Heizen mit der Sonne - Ritter XL Solar

Heizen mit der SonneSicherheit gegen thermischen Stillstand sorgt für EffizienzSOLARTECHNIKDR. ROLF MEISSNER*CPC-Vakuumröhrenkollektoren(VRK) mit Wasser alsWärmeträger liefern nahezuunabhängig von Witterungund Jahreszeiten Temperaturenvon 80 - 160 °Cund sind völlig eigensichergegen thermischen Stillstand,auch bei Stromausfall.Deshalb kann bei dieserTechnologie der Speicherfrei nach Platzbedarf, Lastprofilund Rentabilität optimiertund bei schönem Wetterauch im tiefsten Winterwieder vollgeladen werden.Dies prädestiniert sie für solaresHeizen mit simplerTechnik und hohen Deckungsanteilen.* Rolf Meißner ist Physiker und befasst sich als Produktmanagerund Entwickler seit 1990 bei RitterEnergie- und Umwelttechnik mit der Systemtechnikund Speicherung von Solarwärme. Gegen Ende2006 gründete er den Bereich Paradigma XL Solarund ist seit 2010 Geschäsführer der Ritter XL SolarGmbH. E-Mail: r.meissner@ritter-xl-solar.com1. CPC-Vakuumröhren -kollektorenGrundlage dieser Technik sind sog. Dewar-oder Sydney-Röhren. Dies sind evakuiertedoppelwandige Glasgefäße, soeinfach aufgebaut wie eine Vakuum-ermoskanne (Bild 1). Entsprechendder langjährigen Erfahrung mit gläsernenermoskannen seit 1874 beträgt ihreHaltbarkeit 20 bis 50 Jahre. Auf der Innenröhrebefindet sich im Vakuum einehochselektive Absorberschicht, die beiguten irdischen Strahlungsverhältnissenim Stillstand bis zu 350 °C heiß wird.Wenn der Kollektor nicht im Stillstandist, wird die Wärme über dünne, wasserführendeMetallrohrregister aus Kupfer,Stahl oder Edelstahl abgeführt. Der CPC-Spiegel (Compound Parabolic Concentrator)gewährleistet, dass pro Flächemöglichst wenig Röhren gebraucht werdenund trotzdem die Bruttokollektorflächezu über 90 % optisch aktiv ausgenutztwird. Er spart also vor allem Material,vergrößert den Ertrag und senkt dieWärmeverluste. Aufgrund seiner speziellenGeometrie wird nahezu alles direkteund diffuse Licht ausgenutzt (Bild 2).Die Kollektorkennlinie (Bild 3) zeigt,dass für Temperaturdifferenzen zwischenKollektor und Umgebung von 100Kelvin der CPC-VRK mit Plasmabeschichtungbei 800 Watt/m² Einstrahlungnoch 60 % Wirkungsgrad hat undselbst bei 400 W/m² noch knapp 50 %.Um Temperaturdifferenzen bis 75 Kelvinmit mindestens 40 % Wirkungsgrad zuerreichen, genügen bereits 250 W/m²Einstrahlung, dazu muss nicht einmaldie Sonne scheinen. Unter einer 5 cmstarken Schneedecke erhöht sich die Kollektortemperaturbei Sonnenschein nochum bis zu 50 K. Bei Betriebsdrücken von7 bar kann Wasser mit CPC-VRK bis aufca. 160 °C überhitzt und für Prozesswärmegenutzt werden. Auch die Erzeugungvon Dampf ist kein Problem und bereitsin praktischer Erprobung /1/. Ein besondererVorteil zylindrischer Absorberist die weitreichende Unabhängigkeitder Einstrahlungsnutzung vom radialenEinfallswinkel. Praktisch heißt dies, dasswährend eines Tages über viele Stundeneine hohe Leistung erzielt werden kann.Mit dem Solar Keymark Output Calculator(SKOC) erhält man Jahressimulationenfür konstante mittlere Kollektortemperaturen(Bild 4). Der SKOC gehtdavon aus, dass die Solarwärme vollständiggenutzt wird. Verluste, außer denendes Kollektors, bleiben vom SKOC unberücksichtigt,ebenso kapazitive Effektebzw. thermische Trägheiten. Wenn vorallem in der Heizzeit der Speicher tagsüberimmer bis auf 95 °C geladen werdensoll, sind 80 °C als mittlere Kollektortemperaturrealistisch. Die Simulationenmit dem SKOC zeigen, dass diemaximalen Jahreserträge in Deutschlandsehr verschieden sind. Sie zeigen auch,dass sich die Verbesserung der CPC-VRK durch die Plasmabeschichtung aufdas Jahresergebnis noch stärker auswirktals auf die Kennlinie. Es wird deutlich,dass die 2 - 3-fache Fläche guter Flachkollektorennötig ist, um das Ergebnisder CPC-VRK zu erreichen. Einfachebzw. „günstige“ Flachkollektoren sindzum solaren Heizen offenbar nicht geeignet.Interessant ist, dass bei 80 °C guteFlachkollektoren nicht einmal mehr dendoppelten Jahres-Wärmeertrag versprechenals mit Photovoltaik gewonneneElektroenergie /2/. CPC-VRK mit Plasma-Beschichtungschaffen gegenüberPV immerhin noch den 4-fachen Ertrag.2. Heizungswasser imSonnenkollektorZum Heizen mit der Sonne braucht manwintertaugliche Kollektoren. Das sindnach Stand der Technik Vakuumkollektoren.CPC-Vakuumröhrenkollektorensind dabei die ertragreichsten, am weitestenverbreiteten und mit 15 JahrenFelderfahrung weltweit die bewährtesten.Aber auch die Kennlinien von Vakuum-Flachkollektoren versprechen hervorragendeErgebnisse im Winter. Eine hoheLeistung im Winter allein genügt jedochnicht. Eine Solaranlage zur Winterheizungmuss vor allem robust und stagnationssichersein, denn im Sommer erzeugtsie viel Wärme im Überfluss. Stagnations-Eigensicherheit,also auch beiStrom- oder Pumpenausfall ist mit Frost-50 SANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/2013

▲ Bild 1 • Dewar-Röhre, CPC-Spiegel,Wärmeleitblech und Rohrregisterschutzmittel für Hochleistungskollektorenbisher nicht möglich. Deshalb sollteWasser in den Kollektoren fließen. Seit2004 gibt es wasser-basierte stagnationseigensichereSolarsysteme am Markt, diesich bis heute weit über 50.000-mal bewährten,darunter auch in einigen Großanlagenmit bis zu mehreren TausendQuadratmetern. Im Winter werden vorallem nachts kleine Wärmemengen zumFrostschutz benötigt. Nach Zertifikatenüber Klimakammertests bei -25 °C von2003 ist dabei für Kleinanlagen mit 2 - 4% des Jahressolarertrages zu rechnen. Dieseit 2007 gut vermessene Großanlage Festoin Stuttgart/Esslingen mit 1300 m² benötigteweniger als 2 % und die derzeitgrößte Anlage in Wels/Österreich benötigtein ihrem ersten Winter nur 1,0 %Fremdwärme für Frostschutz. Heizungswasserin den Kollektoren ist nicht nurder leistungsstärkste, anlagenschonendsteund langlebigste Wärmeträger, es gestattetvor allem den Verzicht auf Solarwärmetauscher,Frostschutzmittelauffang- und–befüllvorrichtungen sowie auf Entlüer.Die immer hohen Temperaturen der Kollektorengestatten den Verzicht auf Umlenkventile,Mischer, Vorwärmschaltungen,weitere Wärmetauscher auf verschiedenenSpeicherhöhen – vor allem aberauf große Speicher. Denn wenn ein Speicherauch im Winter richtig heiß geladenwerden kann, benötigt er viel wenigerPlatz. Für eine Fußbodenheizung müssteein Speicher mit 50 °C 4 - 5-mal so großsein wie ein am Tage mit 95 °C beladener,ganz abgesehen einmal davon, dassWarmwasser bei 50 °C Puffertemperaturgar nicht mehr hygienisch einwandfreibereitet werden kann. Solaranlagen mitCPC-VRK und Wasser sind annäherndso einfach zu ergänzen und zu handhabenwie ein Zusatzkessel. Die in Bild 5skizzierte Standardanlage mit einem stagnationssicherenSolarsystem, zu demneben CPC-VRK auch ein speziellerHigh-Tech-Kombispeicher /3/ gehört,wurde bereits tausendfach erprobt.Die Art der Heizkreise kann beliebig sein,doch selbstverständlich ist der Speicherumso wirkungsvoller, je niedriger dieHeizkreistemperaturen sind. Die Nach-▲ Bild 2 • Strahlengangbei direkterund diffuserEinstrahlung▲ Bild 3 • Kollektorkennlinien und die Abhängigkeit der Strahlungsnutzung vom Einfallswinkel für CPC-Röhren- und für FlachkollektorenSANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/201351

heizung erfolgt am besten mit einem umweltfreundlichenPellet- oder Scheitholzkessel.Ein kleiner Gas- oder Ölkessel istvielleicht am komfortabelsten, wenn dieInfrastruktur (Hausanschluss, Tank, ...)bereits vorhanden ist. Auch Wärmepumpensind als Nachheizung möglich, bildenaber keine optimale Ergänzung fürSolaranlagen. Sie erreichen o nicht diegewünschten Temperaturen und vermischenden Speicher, was sich minderndauf die solare Speicherkapazität und densolaren Deckungsgrad auswirkt. Außerdembelasten sie das Stromnetz mit zusätzlichenSpitzenlasten und haben eineentschieden schlechtere CO 2-Bilanz alsjeder andere Wärmeerzeuger.3. Die PrimärenergieeinsparungWenn an zwei frostigen, sonnigen Januartagendie Nachheizung für einen Tagkomplett ausbleibt, erreicht dieses Systemin Deutschland eine Primärenergieeinsparungfür Heizung und Warmwasservon mindestens 50 %. Es leuchtet ein, dassdazu höchstens ein Eintages- und mindestensein Halbtagsspeicher nötig sind.Diese einfache Formel soll an den Anfanggestellt werden, um zu zeigen, dass hinteraller Komplexität alles wieder recht einfachund vorstellbar wird. Tatsächlich hängender Energieverbrauch und das Einsparpotentialvon sehr vielen Faktoren ab.Die wichtigsten sind der Gebäudetyp, dasNutzungsprofil, der geografische Standort,◀ Bild 4 • JährlicheKollektorerträgepro QuadratmeterBruttoflächeinWürzburg beiSüdausrichtungund 30 GradNeigung fürmittlere Kollektortemperaturenvon 60 °Cund für 80 °Cfür CPC-VRKund Flachkollektoren,berechnetmit demSKOC, sowie fürPV, berechnetmit einem Internet-RechnervonIBC Solar.der Heizungstyp, die Kollektorfläche unddie Speichergröße. Die Standardanlagenach Bild 5 wurde im Simulations- undAuslegungsprogramm POLYSUN möglichstgenau abgebildet (Bild 6). Damitwurden ein Passivhaus, ein Niedrigenergiehausund ein älteres Standardhaus undje 4 verschiedene Speichergrößen in Abhängigkeitvon der Kollektorfläche mit 60°C Neigung nach Süden für ein Einfamilienhausin Pforzheim mit 160 m² Wohnflächegerechnet. Als Standort wurdePforzheim gewählt, weil dort ganz in derNähe auch das praktische Anlagenbeispielsteht, das im nächsten Kapitel vorgestelltwird. Bereits mit 10 m² Hochleistungskollektorflächeund 1100 Liter Kombispeicherlassen sich bei Passivhäusern solareDB von 60 % erreichen, bei Standardhäusern(U=0,5) immerhin noch deutlichüber 25 %. Bei dieser relativ kleinen Kollektorflächelässt sich mit größeren Speichernpraktisch überhaupt kein Mehrertragerzielen. Erst mit wachsenden Kollektorflächenbringen größere Speicherauch größere Jahreserträge. Dabei wächstder solare Deckungsgrad prozentual vielschneller mit der Kollektorfläche als mitder Speichergröße. Eine Vervierfachungder Fläche bringt beim Passivhaus zwischen33 % (1100 Liter) und 50 % (8800Liter) an Mehrertrag, ein Verachtfachendes Speichers dagegen nur zwischen 2 %(10 m²) und 15 % (40 m²). Aber bereitsmit 20 m² Kollektorfläche sind solare Deckungsgradevon 50 % auch bei Niedrigenergiehäusernerreichbar und mit 30 m³sogar bei Standardhäusern ab ca. 4000 LiterSpeichergröße. Die Ergebnisse hängenauch stark vom Standort ab (Bild 7).4. Hinweise zur AuslegungEine Vergrößerung der Kollektorflächeist wesentlich effektiver als eine Vergrößerungdes Speichers, wie Abb. 6 zeigt.Wenn mit Biomasse nachgeheizt wird,darf der Speicher auch viel größer sein,mindestens 50 Liter zusätzlich pro KilowattKesselleistung oder noch mehr,wenn man im Jahr komfortabel möglichstselten heizen möchte. Um die Wärmejedoch über mehr als 2 - 3 Tage zuspeichern, bedarf es exzellenter und damittendenziell teurer Speichersysteme▶ Bild 5 • Solaranlage mitKombispeicher Aqua EXPRES-SO zur Warmwasserbereitungund Raumheizung als typischerStandard für Ein- undZweifamilienhäuser.52 SANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/2013

und viel freien Platzes. Weil relativ kleineSpeicher in dieser Zeit aber sehr viel ihrergespeicherten Energie wieder verlieren,sind der Speichereffizienz und -dauerGrenzen gesetzt. Mehr als 150 LiterSolarspeicherinhalt pro QuadratmeterKollektorfläche sind nicht ratsam. MitGlykol gefüllte Heizsysteme brauchengrundsätzlich viel größere Speicher,denn dort arbeiten die Speicher im Sommerals Überhitzungsschutz, sind o zusätzlichmit elektrisch betriebenen Notkühlernausgestattet oder müssen monatelangTag und Nacht mit Vollast dieSolarpumpe laufen lassen. Die Solaranlagekann vom technischen Standpunktaus beliebig groß sein. Für „normalesWohnen“ mit Warmwasserbereitungund Heizung sind aus wirtschalicherSicht jedoch mindestens 30 Liter Speicherinhaltpro Quadratmeter Kollektorflächezu empfehlen, denn sonst wachsenmit zunehmender Fläche die Kostenviel schneller als der Energiegewinn.Wenn genügend Platz vorhanden ist,sind größere Speicher willkommen.Zum Heizen in der Übergangszeit undim Winter sind 60 - 75 Grad Kollektorneigungund Südausrichtung optimalaber nicht Bedingung, denn das Systemist tolerant. Zwischen 40 und 90 GradNeigung bei Südost- bis Südwestausrichtungist alles möglich. In schneereicherGegend sind mindestens 60 Grad Neigungund Freiheit für abrutschendenSchnee notwendig. Auch reine Fassadenanwendungenmit 90 Grad Neigungsind sehr vernünige Lösungen für hohesolare Deckungsgrade. Beim FrischwasserspeicherAqua EXPRESSO kann dieSolarwärme auch bei kaltem Speicherbereits nach wenigen Minuten Sonnenscheinmit hoher Temperatur wieder genutztwerden, was bei manch anderenKombispeichern sonst viele Stundendauern kann.5 Ein nicht alltägliches BeispielDas Haus in Bild 8 in Dietlingen beiPforzheim ist kein neues, aber ein futuristischesmit langer Betriebserfahrung.Bereits 1994 gewann es den EuropäischenSolarpreis. Das Gesamtkonzeptberuht auf der Minimierung der Gebäudeoberflächebei gleichzeitiger Optimierungder Solarapertur und Größe. Dieswird durch einen kreissegmentförmigenGrundriss mit 212° erreicht, dessen Bogennach Süden weist, während die geradefensterlose Nordseite noch etwa zurHäle in der Erde verschwindet. Durchspezielle 3-Scheiben-Holz-Aluminium-▲ Bild 6 • Solarer Deckungsgrad (oder Primärenergieeinsparung) für ein Passivhaus,ein Niedrigenergiehaus und ein älteres Standardhaus für 4 verschiedeneSpeichergrößen in Abhängigkeit von der CPC-VRK-Kollektorfläche▲ Bild 7 • Solarer Deckungsgrad (oder Primärenergieeinsparung) für ein Passivhausmit 1100 Liter Kombispeicher Aqua EXPRESSO und 20 m² CPC-VRK-Bruttokollektorfläche für verschiedene StandorteVerbundfenster mit integrierter Jalousie(U-Wert 1,1 W/m²K) kann der Lichteinfallstufenlos geregelt und die Atmosphärevon introvertiert bis extrovertiertverändert werden. Die opaken, gedämmtenFlächen besitzen einen U-Wert von ca. 0,2 W/m²K. 90 m² transparenteWärmedämmung (TWD) bildetdie Hauptheizung. Über eine kontrollierteBe- und Entlüung mit Wärmerückgewinnung(Rückwärmzahl über80 %) sowie einige wenige Heizkörperkann den Wohnräumen eine Wärmeleistungvon max. 20 W/m² zugeführtwerden. Die Wärme für diese Zusatzheizungwird von 24 m² CPC-VRK undvon einem 10 -kW -Brennwertkessel zurVerfügung gestellt.Den 24 m² CPC-VRK steht nur ein 840-Liter-Aqua-EXPRESSO-Speicher zurVerfügung. Die 2011 gemessenen 5500kWh/a Solarertrag entsprechen bei nur35 Litern Speicher pro m² Kollektorflächeimmerhin noch 250 kWh pro m²Apertur, obwohl die Anlage im Beobachtungsjahr772 Stunden in thermischerStagnation war.Das Bild 9 zeigt deutlich, dass der Dezemberund der Januar ohne Gas (grün)einfach nicht auskommen, dass aberauch nur diese beiden Monate ohnethermischen Stillstand (rot) sind. Ansonstenliefert die Solaranlage (gelb) nahezudie gesamte Wärme. Eine deutlicheVergrößerung des Speichers könntenoch den geringen Gasverbrauch imMärz und im November eliminieren, amDezember- und Januarergebnis ändertedas aber wenig.6. ZusammenfassungSeit 2010 wurden über 750 EFH ähnlichSANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/201353

◀ Bild 8 • Solarhaus Abrecht mit356 m² Nutzfläche, 24 m² CPC-VRKmit 840-l-Kombispeicher erzielentrotz 772 Stunden in Stagnation5500 kWh/Jahr bzw. 55 % solarenDeckungsbeitrag.SOLARTECHNIKWasser als Wärmeträger am einfachsten,ertragreichsten, ökologischsten undgünstigsten möglich ist. Was ist an diesemSystem nun besser? Nur die Kollektoren?Sie bringen bei dieser „Niedertemperatur“-Anwendung„nur“ zwischen10 und 20 % mehr solaren Deckungsbeitragals gute Flachkollektoren.Das klingt nicht spektakulär. Man kannes aber auch anders formulieren: Ummit anderen Kollektoren zu den gleichenDeckungsbeitrag zu kommen, brauchtman bei den gleichen, kleinen Speichergrößendie doppelte bis vierfache Kollektorfläche/4/. Oder ist vor allem derMinimalismus ein Vorteil - kleine Speicher,keine Solar-WT, kein Glykol, …?Auch das ist nicht entscheidend. DerSchlüssel-Systemvorteil ist die Stagnationssicherheit.Denn nur in völlig stagnationssicherenSolaranlagen sind nahezubeliebig kleine Speicher und nahezubeliebig große Kollektorflächen überhauptmöglich. Und zusätzlich muss betontwerden, dass das System auch nochbei Stromausfall völlig stagnationssicherist. Man darf sich getrost fragen, woraufdie deutschen Fördergrenzen (BAFA bis40 m²: 50 Liter Speicher pro m² Kollektorfläche,BAFA-Effizienzbonus ab 40m²: 100 L/m² und BAFA-Speicherbonusab 40 m² und 10 m³: 250 L/m²) eigentlichabzielen, sollte sich bei der Auslegungeiner ertragsorientierten Solaranlageaber nicht davon beirren lassen.▲ Bild 9 • Gasverbrauch,Solarertragundthermische Stagnationder Solaranlagefürdas SolarhausAbrecht imMessjahr 2011ausgestattet wie das Solarhaus Abrecht.Niemand kann sagen, bei wie vielen dieSonne die Häle oder noch viel mehrbeisteuert, aber mehr als 25 % tragenwohl alle diese Anlagen zur Primärenergieeinsparungbei. Doch jede achte davonblieb wegen zu kleiner Speicher vermutlichohne BAFA-Förderung. Wasfürs EFH gut ist, funktioniert umso besserbeim MFH, in Hotels, Wohnheimenusw. Dabei kommen immer wieder dieselbenKomponenten, Verfahren undPrinzipien zum Einsatz: CPC-VRK, neuerdingsmit Plasma-Beschichtung, derWärmeträger Wasser und spezielleKombispeicher Aqua EXPRESSO, dieauch die Stagnationswärme der Solaranlagenutzen, manchmal auch mit Heizungspuffernzur Speicherkaskade ergänzt.Simulationen und Praxiserfahrungenzeigen, dass effizientes solaresHeizen mit Vakuumkollektoren undLiteratur/1/ R. Meißner, CPC-Vakuumröhren-Kollektoranlagen für Prozesswärme bis160°C, Erneuerbare Energien Austria,4-2012, S.16/2/ Internetseite http://www.ibcsolar.de/?id=1771/3/ B. Lernout, R. Meißner, Aqua EX-PRESSO: Neues Frischwassersystem –ein Meilenstein in Energieeffizienz undWarmwasserkomfort, FEE HeizungsjournalSpezial, 10/2009/4/ H. Drück, H. Müller-Steinhagen: InnovativeSpeicherkonzepte für Kombianlagenmit hohen solaren Deckungsanteilen,Tagungsband SolarthermischesSymposium Staffelstein 200354 SANITÄR+HEIZUNGSTECHNIK 4/2013