Heizlösung: Solarthermie
Mit Hilfe einer Solarthermie-Anlage kann ein Teil des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser durch Nutzung von erneuerbaren Energien in Form von Sonnenwärme gedeckt werden.
Dabei ist Solarthermie nicht mit Photovoltaik (PV) zu verwechseln. Während PV-Anlagen Strom durch Umwandlung der Sonnenenergie erzeugen, wird Solarthermie eingesetzt, um die Wärmeenergie der kostenlosen Solarstrahlung im Gebäudeinneren unmittelbar nutzbar zu machen.
Da Solarthermie-Anlagen – aufgrund der limitierten Flächenverfügbarkeit auf Dächern und der schwankenden Erträge bei Nutzung der Sonnenenergie – den gesamten Wärmebedarf eines nicht entsprechend modifizierten Gebäudes decken können, muss in der Regel ein zweiter Wärmeerzeuger im Heizungssystem zum Einsatz kommen. Dient die Solarthermie-Anlage zur Unterstützung des Warmwasserbedarfs können typischerweise bis ca. 10 % des jährlichen Wärmebedarfs mit Sonnenenergie gedeckt werden. Wird zusätzlich die Heizung unterstützt, kann dies bis auf ca. 30 % gesteigert werden. Zudem ist zu beachten, dass der Wärmeertrag von der Orientierung der Kollektoren abhängt. Für einen höchstmöglichen Energieertrag sind nach Süden ausgerichtete Dachflächen mit einer Dachneigung zwischen 20° und 70° optimal (die ideale Ausrichtung ist vom geografischen Gebäudestandort und dem Anwendungszweck abhängig).
Technik
Heizungssysteme zur Einbindung von Solarthermie in Bestandsgebäude setzen sich aus den Solarkollektoren, einem Wärmespeicher sowie einem zweiten Wärmeerzeuger (auch Primär-Wärmeerzeuger, da die Solarthermieanlage nur der unterstützenden Wärmebereitstellung dient) zusammen.
Neubauten können in Abhängigkeit des Standorts so ausgelegt werden, dass der Wärmebedarf über das ganze Jahr solar gedeckt werden kann. Allerdings gibt es nur wenige Fachfirmen, die Erfahrung mit derartigen Projekten aufweisen können.
Vorteile
- Nachrüstung im Bestand möglich
- Verringerung der Abhängigkeit von Energieträgerpreisen (Gas, Öl, etc.)
Nachteile
- Können in der Regel, insbesondere in Bestandsgebäuden, nur einen Teil des jährlichen Wärmebedarfs decken
- Verhältnismäßig hohe Investitionskosten mit langen Amortisationszeiten (ca. 15 bis 20 Jahre)
- Flächenkonkurrenz mit Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung
Solarkollektoren
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Wie wird die Wärme mit Hilfe von Solarkollektoren gewonnen und an das Heizsystem abgegeben?
Bei Solarthermie-Anlagen wird allgemein zwischen Flachkollektoren und Röhrenkollektoren unterschieden. Beide weisen jedoch grundsätzlich ein identisches Funktionsprinzip auf:
Unabhängig von der Kollektorart kommt eine dunkle Absorberfläche zum Einsatz, die die energiereiche Sonnenstrahlung "einsammelt" und die absorbierte Wärme an ein Rohrsystem, gefüllt mit Solarflüssigkeit, überträgt. Bei der Solarflüssigkeit handelt es sich um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Dieses wird durch das Rohrsystem zum Wärmespeicher geführt. Über einen Wärmetauscher gibt die Solarflüssigkeit ihre Wärme an den Speicher ab und gelangt anschießend zurück zum Kollektor - ein Kreislauf entsteht.
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Wie unterscheiden sich Flach- von Röhrenkollektoren?
Flachkollektoren sind die am häufigsten eingesetzte Art der Solarkollektoren und sind technologisch weniger Anspruchsvoll als Röhrenkollektoren. Entscheidet sich der Gebäudeeigentümer für eine Solarthermie-Anlage ohne Heizungsunterstützung wird in der Regel auf Flachkollektoren zurückgegriffen.
Mit Preisen von ca. 300 bis 600 €/qm liegen die Anschaffungskosten von Flachkollektoren unter den von Röhrenkollektoren mit einer Preisspanne von ca. 400 bis 800 €/qm. Höheren Investitionskosten der Röhrenkollektoren stehen jedoch gleichwohl höhere Wirkungsgrade von bis zu 90 % (Flachkollektoren ca. 60 bis 85 %) gegenüber. Der Wirkungsgradunterschied ergibt sich insbesondere durch das Vakuum in den Röhrenkollektoren, mittels dessen die Wärmeverluste deutlich reduziert werden können. Demnach können sich die höheren spezifischen Investitionskosten über die im Gegenzug höhere Effizienz wieder an- bzw. ausgleichen. Weiterhin liefern Röhrenkollektoren höhere Temperaturen, sodass der Primär-Wärmeerzeuger weniger Leistung erbringen muss. Weisen die Dachflächen, die zur Installation der Kollektoren vorgesehen sind, eine ungünstige Ausrichtung gegenüber der Sonne auf, kann der Röhrenkollektor der geeignetere Typ sein.
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Welche Kollektorflächen werden benötigt?
Als Faustregel wird für Flachkollektoren die 1,5-fache (Brutto-)Kollektorfläche gegenüber Röhrenkollektoren benötigt. Für eine überschlägige Abschätzung des Flächenbedarfs abhängig vom Anwendungsfall kann folgende Tabelle Ansätze liefern:
Erforderliche Kollektorfläche in qm pro Person Warmwasserbereitstellung Warmwasser- und Heizwärmebereitstellung Flachkollektor 1,5 3 Röhrenkollektor 1 2 Erforderliche Kollektorfläche in qm pro 10 qm Wohn- und Nutzfläche Heizungsunterstützung Flachkollektor 1 Röhrenkollektor 0,8 Die Aperturfläche ist auch eine Kriterium sodass eine Solarthermieanlage als Erfüllungsoption nach GEG gilt.
Die Wahl des richtigen Kollektors ist allerdings von vielen Rahmenbedingungen abhängig und lässt sich daher nur durch eine individuelle vor-Ort-Prüfung und dem gewünschten Deckungsgrad am Wärmeverbrauch (nur Warmwasser oder mit Heizungsunterstützung) von einem Fachplaner treffen.
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Wärmespeicher
Da die Wärmeerzeugung der Solarthermie-Anlage von der Strahlungsintensität der Sonne abhängig ist und die Stunden des höchsten Bedarfes (morgens und abends) mit den Stunden der höchsten Erzeugungsanteile (mittags) nicht übereinstimmen, bedarf es eines Wärmespeichers, der diesen Zeitraum überbrückt. Somit ist ein Wärmespeicher ein elementares Element im Heizsystem mit Solarthermie.
In Abhängigkeit davon, ob nur Warmwasser oder auch Heizwasser mit der Solarthermie-Anlage erzeugt wird, ist zwischen einem Warmwasserspeicher oder einem Kombispeicher (Warmwasser- und Heizwasser) zu unterscheiden.
Zweiter Wärmeerzeuger
Da Solarthermie-Anlagen von den realisierbaren Dimensionen und der saisonalen Abhängigkeit insbesondere im Bestand meist nicht so auslegbar sind, den gesamten Wärmebedarf für Warmwasser und Heizung zu decken, ist ein zweiter Wärmeerzeuger (Hybridsystem) im Heizsystem erforderlich, der die fehlenden Wärmemengen liefert. Dieser speist, wie die Solarthermie-Anlage, üblicherweise ebenfalls zunächst in den Wärmespeicher ein. Somit fungiert der Speicher auch als Sammelpunkt, bevor die Wärmemengen von dort aus ins Verteilsystem zum Heizen oder zur Warmwasserversorgung zu den Nutzungsstellen geleitet werden.
Bei dem zweiten Wärmeerzeuger kommt grundsätzlich jede Heizungsanlage in Frage, die regelbar Energie zur Verfügung stellt und die einer Einhaltung der 65 % erneuerbaren-Energien-Vorgabe bei der Bilanzierung des Gesamtsystems nicht entgegensteht. Für weitere Infos zu den Erfüllungsoptionen mit Anlagenbeispiele siehe GEG. Als eigenständige Erfüllungsoption sieht das GEG Solarthermie-Hybridanlagen vor. Dies inkludiert Anlagen mit klimaschonenden gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen.
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§
GEG
Sofern die solarthermische Anlage eine Flüssigkeit als Wärmeträger nutzt und nach anerkannten Regeln der Technik zertifiziert ist („Solar Keymark“-Zertifikat bzw. sobald CE-Kennzeichnung verpflichtend, Letztere) ist diese Anlage eine gemäß § 71e GEG vorgesehene Erfüllungsoption und bedarf keinem rechnerischen Nachweis der Einhaltung des 65 %-EE-Anteils. Damit können diese Solarthermieanlagen unkompliziert jederzeit zur Heizungsunterstützung eingebaut bzw. nachgerüstet werden.
Die Kombination einer Solarthermieanlage mit einer Heizungsanlage, die gasförmige, flüssige oder feste Brennstoffe verfeuert, kann das Erfordernis eines rechnerischen Nachweises umgehen, wenn die Bedingungen, die unter Hybridheizsystemen erläutert sind, erfüllt werden.
Kosten
Die Investitionskosten für eine Solarthermie-Anlage werden neben den Solarkollektoren durch das Speichersystem, die Pumpe, die Solarthermie-Leitung sowie die Installationskosten bestimmt. Weiterhin entstehen jährliche laufende Kosten durch den Betrieb und die Wartung sowie einer optionalen Anlagenversicherung. Eine Solarthermie-Anlage ist in den meisten Fällen kombiniert mit einer weiteren Heiztechnologie, Kosten und Fördermöglichkeiten für Solarthermi-Anlagen finden Sie daher auf der Seite der Hybridsysteme.
Häufig gestellte Fragen
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Wie werden die Flächen eines Solarthermiekollektors bezeichnet?
Es gibt verschiedene Flächendefinitionen die bei Fragestellungen zu Solarthermiekollektoren zu betrachten sind:
- Die Bruttokollektorfläche bezeichnet die Fläche, die alle Bauteile des Kollektors einnehmen.
- Als Aperturfläche ist die Fläche eines Kollektors definiert, über die Sonnenstrahlung in das Innere des Kollektors gelangt – auch Lichteintrittsfläche.
- Die Absorberfläche ist die Summe aller Oberflächen des Kollektors, über die Wärmestrahlung der Sonne aufgenommen und an die Solarflüssigkeit abgegeben werden. Die Aperturfläche ist außerdem ein Kriterium von Solarthermie-Hybridanlagen im Sinne des Gebäudeenergiegesetzes (GEG).
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Ist die Aperturfläche bei Solarthermieanlagen zur Gewährleistung der GEG-Konformität immer zu berücksichtigen?
Nein, die Aperturfläche ist nur im Kontext von GEG Solarthermie-Hybridanlagen – also Solarthermie-Kollektoren, die mit einer Brennstoffheizung als Erfüllungsoption kombiniert werden – ein notwendiges Kriterium.
Andernfalls ist ausschließlich die Zertifizierung der Kollektoren (aktuell: Solar-Keymark, zukünftig ggf. CE-Kennzeichnung) eine Erfordernis, um den Anforderungen des GEG zu entsprechen.
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Kann der Wärmebedarf eines Gebäude ausschließlich über Solarthermie gedeckt werden?
Es ist möglich ein Gebäude ausschließlich mit Solarthermie zu beheizen. Diese Aussage gilt aber in erster Linie für Neubauten. Die Nachrüstung eines Bestandsgebäudes ist nur mit immensem Aufwand denkbar, gleicht häufig einem Neubau und ist damit häufig als unwirtschaftlich anzusehen.
Neubauten können allerdings als “Sonnenhaus” realisiert werden. Bei der Planung des Gebäudes sind allerdings viele Aspekte zu berücksichtigen:
Bei einem “Sonnenhaus” wird ein Großteil des Daches als Solarthermie-Kollektorfläche genutzt. Weiterhin wird ein sehr groß dimensionierter Speicher (teilweise über mehrere Stockwerke hoch) eingeplant, der die Wärme für Zeiten fehlender Einstrahlung speichert. Zudem ist eine sehr effektive Wärmedämmung erforderlich. Eine optimale Ausrichtung des Gebäudes dient dazu, über die Fensterflächen viel Wärme in das Gebäudeinnere einzutragen. Auch die Öffnungsweite der Fenster wird im Planungsprozess exakt berechnet, um die sogenannten “solaren Gewinne” zu maximieren.
Problematisch bei der Realisierung von neuen Sonnenhäuser ist hauptsächlich, dass es wenige Ingenieursbüros gibt, die Erfahrung mit der Realisierung dieser Gebäude haben und dementsprechend die Kosten gegenüber “Standard”-Häusern eher hoch ausfallen.
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Welche Technologien sind mit Solarthermie kombinierbar?
Grundsätzlich sind alle Wärmeerzeugertechnologien in Kombination mit Solarthermie denkbar. Sinnvollerweise ist der zweite Wärmeerzeuger gut regelbar und kann den Wärmebedarf des Gebäudes auch bei fehlender Einstrahlung vollständig decken.
Im Hinblick auf die rechtlichen Anforderungen gilt, dass die Kombination von Solarthermie mit einer der Erfüllungsoptionen gemäß Gebäudeenergiegesetz (GEG) immer gesetzeskonform ist. Eine extra im GEG definierte Kombination ist die Solarthermie-Hybridheizung. Diese Anlage besteht aus einer solarthermischen Anlage kombiniert mit einer Gas-, Biomasse- oder Flüssigbrennstofffeuerung.
Zum Nachweis der Konformität bei anderen Kombinationen mit Technologien, die nicht im GEG als Erfüllungsoption definiert sind, ist in der Regel ein rechnerischer Nachweis erforderlich, um die GEG-Konformität nachzuweisen.
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Welche (Brutto-)Kollektorflächen sind technisch erforderlich?
Als Faustregel wird für Flachkollektoren die 1,5-fache (Brutto-)Kollektorfläche gegenüber Röhrenkollektoren benötigt. Für eine überschlägige Abschätzung des Flächenbedarfs abhängig vom Anwendungsfall kann folgende Tabelle Ansätze liefern:
Erforderliche (Brutto-)Kollektorfläche in qm pro Person:
Warmwasserbereitstellung Warmwasser- und Heizwärmebereitstellung Flachkollektor 1,5 3 Röhrenkollektor 1 2 Erforderliche (Brutto-)Kollektorfläche in qm pro 10 qm Wohn- und Nutzfläche:
Heizungsunterstützung Flachkollektor 1 Röhrenkollektor 0,8 Die Wahl des richtigen Kollektors ist allerdings von vielen Rahmenbedingungen abhängig und lässt sich daher nur durch eine individuelle Vor-Ort-Prüfung und dem gewünschten Deckungsgrad am Wärmeverbrauch (nur Warmwasser oder mit Heizungsunterstützung) von einem Fachplaner treffen.