Solarwärmeanlagen - in der Idee gut, in der Praxis heikel

Funktion - Auslegungsdilemma - (Un-)Wirtschaftlichkeit -

Sie werden gebaut, um Brennstoff zur Warmwasserbereitung und Heizung zu sparen. In der Praxis bereiten sie aber unerwartete Schwierigkeiten.
Zu allem Überfluss sind Solarwärmeanlagen häufig nicht fachgerecht installiert. Dann machen Wärme­verluste im Winter den Sommerertrag (fast) zunichte. Und Überhitzung im Sommer vermindert die Lebensdauer der Anlage.

In diesen Zeiten rasant steigender Energiepreise sind Solarwärmeanlagen beliebt zur Senkung von Heizkosten. Das Erneuerbare-Wärme-Gesetz (Baden Württemberg) sieht diese gar als Standardlösung zur Erfüllung der vorgeschriebenen Nutzung erneuerbarer Wärme bei Heizungssanierungen vor.

Allerdings: Diese Technologie hat Tücken, die von weitem nicht sichtbar sind und selbst von den Akteuren - u.a. Installateuren - weitherum nicht wahrgenommen werden.

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Funktion

Die Funktion von Solarwärmeanlagen ist auf den ersten Blick bestechend: Ein Kasten mit einer Glasscheibe auf der sonnenzugewandten Seite (Kollektor) fängt die Sonnenstrahlung ein. Diese wird dann zu einem Wärmetank geleitet, dem Solarpuffer. Der Solarpuffer überbrückt tageszeitliche und wetterbedingte Schwankungen der Sonnenstrahlung.  Vom Solarpuffer aus wird die Wärme dem Haus, vorrangig zur Warmwasserbereitung, aber auch zur Heizungsunterstützung, zur Verfügung gestellt.

Soweit, so gut. Doch der Teufel steckt im Detail:

Auslegungsdilemma

Bekanntermaßen ist es im Winter kalt, weil wenig Sonnenwärme verfügbar ist. Die Sonne scheint nur kurzund wenig intensiv. Geheizt werden muss, weil die Sonne fehlt. Dies betrifft natürlich auch Solarwärmeanlagen: Dann, wenn sie am meisten leisten können, werden sie am wenigsten gebraucht - und umgekehrt. Um einen möglichst hohen Beitrag zum Wärmebedarf des Hauses leisten zu können, müsste also eine große Kollektorfläche installiert werden. Und ein großes Speichervolumen würde erforderlich. Beides kostet Geld.

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Jahreszeitliche Sonneneinstrahlung und Heizwärmebedarf

Große Solarwärmeanlagen stellen jedoch nicht nur die Frage der Wirtschaftlichkeit, sondern auch der Anlagenbelastung: Da es ein Konstruktionsziel ist, möglichst viel von der Sonnenwärme einzufangen und zu behalten, neigen gerade große Kollektoranlagen im Sommer zu starker Überhitzung, die technisch beherrscht werden muss, in jedem Fall eine deutliche Anlagenbelastung mit sich bringt. Ungünstige Installation kann diese Anlagenbelastung erheblich erhöhen. Mehr dazu später.

Und sie bedeuten auch eine ungünstige Ausnützung der Sammlerfläche: Die sommerliche Überschussenergie kann technisch praktisch nicht genutzt werden.

 

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Solar-Warmwasseranlage mit anteiliger Heizungsunterstützung und  sommerlichem Überschuss

 

Deswegen werden Solarwärmeanlagen mehrheitlich zur Aufbereitung von Warmwasser gebaut. Da der Bedarf an Warmwasser über das Jahr halbwegs konstant ist, trifft das Angebot im Sommer ungefähr die Nachfrage, während in der kalten Jahreszeit durch eine Heizung ergänzt werden muss.

Typische Installationen decken etwa die Hälfte des jährlichen Warmwasser-Bedarfs.  Oft werden dafür  die sogenannten Kompaktanlagen eingebaut. Auslegungsgemäß decken diese 40 - 50% der Jahresbedarfs an Warmwasser.

Bei großflächigen Kollektoranlagen sind in mittleren Breiten bis 50% des Heizwärmebedarfs abdeckbar, vorausgesetzt das Haus erfüllt Niedrigenergiestandard. Größere Deckungsgrade scheitern am Aufwand der Speicherung (s.u.).

 

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Solar-Warmwasseranlage, knapp ausgelegt

Die eigentlich verfügbare Strahlungsenergie wird in beiden Fällen nicht ausgeschöpft, bei dennoch erheblichen Kosten. Ein Transfer der Sonnenwärme in die kalte Jahreszeit (durch Speicherung) wäre möglich, aber außerordentlich aufwändig.
Interessant und bedenkenswert ist zukünftig die Gewinnung und Speicherung der Sonnenenergie über Photovoltaik und (speicherbares) synthetisches Erdgas.

(Un-)Wirtschaftlichkeit

Im Gegensatz zur weitläüfig verbreiteten Meinung ist eine Wirtschaftlichkeit von Solarwärmeanlage selbst unter günstigen Bedingungen und bei sorgfältiger Installation schwer erreichbar. Dies gilt besonders bei Kompaktanlagen, wie sie in Einfamilienhäusern installiert werden. Den nicht geringen Installationskosten einer solchen Anlage steht nämlich ein recht begrenzter Nutzen gegenüber:

Wirtschaftlichkeit einer Kompakt-Solaranlage zur Brauchwasserbereitung

Benötigte Warmwassermenge:

365 Tage * 23 Liter/Person * 4 Personen = 33.580 Liter

Energieaufwand dafür:

50 K * 33.580 l = 1.679.000 K* l = 1.679 K*m³

(K = Kelvin, Temperaturhub

k = kilo , l = liter)

Wärmemenge: 1,16 kWh/Km³ * 1.679 K*m³ = 1.947 kWh

Entsprechende Heizölmenge (oberer Heizwert): 11,58 kWh/l

1.947 kWh/l / 11,58 kWh = 168 l

davon 40 % (solarer Beitrag): 168 l * 40% = 67 l (Heizöl)

Im Kasten ist diese für einen 4-Personen-Haushalt auf Basis des Norm-Warmwasserbedarfs von 23 Litern Warmwasser pro Person und Tag dargestellt. Bei Installationskosten über 6000€ ist  innerhalb der Lebensdauer der Anlage selbst bei massiv höheren Brennstoffkosten als aktuell eine Amortisation eigentlich unmöglich.

Der hauptsächliche Nutzen und die eigentliche wirtschaftliche Rechtfertigung für die Installation einer Solarwärmeanlage ist heute in der Abschaltung des Heizkessels während der Sommermonate zu sehen. Dies liegt jedoch vor allem an der schlechten Brennstoffausnutzung der noch installierten Heizungstechnik bei sommerlichem Teillastbetrieb.

     

 


Der solare Bumerang

Im Sommer durch Solarwärmeanlagen eingesparter Heizwärme steht oft ein erhöhter Brennstoffverbrauch im Winter entgegen. Nicht selten werden die sommerlichen Gewinne durch die Winterverluste vollständig aufgezehrt - wegen nicht sachgerechter Installation der Anlage.

Sonnenwarmes Wasser im Sommer erzeugt bei vielen Nutzern ein wohliges Gefühl der Richtigkeit. Schließlich nutzt man erneuerbare Energien, darf deshalb einmal unbeschwert genießen.

Allerdings: Vielfach geht diese Wärme durch Anlagenverluste während der kalten Jahreszeit wieder verloren. Diese Anlagenverluste müssen aber vom Heizkessel nachgeliefert werden. Da dies automatisch geschieht, wird es vom Nutzer selten bemerkt.

Ursache dieser Verluste sind unzureichend gedämmte bzw. abgedichtete Armaturen der Solarwärmeanlage, besonders des Solarpuffers und seiner Anschlüsse.

Denn diese wirken als stille Heizkörper in zugigen Kellerräumen.

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Typisches Wärmebild eines Heizraum. Dürftig oder gar nicht gedämmte Leitungen heizen bei kräftiger Lüftung munter drauflos

Ohnehin gehören die Wärmeverluste der Heizungs- und Warmwasser-Leitungen zu den gravierendsten Schwachstellen installierter Heizungsanlagen.

Nicht Ausnahme, sondern eher Regel ist es, dass in Heizräumen blanke, ungedämmte Leitungen angetroffen werden. Sehr selten sind Leitungen vorschriftsmäßig gedämmt - obwohl dies eine der wenigen gesetzlich vorgeschriebenen Nachrüstpflichten darstellt.

Zudem befinden sich Heizräume in der Regel in unbeheizten Kellerräumen, meist auch noch mit großzügigen Luftöffnungen nach außen.

Damit geben Leitungen und Armaturen erheblich Wärme ab, die jedoch nicht dem Wohnbereich zugute kommt.

Diese Situation ist auch ohne installierte Solarwärmeanlage nicht hinnehmbar., gerade angesichts der Tatsache, dass die Dämmung von Leitungen eine äußerst wirtschaftliche  Angelegenheit ist.

Mit der Solarwärmeanlage ist nun zusätzliche Anlagentechnik installiert, die aber auch Wärme verliert. Diese soll eigentlich Brennstoff einsparen helfen. Durch die genannten Wärmeverluste wird dies jedoch behindert, nicht selten komplett.

Damit wird die ohnehin bescheidene Wirtschaftlichkeit der Anlage komplett ruiniert.

 

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Ein schematisches Bild der zusätzlichen Anlagenteile zeigt die Problematik: Da die Warmwasserversorgung nun vollständig und ganzjährig über den Solarpuffer erledigt wird, sind auch die zusätzlichen Anlagenteile, insbesondere der Solarpuffer und seine Zu- und Ableitungen, potentielle Wärmeverlierer im Gesamtsystem.

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Aus vielen Löchern pfeift die Wärme

So geht die Wärme verloren

Wärmeleitungen als "Heizkörper"

Im Gebäudebestand ist es fast die Regel, dass Heizleitungen wie auch Warmwasserleitungen überhaupt nicht oder allenfalls ungenügend gedämmt sind.

Allein schon eine Oberfläche von Leitungen oder Armaturen von der Fläche eines Bierdeckels (oder Handtellers) verliert pro Jahr die Energiemenge aus
3 Litern Heizöl!

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90cm² - Fläche eines Bierdeckels

Leitungen3.jpg Dabei verursacht z.B. schon nur ein blankes Stück Warmwasserleitung wie nebenan dargestellt  einen Wärmeverlust und damit einen Brennstoffverbrauch von 23l Heizöl (Länge 1m, Ø 22mm, bei üblichen 60°C Temperatur)! Warmwasserleitungen werden meist ganzjährig auf dieser hohen Temperatur gehalten, aus Gründen des Komforts wie auch zur Vermeidung einer Verkeimung (vor allem durch die gefürchteten Legionellen).
Selten sind Arrmaturen wie Pumpen, Ventile, Flansche etc. gedämmt. Die Beobachtung aus der Praxis ist stattdessen, dass dort, wo es etwas schwieriger wird, Dämmung schlicht weggelassen wird. Nicht, weil sie nicht wichtig wäre, sondern vielleicht auch, weil der Kunde diese Arbeit nicht bezahlen will. Vorgefertigte Dämmschalen sind sehr schwer erhältlich, vermutlich, weil die Branche das Problem immer noch nicht verstanden hat.

 
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Wärmebild eines Heizverteilers für eine Fußbodenheizung.