Solar-Durchlauferhitzer für Dauerverbrauch Ganzjährige Nutzung von Solarthermie für die Warmwasserversorgung eines Schulgebäudes

Das Solarwärmesystem besteht aus 24 Vakuum-Röhrenkollektoren und vier Solar-Schichtenspeichern mit je 500 l Inhalt und zusätzlichem Latent-Speicherelement. Die gesamte Solaranlage arbeitet wie ein einziger großer Durchlauf-Wassererwärmer und liefert auch bei geringer Sonneneinstrahlung noch verwertbare Solarwärme.

Hoher Warmwasserverbrauch
Das Diakonische Werk Leipzig suchte als Betreiber der Förderschule „Werner Vogel“ nach Möglichkeiten, wie die Kosten für die Wärmeversorgung reduziert werden können. Die Schule dient der Förderung von geistig behinderten Kindern und Jugendlichen. Zu DDR-Zeiten war die Einrichtung eine rehabilitationspädagogische Fördertagesstätte, die im Jahr 1990 zu einer Förderschule umstrukturiert wurde.
Träger der durch das staatliche Schulamt anerkannten Ersatzschule ist das Diakonische Werk Innere Mission Leipzig 10 e.V., das in den Jahren 2003 und 2004 mit umfangreichen An- und Umbaumaßnahmen die Schule den Erfordernissen angepasst hat. Zu den Einrichtungen gehören neben großzügig gestalteten Klassenräumen eine Turnhalle, ein höhenverstellbares Wassertherapiebecken und eine große Lehrküche. Mit dem schrittweisen Ausbau in drei Bauabschnitten hat auch der Energiebedarf für Raumheizung und Warmwasserbereitung deutlich zugenommen.
Eine Bestandsaufnahme lieferte erste Anhaltspunkte: Zum einen benötigt das ganzjährig genutzte 25 m² große Schwimmbecken konstant Heizwärme, um eine Beckentemperatur von 26°C zu halten. Hinzu kommt ein hoher Warmwasserbedarf durch die Schwimmbadduschen, die Lehrküche und 30 Handwaschbecken in den WC-Räumen für 130 Benutzer. Beheizt wird das Schulgebäude über die städtische Fernwärmeversorgung.
Die Zielsetzung war nun, anhand dieses Bedarfsprofils einen großen Teil des Wärmebedarfs für Trinkwasser- und Schwimmbadwassererwärmung durch EE zu decken. Beibehalten werden sollte dabei die Wärmeversorgung der Räume und Nutzungsbereiche über den bestehenden Fernwärmeanschluss, um die Wärmegrundlast zu decken und über Leistungsreserven verfügen zu können.
Der ganzjährig hohe Warmwasserbedarf bot günstige Voraussetzungen für die Nutzung von Solarthermie. Andere regenerative Energiesysteme wie Biomasse-Heiztechnik oder Geothermie kamen aus Platzgründen oder mangels Realisierbarkeit nicht in Betracht. Reichlich Platz war dagegen auf dem weitläufigen Flachdach des Schulkomplexes vorhanden, um dort Solarkollektoren zu installieren. Das Konzept für die solarthermische Anlage war, die gewonnene Solarwärme unmittelbar für die Warmwasserversorgung und zur Vorerwärmung des Schwimmbadwassers zu verwenden.
Geplant wurde die Solarwärmeanlage durch das Ingenieurbüro Peter Wölke aus Borsdorf; für die Ausführung war der SHK-Fachbetrieb Ilgner & Kornick aus Panitzsch verantwortlich. Das Fachunternehmen beschäftigt 19 Mitarbeiter und sieht seine Kernkompetenz in der gebäudetechnischen Ausrüstung von öffentlichen Gebäuden, insbesondere von Pflegeeinrichtungen.
An die thermische Solaranlage für die Förderschule Leipzig stellten sich wesentliche Anforderungen:

• Erzielung einer hohen solaren Energieausbeute aufgrund des ganzjährig konstanten Warmwasserbedarfs.
• Ausreichende solare Deckung des Wärmebedarfs für die Wassererwärmung auch bei mäßigem Sonnenschein sowie in den Übergangszeiten.
• Erwärmung des Trinkwassers im Durchlaufprinzip, sodass keine separate Speicherbevorratung erforderlich ist.

In vier Solar-Schichtenspeichern mit je 500 l Inhalt wird das Trinkwasser im Durchlaufprinzip erwärmt. Latent-Speichermaterial kann überschüssige Solarwärme aufnehmen und bei Bedarf an den Speicherinhalt abgeben.

Die Grundlage für die Auslegung der Anlage bildete der durchschnittliche Tagesverbrauch von 2400 l Warmwasser mit 45°C, entsprechend einem jährlichen Energiebedarf von 35,6 MWh für die Trinkwassererwärmung. Die Systemwahl fiel auf das „Latento“ Ganzjahres-Solarsystem des Anbieters IVT aus Rohr bei Nürnberg. Das Ergebnis der Berechnungen – mit Unterstützung durch IVT und eines Simulationsprogramms für thermische Solaranlagen – war eine Kollektorbezugsfläche von 72 m².

65% solare Deckung
Für die Warmwasserversorgung und gleichzeitige Nutzung zur Vorerwärmung des Schwimmbadwassers ergab sich daraus ein solarer Deckungsanteil von rund 65%, wodurch der Betreiber pro Jahr 36,7 MWh Heizenergie einsparen kann. Gespeichert wird die Solarwärme in vier „Latento“-Schichtenspeichern mit jeweils 500 l Inhalt. Diese Speicher werden drucklos betrieben, um einen störungsfreien Schichtungsaufbau zu erzielen.
Mit insgesamt 2000 l Speichervolumen ist die Anlage damit ausreichend dimensioniert, um auch bei Spitzenzapfungen den Warmwasserbedarf zu decken. Das Trinkwasser durchläuft in den Speichern einen Wärmetauscher aus Edelstahl-Wellrohr. Durch eine spezielle Rohrwendelführung wird bei Trinkwasserzapfung zunächst der untere Speicherbereich gekühlt, bevor das Wasser im oberen Speicherbereich auf Nutztemperatur erwärmt wird.
Diese Art der Trinkwassererwärmung vermeidet die Vermehrung von Legionellen und ermöglicht gleichzeitig, dass der Inhalt der Solar-Schichtenspeicher auf bis zu 95°C erwärmt werden kann. Zum Schutz vor Verbrühungsgefahr begrenzt an jedem Speicherausgang ein Brauchwasser-Mischventil die Austrittstemperatur.
Die „Latento“-Speicher bestehen komplett aus PP-Kunststoff mit einer umgebenden PUR110 Hartschaumdämmung. Die Bezeichnung „Latento“ erklärt sich durch einen Block aus Latentwärme-Speichermaterial, das auf dem Speicherwasser schwimmt und im Temperaturbereich zwischen 60 bis 70°C seinen Aggregatzustand von fest auf flüssig ändert.
Wärme kann so zusätzlich gepuffert werden, um bei Bedarf einen Nachheizeffekt im oberen Speicherbereich auszulösen. Darüber hinaus wirkt das Latentmaterial als zusätzliche Wärmedämmung. Im oberen Speicherbereich werden so die ohnehin geringen Wärmeverluste des Kunststoffspeichers von etwa 0,1 K/h noch weiter minimiert.
Der Neuaufbau der Trinkwassererwärmung erforderte zunächst die Demontage des alten Speicher-Wassererwärmers, bevor die vier Schichtenspeicher eingebracht werden konnten. Durch die sanierungstauglichen Abmessungen von 78 x 78 x 170 cm (L x B x H) und das Kippmaß von 190 cm ließen sich die Latento-Speicher problemlos durch die Kellertüren bugsieren.


Die Vakuum-Röhrenkollektoren liefern Solarwärme für Trinkwassererwärmung und zur Vorerwärmung des Schwimmbadwassers.

72 m² Vakuum-Röhrenkollektoren
Den Aufbau des Kollektorfeldes einschließlich der gesamten Verrohrung und Installation der Speicheranlage bewältigte das Team von Ilgner & Kornick innerhalb von zwei Wochen. Auf dem Flachdach der Förderschule stehen 24 Vakuum-Röhrenkollektoren auf Stahlrahmen mit einem Aufstellwinkel von 45°C. Die Kollektoren mit einer jeweils 3 m² großen Absorberfläche sind für einen hohen Wirkungsgrad auch bei kalten Außentemperaturen konzipiert. Zur Sicherung gegen Windlasten ist jeder Winkelrahmen auf je zwei Betonsockeln befestigt.
Durch die maximale zulässige Deckenlast des Flachdachs von 200 kg/m² war eine Aufteilung der Solarkollektoren auf drei Gruppen von Kollektorfeldern nötig. Für die Soleleitungen ergaben sich damit unterschiedliche Leitungslängen von bis zu 15 m.
Den erforderlichen hydraulischen Abgleich löste Ilgner & Kornick durch Einsatz von hochtemperaturbeständigen Regulierventilen. Eine DN 40-Sammelleitung führt die Solarwärme vom Flachdach über eine Wanddurchdringung zu den Solar-Schichtenspeichern im Keller des Gebäudes, die im Tichelmannsystem angeschlossen wurden.


Die Verrohrung der Kollektoranlage verteilt sich auf mehrere Kollektorfelder.

Nutzbare Solarwärme auch bei geringer Sonneneinstrahlung
Die Vakuum-Röhrenkollektoren des „Latento“-Solarsystems liefern nach der Berechnung eine jährliche Energiemenge von 40,17 MWh. Im Verhältnis zur eingestrahlten Energiemenge von 83,42 MWh entspricht dies einem Kollektor-Wirkungsgrad von 48%. „Die Anlage liefert einen permanenten Solarertrag, auch bei leicht bedecktem Himmel kann anhand der Speicherthermometer beobachtet werden, dass Wärme in die Speicher geladen wird“, berichtet Jens Kornick, Heizungsbaumeister und kaufmännischer Geschäftsführer des SHK-Betriebs Ilgner & Kornick.
Durch die auf vier Speicher verteilte Solarladung wird die Einschichtung der Solarwärme nicht durch die Trägheit eines einzigen großen Speichervolumens beeinträchtigt. Dadurch lassen sich nach Informationen des Anbieters IVT auch zeitweise geringere Solarerträge effizient nutzen. Fällt dagegen ein Überschuss an Solarwärme an, wird dieser in der Anlage entweder durch die Schwimmbadwasser-Vorerwärmung abgenommen oder durch das Speichermaterial aufgenommen.
Seit Inbetriebnahme der Solarwärmeanlage im September 2009 benötigt die Förderschule Leipzig den Fernwärmeanschluss nur noch zur Raumheizung im Winter sowie zur Hochheizung für die thermische Desinfektion des Warmwasser-Leitungsnetzes.

Bilder: IVT

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