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Technik & Typen von Warmwasser-Solaranlagen im Vergleich

Wie funktioniert eine solare Warmwasserbereitung? Wie wird Warmwasser mit Solarwärme erhitzt? Wie wird aus Solarstrom Warmwasser gemacht?

Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten, um Warmwasser mit Solar zu erhitzen. Wir stellen Ihnen hier die Technologien Solarthermie und Photovoltaik vor, mit deren Hilfe Sie Warmwasser heizungsunterstützend oder gänzlich durch solar erwärmen können. Sie erfahren, wie eine Solarthermie-Anlage Warmwasser durch Sonneneinstrahlung direkt erhitzt und wie man mit Solarstrom aus der Photovoltaikanlage mit warmen Wasser duschen kann.

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Nutzungsformen von Sonnenenergie: Direkte und indirekte Solarprodukte

Wer verstehen will, wie man mit Hilfe der Sonne Warmwasser solar zubereitet, der muss wissen, was die Sonne uns mit ihren Sonnenstrahlen da tagtäglich anliefert: solare Energie. Sonnenenergie oder auch Solarenergie lässt sich als 

  • elektrischer Strom (Solartstrom),
  • als Wärme (Solarwärme) und
  • als chemische Energie

technisch nutzbar machen.

Die von uns als Sonnenenergie bezeichnete Energie ist elektromagnetische Strahlung (auch Schwarzkörperstrahlung genannt), welche auf der Oberfläche der Sonne entsteht, weil dort Temperaturen um die 5.500 Grad Celsius herrschen. Diese unvorstellbar hohen Temperaturen sind Folge von Kernfusionen (auch Wasserstoffbrennen genannt), die im Inneren der Sonne stattfinden.

Nutzen kann man die Solarenergie

  • direkt oder
  • indirekt.

Möglichkeiten der direkten Nutzung von Sonnenenergie sind beispielsweise

  • die Erzeugung von Solarstrom mit Hilfe von Solarstromanlagen
  • und die Erzeugung von Solarwärme mit Hilfe von Solarwärmeanlagen.

Indirekte Nutzungsmöglichkeiten wären Wasserkraftwerke, Windkraftanlagen und Biomasse – letztere wird als gespeicherte chemische Solarenergie nutzbar.

Was ist Warmwasser: So unterscheiden sich Brauch- und Heizwasser

Um solare Strahlung als Wärme nutzbar machen zu können, wird diese in der Regel auf das Wärmeträgermedium Wasser übertragen, das dann im Heizungskreislauf zirkuliert oder den Hausbewohner über eine z. B. Zirkulationsleitung zum Duschen und Händewaschen zur Verfügung gestellt wird.

Aus energietechnischer Sicht unterscheidet man das solar erwärmte Warmwasser im allgemeinen Sprachgebrauch in

  • Brauchwasser (Brauchwarmwasser) und
  • Heizwasser (Heizungswasser).

Als Brauchwasser bezeichnet man das Wasser, das in Deutschland in Trinkwasserqualität im privaten Haushalt in Küche und Bad zum Waschen, Duschen, Baden, Wäsche waschen, Geschirrspülen, Kochen, Putzen und Spülen des WC verbraucht wird. Anteilig sieht der Wasserverbrauch etwa so aus:

Während der größere Teil (etwa zwei Drittel) des Brauchwassers von pro Tag pro Kopf etwas über 120 Litern als Kaltwasser gebraucht wird, wird rund ein Viertel des Brauchwasserbedarfs als Warmwasser benötigt. Hier rechnet man in etwa mit 40 bis 50 Litern pro Tag und pro Person.

Als Heizwasser wird hingegen das Wasser bezeichnet, das sich im Heizkreis einer Heizungsanlage kontinuierlich bewegt: Vom Wärmeerzeuger erwärmt hin zu den Heizkörpern, wo es seine Wärme an den zu beheizenden Raum abgibt, und abgekühlt wieder zurück zum Wärmeerzeuger fließt, um erneut von diesem erwärmt zu werden.

Je nach dem Heizwärmebedarf schwankt der Anteil des warmen Brauchwassers am Heizwarmwasserbedarf: Während sich in Altbauten mit schlechter Dämmung der Warmwasserenergiebedarf auf 15% bis 20% beläuft, erhöht sich dieser Anteil in einem gut gedämmten Haus aufgrund des geringeren Heizwärmebedarfs auf rund 30% bis 40%. Zudem kann es je nachdem wie viele Personen ein Wohnhaus bewohnen und wie hoch deren jeweiliger Warmwasserverbrauch ist, im effektiven Vergleich zwischen zwei gleich ausgestatteten Wohnhäusern sehr groß Differenzen geben.

Warmwasser mit einer Solarwärme-Anlage erhitzen

Eine Solarwärmeanlage stellt heute die technisch gängigste Methode dar, um Warmwasser solar aufzuheizen. Sie wird dabei entweder nur zur unterstützenden Erwärmung des warmen Brauchwassers oder auch zur unterstützenden Beheizung des Heizungswassers - dies umfasst dann die solare Erwärmung des Heizungs- und Brauchwarmwassers - eingesetzt. Aus technischer Sicht besteht eine Solarwärme-Anlage aus unterschiedlichen Komponenten. Als ihr Herzstück bezeichnet man die Solarkollektoren.

Solarkollektoren-Techniken im Vergleich

Es gibt verschiedene Solarkollektortypen, die sich in Bau, Funktion und sich daraus ergebender Leistung unterscheiden, darunter Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Hybridkollektoren. Die Solarkollektoren installiert der Betreiber einer Solarwärmanlage auf seinem Haus als Dachanlage (Aufdachkollektoren und Indachkollektoren), am Haus (Fassadenkollektoren, Balkonbrüstungskollektoren, Balkonwandkollektoren) oder daneben (Kollektoren auf Freiflächen auf dem Grundstück).

Flachkollektoren (links) sorgen für hohe solare Warmwassererträge und können als In- oder Aufdachmontage sowie auf Flachdächern installiert werden. Vakuumröhrenkollektoren (rechts) weisen bei Standardgebäuden einen besonders geringen Flächenbedarf auf und zudem für Anwendungen mit hohen Zieltemperaturen geeignet. (Foto: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)
Flachkollektoren (links) sorgen für hohe solare Warmwassererträge und können als In- oder Aufdachmontage sowie auf Flachdächern installiert werden. Vakuumröhrenkollektoren (rechts) weisen bei Standardgebäuden einen besonders geringen Flächenbedarf auf und zudem für Anwendungen mit hohen Zieltemperaturen geeignet. (Foto: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)

Ganz gleich, wo und wie installiert, die Aufgabe des Solarkollektors ist es, die elektromagnetische Strahlung der Sonne zu sammeln und in nutzbare thermische Energie (Wärme) umzuwandeln. Das gelingt mit Hilfe des Absorbers im Kollektor. Die absorbierte Wärme übergibt der Absorber an ein Wärmeträgermedium, entweder ein Gemisch aus Wasser und Frostschutz, pures Wasser oder auch Luft. Das Wärmeträgermedium überträgt die Wärme vom Kollektor zu einem Warmwasserspeicher, der sie aufnimmt und solange vorrätig hält („puffert“, daher auch die Bezeichnung: „Pufferspeicher“), bis das Warmwasser benötigt wird.

Neben heißem Wasser für die Heizung bietet der Frischwasserspeicher Aqua EXPRESSO von Paradigma über eine Frischwasserstation jederzeit solar unterstütztes Warmwasser zum Duschen, Baden und Waschen. (Foto: Paradigma Deutschland GmbH)
Neben heißem Wasser für die Heizung bietet der Frischwasserspeicher Aqua EXPRESSO von Paradigma über eine Frischwasserstation jederzeit solar unterstütztes Warmwasser zum Duschen, Baden und Waschen. (Foto: Paradigma Deutschland GmbH)

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Solare Warm- und Heizwasserunterstützung

Im Pufferspeicher sitzt ein sogenannter Wärmetauscher, der die solare Wärme entweder auf einen Frischwasservorrat überträgt, der dann als warmes Brauchwasser beim Aufdrehen desselben aus dem Wasserhahn strömt (Prinzip der solaren Warmwasserunterstützung). Oder die solare Wärme wird auf das kalte Brauchwasser und kaltes Heizwasser übertragen - in diesem Fall vollzieht der Haushalt nicht nur die Warmwasserbereitung mit Solar, sondern auch die Heizwasserbereitung (Prinzip der solaren Heizungsunterstützung).

Schematische Darstellung des hydraulischen Einbindungsprinzip eines Warmwasserspeichers, Solarkollektors und einer Erdgas-Brennwertheizung. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung des hydraulischen Einbindungsprinzip eines Warmwasserspeichers, Solarkollektors und einer Erdgas-Brennwertheizung. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Kostenersparnis durch Solarwärme

Setzt man beim Warmwasser auf Solar, so lassen sich entsprechend der Anlagengröße und dem Warmwasserbedarf unterschiedlich hohe Anteile am Heizwärmebedarf solar decken.

In unseren Breiten kann die Warmwasserbereitung im Sommer nahezu komplett durch Solarthermie abgedeckt werden. Im Winter wird hierfür jedoch eine Zusatzheizung benötigt. (Grafik: energie-experten.org)
In unseren Breiten kann die Warmwasserbereitung im Sommer nahezu komplett durch Solarthermie abgedeckt werden. Im Winter wird hierfür jedoch eine Zusatzheizung benötigt. (Grafik: energie-experten.org)

Entsprechend der oben genannten Ertragswerte können Sie mit einer Solarthermie-Anlage, die auf nur auf die Bereitung von Warmwasser mit Solar ausgelegt ist, im Sommer höchstwahrscheinlich ihren Warmwasser-Bedarf nahezu komplett (bis zu ~ 90 %) decken. Anders in der strahlungsärmeren Winterzeit und oft auch schon während der saisonalen Wechsel: Dann reicht der Solarertrag der Anlage meist nicht mehr für die gesamte Menge warmes Wasser, die Sie brauchen.

Beispielrechnung 1: solare Warmwasserunterstützung

3.000 Euro Heizkosten x 30% Warmwasseranteil x 50% solarer Deckungsgrad = 450 Euro jährliche Ersparnis

Beispielrechnung 2: solare Heizungsunterstützung

3.000 Euro x 50% solarer Deckungsgrad = 1.500 Euro jährliche Ersparnis

Rund 6.000 Euro sind für Solarkollektoren zur Warmwasserunterstützung fällig, mit dem bis zu 15 Prozent der Energiekosten eingespart werden können. Entsprechend teurer wird eine Warmwasser-Solaranlage zur Heizungsunterstützung, mit der bei optimaler Auslegung und Einbindung bis zu 50 Prozent der Heizkosten eingespart werden können. Erneuerung muss erst nach 20 bis 25 Jahren vorgenommen werden.

Auch im großen Stil lässt sich Warmwasser solar erzeugen: In Senftenberg speisen eine Solarthermieanlage mit 1.680 Röhrenkollektoren und ein Erdgasheizwerk Wärme in das Fernwärmenetz für über 10.000 Haushalte ein. (Foto: Stadtwerke Senftenberg)
Auch im großen Stil lässt sich Warmwasser solar erzeugen: In Senftenberg speisen eine Solarthermieanlage mit 1.680 Röhrenkollektoren und ein Erdgasheizwerk Wärme in das Fernwärmenetz für über 10.000 Haushalte ein. (Foto: Stadtwerke Senftenberg)

Warmwasser mit Solarstrom erzeugen

Warmwasser mit Solar-Wärmepumpe

Mit Hilfe einer Wärmepumpe lässt sich Solarstrom effizient nutzen, um Warmwasser solar zu erzeugen. Zum Einsatz können hier Heizungswärmepumpen wie Sole-Wasser-Wärmepumpen oder Luft-Wasser-Wärmepumpen als auch Warmwasser-Wärmepumpen kommen. Wird das Warmwasser mit Hilfe einer solchen Brauchwasserwärmepumpe erzeugt, lassen sich die Stromkosten für die Warmwassererzeugung mittels Solar deutlich senken.

Die Warmwasser Wärmepumpe nutzt dabei die Abluft von Keller- und Hauswirtschaftsräumen als Wärmequelle. Die Temperatur am Aufstellungsort sollte daher ganzjährig nicht unter 10 Grad Celsius fallen, um ausreichend Wärme zu liefern. Mittels Wärmetauscher wird der Umgebungsluft die Wärme entzogen und auf ein Kältemittel übertragen, das mit einem Kompressor verdichtet wird und höherenthalpische Hitze erzeugt, die das Warmwasser im Speicher auf ein nutzbares Temperaturniveau anhebt. Die für die Kompression notwendige elektrische Energie wird von der Solarstromanlage bereitgestellt. So kann die Warmwasser-Wärmepumpe bis zu 7 Monate im Jahr nahezu komplett mit Solarstrom versorgt werden und ökologisch das Warmwasser solar bereitstellen.

Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage bietet aber nicht nur eine gute Alternative, ein Gebäude mit erneuerbaren Energien zu beheizen und so ökologisch mit Warmwasser zu versorgen. Gleichzeitig eröffnen sich dem Anwender durch die Kombination mit einer intelligenten Steuerung auch nachhaltige Möglichkeiten zur Verbrauchsoptimierung des solar erzeugten Eigenstroms.

Schematischer Aufbau einer Kombination einer Ochsner Warmwasser-Wärmepumpe mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage. (Grafik: www.ochsner.de)
Schematischer Aufbau einer Kombination einer Ochsner Warmwasser-Wärmepumpe mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage. (Grafik: www.ochsner.de)

Warmwasser mit Solar-Heizstab

Eine zweite Möglichkeit, Warmwasser solar zu erzeugen, bieten Photovoltaik-Heizstäbe. Diese sind im Puffer- oder Warmwasserspeicher installiert und nutzen den Solarstrom, um diesen 1:1 in Warmwasserwärme umzuwandeln. Die Energieeffizienz der Solarstromwandlung ist hierbei jedoch deutlich geringer als der Stromverbrauch einer solarbetriebenen Warmwasser-Wärmepumpe, da hier das Tauchsieder-Prinzip genutzt wird.

Zu beachten ist, dass die Leistungsaufnahme des Heizstabes regelbar sein muss, um die Leistungsaufnahme an den aktuellen Solarstrom-Überschuss anzupassen. Dies wird notwendig, da der Solarstrom-Überschuss häufig niedriger ist als die Heizstableistung von etwa 2 bis 5 kW. Ist der Heizstab nicht regelbar, muss er in Zeiten eines nicht ausreichenden Solarstromüberschusses ausgeschaltet bleiben oder die Stromlücke durch Netzstrombezug ausgeglichen werden, was wiederum dem Sinn des Einsatzes eines Heizstabes zur solaren Warmwasserbereitung entgegensteht.

Ist der Heizstab regelbar, so wird häufig eine Phasenanschnittsteuerung ähnlich wie bei einem Dimmer genutzt. Da deren Einsatz bei Heizstäben laut Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Netzbetreiber gemäß Punkt 10.2.7 nur bis zu einer maximalen Anschlussleistung von 200 Watt angewandt werden darf und Heizstäbe darüber liegen, ist unklar ob eine Phasenanschnittsteuerung überhaupt erlaubt ist.

Bei einer Stufenregelungen des Solar-Heizstabes muss zudem beachtet werden, dass diese sich umso energieeffizienter regeln lassen, je kleiner die Stufen sind. Wer seinen Solarstrom allerdings nur zur Bereitung des Warmwassers mit Solar nutzen will, kann auf den Wechselstromteil auch verzichten und die PV-Module direkt an den Heizstab anschließen.

Schematische Darstellung der Photovoltaik-Stromversorgung eines Heizstabes mit Hilfe eines Zweirichtungszählers und dem Steuergerät Cloudy103 (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)
Schematische Darstellung der Photovoltaik-Stromversorgung eines Heizstabes mit Hilfe eines Zweirichtungszählers und dem Steuergerät Cloudy103 (Grafik: Yellowstone Soft GmbH)

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"Technik & Typen von Warmwasser-Solaranlagen" wurde am 17.11.2016 das letzte Mal aktualisiert.