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Planung von Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung

Wie unterstützt Solarthermie die Heizung? Worauf muss bei einer solarthermischen Heizungsunterstützung geachtet werden? Was muss bei der Auslegung der Kollektoren beachtet werden? Welche Speichergröße wird gewählt? Welche Betriebsweise ist effektiver?

Solarthermieanlagen zur Heizungsunterstützung sollen die größtmögliche Abdeckung des Heizwärmebedarfs realisieren. Große Anlagen decken häufig mehr als die Hälfte des Raumwärme- und Warmwasserbedarfs ab. Wie effektiv die Saolrthermie die Heizung unterstützen kann, hängt nicht nur vom Volumen des Pufferspeichers ab, sondern auch von der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf.

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Konzept solarthermisch unterstützter Heizungen

Im Gegensatz zu Solarthermieanlagen zur Brauchwasserunterstützung richtet sich die Nutzung einer Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung auf die größtmögliche Abdeckung des Heizwärmebedarfs im Winter. In der Planung muss daher eine größere Dachfläche für die Solarthermie-Kollektoren berücksichtigt werden. Da eine zu groß geplante Solarthermie-Anlage jedoch zu überschussbedingten Stillstandszeiten während der Sommermonate führt, kann die Solarthermie-Anlage nicht beliebig groß ausgelegt werden.

Um die Solarthermie-Überschüsse auch im Sommer sinnvoll zu nutzen, werden Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung in den allermeisten Fällen mit Kombispeicher konzipiert, die sowohl einen Heizwärmebeitrag zur Warmwasserbereitung als auch zur eigentlichen Heizung leisten. In diesem Zusammenhang spielt zudem die Größe des Solarthermie-Speichers und die Solarthermie-Regelung eine wichtige Rolle im Planungsprozess, um die Solarthermie-Erträge weitergehend zu optimieren.

Eine auf das Gebäude und die Nutzer ausgerichtete Solarthermie-Anlage kann die Heizwärmeversorgung im Winter nennenswert unterstützen. Solarthermie-Anlagen zu Heizungszwecken und zur Brauchwasserunterstützung können dann bereits mit einer Kollektorfläche von 10 bis 15 m2 mit Flachkollektoren oder 5 bis 10 m2 mit Vakuumröhrenkollektoren in einem typischen Einfamilienhaus aus den 90er Jahren den Gesamtwärmebedarf um rund 20 Prozent reduzieren helfen. In moderneren Neubauten mit höheren Wärmeschutzanforderungen können optimal ausgelegte Solaranlagen zur Heizungsunterstützung 25 bis 30 Prozent des Wärmebedarfs decken.

Schematische Darstellung des Aufbaus eines Heizöl-Brennwertkessels plus solare Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Schematische Darstellung des Aufbaus eines Heizöl-Brennwertkessels plus solare Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf

Eine Solarthermieanlage arbeitet umso effizienter, je niedriger die Temperatur des zu erwärmenden Wassers ist. Bei einer solarthermischen Warmwasserunterstützung sind diese Voraussetzungen in aller Regel gegeben, da die Temperatur des zu erwärmenden Brauchwassers ganzjährig rund 10 °C beträgt. Aufgrund dieser hohen Temperaturspreizung kann relativ viel Solarthermie in kurzer Zeit an das Brauchwasser abgegeben werden.

Bei der Planung einer solarthermisch unterstützten Heizung muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Temperaturniveau im Solarthermie-Speicher vom Heizkreislauf vorgegeben wird. Da gerade im Winter auch eine zusätzliche Heizung zum Einsatz kommt, ist das aus dem Heizkreislauf zurückfließende Heizungswasser noch relativ warm und die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf damit vergleichsweise niedrig.

Somit kann weniger Solarthermie im gleichen Zeitraum an das Heizspeicherwasser abgegeben werden. Daher ist bei Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung eine auf die Heizung und den Heizkreislauf abgestimmte Solarregelung wichtig.

Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung können daher am effizientesten in Gebäuden eingesetzt werden, die nur eine geringe Vorlauftemperatur im Heizkreislauf aufweisen. Diese Einsatzbedingungen bieten in aller Regel Fußbodenheizungen in gut wärmegedämmten Häuse

Experten-Tipp: Eine zur Unterstützung der Heizung ausgelegte Solarwärmeanlage sollte daher immer auch die Heizungstechnik und die Wärmedämmung des Gebäudes berücksichtigen. Während im Neubau eine auf alle Heizungskomponenten abgestimmte Konzeption gängige Praxis ist, sollte eine Solarthermie-Anlage im Altbau immer auch Maßnahmen zur Reduktion des Vorlauftemperaturniveaus beinhalten. Dies können einzelne Dämmungsmaßnahmen, neue Fenster oder eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sein.

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Deckungsbeitrag an der Heizwärmeversorgung

Rund Einviertel aller in Deutschland verkauften Solarthermie-Anlagen werden zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Aufgebaut wie Solarthermie-Anlagen zur Brauchwasserbereitung werden lediglich die Kollektorfläche und das Speichervolumen soweit vergrößert, dass auch in den Übergangszeiten und teilweise im Winter mit Solarthermie geheizt werden kann. Dabei kommen üblicherweise Kombispeicher zum Einsatz, in denen das Heizungswasser und Warmwasser in einem Speicher getrennt voneinander erwärmt werden. Mit einer Solarthermie-Anlage zur Heizungsunterstützung können dann Deckungsbeiträge für die Gebäudeheizung von 10 bis 30 Prozent, bei Niedrigenergiehäusern sogar bis 40 Prozent erzielt werden.

Anforderungen an Solarthermie-Kollektoren

Die wichtigsten Komponenten einer Solarthermie-Anlage zur Heizungsunterstützung sind die Solarthermie-Kollektoren und die Solarthermie-Speicher. Da Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung hauptsächlich in der Übergangszeit im Frühling und im Herbst sowie im Winter benötigt werden, sollte daher der Wirkungsgrad der Solarthermie-Kollektoren möglichst hoch sein. Hierzu eignen sich Flachkollektoren und Röhrenkollektoren, die auch bei niedrigen Außentemperaturen hohe Systemtemperaturen erreichen. Der Wirkungsgrad des Kollektors sollte daher bei einer Temperaturdifferenz zur Umgebung von 50 bis 60 Kelvin - dies entspricht den Verhältnissen, unter denen der Kollektor zur Heizungsunterstützung später arbeitet - im Vergleich zu anderen Kollektoren möglichst hoch sein.

Solarthermie-Anlagen mit Pufferspeicher

Neben den Solarthermie-Kollektoren ist die Wahl des Speicherkonzepts von Bedeutung. Hier unterscheidet man Kombisysteme, sogenannte Einspeichersysteme, und Zweispeichersysteme. In Zweispeichersystemen kommen ein Brauchwasserspeicher und ein Pufferspeicher für das Heizungswasser getrennt voneinander zum Einsatz. Diese Zweispeichersysteme eignen sich dann, wenn die vorhandene Heizung schlecht abgeglichen und mit hohen Volumenströmen bei geringer Spreizung arbeitet und, wenn das Temperaturniveau des Heizungsrücklaufs wie z.B. bei Heizkörpern über 55°C liegt. Daher kommen Pufferspeicher bei Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung vor allem in Altbauten, bei der Nachrüstung oder bei speziellen Heizsystemen wie einer Holzheizung zum Einsatz.

Solarthermie-Anlagen mit Kombispeicher

Kombinierte Brauchwasser- und Pufferspeicher, sogenannte Kombispeicher, kommen häufig im Neubau und bei begrenzten Platzverhältnissen zum Einsatz. Je nach den Heizkreistemperaturen werden Kombispeicher in Solarthermie-Anlagen zur Heizungsunterstützung entweder mit permanenter oder geregelter Rücklaufeinbindung installiert. Bei niedrigen Rücklauftemperaturen unter 35°C kann der Kombispeicher "permanent" eingebunden werden. Dies vereinfacht die Einbindung und spart zusätzliche Armaturen wie ein Dreiwege-Ventil, einen Solarregler oder Rücklauf- und Speicherfühler. Steigt allerdings die Rücklauftemperatur an, so kann es vor allem im Winter zu einer Wärmeverschleppung aus dem Heizkreis in den Pufferbereich kommen, was wiederum zu einem geringeren Nutzungsgrad der Solarthermie-Anlage führt. Um dies zu vermeiden, werden Kombispeicher mit geregelter Rücklaufeinbindung genutzt. Dies macht die Solarthermie-Anlage zur Heizungsunterstützung weitgehend unabhängig von den maximalen Heizkreistemperaturen und kann so auch in Verbindung mit Radiatorenheizkreisen eingesetzt werden.

Hydraulikbeispiel des solarthermischen Systems Logasol SAT-FS von Buderus für eine solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung (Foto: Buderus)
Hydraulikbeispiel des solarthermischen Systems Logasol SAT-FS von Buderus für eine solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung (Foto: Buderus)

Brauchwasserbereitung oder Heizungsunterstützung

Wer sich für eine Solarthermie-Anlage interessiert, der stellt sich die Frage, ob eine Anlage zur Brauchwassererwärmung oder zur Heizungsunterstützung sinnvoller ist. Im direkten Vergleich beider Solarthermie-Systeme sollte daher bedacht werden, dass eine Solarthermie-Anlage zur Heizungsunterstützung im Sommer im Verhältnis zur Kollektorfläche und Leistung der Solarthermie-Anlage nur wenig ausgelastet ist. Die Erträge der Solarthermie-Kollektoren fallen daher aufgrund der ungenutzten Überschusswärme bei der Heizungsunterstützung mit 150 bis 200 kWh/m2a im Vergleich zur Brauchwassererwärmung mit 350 bis 400 kWh/m2a für ein typisches Einfamilienhaus geringer aus. Im direkten Vergleich lohnt sich eine Solarthermie-Anlage zur Heizungsunterstützung daher eher in den Fällen, in denen auch diese Überschusswärme z. B. für eine Schwimmbaderwärmung, die Temperierung kälterer Gebäudeteile oder zur Trocknung eines feuchten Kellers eingesetzt werden kann. In Verbindung mit einer Wärmepumpe könnte diese Überschusswärme auch zur Regenerierung des Flächenkollektors oder der Erdwärmesonden genutzt werden.

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"Solarthermie: Anlagen-Auslegung zur Heizungsunterstützung" wurde am 10.06.2017 das letzte Mal aktualisiert.