Gebäudetechnik

Solare Trinkwassererwärmung

Solare Trinkwassererwärmungsanlagen bestehen aus dem Wärmeerzeuger, einem solarthermischen Wandler, mindestens einem Speicher für solarthermische Energie, Umwälzpumpen, einer Steuereinheit, internen und externen Wärmeüberträgern und einer Nachheizeinrichtung.

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Solarthermische Wandler

Das sind meist Solarflachkollektoren, ggf. auch Solarröhrenkollektoren. Da in der Regel bei der Trinkwassererwärmung Trinkwarmwassertemperaturen bis 60 °C ausreichen, sind Solarflachkollektoren gut geeignet. Falls die Kollektoraufnahmefläche für die Solarflachkollektoren nicht ausreicht, können auch Solarröhrenkollektoren verwendet werden, die aber spezifisch teurer als die Solarflachkollektoren sind.

Solarabsorber eignen sich nicht für die Trinkwassererwärmung im sanitären Bereich. Sie können nur für die Trinkwasservorwärmung oder dann eingesetzt werden, wenn Trinkwarmwassertemperaturen bis 35 °C für die Nutzung ausreichen. Das ist z.B. im Freischwimmbadbereich der Fall.

Speicher für solarthermische Energie

Diese Speicher, im Folgenden kurz Solarspeicher genannt, werden in einer größeren Konstruktionsvielfalt als die weiter oben beschriebenen konventionellen Trinkwasserspeicher angeboten und sind komplizierter als diese aufgebaut. Sie dienen dazu, die stochastische solarthermische Energieerzeugung vom Bedarf an thermischer Energie zu entkoppeln. Sie sind in thermischen Solaranlagen unverzichtbar und bestimmen ganz wesentlich die Einsatzgebiete thermischer Solaranlagen.

Sie können charakterisiert werden entsprechenddem Zeitraum der solaren Energieversorgung in

Kurzzeit-,
Langzeit- und
saisonaler Solarspeicher,

der Art des Wärmespeichermediums in

Flüssigkeits-,
Latentwärme- und
Erdreichsolarspeicher,

der Funktion im System in

Trinkwarmwasserspeicher und
Pufferspeicher,

der Speicherkonstruktion in

Standard-,
Kombi-,
Thermosiphon- und
Schichtbelade-Solarspeicher,

dem Speichermaterial in

unbeschichtete, emaillierte und kunststoffbeschichtete Stahlspeicher,
Edelstahlspeicher und
Kunststoffspeicher.

Im Einfamilien- und kleinen Mehrfamilienhaus dominiert wegen der Platzverhältnisse und der Kosten der Kurzzeitsolarspeicher mit einem solar erzeugten Energievorrat von einem Tag bis zu drei Tagen. Langzeitsolarspeicher für eine solare Energieversorgung über Wochen sind recht selten anzutreffen. Realisiert wurden Projekte mit saisonalem Speicher für eine ganzjährige solare Nahwärmeversorgung.

Übersicht

Die solare Trinkwassererwärmung ist gegenwärtig das Hauptanwendungsgebiet der Nutzung solarthermisch erzeugter Energie. Prinzipiell sind drei Anlagenkonfigurationen möglich:

Speicherkollektoranlage
Zweikreissystem mit Naturumlauf als Thermosiphonanlage
Zweikreissystem mit Zwangsumlauf als Pumpensolaranlage

Speicherkollektoranlage

Bei der Speicherkollektoranlage sind solarthermischer Energiewandler, Speicher und Wärmeträgerkreis in einem Baukörper vereint. Das zu erwärmende Trinkwasser wird im Solarkollektor erwärmt und entweder in ihm oder in einem unmittelbar oberhalb des Solarkollektors befindlichen Speicher gespeichert. Es wirkt das Schwerkraftprinzip. Wird dem Speicher warmes Wasser entnommen, strömt kaltes Wasser in den Solarkollektor nach und wird dort bei Sonnenschein erwärmt.

Vorteile von Speicherkollektoranlagen sind der einfache Aufbau und die vergleichsweise geringen Kosten. Eine Erweiterung der Kapazität ist durch Parallelschaltung weiterer Speicherkollektoren leicht möglich. Nachteile sind der relativ hohe Wärmeverlust und das hohe Gewicht, das bei Dachintegration von der Dachkonstruktion aufgenommen werden muss. Eingesetzt werden sie v.a. in den Mittelmeeranrainerländern.

Thermosiphonanlage

Das Zweikreissystem mit Naturumlauf arbeitet wie die Speicherkollektoranlage entsprechend dem Thermosiphonprinzip, nur dass Solarkollektor und Speicher getrennt angeordnet sind. Der Solarkollektor muss sich unterhalb des Speichers befinden. Die Dachfläche kann damit kaum zur Aufnahme der Solarkollektoren genutzt werden. Bei dieser Anlage muss wie bei allen Anlagen mit Schwerkraftwirkung verhindert werden, dass sich in Zeiten ohne Sonnenschein, v.a. nachts, der Kreislauf umkehrt und über den Solarkollektor der Speicherinhalt abgekühlt wird.

Varianten von Pumpensolaranlagen

Das Zweikreissystem mit Zwangsumlauf, die Pumpensolaranlage, entspricht von der Anordnung der Bauelemente her einer Dachheizzentrale, nur dass der Wärmeerzeuger, das Solarkollektorfeld, auf der Außenseite des Daches angebracht sein muss, auch wenn mancher Architekt die Solarkollektoren gerne unter der Dachhaut versteckte. Der Solarfluidkreis ist immer vom zu erwärmenden Trinkwasser getrennt. Sein Medium ist meist ein Wasser-Glykol-Gemisch.

Die Gestaltung der Anlage im Anschluss an den Solarfluidkreis lässt viele Varianten zu. Wesentliche Grundvarianten sind:

solare Erwärmung eines Trinkwarmwasserspeichers, in dem auch die Nachheizung erfolgt
solare Erwärmung eines Trinkwarmwasserspeichers und Nachheizung in einem zweiten Speicher (Bereitschaftsspeicher)
solare Erwärmung eines Pufferspeichers als Schichtbeladespeicher mit einem externen Wärmeüberträger, Nachheizung im Schichtbeladespeicher und Trinkwassererwärmung mit externem Wärmeüberträger im Durchlaufprinzip
solare Erwärmung eines Pufferspeichers mittels eines externen Wärmeüberträgers, daraus Aufladung eines Trinkwarmwasserspeichers mit Nachheizung über einen externen Wärmeüberträger
solare Erwärmung eines Pufferspeichers mit einem externen Wärmeüberträger, nachgeschaltetem Bereitschaftsspeicherladekreis mit Vorwärmspeicher

Rohrleitungen und Umwälzpumpen

Für Rohrleitungen wird nahezu ausschließlich Kupfer verwendet. Neuerdings werden auch flexible Edelstahlwellrohre angeboten, die die Montage auf dem Dach erleichtern. Die Rohrleitungen sollten so kurz wie möglich sein. Zur Dämmung der Rohre wird EPDM-Schaumstoff oder Mineralfaser eingesetzt.

Die Umwälzpumpen sind Kreiselpumpen mit Wechselstromantrieb. Da wesentlich geringere Volumenströme als in Heizanlagen zu fördern sind, werden spezielle Solarpumpen mit flacher Kennlinie benötigt. Sie dürfen nicht überbemessen werden. Ihr Einbau erfolgt in den Kollektorzulauf (Solarrücklauf SR), trotzdem müssen sie für Betriebstemperaturen bis 120 °C zugelassen sein. Da Solarkollektoren auch mit Solarmodulen als Teil einer Gleichstrom erzeugenden Fotovoltaikanlage gekoppelt werden können, sollten Pumpen mit Gleichstromantrieb verwendet werden.

Bemessen und Installieren solarer Trinkwassererwärmungsanlagen

Auszugehen ist vom Trinkwarmwasserverbrauch und dem dafür nötigen Energiebedarf. Im Unterschied zu konventionellen Anlagen, bei denen prinzipiell jeder Energiebedarf befriedigt werden kann, muss der Energiebedarf bei Solaranlagen recht genau bestimmt und v.a. nicht zu großzügig ausgewählt werden, weil sonst durch das solare Energieangebot mit seinen starken jährlichen Schwankungen und Minimalwerten die Kosten sehr hoch werden. Bei der solaren Trinkwassererwärmung bestimmt damit nicht nur der Energiebedarf, sondern auch wesentlich das Energieangebot die Bemessungsstrategie.

Der Energiebedarf sollte je nach Ausgangslage folgendermaßen ermittelt werden:

bei Ersatz einer vorhandenen konventionellen Trinkwassererwärmungsanlage durch Messen des bisherigen Trinkwarmwasserverbrauchs
bei genereller Neuinstallation durch sinnvolle Übernahme der Werte von bereits im Umfeld vorhandenen solaren Trinkwassererwärmungsanlagen

Nur dann, wenn keinerlei konkrete Werte oder Beispielfälle bekannt sind, wird die Berechnung entsprechend der Bedarfskennzahl N nach DIN 4708 herangezogen.