Zeitschrift EE

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2000-04: Solare Raumheizungsanlagen

Wohngebäude

Den größten Anteil am Gesamtenergieverbrauch eines durchschnittlichen Haushaltes - ausgenommen dem Verkehr - haben die Raumheizung und die Warmwasserbereitung. Der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung ist abhängig von der Anzahl der Bewohner über das ganze Jahr annähernd konstant. Dagegen variiert der Energieverbrauch für die Raumheizung über das Jahr beträchtlich! Der Ganzjahresenergiebedarf für die Raumheizung ist hauptsächlich vom Gebäudestandort, von der Lage und Ausrichtung des Gebäudes bzw. der Fensterflächen und den U-Werten von sämtlichen an die Umgebung grenzenden Bauteilen abhängig.

Solare Raumheizung für Ein- und Zweifamilienwohnhäuser

Von Josef Schröttner*

Allein diese Schlagwörter zeigen, dass die Architektur des Gebäudes einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf hat. Die Räume sollten in einzelne Temperaturzonen - niedertemperierte Pufferräume auf der Nordseite und hochtemperierte Wohnräume auf der Südseite des Gebäudes - gegliedert werden. Neben der kompakten, dichten und gut gedämmten Gebäudehülle beeinflusst die passive Nutzung der Sonnenenergie nachhaltig den Energiebedarf. Eine an der Südfassade des Gebäudes angebrachte großzügige Verglasung oder ein vorgesetzter Wintergarten, der auch als zusätzlicher Wohnraum genutzt werden kann, dient - neben den architektonischen Aspekten - vor allem als "Energiefalle".
Um Kosten und Zeit zu sparen, sollten schon bei der Planung des Gebäudes alle Möglichkeiten zur Energieeinsparung ausgeschöpft werden. Generell ist anzustreben, beträchtliche Anteile des Warmwasser- und Heizenergiebedarfes durch ein aktives Solarsystem (thermische Solaranlage) abzudecken. Der verbleibende Restenergiebedarf sollte über eine CO2 neutrale Biomassefeuerungsanlage bereitgestellt werden. Für Ein- und Zweifamilienwohnhäuser sind Pelletsfeuerungsanlagen, Stückholzkessel oder ein Kachelofen mit Wärmeauskopplung ideale Zusatzheizsysteme.
Die Dimensionierungsgrundlagen für die Planung einer teilsolaren Raumheizung werden in den folgenden Abschnitten anhand eines konkreten Beispiels dargestellt. Ausgangspunkt ist ein Zweifamilienwohnhaus mit einer Wohnfläche von 2 x 120 m². Der Bauherr, gleichzeitig Architekt des Zweifamilienwohnhauses, hat sich bereits in der frühen Planungsphase mit dem Thema teilsolare Raumheizung auseinandergesetzt, so dass alle baulichen Maßnahmen von vornherein mitgeplant werden konnten. Dies ist leider nicht immer der Fall, was fallweise höhere Planungskosten und höhere Baukosten, wenn sich das Objekt bereits in Bau befindet, nach sich zieht.

Dimensionierung der thermischen Solaranlage

Ausgehend von der Heizlast mit 2 x 5,3 kW und dem daraus resultierenden Heizenergiebedarf und Energiebedarf für die Brauchwasserbereitung von 12.100 kWh pro Haushalt (ohne die passiven Erträge) wurde die thermische Solaranlage so konzipiert, dass ein solarer Gesamtdeckungsanteil (Brauchwasser- und Heizenergiebedarf) von 65% je Haushalt erreicht wird. Der solare Gesamtdeckungsanteil ist im wesentlichen von der Kollektorfläche, der Ausrichtung und Neigung der Kollektoren und schließlich von der Speichergröße abhängig.
Da der Stand der Sonne im Winterhalbjahr sehr niedrig ist, sollten die Kollektoren bei einer solaren Raumheizungseinbindung einen Neigungswinkel von 40° bis 90° haben und gegen Süden ausgerichtet sein, um den solaren Energieertrag in der Heizperiode zu maximieren. Eine Abweichung aus Süden von 30° in Richtung Osten und Westen ist möglich und führt nur zu unwesentlichen Ertragseinbusen. Abbildung 1 zeigt beispielhaft ein Nomogramm mit der Änderung des Gesamtdeckungsanteils in Abhängigkeit der Kollektorausrichtung (Kollektorazimut) und des Neigungswinkels der Kollektoren.

Abbildung 1: Abhängigkeit des Deckungsgrades von Neigung und Azimut des Kollektorfeldes (für eine Anlage mit max. 34% solarer Deckung bei 60° Neigung, Ausrichtung -10°
Quelle: © Institut für Wärmetechnik, TU Graz

Die Orientierung und Neigung der Kollektorfläche werden in der Regel mit Hilfe der Baupläne der Bauherren/frauen bestimmt. Die zweite wesentliche Komponente bei der Dimensionierung der Solaranlage ist der Pufferspeicher. Dieser hat die Aufgabe, die vom Wärmeerzeuger (Solaranlage bzw. vom Heizungskessel) bereitgestellte Energie, je nach Speichergröße, über Stunden, Tage bis einige Wochen zu speichern. Der Speicher soll so groß dimensioniert sein, dass er mindestens den Solarertrag von einem sonnigen Tag ohne Entnahme aufnehmen kann. Wird als Nachheizsystem ein Stückholzkessel eingesetzt, muss das Pufferspeichervolumen abgestimmt auf den Stückholzkessel vergrößert werden.
Abbildung 2 zeigt ein Diagramm für eine erste Dimensionierungsabschätzung einer thermischen Solaranlage zur teilsolaren Raumheizung. Das Diagramm zeigt den solaren Gesamtdeckungsanteil in Abhängigkeit vom Pufferspeichervolumen und der Kollektorfläche für ein Haus mit 8 kW Heizlast bei einer Auslegungstemperatur von -12°C (Klima: Graz, Österreich). Signifikant ist der Deckungsgradanstieg einerseits im Bereich kleiner Speichervolumina und andererseits bei steigender Kollektorfläche. Aus dem Diagramm ist auch ersichtlich, dass durch die bei größerem Speichervolumen immer flacher werdende Krümmung der Kurve nicht die Speichergröße, sondern die Kollektorfläche den entscheidenden Einfluss auf den solaren Deckungsgrad hat.

Abbildung 2: Solarer Gesamtdeckungsgrad in Abhängigkeit vom Pufferspeichervolumen und Kollektorfläche mit empfohlenem Dimensionierungsbereich.
Quelle: © Institut für Wärmetechnik, TU Graz

Die detaillierte Dimensionierung der thermischen Solaranlage erfolgt allerdings nicht mit dem Diagramm aus Abbildung 2, sondern mit Hilfe eines Simulationsprogramms. Dafür sind als Inputdaten im wesentlichen folgende Parameter erforderlich:

  • Standort des Gebäudes
  • Energiebedarf (Raumheizung und Brauchwasser)
  • Kollektortyp mit Kollektorfläche, Neigung und Ausrichtung
  • Speichervolumen
  • Vor- und Rücklauftemperatur des Wärmeabgabesystems

Dimensionierungsergebnisse und Anlagenhydraulik

Vorauszuschicken ist, dass für das Zweifamilienhaus, das aus zwei komplett getrennten Wohneinheiten besteht, auch zwei getrennte Wärmeversorgungssysteme realisiert wurden. D.h. die Anlage besteht aus zwei dezentralen Solaranlagen mit zwei Nachheizsystemen.
Aus Gründen der Architektur - die Kollektorfläche ist mit den Dachflächenfenstern in die Dachhaut integriert - ergab sich für das Zweifamilienwohnhaus eine Bruttokollektorfläche von 2 x 34 m². Die Energie wird in zwei 2.400 Liter fassende Pufferspeicher mit integrierter Schichtladeeinheit eingespeist, wobei der Anlagenbetrieb nach dem Low-Flow Prinzip erfolgt. Als Zusatzheizsystem für die Kernheizzeit wurde ein Stückholzkessel und ein Pelletskessel gewählt. Um die Speicherverluste zu minimieren bzw. um auf einen Boiler zu verzichten, erfolgt die Brauchwasserbereitung über einen Plattenwärmetauscher im Durchflussprinzip.

Abbildung 3: Hydraulikschema der teilsolaren Raumheizungsanlage mit einem selbstregelnden Schichtenlader im Energiespeicher und einem externen Wärmetauscher zur Brauchwasserbereitung. Die Energie aus dem Holzkessel wird in den oberen Speicherbereich eingespeist.

Die Einbindung der Solaranlage in das Heizungssystem (Stückholzkessel, Pelletskessel) brachte für den Bauherrn/frau des Zweifamilienhauses einen wesentlichen Komfortgewinn. Weiters konnten die Heizkosten beträchtlich reduziert werden, da man einen solaren Deckungsanteil von ca. 65% für die Warmwasserbereitung und Raumheizung erreichte.
Dies zeigt auch Abbildung 4. In diesem Diagramm ist der Jahresenergiebedarf, gegliedert in den Brauchwasser- und Heizenergiebedarf, sowie der Kollektorertrag aus der 34 m² großen, 60° geneigten und nach Süden ausgerichteten Kollektoranlage dargestellt. Deutlich ist der relativ konstante Energiebedarf für Warmwasser zu erkennen. Die kurze Heizperiode ist hauptsächlich auf die hochwertige Wärmedämmung und auf die passiven Energiegewinne zurückzuführen. Ab Mitte März bis Ende Oktober ist bei dieser Anlagendimensionierung mit einer vollsolaren Wärmeversorgung (Brauchwasser und Heizenergie) zu rechnen.

Abbildung 4: Energiebedarf für Raumheizung und Warmwasser und Energieertrag der 34 m² Solaranlage im Zweifamilienniedrigenergiehaus

Der Großteil der Energie zur Beheizung des Gebäudes wird in den Wintermonaten benötigt. Das Energieangebot der Sonne ist aber zu dieser Zeit in unseren Breiten am geringsten, so dass der Restenergiebedarf mit einer Zusatzheizung gedeckt wird.

Weiterführende Informationen und Literatur:
Website der AEE: www.aee.at
Fink, C. , e.a., Heizen mit der Sonne, AEE, ISBN 3-901425-04-7, 1997
Bezugsmöglichkeit:
AEE-Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE
H.v. Türlin Straße 5, A-9500 Villach
Tel: ++43 / 4242 / 23 2 24
Fax: ++43 / 4242 / 23 2 24 -1
E-mail: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

*) Ing. Josef Schröttner ist Mitarbeiter der AEE Gleisdorf, Hauptarbeitsgebiet: Planung von teilsoraen Raumheizungsanlagen sowie Planung von Solaranlagen für Mehrfamilienwohnbauten [^]

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