird. Zusätzlich ist der Kaltwasseranschluss vom Bereitschaftsspeicher auf den Vorwärmspeicher zu verlagern, sodass solar erwärmtes Wasser in den Bereitschaftsspeicher gelangen kann. Die vorhandene Anlagentechnik bleibt weitgehend unangetastet. Diese Art der Hydraulik wird auch als Speicherreihenschaltung bezeichnet, in diesem Fall als Zwei-Speicher-Anlage mit Vorwärm­stufe.
Bei Großanlagen im Sinne des DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) muss zum Schutz vor Legionellen das Trinkwasser am Warmwasseraustritt des Bereitschaftsspeichers mind. 60°C aufweisen. Darüber hinaus ist das gesamte Wasservolumen des Vorwärmspeichers mindestens einmal am Tag auf über 60°C zu erwärmen. Wenn die geforderte Temperatur von mind. 60°C in der Vorwärmstufe über den Tag durch die solare Erwärmung nicht erreicht wurde, wird die Umladung in der Nacht zu einer vorgegebenen Zeit gestartet und der gesamte Speicherinhalt durch den konventionellen Wärmeerzeuger auf die geforderte Temperatur gebracht.
Die Speicherreihenschaltung ist die einfachste und mit geringen Investitionskosten verbundene Möglichkeit, solare Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern mit bis zu 20 Wohneinheiten, kleineren Hotels, Sportstätten und Pflegewohnheimen nachzurüsten.
Eine weitere Möglichkeit für die Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern mit bis zu 20 Wohneinheiten oder anderen Objekten ohne ausgeprägte Spitzenvolumenströme ist die Vorwärm-Frischwasserstation. Sie eignet sich ideal zur Nachrüstung, wenn der vorhandene Bereitschaftsspeicher richtig dimensioniert und ein Weiterbetrieb über mehrere Jahre möglich ist. Als maximale Zapfrate sind 40 l/Min. möglich.
Bei der Entnahme von warmem Wasser wird das Kaltwasser in der Frischwasserstation vorgeheizt und strömt dann in den Bereitschaftsspeicher. Dadurch reduziert sich der Aufwand für die Nachheizung. Die jeweilige Vorwärmtemperatur hängt dabei von der Pufferspeichertemperatur ab.

Vorwärmsystem für größeren Warmwasserbedarf

Bei größeren Projekten mit einem täglichen Warmwasserbedarf von mehr als 1000l, beispielsweise in Mehrfamilienhäusern mit über 20 Wohneinheiten, eignet sich ein Vorwärmsystem mit Zwischenspeicherung der solaren Wärme in einem Pufferspeicher. Die gespeicherte Wärme wird über einen Plattenwärmeübertrager auf das Trinkwasser übertragen – analog zu einem Ladesystem. In diesem Fall ist der Vorwärmspeicher der konventionellen Warmwasserbereitung vorgeschaltet.
Im Prinzip handelt es sich um eine modifizierte Speicherreihenschaltung – mit dem Unterschied, dass ein Großteil des Vorwärmspeichervolumens in den Heizungswasser-Pufferspeicher ausgelagert wird. Durch die Speicherung der solaren Wärme im Pufferspeicher wird weniger Warmwasser bevorratet und 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 die Nachrüstung. So kann man beispielsweise zwei intakte Warmwasserspeicher durch einen zusätzlichen Systemregler sowie einen Pufferspeicher und eine zugehörige Pufferbeladestation ergänzen. Die vorhandenen Speicher dienen jetzt als Vorwärm- und als Bereitschaftsspeicher. Hierbei sollte allerdings die Größe des vorhandenen Bereitschaftsspeichers überprüft werden. Häufig sind sie überdimensioniert, sodass bereits ein kleinerer Speicher dazu beiträgt, deutlich Energie zu sparen.

Frischwassersystem: Auf den Spitzenvolumenstrom ausgelegt

Ebenfalls bei größeren Objekten, wie Mehrfamilienhäuser mit bis zu 160 Wohneinheiten, kleinere Hotels oder Pflegeheime lassen sich Frischwassersysteme einsetzen. Hierbei wird allerdings kein Trinkwasser bevorratet, sondern Frischwassersysteme arbeiten mit Pufferspeichern und einer Frischwasserstation, die Trinkwasser per Wärmeübertrager im Durchfluss erwärmt. Bei diesem Prinzip müssen die Frischwasserstationen – im Gegensatz zu Speichersystemen – auf den Spitzenvolumenstrom ausgelegt werden, also darauf, wie viele Personen gleichzeitig welche Menge Trinkwasser verbrauchen. Für Objekte mit einem größeren Bedarf lassen sich Frischwasserstationen in Kaskade schalten, sodass höhere Zapfraten möglich sind.
Bei dieser Systemlösung werden über die thermische Solaranlage einer oder mehrere Pufferspeicher beladen, die wiederum die Frischwasserstation mit Wärme versorgen. Für die Effizienz der Anlage ist eine gute Temperaturschichtung im Speicher entscheidend: Je niedriger die Temperatur im unteren Teil des Speichers ist, desto besser sind die Kollektornutzungsgrade. Dagegen ist im oberen Teil, dem Bereitschaftsteil des Speichers, eine hohe Temperatur zur Versorgung der Frischwasserstation erforderlich.
Sind mehr als 2000l Pufferspeichervolumen vorgesehen, wird ein zusätzlicher Pufferspeicher in Reihe geschaltet. Dadurch sind Bereitschafts- und Vorwärmpuffer voneinander getrennt. Das verbessert die Betriebsbedingungen für die Sonnenkollektoren, weil der Bereitschaftspufferspeicher entweder vom Heizkessel oder aus den Vorwärmpufferspeichern auf die für die Versorgung der Frischwasserstation notwendigen Temperaturen gebracht wird. Die Vorwärmspeicher aber werden nicht vom Heizkessel beladen. Das bedeutet tendenziell niedrigere Temperaturen im Vorwärmspeicher, wenn die Sonne nicht scheint – und dadurch, wenn die Sonne scheint, einen besseren solaren Ertrag. Außerdem sinkt das Stagnationsrisiko.
Zu beachten ist auch hier, dass 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.

Energiezentrale übernimmt das Wärmeenergiemanagement

Eine komplexere, aber auch effizientere Lösung zur solaren Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung sind sogenannte Energiezentralen. Dabei handelt es sich meist um standardisierte und komplett vormontierte Hydraulikstationen, deren Aufbau mit Hausanschlussstationen im Fernwärmebereich vergleichbar ist. Diese übernehmen das gesamte Wärmeenergiemanagement in Mehrfamilienhäusern mit bis zu 30 Wohneinheiten sowie in Hotels und Pflegeheimen ähnlicher Größenordnung. Größere Energiezentralen eignen sich sogar für Gebäude mit bis zu 220 Wohneinheiten, größere Hotels, Pflegeeinrichtungen, Sportobjekte oder Betriebe der verarbeitenden Industrie. Unterstützt werden diese Systeme von einer integrierten Systemregelung.
Solare Wärme gelangt über das Solarmodul in den Pufferspeicher und kann so Trinkwasser- (vorrangig) und Heizungsbedarfe unterstützen oder vollständig abdecken. Bei fehlender Sonnen­energie soll der Speicher im unteren Teil – dem Vorwärmteil – kalt sein. Die daraus resultierenden niedrigen Rücklauftemperaturen zum Kollektorfeld steigern die Kollektornutzungsgrade. Dadurch sinkt auch die Wahrscheinlichkeit eines Stillstandes.
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.
Eine Versorgung der Heizkreise erfolgt bei entsprechendem solaren Ertrag entweder aus dem Puffer oder direkt vom Heizkessel ohne Umweg über den Pufferspeicher. In Summe optimieren Energiezentralen die Einbindung solarer Wärme und verbessert die Kessellaufzeiten – das zeichnet eine gute Gesamtsystemlösung aus.

Verbrauch vor Speicherung

Die solare Wärme wird immer vorrangig über den ersten Solarwärmeübertrager in die Trinkwassererwärmung geschickt. Die hierbei nicht genutzte Wärme wird mittels eines zweiten Solarwärmeübertragers über den Beimisch-Volumenstrom für den Heizkreisvorlauf direkt den Heizkreisen zugeführt. Das ermög­licht dank niedriger Rücklauftemperaturen eine optimale Nutzung des Brennwerteffektes. Erst wenn weder Bedarf an warmem Trinkwasser noch an Heizwärme besteht, wird die nicht benötig­te solare Wärme über einen dritten Solarwärmeübertrager den Pufferspeichern zugeführt.
Ein weiterer Vorteil des Prinzips „Verbrauch vor Speicherung“ und der damit verbundenen direkten Bedienung der Bedarfe ergibt sich aus der niedrigen Rücklauftemperatur des Solarfluides. Das ermöglicht höhere solare Erträge und damit einen höheren solaren Deckungsgrad. Auch das Risiko einer Stagnation im Kollektorfeld 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. Die Trinkwassererwärmung erfolgt im Durchflussprinzip.

Fazit

Solarthermische Anlagen können heute mit überschaubarem technischen und planerischen Aufwand auch in großen Wohngebäuden, Hotels, Krankenhäusern oder ähnlichen Einrichtungen eingebaut werden. Dafür sind auf dem Markt komplett abgestimmte, vorgefertigte Lösungen mit standardisierten Hydrauliken erhältlich. So lassen sich mithilfe der Sonne die Ener­giekosten reduzieren – ohne Komfortverlust bei der Trinkwassererwärmung und Raumheizung.

Autor: Dipl.-Ing. Ingo Rieger, Senior-Produkt­manager, Produktmarketing Solartechnik, Speicher, Photovoltaik bei Bosch Thermotechnik GmbH (Buderus), Wetzlar

Bilder: Buderus
www.buderus.de