Zeitschrift EE

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2000-04: Solare Raumheizungsanlagen

Grundlagen

Die Anreicherung treibhauswirksamer Gase in der Atmosphäre und die damit verbundene potentielle globale Erwärmung und Klimaveränderung ist eine der großen ökologischen Gefährdungen unserer Zeit. Die anthropogenen Ursachen dieser drohenden Klimaveränderung sind zum größten Teil auf die energetische Nutzung und Verbrennung fossiler Primärenergieträger und dem damit verbundenen Ausstoß von CO2 zurückzuführen.

Solare Raumheizungsanlagen im europäischen Vergleich
Erste Ergebnisse der IEA Task 26 - Solar Combisystems

Von Werner Weiß*

Warum solare Raumheizung?

In der Folge der diversen Klimakonferenzen und der Diskussion über Nachhaltige Entwicklung hat die Europäische Kommission ihre Ziele in Bezug auf die zukünftige Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien im Weißbuch "Energy for the Future: renewable sources of energy" festgeschrieben [1]. Das im Weißbuch genannte Ziel ist es, den Anteil an erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch der Mitgliedsländer der Europäischen Union bis 2010 auf 12% zu steigern. Ebenfalls ist es das erklärte Ziel der Kommission, die installierte Sonnenkollektorfläche jährlich um 20% zu steigern. Dies bedeutet, dass bis zum Jahr 2010 eine Gesamtkollektorfläche von 100 Millionen m² installiert werden muss.
Wenn die direkte Nutzung von Solarenergie mittels thermischer Kollektoren, wie es im Weißbuch gefordert wird, zum Einsatz kommen und einen relevanten Beitrag zur Energiebereitstellung leisten soll, so ist es erforderlich, dass über den Bereich der Warmwasserbereitung hinaus Technologien zur solaren Beheizung von Gebäuden entwickelt und breit angewandt werden.

Das Potenzial für solare Raumheizung

Die Zuwachsraten bei der installierten Kollektorfläche für solare Brauchwassererwärmung seit Mitte der 80er Jahre in Österreich haben gezeigt, dass thermische Solaranlagen ausgereift und technisch zuverlässig sind.

Abbildung 1: Anteil der installierten Kollektorfläche an solaren Warm-wasser- und Raumheizungsanlagen in ausgewählten Ländern [2]

Parallel zur zunehmenden Verbreitung von solaren Warmwasseranlagen wurden ab 1990 auch Systeme zur solaren Raumheizung entwickelt und erprobt. Der Marktanteil dieser Kombianlagen (Warmwasser und Raumheizung) an der installierten Kollektorfläche betrug in Österreich 1998 bereits 50% [3]. Ähnliche Zuwachsraten sind auch in anderen europäischen Ländern zu verzeichnen.
Geht man von den im Weißbuch der Europäischen Kommission erwarteten jährlichen Zuwachsraten von 20% bei thermischen Kollektoren aus, so ist bei konservativer Abschätzung davon auszugehen, dass mindestens 20% der installierten Kollektorfläche in solaren Kombianlagen eingesetzt werden. D.h., dass in den Mitgliedsländern der EU in den kommenden 10 Jahren im Durchschnitt jährlich 120.000 solare Kombianlagen mit einer Gesamtkollektorfläche von 1,9 Millionen m² installiert werden.

 

Abbildung 2: Von der Europäischen Kommission prognostizierte Zuwachsraten bei thermischen Sonnenkollektoren und möglicher Marktanteil für solare Kombianlagen bis 2010 [1]

Systemanforderungen

Im Gegensatz zu Solaranlagen zur Warmwasserbereitung werden an solare Kombianlagen wesentlich komplexere Anforderungen gestellt, da sie zwei Abnehmer versorgen müssen, die über den Jahresverlauf ein sehr unterschiedliches Anforderungsprofil haben. Zudem ist eine Zusatzenergiequelle zu integrieren, welche an Tagen, an denen nicht genügend Solarenergie zur Verfügung steht, die fehlende Wärme bereitstellt.
Der Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung ist über das gesamte Jahr, bis auf geringe saisonale Schwankungen, nahezu unverändert. Das Tagesprofil des Warmwasserbedarfs ist geprägt von kurzzeitigen Bedarfsspitzen, gefolgt von längeren Perioden ohne Bedarf. Das Temperaturniveau im Speicher sollte 60°C erreichen, so dass an den Zapfstellen Wasser mit 55°C gezapft werden kann und den div. Legionellenverordnungen entsprochen wird.

Abbildung 3: Warmwasserbedarf in einem Einfamilienhaus, Tageszapfprofil

Der Raumwärmebedarf ist im Gegensatz zum Warmwasserbedarf geprägt von sehr großen saisonalen Schwankungen, der zudem a-zyklisch zur solaren Einstrahlung ist. Der Wärmebedarf über die Heizsaison schwankt zwar auch in Abhängigkeit von der Außentemperatur, den passiv solaren Erträgen und den internen Gewinnen eines Gebäudes, ist aber dennoch, verglichen mit dem Warmwasserbedarf, relativ kontinuierlich. Das erforderliche Temperaturniveau liegt bei entsprechender Auslegung des Wärmeabgabesystems bei lediglich 30 bis 50°C. Nachteilig sind verglichen mit der Warmwasserbereitung die relativ hohen Rücklauftemperaturen aus dem Heizsystem (25 - 40°C). Je höher diese sind, desto stärker wirkt sich dies auf die Effizienz der Solaranlage aus, da die Heizungsrücklauftemperaturen die Vorlauftemperaturen der Solaranlage ganz wesentlich mitbestimmen.

Abbildung 4: Saisonale Schwankungen des Raumwärme- und Warmwasserbedarfs

Voraussetzung für die Entwicklung von effizienten und kostengünstigen Solaren Kombianlagen ist es daher, das System so zu konzipieren, dass der Kollektor über das gesamte Jahr auf dem tiefst möglichen Temperaturniveau betrieben wird und sowohl der Warmwasser-, als auch der Raumwärmebedarf auf unterschiedlichem Temperaturniveau zeitgleich mit möglichst geringem Nachheizbedarf aus der Zusatzheizquelle bereitgestellt werden kann.

Systemlösungen

Um diese Systemanforderungen zu erfüllen, wurden sehr unterschiedliche Systemkonzepte entwickelt, die neben den an die Anlagen gestellten technischen Kriterien sehr häufig auch von anderen, nicht technischen Rahmenbedingungen wie Verfügbarkeit von Platz zur Unterbringung von Speichern oder länderspezifischen Bautraditionen geprägt sind. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale von Solaren Kombianlagen erweisen sich der Umgang mit dem Wärme- und Speichermanagement sowie die unterschiedliche hydraulische und regelungstechnische Einbindung der Zusatzenergie.
In der Folge werden einige Systeme vorgestellt, die am europäischen Markt bereits eine größere Verbreitung gefunden haben. Die Systeme wurden im Rahmen der Task 26 des "Solar Heating and Cooling Programme" der IEA systematisch erfasst und dokumentiert (siehe Kasten). Die unterschiedlichen technischen Systemlösungen, Anlagengrößen und die damit verbundenen Einsparmöglichkeiten konventioneller Energie sind teilweise auf die sehr verschiedenen Rahmenbedingungen in den einzelnen Ländern zurückzuführen. Bei aller Unterschiedlichkeit haben aber die hier vorgestellten Kombianlagen eines gemeinsam: Sie weisen den Weg in eine nachhaltige Energiezukunft für das neue Jahrtausend.

Speichermassen des Gebäudes als Energiespeicher

Ein einfaches System, das die Speichermassen des Gebäudes, insbesondere den Estrich der Fußbodenheizung, zur Speicherung der Solarwärme für Heizzwecke nutzt, hat vor allem in Frankreich eine größere Verbreitung gefunden. Zur Speicherung des Warmwassers wird ein spezieller, aus einem Vorwärm- und einem Nachheizteil bestehender Speicher mit einem Volumen von 300 bis 500 Liter eingesetzt. Dieser Speicher erfüllt mehrere Funktionen. Er dient der Speicherung des Warmwassers und dient zugleich als Wärmetauscher zwischen Solar-, Heizungs- und Brauchwasserkreis. Da der Kollektorkreis vom Heizungskreis hydraulisch nicht getrennt ist, wird das Gesamtsystem mit Wärmeträger (Frostschutz) betrieben. Typische Kollektorflächen für Einfamilienhausanlagen liegen bei diesem System zwischen 10 und 35 m².

 

Abbildung 5: Direktes Solar-Fußbodenheizsystem, das in Frankreich von der Firma CLIPSOL vertrieben wird.

Brauchwasserspeicher als Energiespeicher

Eine anderes, in mehreren europäischen Ländern verbreitetes System ist ein Einspeichersystem, bei dem der Brauchwasserspeicher sowohl für die Speicherung des Warmwassers als auch zur Speicherung der Heizenergie dient. Bei diesen Systemen wird die Raumwärme mittels in den Speicher integrierten Glattrohrwärmetauschern ausgekoppelt. Da es sich dabei um relativ kleine Anlagen mit typischen Speichergrößen zwischen 300 und 800 Liter und Kollektorflächen zwischen 5 und 15 m² handelt, ist die zu erzielende Heizenergieeinsparung entsprechend gering.


Abbildung 6: Einspeichersystem, Brauchwasserspeicher mit Wärmeauskopplung für die Raumheizung (Dänemark)

Ein vom Prinzip her ähnliches System kommt aus den Niederlanden. Der Warmwasserspeicher bildet eine Kompakteinheit, in welche ein Gasbrenner direkt integriert ist. Dieser geht automatisch in Betrieb, wenn die erforderliche Temperatur im oberen Speicherbereich unterschritten wird.

Abbildung 7: Einspeicher- Drain-back-System: Brauchwasserspeicher mit integriertem Gasbrenner. Die Wärmeauskopplung erfolgt über einen innenliegenden Glattrohrwärmetauscher (Niederlande)

Diese Anlage wird als Drainback-System betrieben. D.h. der Kollektorkreis wird mit Wasser und nicht wie in Mittel- oder auch Nordeuropa üblich, mit Wärmeträger gefüllt. Ist keine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher vorhanden, so wird die Pumpe abgestellt und damit der Kollektorkreis entleert. Mit dieser Strategie wird sowohl dem Einfrieren der Anlage im Winter als auch dem Überhitzen der Anlage im Sommer wirksam begegnet.
Der Warmwasserspeicher mit einer Speicherkapazität zwischen 250 und 650 Liter ist im unteren Bereich mit einem Doppelmanteltank umgeben. Dieser dient sowohl als Wärmetauscher für den Solarkreis als auch als Drainback Reservoir.

Heizungsspeicher als Energiespeicher

Bei diesen Systemen dient anstatt des Brauchwasserspeichers der Heizungsspeicher als Energiespeicher. Dies hat vor allem Kostenvorteile, da Heizungsspeicher (Pufferspeicher) wesentlich kostengünstiger herzustellen sind als Warmwasserspeicher, an die sehr hohe hygienische Anforderungen gestellt werden. Zudem ergeben sich bei dieser Lösung keine Legionellenprobleme im Warmwasser, da kein Brauchwasser gespeichert wird.

Tank in Tank-Systeme

Bei Tank in Tank-Systemen sind ein oder mehrere Brauchwasserspeicher in einen Heizungsspeicher eingebaut. Die Wärmeübertragung von solar erzeugter Wärme zum Heizungswasser erfolgt über einen oder zwei innenliegende Glattrohrwärmetauscher. Werden zwei Wärmetauscher in Verbindung mit einem Drei-Wege -Ventil verwendet, so wird eine geschichtete Beladung des Speichers ermöglicht.
Diese Systeme sind in sehr unterschiedlichen Größen gefertigt. Das in Abbildung 8 dargestellte System der Schweizer Firma Soltop ist entsprechend der hydraulischen Einbindung des Heizkessels als Vorwärmsystem konzipiert. Das Gesamtspeichervolumen beträgt 950 Liter; der eingehängte Brauchwasserspeicher hat ein Volumen von 250 Litern. Die Kollektorflächen für dieses System variieren zwischen 8 und 20 m².

 

Abbildung 8: Tank in Tank Vorwärm-System der Firma Soltop

Abbildung 9: Tank in Tank System für hohe solare Deckungsgrade

Abbildung 9 zeigt ein großes Tank in Tank System, das für hohe solare Deckungsgrade konzipiert ist. Im Vergleich zu Tank in Tank-Vorwärmsystem besteht der wesentliche Unterschied neben einer anderen Größenordnung von Speicher und Kollektorfläche in der hydraulischen Einbindung des Heizkessels bzw. des Wärmeabgabesystems. Die Speichergröße kann hier einige tausend Liter betragen. Die Kollektorflächen variieren zwischen 20 und 50 m².

Zweispeichersysteme

Zweispeichersysteme sind vor allem in Österreich weit verbreitet. Sowohl für das Brauchwasser, wie auch für die Speicherung der Heizenergie steht je ein Speicher zur Verfügung. Um den Kollektor während der Heizperiode auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau betreiben zu können und einen möglichst hohen solaren Ertrag zu erreichen, wird die Solarwärme dem jeweils kälteren Speichermedium zugeführt. Im Sommerhalbjahr wird vorrangig der Brauchwasserspeicher geladen.

Abbildung 10: Zweispeicheranlage im Speicher-Parallelbetrieb

Die Heizenergie kann dem Wärmeabgabesystem - in Abhängigkeit vom Kesseltyp - entweder direkt vom Heizkessel oder aus dem Heizungsspeicher zugeführt werden.
Der Vorteil von Zweispeichersystemen liegt in der großen Flexibilität, da dafür alle handelsüblichen Speicher aller Größen verwendet werden können. Damit kann die Anlage auf unterschiedliche Kesselerfordernisse oder gewünschte solare Deckungsgrade leicht angepasst werden.

Systeme mit Schichtenspeichern

Der wachsende Markt für Solare Kombianlagen hat zur Entwicklung spezieller Speicher für diesen Anwendungsbereich geführt. Diese Speicher zeichnen sich insbesondere durch die Möglichkeit der geschichteten Be- und teilweise auch Entladung aus. Die temperaturorientierte Be- und Entladung kann entweder durch Ventile oder durch speziell entwickelte Schichtenlader oder Wärmetauscher erfolgen. Stellvertretend für diese Systeme wird hier ein Anlagentyp vorgestellt.
In dem in Abbildung 11 dargestellten System, das von der deutschen Firma SOLVIS entwickelt wurde, übernimmt die kompakte Speichereinheit das gesamte Energiemanagement von bereitgestellter und angeforderter Energie.

Abbildung 11: Kompaktanlage mit speicherintegriertem Gasbrenner und Schichtenladern

In der Speichereinheit integriert sind sowohl ein Gas-Kondensationsbrenner, ein Low-flow-Wärmetauscher in Verbindung mit einem Schichtenlader, zur Einbringung der Solarwärme als auch eine drehzahlgeregelte Pumpe und der Plattenwärmetauscher zur Warmwasserbereitung. Die Leistung des Gasbrenners kann zwischen 5 und 20 kW geregelt werden.

Anlagen für Mehrfamilien- und Reihenhäuser

Das in Österreich von der AEE entwickelte System wurde vor allem für den Einsatz in Reihen- und Mehrfamilienhäusern konzipiert. Es kann aber auch im Altbaubereich zur Anwendung kommen. Günstig für die Effizienz des Gesamtsystems ist es, wenn auf der Wärmeabgabeseite eine Niedertemperaturheizung (Wand- oder Fußbodenheizung) installiert wird.

Abbildung 12:
Solares Kombisystem für Mehrfamilien- und Reihenhäuser

Die einzelnen Häuser oder Wohnungen werden aus dem zentralen Speicher über ein Nahwärmenetz versorgt, dass über 22 Stunden des Tages mit einem niedrigen Temperaturniveau (40°C) betrieben wird (Heizungsbetrieb). Zur Warmwasserbereitung wird das gleiche Nahwärmenetz 2 Stunden auf höherem Temperaturniveau (65 - 70°C) betrieben. In dieser Zeit wird die Heizung weggeschaltet und nur die dezentralen Warmwasserspeicher geladen.

Weitere Informationen

Ein umfassender Überblick über die am europäischen Markt vorhandenen Solaren Kombisysteme ist in der Broschüre "Solar Combisystems - Overview 2000" [8] dargestellt. Die englischsprachige Broschüre ist gegen einen Unkostenersatz von ÖS 100,- bei der AEE in Gleisdorf erhältlich. Sie ist auch in der Homepage des IEA Solar Heating and Cooling Programme verfügbar und kann von dort heruntergeladen werden. http://www.iea-shc.org/task26

 

Die Internationale Energie Agentur (IEA), eine Organisation der OECD, wurde 1974 mit dem Ziel gegründet, schnell und flexibel auf Energiekrisen reagieren zu können. Ein weiteres Ziel war der Aufbau einer umweltverträglichen, effizienten und nachhaltigen Energieversorgung. 24 Mitgliedsländer und die Europäische Kommission arbeiten im Rahmen der IEA in 40 "Implementing Agreements" an Forschungsprojekten zur Entwicklung neuer und effizienterer Energietechnologien sowie an gemeinsamen Markteinführungstrategien. Eines der ersten Implementing Agreements im Rahmen der IEA war das 1977 ins Leben gerufene "Solar Heating and Cooling Programme"(SHC). Seit Bestehen dieses Implementing Agreements wurden 26 Forschungs- und Entwicklungsprojekte (Tasks) durchgeführt.
Task 26 ist ein derzeit laufendes IEA SHC-Forschungsprojekt, an dem sich 32 Experten und 15 Solartechnikunternehmen aus 9 europäischen Ländern und den USA beteiligen.
Im Rahmen der Task 26 werden Systeme zur solaren Warmwasserbereitung und Raumheizung (Solare Kombianlagen) in den teilnehmenden Ländern systematisch erfasst, verglichen und auf ihre Eignung in verschiedenen Anwendungsbereichen sowie unter verschiedenen Rahmenbedingungen und klimatischen Bedingungen untersucht.
Auf Basis dieser Erhebungen und Bewertungen sollen die Systeme für Anwendungen in Ein- und Mehrfamilienhäusern weiterentwickelt und optimiert werden. Dazu werden Vorschläge sowohl für Neubauten als auch für Anwendungen in der bestehenden Gebäudesubstanz erarbeitet.
Die Optimierung und Weiterentwicklung der Systeme in einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern und Praktikern ermöglicht das Zusammenführen von internationalem Expertenwissen und damit die Entwicklung von innovativen Systemen mit einem verbesserten Preis-Leistungsverhältnis.
Weiters werden im Rahmen des Projektes einheitliche Klassifizierungs- und Bewertungsverfahren für solare Kombianlagen entwickelt. Diese dienen als Grundlage für die Erarbeitung von Vorschlägen zur internationalen Standardisierung von Systemtests.
Österreich ist in Task 26 durch die AEE und das Institut für Wärmetechnik der TU Graz durch jeweils zwei Experten vertreten. Der AEE wurde zudem die Gesamtleitung dieser Task übertragen. Von Seiten der Solarindustrie beteiligen sich drei österreichische Unternehmen aktiv an Task 26. Die Aktivitäten im Rahmen von Task 26 werden vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie finanziert.

Literatur:
[1] European Commission: White Paper for a Community Strategy and a Plan of Action, Brussels, 1998
[2] Proceedings 3rd Industry Workshop of Task 26, Stuttgart, October 1999
[3] Faninger, G: Solarmarkt in Österreich, BMWV, 1999
[4] Energie im 21. Jahrhundert, aktuelle Wirtschaftsanalysen 5/1995, Heft 25. Studie der Shell AG. Hamburg 1995
[5] Johansson, T.B., Kelly, H., Reddy, A.K., Williams, R., Burnham, L.: Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity. Islands Press. Washington D.C. 1993
[6] Langriß, O., Luther, J., Nitsch, J., Wiemken, E.: Strategien für eine nachhaltige Energieversorgung - Ein solares Langfristszenario für Deutschland, Bericht des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme, Freiburg, Stuttgart, Oktober 1997
[7] Nakicenovic, N., u. a.: Global Energy Perspectives to 2050 and Beyond, Joint IIASA-WEC Study, Report 1995, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg 1995
[8] Suter, J-M., Letz, T., Weiss, W., Inäbnit, J.: Solar Combisystems in Austria, Denmark, Finland, France, Germany, Sweden, Switzerland, the Netherlands and the USA, Overview 2000, IEA, Bern, 2000
[9] Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, Hrsg.: Heizen mit der Sonne, Handbuch zur Planung und Ausführung von solaren Heizsystemen für Einfamilienhäuser, Gleisdorf, 1997

*) Ing. Werner Weiß ist Operating Agent der Task 26 und Geschäftsführer der AEE in Gleisdorf. e-mai: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. , Internet: http://www.aee.at [^]

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