KerstinGroße Solaranlagenzur Trinkwassererwärmung

Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung mit

Kollektorflächen von mehr als 100 m2 können beträcht-

liche Energiespar-Potentiale im Geschosswohnungsbau

sowie in gewerblichen und öffentlichen Einrichtungen

erschließen. Sie zeichnen sich gegenüber kleineren

Anlagen durch höhere spezifische Erträge

und deutliche Kostenvorteile aus. Mit den Er-

fahrungen aus Demonstrationsanlagen kann

nun die Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz

sichergestellt werden.

Große Solaranlagen haben ein breites Einsatz-

spektrum: Miethäuser, Wohnsiedlungen, Hotels, Seni-

orenheime, Krankenhäuser und Studentenwohnheime

sind Beispiele für Immobilien, bei denen durch eine solare Unterstützung der Trinkwasser-

erwärmung große Energieeinsparungen möglich sind. Der großen Zahl geeigneter Gebäude

standen in der Vergangenheit nur wenige ausgeführte Anlagen gegenüber. Wesentliche

Ursache ist, dass die Investoren solcher Gebäude von der Wirtschaftlichkeit und Zuver-

lässigkeit der Systeme nicht überzeugt waren. Zudem fehlten Planungsgrundlagen für

Architekten und Fachplaner, zumal Großanlagen nicht in dem gleichen Maße standardisiert

werden können, wie dies bei Kleinanlagen erreicht wurde.

Im Jahr 1993 startete deshalb das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit

(BMWA) getragene Förderkonzept „Solarthermie-2000“. In einem seiner drei Teilpro-

gramme wird die Errichtung von rund 100 großen thermischen Solaranlagen zur Trink-

wassererwärmung gefördert, von denen bereits etwa die Hälfte in Betrieb ist. Die ausge-

wählten Objekte spiegeln die Vielfalt der Einsatzgebiete und Systemlösungen wider.

Die in einem sehr umfangreichen Begleitforschungsprogramm bisher gewonnenen Erfah-

rungen mit den Demonstrationsanlagen sind positiv. Sie belegen, dass große solarthermische

Anlagen zuverlässig und effizient arbeiten können und dass sie die solare Nutzwärme zu

Kosten zur Verfügung stellen, die diese Technik auch für große Wohnungsbaugesell-

schaften, Krankenhäuser etc. wirtschaftlich interessant macht.

Wesentliche Ergebnisse des Demonstrationsprogramms sind Planungsgrundlagen und

Empfehlungen, die im Folgenden vorgestellt werden.

1Solaranlage im Wohngebiet Henningsdorf

BINEI n f o r m a t i o n s d i e n s t

Objektauswahl und Vorbereitung

Die Motive für die Installation einer Solar-anlage sind vielfältig: Bei Eigentümern vonEinfamilienhäusern spielt oft der ökologischeAspekt die dominierende Rolle. Bei größe-ren Objekten tritt meist die Wirtschaftlich-keit der Investition stärker in den Vorder-grund. Große Solaranlagen sind mit spezifischenKosten von ca. 500 bis 750 € pro Quadrat-meter Kollektorfläche (incl. MwSt) erheb-lich kostengünstiger als Kleinanlagen (ca.800 bis 1.000 €/m2). Dennoch ist die Instal-lation einer solchen Anlage nicht für jedesgroße Gebäude gleichermaßen sinnvoll. Zentrales Kriterium ist der Warmwasserbe-darf des Objektes. Er ist – bezogen auf dieNutzer des Gebäudes – gering in Büro- undVerwaltungsgebäuden sowie in Schulen.Allerdings ist nicht nur die absolute Ver-brauchsmenge von Bedeutung, entschei-dend ist auch das Verbrauchsprofil im Jah-resverlauf. Ein ungünstiges Jahresprofil mitgeringerer Wärmenachfrage im Sommerwie z. B. in Schulen und Sporthallen kanndie Wirtschaftlichkeit einer Solaranlageerheblich mindern. Einen hohen ganzjähri-gen und auch sommerlichen Warmwasser-verbrauch haben z.B. Wohngebäude, Heimeund Krankenhäuser und ein Teil der gewerb-lich genutzten Gebäude.

Bei Altbauten ist der bauliche und anlagen-technische Zustand des Objektes ein weite-res Kriterium. Als additive Technik kanneine Solaranlage zur Trinkwassererwär-mung in unseren Breiten nicht unabhängigvon der konventionellen Technik desGebäudes betrachtet werden. Modernisie-rungsbedarf sollte bei der Planung der Anlage

berücksichtigt werden. Folgende vorberei-tende Arbeiten können erforderlich sein:■ Minimierung des Energiebedarfs in demVerbrauchssystem, an das die Anlage ange-schlossen werden soll.■ Anpassung des konventionellen Energie-erzeugers an den minimierten Energiever-brauch.■ Sanierung des Daches, auf dem das Kol-lektorfeld mit einer Lebensdauer von 20 Jah-ren oder mehr installiert werden soll.Es ist nicht zweckmäßig, ein Solarsystem anein nicht optimiertes konventionelles Ver-brauchs- oder Energieerzeugungssystemanzubinden. Da Grenzen für konventionelleOptimierungsmaßnahmen bestehen, ab denender Einbau einer Solaranlage günstiger seinkann, sind alle Maßnahmen auf Wirtschaft-lichkeit zu prüfen.

Bewährte Systemkonzepte

Grundsätzlich ist anzustreben, den Sys-temaufbau möglichst einfach zu gestalten,damit die Anfälligkeit für Störungen undder Aufwand für Instandhaltung und War-tung möglichst gering bleiben und hoheBetriebszuverlässigkeit erzielt wird.Bei fast allen heute errichteten großen ther-mischen Solaranlagen wird die vom Kollek-torkreis gelieferte Solarwärme in einem sog.Pufferspeicher zwischengelagert.Das Pufferspeicherkonzept bedingt die Ins-

tallation eines zwei-ten Wärmetauschers(WT) zur Übergabeder im Speicher ge-sammelten Energiean das Trinkwasserzusätzlich zum Kol-lektorkreis-WT ( 4und 5 ).Im Rahmen von So-larthermie-2000 wur-den einige System-konzepte mit Puffer-speichern realisiert.Zwei Varianten mitunterschiedl ichenVor- und Nachteilenwurden häufig instal-liert und haben sich

bewährt. Andere effiziente und kostengün-stige Varianten sind denkbar.System mit „Durchlauferhitzer-prinzip“Bei diesem Konzept 4 wird Wärme nurdann vom Pufferspeicher an das Trinkwas-ser übertragen, wenn Warmwasser gezapftwird – wie bei einem Durchlauferhitzer. Es

wird daher auch „Durchlauferhitzerprinzip“genannt.Vorteile:■ Die Solaranlage ist leicht in ein bestehen-des Energiesystem einzubinden.■ Das System ist kostengünstig.■ Dem Kollektorfeld wird eine möglichst nie-drige Temperatur angeboten. Dies wirkt sichpositiv auf die Effizienz des Solarsystems aus.Nachteile:■ Energie aus dem Pufferspeicher kann nurdann an das Trinkwasser übergeben werden,wenn Warmwasser gezapft wird.■ Die Regelung der Entladung ist recht auf-wändig, wenn sie immer dann, wenn Warm-wasser gezapft wird, eine möglichst guteErwärmung des Trinkwassers bei gleichzeitigmöglichst guter Abkühlung des Pufferwas-sers sicherstellen soll.■ Die Auslegung des Wärmetauschers ist vor

Objektauswahl undSystemkonzepteDie sorgfältige Auswahl und Vorbereitung eines Gebäudes sind

Voraussetzung für wirtschaftliche Solaranlagen. Einfach aufge-

baute Systeme reduzieren die Kosten, die Störanfälligkeit und

den Wartungsaufwand.

Kaltwasser

Kessel

bivalenter Speicher

2 BINE themeninfo

Systemnutzungsgrad [%]:Vom Solarsystem an den Verbraucher abgegebenesolare Nutzwärme dividiert durch die Einstrahlung aufdie gesamte Absorberfläche (gemessen senkrecht zurAbsorberausrichtung)

Solarer Zapf-Deckungsanteil [%]:Vom Solarsystem an den Verbraucher abgegebenesolare Nutzwärme dividiert durch die für die Erwär-mung des gezapften Warmwassers notwendige Energie(solar + konventionell)

Solarer Gesamt-Deckungsanteil [%]:Vom Solarsystem an den Verbraucher abgegebenesolare Nutzwärme dividiert durch die für das gesamteWarmwassersystem benötigte Energie (incl. Zirkula-tions- und Speicherverluste; solar + konventionell)

Auslastung (spezifische Last) [l/(d·m2]:Menge des am Tag verbrauchten Warmwassers (bezogenauf 60 °C) pro Quadratmeter installierter Absorberfläche

2

Kleine Solaranlagen zur Trinkwassererwär-mung werden seit vielen Jahren installiert.Großanlagen mit mehr als 50 m2 Kollektor-fläche waren eher selten. Sie wurden zudemauf der Basis einer großen Zahl unterschied-licher Systemkonzepte meist in Einzelplanungrealisiert. Nicht alle früher eingesetztenSystemvarianten führten zu hoher Systemeffi-zienz und guten wirtschaftlichen Ergebnissen.Prinzipiell wurden früher große Solarsystemezur Trinkwassererwärmung meist aufgebautwie die heute üblichen Kleinanlagen: DerSolarspeicher war mit Trinkwasser gefüllt unddie Wärme wurde vom Kollektorkreis überWärmetauscher (im Speicher eingebaut oderextern angeordnet) direkt an das gespeicher-te Trinkwasser abgegeben, wie in 3 gezeigt.Die großen Solarspeicher enthielten also sehrviel Trinkwasser.Mit dem Erscheinen der DVGW-Arbeitsblät-ter W551 und W552 wurde dies als proble-matisch bezüglich der Wasserhygiene (Legio-nellenwachstum) definiert. Die in den Merk-blättern u.a. aufgestellte Empfehlung, derarti-ge Vorwärmspeicher (Inhalt mehr als 400Liter) einmal täglich auf 60 °C aufzuheizen,hätte die Speicherung von Solarenergie er-heblich eingeschränkt und damit die Effizienzdes Solarsystems stark herabgesetzt. Darauf-hin wurden neue Konzepte für die Speiche-rung der Solarwärme entwickelt, die daraufbasierten, den Solarspeicher nicht mehr mitTrinkwasser zu füllen sondern mit einemZwischenmedium (Heizwasser).

Kleinanlagen und Großanlagen derersten Generation

3Mit Trinkwasser gefüllte Solarspeicher in kleinen Solaranlagen oder alten Großanlagen

Kennwerte von thermischen Solarsystemen

allem bei großen Gebäuden (mehr als 100Bewohner) kritisch. Sie muss auf hohe Zapf-spitzen erfolgen (großer Wärmetauscher mitgeringem Druckverlust bei Zapfspitzen), dasonst die Warmwasserversorgung evtl. gestörtwerden kann. Zugleich soll sie aber auchsicherstellen, dass bei sehr geringem Zapf-volumen noch eine gute Wärmeübertragungstattfindet. Bei großen Gebäuden mit hohenSpitzen beim Warmwasserverbrauch ist diesnur schwer zu erreichen. Auch die Dimen-sionierung der Entladepumpe ist hier schwie-riger.■ Eine Einbindung des Zirkulationsrücklaufesin das Solarsystem zur solaren Teildeckung,auch der Zirkulationsverluste, ist sehr auf-wändig (vgl. 6 ).System mit solarem Vorwärm-speicherBei einem System mit solarem Vorwärm-speicher 5 wird auf der Trinkwasserseitedes Entlade-WT ein kleiner solarer Vorwärm-speicher installiert (ca. 10 % des Tages-Warm-wasserverbrauchs; gefüllt mit Trinkwasser).Die Energie aus dem Puffer kann an gezapf-tes und auch an „stehendes“ Trinkwasser imVorwärmspeicher abgegeben werden.

Vorteile:■ Die Solaranlage ist leicht in ein bestehen-des Energiesystem einzubinden.■ Der Entlade-WT ist leicht auszulegen undkann kleiner gehalten werden. Er muss nichtauf hohe Zapfspitzen (im Bereich einigerSekunden) ausgelegt werden, es genügt eineAnpassung an Spitzenwerte, die über längerePerioden (z.B. 1 Stunde) gemittelt sind (diesgilt auch für die beiden Entladepumpen).■ Die Entladeregelung ist preiswert und ein-fach (Temperaturvergleich zwischen oberemTeil des Pufferspeichers und unterem Teil dessolaren Vorwärmspeichers).■ Die Einbindung des Zirkulationsrücklaufin das Solarsystem ist einfach und kosten-günstig möglich.

Nachteile:■ Wegen der möglichen Vermischung desnachströmenden Kaltwassers mit dem vor-erwärmten Trinkwasser im Vorwärmspeicherwird bei einigen Betriebsbedingungen demPuffer und damit dem Kollektorfeld eineetwas höhere Temperatur angeboten als beimDurchlauferhitzerprinzip (etwas geringereSystemeffizienz).

■ Da in großen Gebäuden das Gesamtvolu-men von Nachheizspeicher und solarem Vor-wärmspeicher meist über 400 Liter liegt,muss der Vorwärmspeicher einmal täglichüber die „Legionellenschaltung“ vom kon-ventionellen System her auf 60 °C erwärmtwerden, wenn dies nicht bereits über dieSolarwärme erfolgt ist.■ Die Systemverluste steigen durch den sola-ren Vorwärmspeicher geringfügig an.■ Es entstehen etwas höhere Systemkostendurch den Vorwärmspeicher, die zusätzlichePumpe P4 und die Legionellenschaltung trotzpreiswerterem Entlade-WT, kostengünstige-rer Regelung und kleinerer Pumpe P3.

EmpfehlungIn Gebäuden mit nicht zu großem Dyna-mikbereich beim Warmwasserverbrauchkann das Durchlauferhitzerkonzept einge-setzt werden, wenn der Entlade-WT und dieRegelung sorgfältig ausgelegt werden.Will man bei größeren Gebäuden Problememit der Entladeregelung und der Auslegungdes Entlade-WT vermeiden, so sollte mandas Konzept mit solarem Vorwärmspeicherwählen.

P1 P2 P3

Solar-puffer-speicher

Kaltwasser

Frost-schutz-schalt.

T max

Kessel

M

M

Nach-heiz-speicher

T1

T2

M

MP1 P2 P3

Solar-puffer-speicher

Kaltwasser

Frostschutz-schalt.

T max

P4

Kessel

Legionellen--schaltung

M

M

M

Nach-heiz-speicher

T1

T2

sol. Vor-wärm-speich.

M

M

BINE themeninfo 3

4 5Prinzip einer großen Solaranlage mit solarem Pufferspeicher und Abgabe derEnergie aus dem Puffer an das Trinkwasser nur über den Entlade-Wärmetauscher(Durchlauferhitzerprinzip)

Prinzip einer großen Solaranlage mit solarem Pufferspeicher und Abgabe derEnergie aus dem Puffer an das Trinkwasser über den Entlade-Wärmetauscher undeinen solaren Vorwärmspeicher.

Einbindung der Zirkulation in das Solarsystem

Oft soll ein Teil der Zirkulationsverluste überSolarenergie gedeckt werden. 6 und 7 zeigenfür die beiden oben beschriebenen Systemvari-anten die Methoden der Zirkulationseinbindung.Das hohe Temperaturniveau des Zirkulations-rücklaufs (ca. 55 °C bei 60 °C im Bereitschafts-speicher), darf nicht so in einen Solarspeicherzurückgeführt werden, dass es die niedrige Tem-peratur des Kaltwassers überlagert.Daher darf beim Durchlauferhitzerkonzept derfür die Erwärmung des Trinkwassers vorgeseheneWärmetauscher nicht gleichzeitig für die Aufhei-zung des Zirkulationsrücklaufs benutzt werden.Der andauernd hohe und sehr warme Volumen-strom des Zirkulationsrücklaufs (2-5 mal größerals das Zapfvolumen in der intensivsten Zapfstun-de; vgl. Abschnitt Dimensionierung) würde dazuführen, dass am Trinkwassereinlauf in den Entla-de-WT Temperaturen über ca. 40 °C anliegenwürden, sobald der Zirkulationsrücklauf über die-sen WT geführt wird. Der Rücklauf zum Pufferwürde in diesen Zeiten nie unter 45 °C abgekühlt,die Einlauftemperatur in die Kollektoren lägedann über 50 °C.Bei diesen Systemen ist also der Einbau eines

zweiten Entlade-Wärmetauschers für die Erwär-mung des Zirkulationsrücklaufs notwendig 6 .Der Rücklauf des WT zum Puffer muss im oberenDrittel des Puffers münden. Er darf auf keinen Fallin den unteren Pufferteil zurückgeführt werden.Eine Rückführung über Schichtlanzen ist wegendes hohen Volumenstroms kaum möglich.Bei einem System mit solarem Vorwärmspeicherkann der Zirkulationsrücklauf über ein Drei-Wege-Ventil in das obere Drittel des solaren Vor-wärmspeichers geführt werden (vgl. 7 ). DasUmschalten zu diesem Speicher erfolgt, wenn dieTemperatur oben in diesem Speicher höher ist alsdie im Zirkulationsrücklauf.

Der Vorwärmspeicher sollte möglichst schlanksein und auf ca. 15 % des Tages-Warmwasser-verbrauchs vergrößert werden. Seine Beladere-gelung sollte über zwei Temperaturfühler verfü-gen, wobei das Schaltvolumen (Fühlerpositionen)etwa zwischen 40 % und 75 % Speicherhöhe liegt(Einhalten eines kalten unteren Teilvolumens).Trotz der oben genannten Maßnahmen musswegen des hohen Durchsatzes im Zirkulations-rücklauf mit Teildurchmischung des entsprechen-den Solarspeichers gerechnet werden. Folglichwird bei beiden Systemvarianten der Rücklaufzum Kollektorfeld etwas wärmer und die System-effizienz sinkt leicht ab.

P2 P3

Solar-puffer-speicher

Kaltwasser

T max

P4

Kessel

Legionellen-schaltung

M

M

M Nach-heiz-speicher

vom

zumKollektorkreiswärmetauscher

sol. Vor-wärm-speich.

Solarpuffer-speicher

Kaltwasser

T max

Kessel

M

M

T maxM

vom

zumKollektorkreiswärmetauscher

P2 P3

Nach-heiz-speicher

76Zirkulationseinbindung beim Solarsystem gem.Durchlauferhitzerprinzip

Zirkulationseinbindung beim Solarsystem mit sola-rem Vorwärmspeicher

Besondere Anforderungen

Ein konventionelles Energieversorgungssys-tem muss eine hohe Versorgungssicherheitgewährleisten. Diese Anforderung wird anein Solarsystem zur Trinkwassererwärmungnicht gestellt, da es in unseren Breiten stetsauf eine konventionelle Nachheizung ange-wiesen ist.Konventionelle Energieerzeuger haben einewesentlich höhere Leistungsdichte als Solar-systeme und damit geringere flächenbezoge-ne Verluste als übliche Solaranlagen. Daherkönnen sie ohne aufwändige Maßnahmenhöhere Temperaturniveaus bereitstellen undreagieren weniger sensibel auf überhöhteTemperaturen im Verbrauchssystem. Zudemkann man konventionelle Systeme in derRegel je nach Bedarf ein- und abschalten.Ein Kollektorfeld dagegen erzeugt nur dannaber auch immer dann Wärme, wenn es vonder Sonne beschienen wird.Bei der Auslegung einer großen Solaranlagesollen daher ineffiziente Betriebszustände(hohe Temperaturen, Stillstandszeiten etc.)vermieden werden. Letztere können wegender im System auftretenden hohen Tempe-raturen Bauteile der Solaranlage frühzeitigaltern lassen oder sogar schädigen. Es kannjedoch gefordert sein, dass hohe solare Deck-ungsanteile am Energieverbrauch erreichtwerden. Dann sind Stillstandszeiten ohneden Einsatz von sehr großen, teuren Spei-chern nicht vermeidbar.

Warmwasserverbrauch als Schlüsselgröße

Eine Solaranlage zur Trinkwassererwär-mung muss auf den Energieverbrauch für dieWarmwasserbereitung ausgelegt werden.Bei bestehenden Gebäuden soll er gemessenwerden, bei Neubauten kann er auf derBasis von Verbrauchswerten aus ähnlichenObjekten abgeschätzt werden.Die folgenden Ausführungen gelten nur fürmittelgroße und große Solaranlagen. AufKleinanlagen mit ihrem in der Regel abwei-chenden Systemaufbau (vgl. 3 ) sind sie invielen Fällen übertragbar. Es gibt allerdingsbei der Systemdimensionierung Unterschie-de. Dies liegt zum einen an der unterschied-lichen Verbrauchscharakteristik, zum andernoft an einer stärkeren Gewichtung ökologi-

scher Aspekte gegenüber den ökonomischen.In der Regel tritt in Wohngebäuden jederArt während der Haupt-Urlaubszeit imSommer ein Rückgang des Warmwasserver-brauchs ein. Gleichzeitig ist jedoch in dieserZeit die Sonneneinstrahlung sehr hoch. Willman Stillstandszeiten des Solarsystems ver-meiden, so muss das System so ausgelegtwerden, dass die vom Kollektorfeld bei vollerNutzung der Sonneneinstrahlung am Tag zuerzeugende Energie entweder ge-speichert oder vom Verbraucherabgenommen werden kann. Dader Einsatz großer Speicher (z.B.für mehrere Tage) bei großenSolaranlagen nur zur Trinkwas-sererwärmung meist unwirt-schaftlich ist, sollte die Mengeder am Tag bereitstellbarenNutzenergie etwa der an diesemTag zu verbrauchenden Energie-menge entsprechen.Während die Einstrahlung unddie vom Solarsystem erzeugbareEnergie leicht abgeschätzt wer-den können, schwanken dieWarmwasserverbrauchswerteselbst bei gleichartig genutztenObjekten stark.

Warmwasserverbrauch in unterschiedlichen Gebäudetypen

In 8 sind für unterschiedliche Gebäudety-pen die Bandbreiten des Warmwasserver-brauchs je Vollbelegungsperson sowohl für

die Schwachlastperiode im Sommer als auchfür Zeiten außerhalb des Sommers sowie dieVerbrauchsschwerpunkte aufgezeigt. Diegroßen Bandbreiten belegen die Notwendig-keit einer Verbrauchsmessung bzw. einersorgfältigen (und eher zurückhaltenden)Schätzung bei Neubauten.Die Zahl der Vollbelegungspersonen ent-spricht der Zahl der maximal bzw. laut Planim Gebäude lebenden Personen in ferien-freien Zeiten. Für Wohngebäude kann sieaus den Erfahrungswerten für die Belegungvon Wohneinheiten (WE) unterschiedlicherGröße gem. Tab. 3 in VDI 2067 Blatt 12und der Anzahl der WE abgeschätzt wer-den. Die Werte der DIN 4708 Teil 2 (10/79)sind veraltet und viel zu hoch. In Kranken-häusern entspricht sie z.B. der Anzahl derBetten.Der Rückgriff auf diese theoretische Zahlder Vollbelegungspersonen ist notwendig,da echte Belegungszahlen in den diversenZeiträumen oft nicht zu ermitteln sind.

Korrekte Messung des Warmwasserverbrauchs

Die Messung des Warmwasserverbrauchsan ungeeigneter Stelle führt zu verfälschtenMessergebnissen. In 9 sind die richtigenPositionen für die Messfühler eingezeichnet,falsche Positionen sind durchgestrichen.Die Position des Volumenstromzählers für

den Warmwasserverbrauch ist sozu wählen, dass nur das durchden konventionellen Wasserer-wärmer strömende gezapfteWarmwasser erfasst wird. Kei-nesfalls darf die Menge Kaltwas-ser, die zur Beimischung benutztwird, oder das Zirkulationsvolu-men im Messwert enthalten sein.Zusätzlich muss mindestens dieTemperatur gemessen werden,mit der das Warmwasser denkonventionellen Wassererwär-mer verlässt. Ein Erfassen derZulauftemperatur ist nötig,wenn der Solaranlage Trinkwas-ser-Vorwärmstufen (z.B. Abwär-menutzung) vorgeschaltet sind.

Zirkulation

TemperaturZirkulationRücklauf

falsch

AbzweigKaltwasser

Eintrittstemperaturin das künftigeSolarsystem

evtl. vorhandeneVorwärmstufe

möglicheTemperatur-Meßstellen

EntnahmeWarmwasser

falsch

Zirkulationspumpe

Entn

ahm

e Ka

ltwas

ser

falschrichtig falsch

Kessel

000m3

000m3

000m3

000m3

000m3

000m3

Nachheiz-speicher

Krankenhaus Soandere Zeit

Seniorenheim Soandere Zeit

Studentenh. Soandere Zeit

Ferienheim Soandere Zeit

gr. Wohngeb. Soandere Zeit

EF/ZF-Haus Soandere Zeit

Schulen0 10 20 30 40 50 60 70

Warmwasserverbrauch (60°C) je Vollbelegungsperson u. Tag l/(vp*d)

kann in allen Ferienzeiten gegen 0 gehen

in Ferien gegen 0

Grundlagen derSystemauslegungEine an den Verbrauch angepasste Dimensionierung des Solar-

systems ist notwendig, wenn das System mit hoher Effizienz und

damit mit betriebswirtschaftlich gutem Ergebnis arbeiten soll.

Stagnation des Kollektorkreises soll möglichst vermieden werden,

weil die Anlage in Stillstandszeiten keinen Nutzen bringt und

wegen der hohen auftretenden Temperaturen in ihrer Lebensdauer

beeinträchtigt werden kann.

4 BINE themeninfo

8Bandbreiten des Warmwasserverbrauchs je Vollbelegungsperson(vp) und Tag bei unterschiedlichen Gebäudetypen (=SchwerpunktSchwachlastverbrauch)

9Richtige und falsche Positionen zur Messung des Warmwasser-verbrauchs und der Zirkulationsverluste

Die zeitliche Auflösung derartiger Messun-gen soll mindestens auf Tagesbasis erfolgen.Bei stark schwankender Kaltwassertempe-ratur (z.B. bei Vorwärmstufen mit varia-blem Energieanfall im Tagesverlauf) emp-fiehlt sich eine Stundenauflösung diesesWertes.Der optimale Zeitraum für die Messungenliegt in der Sommer-Schwachlastperiode, inder man den Auslegungsverbrauch direkterfasst. Kann die Messung nicht in dieserPeriode erfolgen, so können während ande-rer Zeiträume erfasste Werte anhand der in10 und 11 gezeigten Jahresprofile auf denSchwachlastverbrauch umgerechnet wer-den. Längere atypische Verbrauchszeiten(z.B. Osterferien) dürfen nicht im Messzeit-raum liegen. Die Messungen sollen mindes-tens 4 Wochen lang durchgeführt werden.Die Messung der Zirkulationsverluste istbei größeren Solarsystemen dann notwen-dig, wenn das System auch die Verlustener-gie der Zirkulation teilweise decken soll.Grundsätzlich kann die Messung der Zirku-lationsverluste Einsparmöglichkeiten in die-sem Bereich aufzeigen.

Jahresprofile desWarmwasserverbrauchs

Jahresprofil für Wohngebäude

In 10 ist das typische Jahresprofil des Warm-wasserverbrauchs in einem großen Wohnge-bäude dargestellt (normiert auf denSchwachlastverbrauch). Das Bild gilt nurfür Gebäude mit mehr als 20 WE. Bei klei-neren Gebäuden kann der Sommerver-brauch je Vollbelegungsperson stärkerabsinken (im EFH/ZFH evtl. bis auf Null).Nicht berücksichtigt wurden in 10 dieFerienzeiten außerhalb des Sommers. Siesind für die Dimensionierung des Solarsys-tems irrelevant, müssen aber in den Profilenfür Simulationsprogramme berücksichtigtwerden. Zudem ist zu beachten, dass dieSommerferien in den einzelnen Bundesländern

nicht unbedingt in der hier eingezeichnetenPeriode liegen. Die obere Begrenzung derhellblauen Fläche stellt den Verbrauch dar,der sich in dieser Periode einstellen würde,lägen hier keine Ferien.Aus 10 kann man für beliebige Messzeit-räume den Korrekturfaktor zur Ermittlungdes Schwachlastverbrauchs ablesen.Der Grundverlauf des Profils (ohne denRückgang in Ferienzeiten) ergibt sich ausder Tatsache, dass die Kaltwassertempera-tur im Sommer höher ist als im Winter unddaher bei einer Solltemperatur im Speichervon z.B. 60 °C im Sommer mehr (wärmeres)Kaltwasser an der Zapfstelle beigemischtwerden muss als im Winter, um eine Aus-lauftemperatur von ca. 40 °C zu erhalten.Da die Zapfmenge gleich bleibt, sinkt alsoder Verbrauch aus dem Bereitschaftsspei-cher - und nur dieses Volumen wird demSolarsystem zum Erwärmen angeboten. Dashier gezeigte Profil gilt also nur für einSystem mit einer Solltemperatur im Bereit-schaftsspeicher von ca. 60 °C. Diese Tempe-ratur ist in großen Gebäuden üblich.Ein weiterer Grund für den prinzipiellen

Kurvenverlauf ist, dass im Sommer oft mitetwas kühlerem Wasser geduscht wird alsim Winter.Der Verbrauch liegt in der Schwachlastzeitmeist bei 22 l/(vp·d). Dieser Wert kann fürdie Berechnung des Auslegungsverbrauchsin Neubauten in Verbindung mit der Plan-belegung (vgl. VDI 2067 Blatt 12) benutztwerden. Im Jahresmittel sind es ca. 28 l/(vp·d).

Jahresprofil für StudentenheimeIn 11 ist ein normiertes typisches Jahres-profil des Warmwasserverbrauchs für Stu-dentenwohnheime dargestellt.Hier ist der Verbrauchsrückgang in den Som-mer-Semesterferien besonders stark. EineAuslegung des Solarsystems auf Messwerteaus der Semesterzeit würde hier zu einerganz erheblichen Überdimensionierung undzu vielen Stillstandszeiten des Solarsystemsführen.

Die Bestimmung des Auslegungsverbrauchserfolgt wie bei Wohngebäuden.Als Auslegungswert (Verbrauch in derSchwachlastperiode) je Vollbelegungspersonkann man in Studentenwohnheimen etwa26 l/(vp·d) ansetzen. Im Jahresmittel sind esetwa 42 l/(vp·d), das höchste Monatsmittel(Februar) liegt bei 52 l/(vp·d). Die Wertesind höher als in Wohngebäuden, weil inStudentenheimen evtl. die Zahl der Über-nachtungen etwas höher ist als die Betten-zahl und weil evtl. auch der Warmwasser-verbrauch überwiegend junger Menschenhöher ist als der einer vom Alter her ge-mischten Belegung in Wohngebäuden.

Jahresprofil für andere GebäudeKrankenhäuser, SeniorenwohnheimeDas Jahres-Verbrauchsprofil in Kranken-häusern und Seniorenwohnheimen ist demvon Wohngebäuden sehr ähnlich, allerdingsfehlt der bei Wohngebäuden typische Ein-bruch in den Sommerferien. Für diese Ge-bäude kann also die äußere Kurve aus 11 alsJahresprofil gelten. Nicht relevant für dieAuslegung des Solarsystems ist der starke

Verbrauchsrückgang von ca. 20. Dez. bis An-fang Januar. Als Auslegungswert bei Neu-bauten kann man von ca. 35-40 l/(vp·d)ausgehen. Dieser Wert hängt aber sehr starkab von der Ausstattung des Krankenhauses(Küche, Wäscherei, Therapiebäder etc.).SportstättenBei Sportstätten (z.B. Sporthallen) ist keineinheitliches Verhalten zu beobachten. Eshat sich herausgestellt, dass vor allem inSporthallen der Verbrauch im Sommer sehrstark absinkt. Zudem hat sich gezeigt, dassder Warmwasserverbrauch bei allen Sport-anlagen meist ganz erheblich unter demWert liegt, der von Planern oder Betreiberngeschätzt wurde. Auf Messungen (auch imSommer) kann man bei Sportstätten nichtverzichten.Bei Neubauten werden die Planwerte größ-tenteils viel zu hoch – oft um das doppelteund mehr – angesetzt.

BINE themeninfo 5

01.0

1.

Auf

Mitt

el d

er S

omm

er-S

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achl

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orm

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r Ver

brau

ch

0,0

0,2

Anfangstage der Woche

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0,6

0,8

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1,2

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1,4

15.0

1.

29.0

1.

12.0

2.

26.0

2.

12.0

3.

26.0

3.

09.0

4.

23.0

4.

07.0

5.

21.0

5.

04.0

6.

18.0

6.

02.0

7.

16.0

7.

30.0

7.

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9.

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0.

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2.

17.1

2.

Messperiode Mittel in 6 WochenSommer-Schwachlast=1 (oder 100%)

Beispiel:Messperiode ca. 9.4.-21.5. (6 Wochen)Gemessen: 9 m3/dKorrekturwert für Messung: 1,38Auslegungsverbrauch: 6,5 m3/d

Auf

Mitt

el d

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Anfangstage der Woche

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26.0

3.

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4.

23.0

4.

07.0

5.

21.0

5.

04.0

6.

18.0

6.

02.0

7.

16.0

7.

30.0

7.

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27.0

8.

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9.

24.0

9.

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0.

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0.

19.1

0.

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2.

17.1

2.

1,8

2,0 Messperiode Theor. Verlauf ohneFerien-Minderverbrauch

SemesterferienSom.=1 (100%)

SemesterferienFrühjahr

Ferienzeit und Feiertage außerhalb der Sommerferien im Bild nicht berücksichtigt.Mittlerer Verbrauch in der sommerlichen Schwachlastperiode: 22 l/(vp*d)Tagesverbrauch im Jahresmittel (sonst. Ferien berücksichtigt) ca. 28 l/(vp*d);Spitzenverbrauch im Februar ca. 32 l/(vp*d); (Angaben für Wassertemp. = 60 0C)

10 11Jahresprofil des Warmwasserverbrauchs (60 °C) in großen Wohngebäuden proTag und pro Vollbelegungsperson

Jahresprofil des Warmwasserverbrauchs (60 °C) in Studentenwohnheimen proTag und pro Vollbelegungsperson

Auslegung des Kollektorfeldes

In Mitteleuropa erreichen an einem sonnen-reichen Sommertag ca. 7-7,5 kWh Strah-lungsenergie eine nach Süden orientierte undca. 30° geneigte Fläche. Nimmt man einenmittleren Systemnutzungsgrad während die-ses Tages von 50 % an, so liefert das Solar-system an diesem Tag 3,6 kWh/(m2·d) Nutz-wärme.Auslegung auf Warmwasserver-brauch ohne ZirkulationBei einer Kaltwassertemperatur im Sommervon ca. 12-14 °C können mit dieser Energieca. 65-70 l Kaltwasser auf die Solltempera-tur von 60 °C im Nachheizspeicher aufge-heizt werden. Dieser Tagesverbrauch von65-70 Litern Warmwasser (bei 60 °C) mussvorhanden sein, wenn die erzeugte Solar-wärme im Verlauf des Tages komplett anden Verbraucher abgeben werden soll. Istdiese spezifische Systemlast (Auslastung)kleiner, so wird nicht abgenommene Ener-gie im Puffer gesammelt. In längeren Schön-wetterperioden erreicht er seine erlaubteMaximaltemperatur (oft ca. 95 °C), derKollektorkreis schaltet ab (Stillstand).Weiterhin einfallende Strahlung kann dannnicht mehr genutzt werden, und die uner-wünschten Effekte im Kollektorkreis (hoheTemperaturen, Verdampfen) treten auf. EineVergrößerung des Solarspeichers ist bei gro-ßen Trinkwasseranlagen meist unwirtschaft-lich, da dieses große Volumen zu selten ge-

nutzt wird.Pro ca. 65-70 l täglichem Warmwasserver-brauch soll höchstens 1 m2 Flachkollektor-fläche installiert werden. Nur bei dieserknappen Dimensionierung werden einehohe Systemeffizienz, eine lange Anlagenle-bensdauer und damit günstige Kosten dersolaren Nutzwärme erreicht.Höhere Auslastung ist günstig für die System-effizienz und bei Anlagen mit mehr als 50 m2

Kollektorfläche auch für die Kosten derSolarwärme. Bei kleineren Systemen (unter20 m2) kann eine zu hohe Auslastung zu wirt-schaftlich schlechteren Ergebnissen führen,weil dann evtl. die spezifischen Systemkostenstärker steigen als die Effizienz. (vgl. 12 ).Auslegung auf Warmwasserver-brauch und ZirkulationDie Zirkulation sollte nur dann in dasSolarsystem eingebunden werden, wenn derVolumenstrom im Zirkulationsrücklauf imRahmen des Erlaubten minimiert ist. Diessetzt voraus:■ Möglichst kurzes Zirkulationsnetz■ Hydraulisch sehr gut abgeglichenes Zir-kulationsnetz■ Sehr gute Wärmedämmung der Warm-wasser- und der Zirkulationsleitungen■ Ausnutzen der max. erlaubten Tempera-turspreizung im Zirkulationsnetz (z.B. gem.DVGW W551/552)Selbst wenn die o.g. Anforderungen einge-halten werden, ist der Volumenstrom imZirkulationsnetz etwa um den Faktor 2

höher als der Mittelwert des Zapfvolumensin der verbrauchsstärksten Stunde. Inschlechten Zirkulationsnetzen kann dieserFaktor den Wert 5 annehmen. Die Einlei-tung eines so hohen Volumenstroms mithoher Temperatur in einen Solarspeicherkann je nach Durchsatzhöhe und Einlei-tungsart des Volumens zu einer geringen bisvölligen Zerstörung der Temperaturschich-

tung führen. Effizienzeinbußen beim Solar-system sind die Folge.Die Einbindung des Zirkulationsrücklaufs(vgl. 6 und 7 ) in das Solarsystem muss alsokritisch geprüft werden. Dies setzt die Mes-sung des Volumenstroms und der Tempera-turen im Zirkulationsnetz voraus. Danachmüssen bei Bedarf zunächst die o.g. Opti-mierungsschritte durchgeführt werden.Die Systemauslegung erfolgt auf die Summedes Energiebedarfs für das gezapfte Warm-wasser und die Zirkulation am Schwach-lasttag im Sommer. Wegen der in jedem Falletwas sinkenden Effizienz der Solaranlagekann mit einem Nutzwärmeertrag von ca.3,3 kWh/m2 an einem schönen Sonnentaggerechnet werden.

Auslegung von Kollektorfeldund SystemkomponentenAuf der Basis der Verbrauchsermittlung kann eine erste Grund-

auslegung des Solarsystems erfolgen, die den Anforderungen des

Betreibers auch an wirtschaftliche Überlegungen entspricht.

1.000

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Spez. Systemkosten (€/m2) Solarsystemnutzungsgrad (%)

spezifische SystemkostenNutzungsgrad Syst. 17 m2

Nutzungsgrad Syst. 50 m2

0 17 33 50 67 84 100 117 134 150

190 65 23

65 23190

Auslastung großes Sytem

Auslast. kleines Sytem l/(d*m2)

Kollektorfläche (m2)

Installationsarten für Kollektorfelder

Kollektorfelder können auf unterschiedliche Weiseauf Flach- oder Schrägdächern installiert werden.Die Installation auf dem Erdboden (oder Pergolen)entspricht in etwa der auf Flachdächern. Eine Inte-gration in die Gebäudefassade ist ebenfalls möglich,

führt aber bei reinen Trinkwassererwärmungsanlagenwegen der ungünstigen Feldneigung bei Flachkol-lektoren zu erheblich schlechterer Nutzenergieaus-beute je m2 Kollektorfläche. Bei Röhrenkollektorenkann man die Röhren meist etwas aus der vertikalenAusrichtung verdrehen, so dass sie günstiger zurSonneneinstrahlung stehen.

Grundsätzlich gilt für alle Installationsarten: DasDach muss saniert sein, bevor die Kollektorfelderaufgebaut werden. Die Lebensdauer des Dachesmuss mindestens so lang sein wie die der Kollekto-ren (ca. 20-25 Jahre).Flachdachaufständerung wird immer dann sehr teuer,wenn das Dach nicht ausreichend belastbar ist.

6 BINE themeninfo

12Spezifische Kosten und Nutzungsgrade bei kleinenund größeren Systemen mit variierender Auslastungbzw. Kollektorfläche

1413 15 16 17Aufbau der Kollektoren ober-halb der Dachabdeckung beimSchrägdach; Vorteile: Kein Ein-griff in Dachhaut; defekte Kol-lektoren leicht auswechselbar;Nachteile: Architektonisch nichtoptimal; Keine Einsparungdurch Wegfall Dacheindeckung

Integration der Kollektoren indie Dachabdeckung beimSchrägdach; Vorteile: Architek-tonisch ansprechende Lösung;Einsparung durch WegfallDacheindeckung bei Neubau-ten oder Dachsanierung; Nach-teile: Eingriff in Dachhaut beiNachrüstung; Austausch defek-ter Kollektoren schwieriger

Solar Roof: Dachkonstruktionvollflächig mit Kollektorenbelegt (bei neuem Dach evtl.komplett vorgefertigt); Vor- undNachteile ähnlich wie beiSchrägdachintegration

Aufbau der Kollektoren aufeinem flächig belastbarenFlachdach mit schweren Beton-elementen als Auflager für dieHalterungskonstruktion (auchmöglich z.B. mit Aluminium-Trapezblechen und Kies-Auf-schüttung als Auflager); kosten-günstige Lösung

Aufbau der Kollektoren aufeiner leichten Stahlunterkon-struktion (Gerüstbaustangen)mit punktueller Belastung desFlachdachs; nur möglich beikurzen Spannweiten zwischenden Auflagern; kostengünstigeLösung

Abhängigkeit des Ertrages vonder KollektorfeldausrichtungBei knapp dimensionierten Solarsystemenverändert sich der Nutzwärmeertrag in wei-ten Bereichen der Kollektorfeldausrich-tung nur wenig. Bei einer Orientierungzwischen Südost und Südwest und bei Nei-gungen zwischen ca. 20° und 50° sinkt ergegenüber dem Wert bei optimaler Aus-richtung nur um max. 7% ab 18 .Kosten der solaren Nutzwärmebei unterschiedlicher AuslastungIn 19 ist der Verlauf der Kosten der sola-ren Nutzwärme dargestellt (berechnetnach dem vereinfachten Verfahren inSolarthermie-2000). Eingezeichnet sindauch der Systemnutzungsgrad sowie diesolaren Zapf- und Gesamtdeckungsanteile.Dieses Bild gilt für Anlagen, die bei derStandardauslastung (ca. 65-70 l/(d·m2) eineKollektorfläche von ca. 100 m2 erfordern.Mit sinkender Auslastung (Vergrößerung

der Kollektorfläche) sinkt der Nutzungs-grad, und die Deckungsanteile steigen an.Die Kurve für die Kosten der solaren Nutz-wärme zeigt ein flaches Minimum ( starkabhängig von der Systemgestaltung). Nie-drige Wärmekosten erzielt man ab einerAuslastung von ca. 60 l/(d·m2). Sie bleibenbei dieser System- bzw. Gebäudegröße biszu recht hohen Auslastungen niedrig undsteigen erst bei sehr stark verkleinertemKollektorfeld wieder an. Mit sinkenderAuslastung steigen die Wärmekosten sehrstark an. Werden hohe Deckungsanteilegefordert (mehr als 40%), so führt dies zustark steigenden Wärmekosten.

Auslegung des Solarspeichers

Die Größe des Solarspeichers hängt beiTrinkwasseranlagen im Wesentlichen vonder Größe des Kollektorfeldes und vomWarmwasser-Verbrauchsprofil währenddes Tages und während der Woche ab. Jemehr Energiebedarf in der Zeit mit guterSonneneinstrahlung anfällt und je gleich-mäßiger der Bedarf über alle Tage derWoche ist, desto kleiner kann der Solar-speicher sein.Mit Hilfe von Simulationsprogrammenwurde berechnet, wie sich die Systemeffi-zienz ändert, wenn man das spezifischeVolumen des solaren Pufferspeichers(Volumen je m2 Kollektorfläche) verändert.Der Nutzungsgrad des Solarsystems steigtmit wachsendem spezifischen Volumenzunächst stark an. Bei großem spez. Volu-men flacht dieser Anstieg immer weiter ab.Für knapp dimensionierte Anlagen zurTrinkwassererwärmung kann ein Wert vonca. 50 l/m2 empfohlen werden. Wird dasSystem größer ausgelegt, so muss das spez.Volumen etwas erhöht werden 23 .Gibt es im Verlauf der Woche Zeiten ohneoder mit nur schwachem Verbrauch (z.B.in Werkstätten), so muss das spezifischeVolumen weiter erhöht werden.Eine Vergrößerung der Speicher über die in23 eingezeichneten Bereiche hinaus bringtnoch eine geringe Steigerung des Nut-zungsgrades. Da die Systemkosten dannaber stärker wachsen, ist diese Maßnahmewirtschaftlich nicht sinnvoll.Optimal ist es, wenn das Volumen des Puf-fers in einem einzigen schlanken Behälteruntergebracht werden kann. Muss das Vo-lumen in mehrere (maximal 4) Behälter auf-geteilt werden, so stehen (ohne besondereEinzelansteuerung der Speicher) zweiMöglichkeiten der Verschaltung zur Verfü-gung: die parallele Verrohrung und dieserielle Verbindung in Reihe (vgl. 24 ).Die serielle Verbindung hat den Vorteil,dass alle Speicher gleich durchströmt wer-den und dass sich klare Temperaturschich-tungen einstellen. Voraussetzung ist, dassdie Speicher oft (möglichst täglich) entla-den werden. Diese Verschaltung ist nichtgut geeignet für sehr große Speichervolu-mina, die Energie für längere Zeiten bevor-raten sollen.Bei der ungesteuerten Parallelschaltung ist

0,26

0,24

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0,08

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0,000

500 300 200 100m2 Kollektorfläche

KS; K

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/kW

h]

Auslastung [l/d. m2)]

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Ost Abweichung aus Süden (Süd=00; Ost=-900; West=+900)

West-750 -600 -450 -300 -150 00 150 300 450 600 750 900

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Speicheraufbau

Das Volumen des Solarspeichers sollte nicht auf zuviele Einzelbehälter aufgeteilt werden, da diessehr teuer wird und zusätzlich die Wärmeverlusteansteigen (ungünstiges Verhältnis von Oberfläche zuVolumen).

Alternativen können z.B. sein:■ Zusammenschweißen des Speichers aus Einzel-segmenten im Aufstellraum (wenn keine ausreichendgroßen Einbringöffnungen für die Speicher vor-handen oder zu schaffen sind)■ Absenken des Aufstellraumbodens (wenn nur Auf-stellhöhe fehlt; evtl. in Verbindung mit Keller-schweißung)■ Aufstellen des Speichers außerhalb des Gebäudesunter Beachtung des Frostschutzes für den Speicherselbst (bei großen Volumina meist unkritisch) und derwasserführenden Zu- und Ableitungen (immer not-wendig). Stärkere Wärmedämmung (geschlossen-porig) und guter Witterungsschutz für die Wärme-dämmung ist notwendig.

KS: Kosten der solaren Nutzwärme (Schrägdach)N: Nutzungsgrad SolarsystemDZ: Deckungsanteil am Zapfverbrauch WarmwasserDG: Deckungsanteil am Verbrauch WW-System

Verbrauch und Anbindung an Verbraucher fest; Systemgröße variiert; opti-males System mit sehr guten Flachkollektoren; Ort mit mittlerer Einstrahlung

BINE themeninfo 7

18

19

Abhängigkeit des solaren Nutzwärmeertrages vonder Kollektorfeldausrichtung

Kosten der solaren Nutzwärme, Nutzungsgrade undDeckungsanteile eines Solarsystems bei unterschied-licher Auslastung(Zapf-Deckungsanteil = Anteil der solaren Nutzwärmean der Energie zur Aufheizung des gezapften Warm-wassers; Gesamt-Deckungsanteil = Anteil der solarenNutzwärme am gesamten Energiebedarf des Warm-wassersystems incl. z.B. Zirkulationsverluste etc.)

20

21

22

Im Keller zusammengeschweißter Speicher (hier miteinem etwas ungünstigen Verhältnis von Höhe zuDurchmesser; nicht optimal für Temperaturschichtung)

In einem Betonturm untergebrachter Speicher (Spei-cher reicht vom Boden der unterirdischen Heizzen-trale bis zur oberen Decke des Turmes); sehr guteTemperaturschichtung

Außerhalb des Gebäudes aufgestellter Solarspeicher

die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass dieSpeicher bei Be- und Entladung unter-schiedlich stark durchströmt werden. Diesgilt auch dann, wenn die Speicher nach demTichelmannschen Prinzip verrohrt sind.Kleine Unterschiede in den Strömungs-widerständen der Speicherzu- oder -ablei-tungen bewirken große Differenzen imVolumenstrom durch die einzelnen Spei-cher, weil die Druckverluste der Speichernahe bei Null liegen. Die Folge sind unter-schiedliche Temperaturverhältnisse in denSpeichern, die sehr negative Auswirkungenauf die Systemregelung und -effizienz habenkönnen 25 .Werden Speicherbehälter parallel verrohrt,so ist in den Zu- und Ableitungsstrang einesjeden Behälters ein definierter Strömungs-widerstand einzubauen, der den gesamtenDruckabfall im Leitungsnetz dominiert(z.B. Strangregulierventile). Nur so ist gesi-chert, dass sich in den Speichern etwa gleicheTemperaturen einstellen und die Systemre-gelung korrekt funktionieren kann.

Auslegung der Wärmetauscher

In den Systemen mit solarem Pufferspeichermüssen zwei Wärmetauscher zwischen Kol-lektorkreis und Trinkwasser eingesetzt wer-den. An jedem Wärmetauscher treten beider Übertragung von Wärme Sprünge imTemperaturniveau auf (vgl. 27 ).Wenn das Kollektorfeld mit hohem Wir-kungsgrad arbeiten soll, müssen diese Tem-peratursprünge an den Wärmetauschern imwirtschaftlich vertretbaren Rahmen mini-miert werden.Mit Hilfe von Simulationsprogrammenwurde untersucht, bei welcher Auslegungder Wärmetauscher die Kosten der solarenNutzwärme minimiert werden. Man erreichtdieses Minimum, wenn man die Wärme-tauscher so auslegt, dass ihre mittlere log.Temperaturdifferenz bei Nennleistung etwaden Wert 5 K hat 26 .Zwar bewirkt ein zu klein ausgelegter Wär-metauscher (z.B. 10 K) nur einen Anstiegder Wärmekosten um weniger als 0,005

€/kWh, es ist aber zu bedenken, dass fastalle Komponentenoptimierungen, über dieheute nachgedacht wird, nur noch zu Effi-zienzsteigerungen oder Wärmekostenredu-zierungen im Bereich einiger Prozent liegen.Dennoch summieren sie sich zu erheblichenPotentialen auf.

Wie sich eine Fehlanpassung des Puffer-Ent-ladevolumenstroms auf die Temperaturver-hältnisse am Wärmetauscher auswirkt, zeigt27 . Ein zu hoher Entladevolumenstrom (roteingezeichnete Zahlen) führt zu einer unnö-tig hohen Rücklauftemperatur in den unte-ren Pufferbereich. Ist der Volumenstrom zugering (blaue Zahlen), wird das Trinkwasserzu wenig aufgeheizt und der Puffer schlechtentladen. Optimale Verhältnisse liegen vorbei Volumengleichheit (schwarze Zahlen).Schlechte Anpassung der Volumenströmeam Wärmetauscher kann zu erheblichenEffizienzeinbußen führen.

Auslegung anderer Komponenten

Auf die Auslegung der anderen Systemkom-ponenten (Verrohrung, Entlüftung, Sicher-heitseinrichtungen, Regelung etc.) kannhier nur ganz kurz eingegangen werden.Detaillierte Informationen sind in der Litera-tur und in der neuen VDI-Richtlinie 6002-Blatt 1 (ca. Mitte 2003 als Gründruck) ent-halten. Von Interesse ist nur der Kollektor-kreis. Die anderen Kreise ähneln bezüglichder Temperaturniveaus Heiz- bzw. Warm-wasserkreisen.

Alle Einbauten müssen gegenüber demWärmeträgermedium – einem Gemisch ausWasser und Glykol mit Korrosionsinhibi-toren – beständig sein.Im Kollektorkreis können bereits währenddes regulären Betriebs Temperaturen bis ca.120 °C auftreten. Im Stillstand erreichengute Flachkollektoren Temperaturen bis ca.200 °C (Vakuumröhren bis ca. 300 °C).Diese hohen Temperaturen können sich(wenn auch abgeschwächt) unter ungünsti-gen Bedingungen im Kollektorfeld und auchim Kollektorkreis fortpflanzen.An Einbauten im Kollektorkreis werdenalso erheblich höhere Anforderungenbezüglich der Temperaturfestigkeit gestelltals an solche in Heizungssystemen.

10 2020

30 40 50 60 70 80 90 100

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Optimales System

Empfohlene Auslegungsbreite

Syste

mnu

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gsgr

ad [%

]

spezifisches Pufferspeichervolumen [l/m2KF]

Wohngeb.;Anlagen-auslastung70 l/[d. m2)]

Wohngeb.;Anlagen-auslastung40 l/[d. m2)]

Gewerbe;Verbr. nur Werktag;Auslastung70 l/[d. m2)]

Gewerbe;Auslastung40 l/[d. m2)]

Speicher1

Speicher2

Speicher1

Speicher2

TLade

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TLade

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TmaxTEntlade

Kolle

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Trin

kwas

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Kolle

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krei

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Trin

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Beladekreis Beladekreis

0610

20

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07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Fühler

Fühler

Tem

pera

tur

[°C

]

T Sp.1 oben T Sp.2 oben T Sp.1 unten T Sp.2 unten

Uhrzeit (MESZ) [10.5.2000]

65 °CT

T

Pufferspeicher

10 °C ; 1 m3/h

m3/h Verbraucher

Auslegung WT: mittl. log. Temperaturdifferenz = ca. 5 K bei Nennlast

= 5,3 K(0,3) [17,6]

= 4,2 K(17,7) [0,4]

59,7 °C(64,7) [47,4]

mittlere log. Temperaturdifferenzen : 4,7 (4,2 ) [4,4 ] K

1,0 ( 1,5) [ 0,7]14,2 °C(27,7) [10,4]

W

K

8 BINE themeninfo

2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,119

0,118

0,117

0,116

0,115

Nut

zwär

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n [€

/kW

h]

Mittlere log. Temperaturdifferenz: 5 KSpezifische Übertragungsleistung des Wärmetauschers: ca. 100 W/m2KF (Strahlung: 800 W/m2 ; etaKol.: ca. 60%zu übertragende Leistung: ca. 500 W/m2)

Bei 2 Wärmetauschern:Verdoppelung der Kostendifferenzen

Mittl. log. Temperaturdifferenz [K]

23 24Systemnutzungsgrad in Abhängigkeit vom spezifischen Speichervolumen Serielle (Teilbild a) und parallele (b) Speicherverschaltung

25Temperatutren in zwei parallel verschalteten Solar-speichern

26

27

Kosten der solaren Nutzwärme bei unterschiedlicherAuslegung des Wärmetauschers

Temperatursprünge an einem Plattenwärmetauscherbei Volumengleichheit und -ungleichheit zwischenPrimär- und Sekundärseite (Gleich gefärbte Zahlengehören zu gleichen Bedingungen)

a)

b)

Wohngebäude München-Baumgartnerstraße

SystembeschreibungBetreiber des Niedrigenergie-Mehrfamilien-hauses (BINE projektinfo 8/99) mit 79 Miet-wohnungen und einem Kindergarten ist dieGemeinnützige Wohnstätten- und Sied-lungsgesellschaft (GWG). Das Kollektorfeldist auf dem Flachdach des Gebäudes aufge-ständert (siehe 16 ). Das Solarsystem ist miteinem solaren Trinkwasser-Vorwärmspei-cher ausgestattet 28 (vgl. 5 ).BetriebsergebnisseDas System wurde aufgrund vorgegebenerKostengrenzen mit relativ kleinen Wärme-tauschern ausgestattet. Die mittleren log.Temperaturdifferenzen am Kollektorkreis-WT und am Entlade-WT betragen beiNennleistung ca. 8,5 K (typisch in Solar-thermie-2000: 5 K). Bei Nennleistung anbeiden WT liegt dadurch der Kollektorfeld-rücklauf um ca. 7 K höher als üblich. Diesreduziert im Jahresmittel die Systemeffi-zienz um ca. 2-3 %-Punkte gegenüber einerAnlage mit größeren WT.Während der ersten Messphase zeigte sich,dass der Volumenstrom des Entlade-WT aufder Pufferseite um fast den Faktor 2 höherwar als auf der Trinkwasserseite. Der Rück-lauf zum Solarpuffer wurde somit nicht ausreichend abgekühlt 29 und erfolgte mitüberhöhter Temperatur (ca. 37 °C) (vgl. 27 ). Bei Volumengleichheit auf der Primär-und Sekundärseite des WT hätte diese Tem-peratur bei einem mittleren log. ∆T von ca.8,5 K nur bei 22,5 °C liegen dürfen. Nur in Zeiten, in denen der Pufferspeicherrelativ kühl war (also nur wenig Leistungübertragen wurde), erreichte den Solarpuffer

ein Temperaturni-veau von nur weni-gen K über der Kalt-wassertemperatur.Zusätzlich warselbst der niedrigereVolumenstrom aufder Trinkwasserseitemit 2,4 m3/h für denVerbrauch in diesemGebäude (Stunden-maximum ca. 1 m3/h)viel zu hoch. In demkleinen Vorwärm-speicher (1 m3) fandwegen des hohen ein-fließenden Gesamt-

volumenstroms von oft über 3 m3/h häufigeine nahezu vollständig Durchmischungstatt. Folge war, dass die Einlauftemperaturin den WT auf der Trinkwasserseite meisterheblich höher lag als in 29 angegeben unddamit auch der Rücklauf zum Solarpuffer.Dies führte im Jahresdurchschnitt zu einerum ca. 12 K erhöhten Einlauftemperatur indas Kollektorfeld im Vergleich zu einer aufder Entladeseite optimal ausgelegten Anlage.Die Systemeffizienz lag dadurch um ca. 5 % -Punkte unterhalb des mög-lichen Wertes. Hinzu kommt dieo.g. Effizienzminderung von ca.2-3 %-Punkten durch die beidenkleinen Wärmetauscher.Die oben beschriebenen Fehlan-passungen sind sehr leicht ver-meidbar. Bei heute optimal ausge-legten Systemen treten solcheMängel nicht mehr auf.In 30 sind einige Betriebsdatendes Systems für das Messjahr1998 grafisch dargestellt. VonFolgejahren liegen keine vollstän-digen und gleichzeitig repräsenta-tiven Datensätze vor, da an derAnlage ab 1999 im Rahmen vonexternen Versuchs- und For-schungsprojekten häufig Modifi-kationen vorgenommen wurden.Der Systemnutzungsgrad bewegtsich während des Messjahres meist imBereich von ca. 30-40 %, nur in Winterwo-chen mit sehr wenig Einstrahlung sinkt erab. Der Zapf-Deckungsanteil erreicht imSchwachlast-Wochenmittel (FerienzeitAugust) maximal 90 % (an Einzeltagen fast100 %) bei noch vorhandener Einspeiseka-pazität in den Puffer. Auch bei einem höhe-ren Sommer-Nutzungsgrad bei optimalemSystemaufbau vonca. 45 % wären keine

Systemstillstände aufgetreten. Das Systemist damit prinzipiell korrekt ausgelegt.Die Verläufe von Nutzungsgrad undDeckungsanteil zeigen keine Auffälligkeiten,sie lägen bei heute üblicher optimaler Kom-ponentenanpassung aber etwas höher.In 31 sind die Ergebnisse eines vollen Be-triebsjahres den Planwerten gegenüberge-stellt. Beim Vergleich der solaren Nutzener-gie, des Nutzungsgrades und der Wärmeko-sten ist zu bedenken, dass der Verbrauch indieser Messperiode etwas höher lag als lautPlan angenommen. Dies führt zu eineretwas höheren Anlageneffizienz, die die Aus-wirkungen der Schwachstellen etwas über-deckt. Da der Anlagenersteller den garan-tierten Nutzungsgrad mit 38 % sehr niedrigangesetzt hatte, hat das System trotz seinerleicht vermeidbaren Schwächen den auf rea-le Betriebsbedingungen umgerechneten Ga-rantiewert nur geringfügig unterschritten.Nach Ablauf der verschiedenen For-schungsprojekte an dieser Anlage wurdenerste Optimierungsvorschläge realisiert. DieVolumenströme am Entlade-WT wurdenreduziert und angeglichen (auf beiden Sei-ten jetzt ca. 1,1 m3/h), die Regelung im Kol-lektorkreis wurde modifiziert.

Betriebsergebnisse für ein volles Jahr unterden neuen Bedingungen werden Ende 2003vorliegen. Ein Effizienzanstieg um ca. 3-5%-Punkte wird erwartet. Eine weitere Stei-gerung um ca. 2 %-Punkte wäre durch denAustausch beider WT durch größereModelle möglich. Als Umbaumaßnahme zuteuer, wäre es bei der Erstinstallation wirt-schaftlich gewesen.

8

7

6

5

4

3

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0

Letzter Tag (Mittwoch) der Messwoche (1998)

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[kW

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· m2 )

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Nut

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]

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4.3.

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0.

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1.

9.12

.

Strahlungsenergie auf Absorberfläche

Systemnutzungsgrad

Nutzenergie des Solarsystems

Zapf-Deckungsanteil

Strahlungsenergie auf Kollektoren MWh 145 145

Nutzenergie aus Solarsystem MWh 52 55

Tägl. WW-Zapfvolumen (Jahresmittel) m3/d 8,7 7,5

Auslastung (Jahresmittel) l/(d·m2) 80 69

Jahresenergie für gezapftes WW MWh 182 160

Systemnutzungsgrad (Jahreswert) % 35,8 37,9

Zapf-Deckungsanteil (Jahreswert) % 28,7 34,4

Kosten der solaren Nutzwärme €/kWh 0,14 0,13

Beschreibung Dimens. real lt. Plan

30Solare Einstrahlung auf das Kollektorfeld, Nutzenergieabgabeaus dem Solarsystem, Systemnutzungsgrad und Zapf-Deckungs-anteil (Tageswerte gemittelt aus Wochensummen)

28Wohngebäude München-Baumgartnerstr.

aktive Absorberfläche 109 m2

Kollektoranordnung 2 Teilfelder parallel;je Feld 26 Koll. in Reihe

Aufständerung Stahlprofile verschraubtmit dachaufliegendenBetonplatten

Ausrichtung/Neigung +10° (SSW) / 30°

Solar-Pufferspeicher 1 x 6 m3

Solar-Vorwärmespeicher 1 m3

Volumenstrom Trinkwasserseite 2,4 m3/h

Volumenstrom Pufferseite (Primärseite) 4,2 m3/h

Zulauf KW Trinkwasserseite (Sekundärseite) 13,9 °C

Auslauf vorerwärmtes Wasser Trinkwasserseite 63,5 °C

Zulauf Wasser Pufferseite 65,3 °C

Rücklauf Wasser Pufferseite 37,3 °C

Mittleres log. ∆T am WT 8,4 K

29Zustände am Entladewärmetauscher (Berechnet für seltene Zuständemit Nennleistung; vgl. Text)

BINE themeninfo 931Reales Jahresergebnis (1.1.1998 - 31.12.1998) im Vergleich mit Planwerten

10 BINE themeninfo

Investitionskosten

Die Kosten der Solaranlagen aus Solarther-mie-2000 wurden auf verschiedene Kompo-nenten bzw. Kostengruppen aufgeteilt 32 .Inklusive der Planungskosten und der Mehr-wertsteuer lagen die spezifischen Investi-tionskosten aller Anlagen im flächenge-wichteten Mittel bei 670 €/m2. Dabei wur-de hier über alle Arten der Kollektorfeldin-tegration im Gebäude (Flachdachaufstände-rung, Einbau im und auf dem Schrägdach)gemittelt. Anlagen mit Schrägdachintegra-tion können ca. 100 bis 200 €/m2 preiswer-ter sein. Bei Neubauten vermindern sich dieKosten um die eingesparten Dacheindek-kungen.Die Kollektoren machen nur etwa 30 % derGesamtkosten aus. Will man die Systemko-sten senken, müssen auch alle anderen Bau-gruppen bzw. Positionen überprüft werden.Ein hohes Reduzierungspotential liegt imBereich der Planung (standardisierte Pla-nung bzw. Planungshilfen) und auch imBereich der Aufständerungskosten auf demFlachdach.Je nach Eigenheiten des Gebäudes und jenach verwendeten Systemkomponentenkönnen die Kosten für die einzelnen Positi-onen stark schwanken 33 .Die größten Bandbreiten zeigen die Positio-nen „Unterbau (der Kollektoren)“ und„sonstige Verrohrung“. Die Schwankungbei den Kosten für den Unterbau ist bedingtdurch die Mittelung der Kosten über Felder,die auf Flachdächern aufgeständert sind undKollektoren, die in Schrägdächer integriertsind. Bei letzteren können die Kosten sehrgering sein, während eine Aufstellung aufdem Flachdach immer dann sehr teuer ist,wenn ein nicht belastbares Dach völligüberbaut werden muss.Die Kosten für die sonstige Verrohrunghängen sehr stark von der Rohrleitungslän-ge und dem Verlegungsaufwand zwischenden Kollektoren und den Komponenten imKeller ab.

Kosten der solaren Nutzwärme

Die Berechnung der Kosten der solarenNutzwärme (vom Solarsystem an den Ver-braucher abgegebene Energie) wird inSolarthermie-2000 nach einem vereinfach-ten Schema vorgenommen, in das nur dieInvestitionskosten, die Lebensdauer desSystems, der Kapitalzins sowie der System-

ertrag (Nutzwärmelieferung) eingehen.Zu der Lebensdauer von thermischen Solar-anlagen liegen abgeschlossene Langzeit-untersuchungen aus „Solarthermie-2000“,Teilprogramm 1 vor. Als Lebensdauer fürein thermisches Solarsystem kann man(gemittelt über alle Komponenten) einenZeitraum von mindestens 20 Jahren anneh-men. Der Kapitalzins wurde mit 6 % ange-setzt. Dies ergibt eine Annuität von 8,72 %für die Investitionskosten.

Nimmt man nur diese kapitalgebundenenKosten, so stellen die Solaranlagen aus So-larthermie-2000 die solare Nutzwärme zuKosten von 0,10 €/kWh (Anlagen > 1000m2 Kollektorfläche) bis 0,13 €/kWh (ca.100 m2 KF) zur Verfügung (incl. MwSt).Durch die betrieblich gebundenen Kosten(Instandhaltung, Betriebsenergie etc.) erhö-hen sich die Gesamt-Kosten um relativ ca.20 %. Die Wärmegestehungskosten incl.aller Betriebskosten liegen somit bei ca.0,12 bis 0,16 €/kWh. Sofern die MwSt alsVorsteuer angerechnet werden kann, wür-den sich diese Zahlen wieder um 16 %reduzieren, so dass man incl. der betriebs-gebundenen Kosten wieder etwa auf 0,10 -0,13 €/kWh käme.Eingespart werden durch das Solarsystemlediglich Brennstoffkosten, weil das kon-ventionelle System weiter benötigt wird. JekWh solarer Nutzwärme spart man – jenach Wirkungsgrad des konventionellenKessels und nach Brennstofftyp – ca. 0,05 €ein.

Diese rein statische Berechnung berücksich-tigt jedoch nicht, dass die Kosten für dieSolarwärme während der gesamten Lebens-dauer des Systems nahezu konstant bleiben,weil ca. 80 % der Kosten konstante kapi-talgebundene Kosten sind und nur ca. 20 %den Steigerungen für Löhne, Material undEnergie unterliegen (davon ca. 3 %-PunkteEnergiekosten). Die Brennstoffkosten fürdie konventionell erzeugte Wärme dagegenunterliegen starken Steigerungen. Es emp-fiehlt sich daher immer eine dynamischeBetrachtung für die gesamte Lebensdauer.In 34 sind für Anlagen aus Solarthermie-2000 die geplanten Kosten der solarenNutzwärme den real erzielten Kosten gegen-übergestellt. Die geplanten Kosten wurdenoft überschritten. Die Ursachen waren: er-höhte Baukosten wegen unvorhersehbarerKomplikationen (in Einzelfällen bis 10 %Mehrkosten, im Mittel nur ca. 3 %) undvor allem ein Absinken des Warmwasser-verbrauchs gegenüber den vorbereitendenMessungen durch Modernisierung, zurück-gegangene Belegung etc. In Einzelfällen tra-ten auch Probleme am Solarsystem auf, diejedoch noch behoben werden.Planung

14,0 %

Sonst3,0 %

Regelung4,5%

Solarsp.+WT11,4%

Verrohr. Koll.4,5%

Sonst. Verrohr.14,3%

Montage Koll.6,1%

Unterbau Koll.11,1%

Kollektoren31,2%

210

75

4130

96

77

30

20

94

Gesamtkosten incl. Planung und MwSt: 673 €/m2

ohne MwSt, ohne Plan.: 499 €/m2ohne MwSt: 580 €/m2

KollektorenUnterbau

Mont.+Ver.Kol.Sonst. Verrohr.

SpeicherkreisRegelungSonstigesPlanung

0 50 100 150 200 250 300 350

spezifische Komponentenkosten [€/m2]

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

Wolgast

M-Baumg.

Jena(Kollw.)

B-Lichtenb.

Hilbersdorf

Pößneck

B-Weinb.

Magdeburg

Saarbr.

Neuhaus

Leipz.(Stud)

Leipz. (Altenpfl.)

Nordhausen

Leinefelde

Mindelheim

Freib.(Stud)

Solingen

Burglengenf.

Kosten der solaren Nutzwärme [€/kWh]

Plankosten

Istkosten im Mittel der Messjahre

Kosten und WirtschaftlichkeitDie spezifischen Investitionskosten sinken tendenziell mit der

Systemgröße. Bei gleich großen Anlagen ist die Bandbreite je

nach Gebäude, Systemaufbau und Einbauart für die Kollektoren

(Flachdachaufständerung oder Schrägdacheinbau) sehr groß.

Bereits bei Anlagen mit einem Kollektorfeld um ca. 100m2 sind

Wärmekosten unter 0,13 €/kWh zu erzielen.

32Aufteilung der spezifischen Investitionskosten bei denSolaranlagen aus Solarthermie-2000 (in €/m2)

33Bandbreite der spezifischen Kosten einzelner Kom-ponentengruppen bzw. Bauleistungen

34Plan- und Istkosten der solaren Nutzwärme beiAnlagen aus Solarthermie-2000

Städtisches Klinikum Solingen

SystembeschreibungDie 192 m2 große Solaranlage befindet sichauf dem Dach des 10-stöckigen Haupthau-ses des Klinikums. Weitere Systemdaten in35 .Da nur eine begrenzte Dachfläche zur Ver-fügung stand, wurde die Solaranlage nur andie Verbraucher in den unteren Etagen(Küche, Ambulanz, OP) angeschlossen.Wegen der kleinen Dachfläche ist die Anla-ge sehr knapp dimensioniert. Der Aufbauund die Anbindung der Anlage an das Warm-wassernetz entspricht dem in 4 gezeigtenDurchlauferhitzerprinzip. BetriebsergebnisseDas Volumen des solaren Pufferspeichers istin zwei parallel verschalteten Behältern (je 4m3) untergebracht. Zu Beginn des Anlagen-betriebs stellten sich ungleichmäßige Be-und Entladeströme durch diese beiden Spei-cher heraus, die zu erheblichen Temperatur-unterschieden in den Speichern führten. DieEntladeregelung (über Temperatursignale)ist prinzipiell nicht optimal geeignet für einederartige Systemanbindung. Auf Grund derunterschiedlichen Temperaturen in den Puf-fern wurde sie noch ineffizienter. DieAnpassung der Volumenströme auf beidenSeiten des Entladewärmetauschers gelangdaher kaum 36 .

Da der Volumenstrom auf der Pufferseitedes WT oft höher war als der auf der Trink-wasserseite, gelangten sehr häufig unnötighohe Temperaturniveaus in die Solarpuffer.Für diesen Rücklauf sind allerdings Einspei-selanzen im Puffer installiert. Dadurch wur-de teilweise vermieden, dass das Mediummit dieser überhöhten Temperatur direkt in

den unteren Puffer-bereich einströmte.Dennoch wurde derPuffer unten zu sel-ten ausreichend abgekühlt.

Der Nutzungsgrad 37 bewegt sich wäh-rend des gesamten Messjahres im Bereichvon 45 %, lediglich in Wochen mit sehrwenig Einstrahlung sinkt er ab, da dieStrahlungsschwelle,ab der das SystemNutzenergie liefernkann, nur seltenerreicht wird. DerZapf-Deckungs-anteil (Anteil dersolaren Nutzwärmean der Energie zumAufheizen des ge-zapften Warmwas-sers) erreicht imSommer-Wochen-mittel maximal ca.70 % (an Einzelta-gen auch darüber).Wegen der hohen Auslastung (sehr knappeDimensionierung wegen zu kleiner Dachflä-che) wurde an keinem Tag eine 100 %-igeDeckung erreicht.In 38 sind die Ergebnisse eines vollenBetriebsjahres den Planwerten gegenüberge-

stellt. Beim Ver-gleich der solarenNutzenergie, desNutzungsgradesund der Wärme-kosten ist zu beden-ken, dass der Ver-brauch in dieserMessperiode niedri-ger lag als laut Planangenommen. Dies

führt zwangsläufig zu einer etwas reduzier-ten Anlageneffizienz. Zudem waren nochnicht alle Optimierungsmaßnahmen durch-geführt. Die Systemeffizienz erreichte nichtganz die (auf reale Betriebsbedingungenumgerechneten) garantierten Werte, lagaber gerade noch im tolerierten Rahmen(über 90 % des auf reale Betriebsbedingun-

gen korrigierten Garantiewertes). Dass dieEffizienzeinbuße trotz der vielen kleinenMängel nicht größer war, liegt in der sehrknappen Dimensionierung dieser Anlagebegründet. Systeme mit hoher Auslastung„verzeihen“ Mängel eher als groß bemesse-

ne Anlagen. Eine geringe Effizienzeinbußeergibt sich durch gegenseitige Verschattungder relativ dicht hintereinander stehendenKollektorreihen im Winter (Defizit ca. 2 %).

Im Rahmen einer Systemoptimierung wur-de die Zahl der eingebauten Lanzen ver-doppelt, da die Lade- und Entladevolumen-ströme (2 m3/h) für jeweils eine einzige ein-gebaute Lanze viel zu hoch waren. Die Ein-schichtung war dadurch nicht mehr optimal(Herstellerangaben zum maximalen Lan-zendurchsatz beachten). Zudem wurden injeden Be- und Entladestrang jedes Pufferbe-hälters Strangregulierventile eingebaut. DasErgebnis beider Maßnahmen war, dass dieVolumenströme sich nunmehr gleichmäßigauf die Speicherbehälter aufteilen, dass dieTemperaturen in den Speichern gleich sindund dass die Einschichtung besser gelingt.Die nicht optimal geeignete Entladerege-lung soll evtl. in einem zweiten Optimie-rungsschritt ersetzt werden, wenn die Wir-kungsweise der ersten Optimierung nacheinem vollen Jahr beurteilt werden kann.

110

1

2

3

4

5

12 13 14 15Uhrzeit [MEZ]

Volu

men

strom

[m3 /

h]

16 17 18 19

Volumenstrom PufferentladungVolumenstrom Kaltwasser

7

6

5

4

3

2

75

60

45

30

15

0

1

0

Letzter Tag (Mittwoch) der Messwoche (2001/2002)

Stra

hlun

gs-,

Nut

zene

rgie

[kW

h/(d

· m2 )

]

Nut

zung

sgra

d, D

ecku

ngsa

ntei

l [%

]

21.2

.

21.3

.

18.4

.

16.5

.

13.6

.

11.7

.

8.8.

5.9.

3.10

.

31.1

0.

28.1

1.

26.1

2.

23.1

.

Strahlungsenergie auf Absorberfläche

Systemnutzungsgrad

Nutzenergie des Solarsystems

Zapf-Deckungsanteil

BINE themeninfo 11

aktive Absorberfläche 192 m2

Kollektoranordnung 4 Teilfelder parallel;je Teilfeld 8 Koll. in Reihe

Aufständerung Stahlprofile verschraubt auf Stahlbaukonstruktion

Ausrichtung/Neigung -20° (SSO) / 30°

Solar-Pufferspeicher 2 x 4 m3

Strahlungsenergie auf Kollektoren MWh 201 220

Nutzenergie aus Solarsystem MWh 90 107

Tägl. WW-Zapfvolumen (Jahresmittel) m3/d 16,1 18,5

Auslastung (Jahresmittel) l/(d·m2) 84 97

Jahresenergie für gezapftes WW MWh 342 393

Systemnutzungsgrad (Jahreswert) % 44,8 48,6

Zapf-Deckungsanteil (Jahreswert) % 26,3 27,2

Kosten der solaren Nutzwärme €/kWh 0,15 0,13

Beschreibung Dimens. real lt. Plan

35Kollektorfeld (192 m2) der Solaranlage auf dem Dach des Klinikums (Haupthaus)(Quelle: Städtisches Klinikum Solingen)

37

38

Solare Einstrahlung auf das Kollektorfeld, Nutzenergieabgabe aus dem Solar-system, Systemnutzungsgrad und Zapf-Deckungsanteil der Anlage Solingen(Tageswerte gemittelt aus Wochensummen)

Reales Jahresergebnis (15.2.01 - 14.2.02) im Vergleich mit Planwerten. (BeimJahresertrag und den Wärmekosten ist zu beachten, dass die Einstrahlung imMessjahr und auch der Verbrauch ca. 10% niedriger waren als laut Plan vorge-geben.)

36Volumenströme auf beiden Seiten des Entlade-Wärmetauschers

BINEI n f o r m a t i o n s d i e n s t

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Kontakt

Fazit und AusblickGroßanlagen zur Trinkwassererwärmung können Solarwärme

zu Kosten von ca. 0,10 bis 0,13 €/kWh zur Verfügung stellen,

wenn sie richtig dimensioniert und ausgelastet sowie einfach auf-

gebaut sind. Sie sind damit wesentlich konkurrenzfähiger als

Kleinanlagen, bei denen die Nutzwärmekosten meist im Bereich

von 0,2 bis 0,3 €/kWh liegen.

12 BINE themeninfo

LiteraturInformationsschriften zum Förderkonzept „Solarthermie-2002“:Bezug: Projektträger Jülich (PTJ) des BMWA, Außenstelle Berlin, Dr. P. Donat, Postfach 61 02 47, 10923 Berlin

Peuser, F. A.; Remmers, K.-H.; Schnauss, M.:Langzeiterfahrung Solarthermie – Wegweiser für das erfolgreiche Planen und Bauen von Solaranlagen.Hrsg.: Solarpraxis Supernova AG, Berlin 2001. 418 S., ISBN 3-934595-07-3, € 49,00

Peuser, F. A.; Croy, R.; Rehrmann, U. u.a.:Solare Trinkwassererwärmung mit Großanlagen. Praktische Erfahrungen. BINE-Informationspaket.Köln : TÜV-Verl., 1999. 167 S., ISBN 3-8249-0541-8, € 14,83

Erfurth, R.; Wienke, P.; Lugenheim, M. u.a.:Tragkonstruktionen für Solaranlagen. Planungshandbuch zur Aufständerung von Solarkollektoren.Hrsg.: Solarpraxis Supernova AG, Berlin 2001. 262 S., ISBN 3-934595-11-1, € 59,00

Solare Trinkwassererwärmung. Allgemeine Grundlagen, Systemtechnik und Anwendung im Wohnungsbau.VDI-Richtlinie. VDI6002 Blatt 1 EntwurfHrsg.: Verein Deutscher Ingenieure (VDI) – Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, DüsseldorfBerlin : Beuth, ca. Sommer [2003]

Ergänzende InformationenWeitere Informationen zum Thema sind bei BINE oder unter www.solarthermie2000.de abrufbar.

ISSN1610 - 8302

HerausgeberFachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technischeInformation mbH, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

NachdruckNachdruck des Textes nur zulässig mit voll-ständiger Quellenangabe und gegen Zusen-dung eines Belegexemplares. Nachdruck derAbbildungen nur mit Zustimmung des jeweilsBerechtigten. AutorDr. Felix A. Peuser

RedaktionDr. Franz Meyer

FörderungBundesministerium für Wirtschaft und Arbeit(BMWA)11019 Berlin53107 Bonn

Projektträger Jülich (PTJ) des BMWAForschungszentrum Jülich GmbHDr. Peter Donat 52425 Jülich

ProjektadressenZfS – Rationelle Energietechnik GmbHVerbindungsstr. 19, 40723 Hilden

Projektkennzeichen0329601 a, g, l

KooperationspartnerTechnische Universität Ilmenau (0329601 j)Technische Universität Chemnitz (0329601 k)Fachhochschule Offenburg (0329601 m)Fachhochschule Stralsund (0329601 n)Basierend auf den Ergebnissen mit

den geförderten Großsystemen können klareEmpfehlungen zum Systemaufbau und zurAuslegung der Komponenten gegeben wer-den, die auch in künftigen Richtlinien zufinden sein werden (z.B. VDI 6002; Grün-druck voraussichtlich Sommer 2003). Es istzu erwarten, dass dadurch die Planungs-und Installationskosten für Großanlagenreduziert werden können sowie die System-effizienz und die Betriebssicherheit steigenwerden. Viele der aus den Erfahrungen abge-leiteten Vorschläge zum Systemaufbau, zurSystemdimensionierung und zur Komponen-tenauslegung wurden bereits von Planern,Herstellern und Installateuren übernommen.

Das Konzept, die Anlagen relativ knapp zudimensionieren, hat sich bewährt. Hierdurchwerden unwirtschaftliche und eventuell dieLebensdauer der Kollektorkreiskomponentennegativ beeinflussende Stillstandszeiten ver-

mieden. Auch die Entscheidung für sehreinfache Systemgestaltungen erwies sich alsvorteilhaft, da so die Instandhaltungskosten(Wartungen, Reparaturen etc.) und Ausfall-zeiten stark reduziert werden können. Diesist eine Voraussetzung dafür, dass sich dieSysteme in dem großen aber schwierigenMarkt gewerblicher Gebäudenutzung durch-setzen können.Weitere Energieeinsparungen können durchSolaranlagen erreicht werden, die nicht nurder reinen Trinkwassererwärmung dienensondern auch die Heizung unterstützen. BeiEin- und Zweifamilienhäusern werden sol-che Systeme seit einigen Jahren zunehmendinstalliert. Für Großanlagen ist die System-gestaltung, -auslegung und -anbindungwesentlich komplexer. Um eine ähnliche Ent-wicklung wie bei Kleinanlagen auch fürGroßanlagen anzustoßen, müssen in Zukunftauch für diesen Bereich Planungsgrundlagenerarbeitet werden.