Sonnenheizung

Das Strahlungsangebot der Sonne

In unseren Breitengraden beträgt die jährliche solare Strahlung auf einem nach Süden geneigten Quadratmeter Kollektorfläche etwa 1200 Kilowattstunden. Diese Energiemenge entspricht dem Heizwert von 120 Litern Heizöl. Die zeitlichen Verläufe von Energieangebot (Sonnenschein) und Energienachfrage (Heiz-und Warmwasserbedarf) stimmen jedoch selten, weder jahreszeitlich gesehen, noch im Tages- und Wochen-Rhythmus, überein. Solares Heizen ist daher untrennbar mit der Frage der Wärmespeicherung verbunden.
Sonnenenergie-Angebot und Wärmebedarf decken sich nicht im Jahresverlauf. Mit einer steilen Kollektorneigung, Verringerung des Heizwärmebedarfs und einem angemessen dimensioniertem Speicher kann man dieser Gegenläufigkeit entgegenwirken.
 
Je nach Baustandort und Wetterjahr ist die Anzahl der Sonnenstunden im Winterhalbjahr sehr unterschiedlich. Die Berücksichtigung klimatischer Bedingungen, zum Beispiel Hoch- oder Nebellagen, verdienen deshalb bei der Dimensionierung der Kollektorfläche und Speichergröße eine besondere Beachtung.

Der Klimastandort ist ein wichtiges Kriterium bei der Auslegung der Sonnenhaus-Technik. Die Grafik zeigt die regionalen Unterschiede der Sonnenernte pro Quadratmeter Kollektorfläche, die 60° Richtung Süden geneigt ist.

Eine Deutschlandkarte mit  Winter-Klima-Standorten haben wir  hier hinterlegt. Klicken Sie dort einen Standort an, dann öffnet sich ein Datenfenster. Die Beschreibung dazu finden Sie auf der rechten Seite der Karte.

Grundprinzip und Komponenten einer Sonnenheizung

1. Sonnenkollektor

Sonnenkollektoren wandeln Sonnenlicht mit hohem Wirkungsgrad bei idealen Bedingungen bis zu 80%, in Wärme um, die über den Fluidkreislauf mit Wasser-Frostschutzgemisch und einen Wärmetauscher in den Wasserspeicher eingebracht wird.

Um in einem gut gedämmten, kleinen bis mittelgroßen Einfamilienhaus 50 bis 80% der für Heizung und Warmwasser benötigten Wärmeenergie solar zu erzeugen, ist eine Kollektorfläche von etwa 30 bis 60 m² erforderlich. Sie soll möglichst steil nach Süden geneigt sein, so dass auch im Winter gute Erträge erzielt werden können. Am besten eignen sich Großflächenkollektoren, die als anschlussfertige Module mit dem Kran montiert werden. Sie werden vorzugsweise mit umlaufender Blecheinfassung als zusammenhängende Fläche in die Dachhaut oder Fassade integriert. Auf diese Weise wird sowohl eine ansprechende Optik als auch ein guter Witterungsschutz erreicht. Die verbleibende Dachfläche kann mit einer Photovoltaikanlage zur solaren Stromgewinnung bestückt werden.

2. Zusatzheizung

Bei Sonnenhäusern ist der Brennstoffbedarf sehr gering. Eine Biomasseheizung mit Stückholz oder Pellets als Brennstoff stellt die ideale Ergänzung zur Solaranlage dar. Holz ist gespeicherte Sonnenenergie und verbrennt CO2- neutral. Kachelöfen mit Wassereinsatz erfreuen sich großer Beliebtheit bei Sonnenhausbewohnern. Sie sollten eine hohe wasserseitige Leistung bei moderater Wärmeabgabe an den Raum haben. Noch mehr Komfort bietet ein Holzvergaserkessel, der einen größeren Brennstoff-Füllraum hat. In Kombination mit dem großen Pufferspeicher ist ein Heizen auf Vorrat für mehrere Tage möglich. Für Mehrfamilienhäuser oder für diejenigen, die nicht selbst einheizen möchten, bietet ein vollautomatischer Pelletkessel komfortable Wärme.

3. Speicher

Der Pufferspeicher hat die Aufgabe während der Heizperiode überschüssige Energie der Solaranlage (und gegebenenfalls des Holzkessels) für mehrere Tage zu bevorraten. Dazu reicht in der Regel ein Wasservolumen von etwa 150 Liter pro qm Kollektorfläche aus, wobei ggf. ein zusätzliches Volumen für Stückholzheizungen zu berücksichtigen ist. Mit noch größeren Speichern kann entsprechend mehr Solarwärme vom Herbst in den Winter mitgenommen werden. Der Heizkessel wird dann eben erst Ende November oder im Dezember in Betrieb genommen.

Die Aufstellung des Speichers innerhalb der gedämmten Gebäudehülle ermöglicht einen weitgehend verlustfreien Betrieb der Solaranlage, da seine Abwärme der Raumheizung zugutekommt. Dennoch sollte die Dämmdicke der Speicherisolation mindestens 200 mm betragen. Eine schlanke Bauform und entsprechende Schichteinrichtungen (Mehrweg-Ventile, Schichtlanzen) sorgen für eine gute Temperaturschichtung.

4. Verbraucherkreise

Für die Warmwasserbereitung bietet sich entweder ein im Pufferspeicher integrierter Edelstahlboiler an oder ein extern angebrachtes Frischwassermodul, welches das Brauchwasser im Durchlauf erhitzt.
Die Verteilung der Heizwärme soll auf möglichst niedrigem Temperaturniveau erfolgen, was eine entsprechend große Heizfläche bedingt (Fußbodenheizung, Wandflächenheizung oder Bauteilaktivierung).
Je besser der Sonnenkollektor ausgekühlt wird, umso besser heizt er, da seine Wärmeverluste mit zunehmender Temperaturdifferenz zur Umgebung steigen.

5. Systemtechnik und Regelung

Ein durchdachtes Energiemanagement ist für eine effiziente Nutzung der Solarwärme eminent wichtig. Diese soll entsprechend ihrem jeweiligen Temperaturniveau der passenden Speicherschicht oder direkt den Verbrauchern zugeführt werden. Auch die Be- und Entladung des Speichers erfolgt nach festgelegten Regeln und Prioritäten in mehreren Schichten. Dafür sorgen Pumpen, Ventile und die Regelung, das „Hirn“ der Anlage.

Solarregler haben heute einen sehr hohen Entwicklungsstand. Eine benutzerfreundliche Bedienung, sowie die Möglichkeiten der anschaulichen Visualisierung (Display), Datenauswertung und Fernwartung über das Internet sind sowohl für die Bewohner als auch für den Fachmann hilfreich.

So funktioniert die Sonnenheizung

Stellvertretend für eine Vielzahl an Möglichkeiten stellen wir zwei Anlagenkonzepte vor:

Die Solaranlage kann Wärme liefern, wenn die Kollektortemperatur höher wird als im unteren (kältesten) Bereich des Pufferspeichers. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird durch die jetzt einschaltende Pumpe im Solarkreis umgewälzt, erhitzt sich dabei im Kollektor und gibt diese Wärme über den unteren Wärmetauscher an das Wasser im Speicher ab. Wenn die Temperatur am Vorlauf höher wird als die im oberen Speicherdrittel, schaltet der zweite Wärmetauscher dazu. Nun wird der Wassertank auf ganzer Höhe bei guter Temperaturschichtung durchgeladen.
Im Sommer kann Überwärme nachts über die Kollektoren rückgekühlt werden.

Die Entladung über den Heizkreis wird durch einen speziellen Mehrwege-Mischer so gesteuert, dass vorrangig der untere Speicherbereich ausgekühlt wird. Nur wenn hier die Temperatur nicht mehr ausreichend hoch ist, wird der Heißwasservorrat oben angezapft. Dort in der wärmsten Zone befindet sich auch der Boiler für das Brauchwasser. Durch ein langes Rohr wird das unten im Speicher einströmende Kaltwasser auf dem Weg zur Warmwasserglocke vorgewärmt.

Die Nachheizung durch den Ofeneinsatz oder Heizkessel erfolgt von oben nach unten. Es gilt das Wasser oben im Puffer möglichst schnell für den Gebrauch aufzuheizen. Erst dann lenkt der Vierwege-Mischer den Rücklauf in den unteren Speicherbereich um, so dass auf Vorrat weitergeheizt werden kann.

Dieses System arbeitet mit externen Wärmetauschern und einem Schichtrohr, das die Solarwärme selbsttätig in verschiedenen Niveaus einschichtet. Das Brauchwasser wird hygienisch im direkten Durchlauf erhitzt, wobei eine Pumpe im Gegenstrom das heiße Wasser aus dem Pufferspeicher durch den Wärmetauscher fördert.

Dimensionierung und Einflüsse auf den solaren Deckungsgrad

Bei einer gut funktionierenden Sonnenheizung kommt es nicht nur auf das richtige Zusammenspiel der einzelnen Komponenten an, sondern vor allem auf eine dem Energieverbrauch angepasste Dimensionierung. Das Verhältnis von Kollektorfläche zu Heizlast hat dabei den größten Einfluss auf den solaren Deckungsgrad. Aber auch der Klimastandort, die Orientierung der Solarmodule, die Speichergröße und das Temperaturniveau der Verbraucher spielen eine große Rolle. Eine verlässliche Vorhersage über den in einem Durchschnittswetterjahr zu erwartenden Solarertrag und Energieverbrauch lässt sich nur mit geeigneten Simulationsprogrammen ermitteln, wobei natürlich auch das Nutzerverhalten das Ergebnis maßgeblich beeinflusst.

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Ablesebeispiel für ein Einfamilienhaus Standort München, 4 Personen 160 m² Wohnfläche, Wärmebedarf 9000 kWh/a, Flächenheizung, Kollektorneigung 60°, Ausrichtung Süd: Mit einer Kollektorfläche von 40m² und einem 7000L-Speicher erreicht man einen solaren Deckungsgrad von 67%.

Auch eine wärmeautarke Ganzjahres-Sonnenheizung ist, wenn auch mit erheblichem Aufwand, möglich. Hier sollte bei der Dimensionierung (vor allem des Speichers) im Hinblick auf extreme Winter noch mindestens 20% Sicherheit eingeplant werden. Am wirtschaftlich sinnvollsten hat sich ein solarer Deckungsgrad von 50 bis 70% erwiesen.

Je besser der Kollektor zur Wintersonne ausgerichtet ist, umso mehr Nutzertrag kann er ernten:

Weitere Informationen zum solaren Heizen finden Sie hier.

Text: Wolfgang Hilz    Grafiken: Wolfgang Hilz / Max Baud

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