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Solaranlagen für Brauchwarmwasser
Thermische Solaranlagen für Brauchwarmwasser
Berühren Sie erst die Sonne und dann die Wolke
Unabhängiger Heizkreislauf
In südlichen Ländern sieht man oft einfache Solaranlagen, bei denen Trinkwasser direkt in die Kollektoren geleitet werden, bevor es in die Wasserhahnen gelangt. Diese Anlagen können ohne Pumpe funktionieren – und demnach ohne Strom -, und das durch die Sonne erwärmte Wasser wird im Allgemeinen auf dem Dach gelagert.
Hier ist eine komplexere Anlage für Regionen mit kalten Wintern und oft bedecktem Himmel dargestellt. Es zirkuliert kein Trinkwasser in den Kollektoren; die Kollektorflüssigkeit gelangt unten in einen grossen Boiler und tritt mit dem Wärmetauscher des Solarsystems und demjenigen der Heizung in Kontakt.
Um genügend Warmwasser auf Vorrat zu haben, hat so ein Boiler ein grösseres Fassungsvermögen als bei einer Installation ohne Kollektoren.
Berühren Sie erst die Sonne und dann die Wolke
Bei Schönwetter (ausserhalb der Heizsaison)
Die Sonne reicht aus, um das Wasser zu erwärmen. Die Heizung kann so die meiste Zeit ausgeschaltet bleiben. Eine elektrische Pumpe lässt eine Flüssigkeit, genauer gesagt einen flüssigen Wärmeträger zwischen den Kollektoren und dem Boiler zirkulieren. Der Wirkungsgrad des Kollektors hängt nicht nur von seiner guten Ausrichtung auf die Sonne ab, sondern auch von der Aussentemperatur. Im Sommer kann die Temperatur des Wärmeträgers auf bis zu 100°C steigen. Um zu vermeiden, dass das Wasser kochend heiss aus dem Wasserhahnen kommt, lässt ein Thermostatventil automatisch kaltes Wasser in das Warmwasserrohr zulaufen (hier nicht dargestellt).
Das erwärmte Trinkwasser ist oben im Boiler, denn es hat eine kleinere Dichte als das kalte Wasser.
Bei bedecktem Wetter (während der Heizperiode)
Die Sonne reicht nicht aus, um das Wasser auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Deshalb tritt die Heizung unterstützend hinzu, um die passende Wärme zu erzeugen. Aber selbst im Dezember ermöglicht es ein Sonnenkollektor an sonnigen Tagen Energie zu sparen, indem er die Leistung der Heizung verringert.
Die Pumpen und die Heizung werden über einen elektronischen Schaltkasten gesteuert, der an Temperatursonden angeschlossen ist – die im Sonnenkollektor und auf verschiedenen Höhen des Boilers angebracht sind (hier nicht dargestellt).
Es wird empfohlen pro Person eine Kollektorfläche von 1 bis 1,5 Quadratmeter zu installieren, was einer Energieersparnis von bis zu 50 Liter Heizöl pro m2 und pro Jahr entspricht.
Im Sommer kann die Wassertemperatur auf bis zu 95°C steigen
Um die Entwicklung von Legionellen in lauwarmem Wasser zu verhindern (diese Bakterien können, wenn man sie einatmet, eine tödliche Lungenentzündung verursachen), muss das warme Wasser für den Hausgebrauch auf eine Temperatur von mindestens 55°C erwärmt werden. An kalten und grauen Wintertagen ist diese Temperatur von thermischen Sonnenkollektoren allein nur schwer zu erreichen. Die Sonnenenergie, welche die Kollektoren jedoch trotzdem noch einfangen können, ermöglicht es, die Temperatur des Trinkwassers im Wasserkreislauf des Gebäudes um mehrere Grad anzuheben – und dies ist schon einmal klar eingesparte Energie, die die Wärmepumpe (oder die Heizung), welche die Wärme aufbereitet, nicht beziehen muss.
In den warmen Sommermonaten hingegen können die thermischen Sonnenkollektoren alleine für die Wassererwärmung eingesetzt werden: sie können die Temperatur bis auf 95°C erwärmen und warmes Wasser im Überfluss produzieren. Um zu vermeiden, dass man sich mit so heissem Wasser verbrennt, verfügt das System über ein Mischventil, das beim Verlassen des Solar-Wassererwärmers kaltes Wasser in das Brauchwassersystem einspritzt, um die Temperatur auf 55-60°C zu senken.
Kurz: thermische Sonnenkollektoren ermöglichen es einem Gebäude – praktisch das ganze Jahr über – den Verbrauch an elektrischem Strom (Wärmepumpe) oder an Brennstoff (Heizkessel) zu verringern.
Das Brauchwarmwasser fliesst nicht direkt durch die Kollektoren: es wird indirekt über einen geschlossenen Kreislauf aus Wasser und Frostschutzmittel (Wärmeträgerflüssigkeit) erwärmt, der zwischen den Kollektoren und dem Boiler zirkuliert. In der Schweiz sind Solaranlagen mit direkter Durchleitung des Brauchwarmwassers durch die Kollektoren wegen der Gefahr der Entwicklung von Legionellen verboten.
Werden die Kollektoren nur für die Produktion von Brauchwarmwasser aus dem Wasserhahn verwendet, ist die Anlage in der Regel so ausgelegt, dass sie zwischen 30 und 70% der jährlich benötigten Energie für die Wassererwärmung deckt. Die zusätzlich benötigte Wärme muss hingegen von einer anderen Energiequelle bereitgestellt werden: Wärmepumpe oder Heizkessel (Holz, Gas, Heizöl). In den meisten Kantonen gibt es Einschränkungen für elektrische Heizwiderstände als Zusatzheizung.
Zusätzliche Wärme wird vor allem während der Heizperiode benötigt. Aber von April bis Oktober kann das Brauchwarmwasser in der Regel ohne Hilfe der Wärmepumpe oder der Heizung erzeugt werden: also kein rauchender Schornstein (Brennstoffheizung) und nur sehr geringer Stromverbrauch (Wärmepumpe).
Zwischen 0,5 und 1,5 m2 Sonnenkollektorfläche pro Person
Bei einem Mietshaus mit einer konventionellen thermischen Solarinstallation rechnet man pro Person mit einer Kollektorfläche zwischen 0,5 und 1 m2 und bei einem Einfamilienhaus zwischen 1 und 1,5 m2 (in der Regel werden 2 oder 3 Kollektoren, also 4 oder 6 m2 verlegt). Der Wirkungsgrad der Installation hängt von ihrer Fläche und der Ausrichtung der Kollektoren, von der Sonneneinstrahlung, der geografischen Höhe (je höher gelegen, umso intensiver ist die Sonneneinstrahlung), und der Bauart der Kollektoren (unverglast, verglast, Vakuumröhren) ab. Er wird aber auch von der Grösse des Warmwasserspeichers (Boiler) bestimmt: mit einem grossen Speichervolumen können sonnige Tage voll ausgenutzt werden und so die Minderleistung bei trübem Wetter kompensieren.
Auch eine thermische Solaranlage benötigt Strom, um die Steuerelektronik und die Umwälzpumpe zu versorgen, welche die Wärmeträgerflüssigkeit in Bewegung hält, aber der Strombedarf ist minim im Verhältnis zur gewonnenen Energie (weniger als 1%).
Die meisten Wärmepumpen und modernen Heizkessel sind darauf ausgelegt, in Kombination mit Sonnenkollektoren und Solarboilern zu arbeiten. Alle Hersteller bieten übrigens auch "schlüsselfertige" Solarlösungen an. Mit dem Solarrechner von EnergieSchweiz kann man sich eine erste Vorstellung vom voraussichtlichen Energieertrag und den Kosten einer solchen Anlage für sein Gebäude machen.
Im Sommer kann eine konventionelle thermische Solarinstallation überhitzen
Im Sommer besteht bei konventionellen thermischen Solaranlagen an Hitzetagen mit sehr hohen Temperaturen und wenn die Bewohner in den Ferien sind, und kein Warmwasser verbrauchen, die Gefahr der Überhitzung: Die unter Druck stehende Frostschutzflüssigkeit kann ihren Siedepunkt (~130-150°C) erreichen und der kochend heisse Dampf kann in das Expansionsgefäss entweichen, das als Sicherheitseinrichtung dient. Falls dies geschieht, muss man – bestenfalls – Frostschutzflüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf nachfüllen. Wurde die Installation jedoch schlecht konzipiert oder schlecht konstruiert, besteht die Gefahr, dass der hohe Druck und die hohe Temperatur, die in den Kollektoren erreicht werden, diese ernsthaft beschädigen...
Um eine Überhitzung zu vermeiden, beschränken die Installateure die Kollektorflächen im Allgemeinen auf sommerliche Bedingungen, um so den Warmwasserbedarf der Bewohner im Sommer nicht zu überschreiten. Dies hat aber zur Folge, dass die Fläche der Kollektoren nicht gross genug ist, um eine ausreichende Warmwasserproduktion in der Zwischensaison zu produzieren.
Gegen Überhitzung: thermische Solaranlage mit Drain-Back-System
Es gibt jedoch eine Lösung, um Überhitzungen zu verhindern: das Drain-Back-System ("Rückentleerung" durch Schwerkraft). Das Drain-Back-System besteht aus einem hermetisch geschlossenen und dichten Wärmeträgerkreislauf (Frostschutzmittel und Luft), der immer im normalen Luftdruckbereich bleibt (d.h. der Wärmeträgerkreislauf steht nicht unter Druck). Dieser Kreislauf ist an einen Rücklaufbehälter angeschlossen, und zwischen den Kollektoren und dem Boiler besteht immer ein Gefälle von mindestens 2%. Ist die gewünschte Temperatur des Brauchwarmwassers erreicht, stoppt die Umwälzpumpe des Frostschutzmittels: das Frostschutzmittel sinkt aufgrund der Schwerkraft automatisch in den Rückflussbehälter und lässt in den Kollektoren nur noch Luft zurück. Da die Kollektoren kein Frostschutzmittel mehr enthalten, können sie nicht mehr überhitzen.
Diese Technologie hat den Vorteil, dass eine grössere Fläche von thermischen Sonnenkollektoren installiert werden können, ohne dass im Sommer die Gefahr der Überhitzung besteht. Das Gebäude kann so in der Zwischensaison und im Winter von einer beträchtlichen Wärmeproduktion profitieren – Wärme, die nicht nur zur Warmwasserbereitung dient, sondern auch als Ergänzung zur Gebäudeheizung genutzt werden kann.
Für ein Einfamilienhaus kann deshalb eine thermische Sonnenkollektoranlage mit Drain-Back-System mit 6 oder sogar 8 Sonnenkollektoren installiert werden, anstatt nur mit 2. Dies ist zudem eine Konfiguration, die man gut mit einer "Luft/Wasser"- oder einer "Sole/Wasser"-Wärmepumpe kombinieren kann – und es ist eine Lösung, die genauso effektiv sein kann wie eine Kombination mit photovoltaischen Solarmodulen.
Das Drain-Back-System ist seit mehr als 30 Jahren bekannt, hauptsächlich im Norden Europas. In der Schweiz wurde es aber bisher wenig genutzt, da es hier nicht genügend ausreichend geschulte Installateure gibt. Dieses System ist nicht teurer als der Kreislauf einer konventionellen thermischen Solarinstallation, und es ist eine der technischen Lösungen für den Erfolg der Energiestrategie 2050 des Bundes.
Sonnenkollektoren zur Produktion von Brauchwarmwasser sind am geeigneten Ort :
- An allen geografischen Standorten, im Flachland wie in der Höhe. Und an jeder beliebigen Stelle: auf einer Dachschräge, auf einem Flachdach, als Ersatz für einen Teil der Dachbedeckung (Dachpfannenabsorber), unter oder vor einem Balkon, auf der Fassade, auf einer Garage, auf einer Böschung, im Garten… Voraussetzung ist einzig, dass die Kollektoren direkte Sonneeinstrahlung erhalten. Die günstigsten Ausrichtungen liegen zwischen Südost und Südwest. Je weiter von der Südorientierung entfernt, desto tiefer ist der Wirkungsgrad, aber auch bei nicht optimaler Ost- oder West-Ausrichtung können noch gute Erträge erzielt werden, vor allem mit Vakuumröhrenkollektoren. Die Leistung der Kollektoren hängt von ihrem Neigungswinkel und ihrem Höhenstandort sowie von den Jahreszeiten ab. Möchte man die Wintersonne ausnützen, ist es optimal, wenn sie gegen Süden oder Südosten ausgerichtet sind, einen Neigungswinkel zwischen 45 und 60° aufweisen und nicht von Schnee bedeckt werden.
- Auf einem x-beliebigen Gebäude, selbst wenn es nicht gut isoliert ist. Allerdings lässt sich mit einer Gebäudeisolation zu denselben Anschaffungskosten wie für eine Solaranlage oft eine grössere Energieersparnis erzielen.
- Wenn eine Genehmigung erteilt worden ist (sie kann aus landschafts- oder denkmalschützerischen Gründen verweigert werden).
- Wenn der Warmwasserspeicher für eine solche Anlage vorgesehen ist (mindestens 80 Liter je m2 Kollektor).
- Wenn der Hersteller eine "VLG-Validierte Leistungsgarantie Solarwärme" (Swissolar).
- Wenn der Wärmeträgerkreislauf und der Warmwasserspeicher gut isoliert sind.
- Wenn man sparsam mit dem Warmwasser umgeht: durchflussreduzierende Wasserhähne und Duschkopfe, isolierte Badewannen mit kleinem Volumen für lange Bäder mit wenig Wasser.
- Wenn man den im Sommer anfallenden Wärmeüberschuss nutzen kann: Waschmaschinen und Geschirrspüler mit Warmwasseranschluss.
- Wenn die Installation regelmässig gewartet und der Boiler entkalkt wird.
Solardachrechner von EnergieSchweiz
www.swissolar.ch, schweizerischer Fachverband für Sonnenenergie
Validierte Leistungsgarantie Solarwärme (VLG). Die VLG stellt sicher, dass Solarwärmeanlagen gemäss dem Stand der Technik gebaut werden und die Offerten vollständig sind. Die VLG ist Bestandteil des von Swissolar initiierten Qualitätsmanagementsystems "QM-Solarwärme" für Solarwärmeanlagen.
PDF 2,8 MO - Die goldenen Regeln der Solarthermie, EnergieSchweiz