Solarthermie: Direkteinspeisung verbessert Wirtschaftlichkeit

Solarthermie-Jahrbuch-Leser Jochen Leiffer hat mit hydraulischen Komponenten eines Heizungssystems eine Variante der Solarheizung in seinem Haus installiert. Zu den Komponenten gehören Solarthermie-Vakuumflachkollektoren mit Direkteinspeisung in die Fußbodenheizung und Kopplung einer Wärmepumpe an die Kollektoren.

Ab 1979 wurden durchschnittlich 3.500 Kubikmeter Gas pro Jahr für das Münchener Doppelhaus verheizt. Die über Jahre entwickelte Solarheizung mit der auf 20 Quadratmeter erweiterten Kollektorfläche verbrauchte bis 2019 daraufhin durchschnittlich 1.800 Kubikmeter Gas pro Jahr. Mit solartechnischen Praxiswissen wurde die Solarheizung neu konzipiert, so dass der Gasverbrauch auf unter 1.200 Kubikmeter pro Jahr absank.

Ziele:

• Ablösung der experimentell gewachsenen in eine industriell wartbare 20 Quadratmeter Solaranlage.
• Verwendung industriell standardisierte Heizung-Hydraulik.
• Gas-Brennstoff reduziertes Heizen.
• Minimierte Technik zum Optimum.

Den Anlagenneubau mit der Einbindung der bestehenden Solarthermie und den restlichen Bestandskomponenten hat die auf erneuerbare Energien spezialisierte Heizungsbaufirma WWS Haustechnik GmbH aus Marktoberdorf realisiert. Seit 1998 arbeitet die neue Solarheizung ohne Störung. Die Solarheizung besteht aus industriell beziehbaren abgestimmten Komponenten und ist skalierbar. Es kann mit einem kleinen Ausbau begonnen werden, um dann später weitere und neue Wärme-Quellen und -Senken anzuschließen (plug and play). Das solare Heizsystem setzt sich zusammen aus Vakuumflachkollektoren mit angekoppelter Kollektor-Wärmepumpe und Solar-Regelung. Die solaren Komponenten wirken mit den bekannten Heizungskomponenten einheitlich hydraulisch zusammen.

Direkteinspeisung der Solarthermie

Das Kollektorfeld besteht aus zehn Vakuumflachkollektoren zu je 2 Quadratmeter Fläche des Typs TS 400 von der Thermosolar DE GmbH aus Simbach. Die gesamte Solar-Leistung beträgt 14 Kilowatt. Der kostenlose „Brennstoff“ Sonne wird über einen externen Wärmetauscher direkt in die Fußbodenheizung geleitet. Der Überschuss fließt in den Arbeitspuffer und dann weiter in zwei hintereinander geschaltete Solarspeicher mit jeweils 850 Liter Inhalt. Der Arbeitspuffer ist die koordinierende Drehscheibe für die Komponenten des Heizsystems.

Die Vakuum-Isolationstechnik des Flachkollektors unterbindet bei niedrigen Temperaturen die Kondensatbildung im Inneren, was damit erst den direkten Anschluss der Kollektor-Wärmepumpe ermöglicht. Außerdem bleibt die ursprüngliche eingekaufte Leistung über Jahrzehnte erhalten, weil das tägliche „Aus- und Einatmen“ der Kollektoren während des Aufheizens und Abkühlen entfällt. Noch nach Jahrzehnten ist das Innere des Vakuumflachkollektors als staubfreier Reinraum wie zum Installierungszeitpunkt hygienisch sichtbar sauber. Die Flächennutzung des Vakuumflachkollektors ist zudem spezifisch höher gegenüber Vakuumröhren mit ihren Abständen.

An dem Arbeitspuffer sitzt direkt die flachbauende ThermoFresh Box der Herstellers Thermo-Fresh-Heizsysteme, die Solar–Wärmetauscher, Kollektor-Wärmepumpe, Fußbodenheizung mit ihrem Vierwegemischer, Trinkwassererwärmung mit einem externen Wärmetauscher, Gas-Brennwertgerät und Solarspeicher hydraulisch verschaltet. Mittels des Vierwegemischers mit seinen zwei Zugängen „Oben und Mitte“ zum Arbeitsspeicher wird dieser thermisch optimal geleert.

Temperaturabhängige Beladung des Arbeitspuffers und der Speicher

In die mittlere Zone des Arbeitspuffers wird die Wärme aus den Kollektoren und die Wärme der Kollektor-Wärmepumpe eingespeist, wobei mit einem variablen Volumenstrom von 2 bis 6 Liter pro Minute bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 Meter pro Sekunde stabil im Arbeitspuffer geschichtet wird. Der Vierwege-Mischer der Fußbodenheizung saugt zunächst aus der mittleren Zone und dreht bei temperaturerschöpfter mittlerer Zone zur oberen Zone.

Beide Solarspeicher werden temperaturabhängig beladen: Die beiden Solarspeicher werden seriell zugeschaltet, sobald diese jeweils mit mehr als 38 Grad Celsius geladen werden können und werden nacheinander bis 33 Grad Celsius entladen. Im Winterbetrieb ist erfahrungsgemäß nur der erste Speicher in Betrieb, ab den Übergangszeiten beide Speicher. Das Zu- und Abschalten erfolgt einfach direkt am jeweiligen Speichereinlass mit einem hydraulischen Thermostat mit weiter Hysterese und einem Dreiwegeventil. Mit dem Abschalten beheizen die Speicher nicht den Keller.

Kollektor-Wärmepumpe mit Direkteinspeisung

Sobald die Temperatur zwischen Kollektorfeld und zurückfließenden Heizungswasser eine eingestellte Differenz unterschreitet, also keine Direkteinspeisung der Solarthermie in die Fußbodenheizung und Arbeitspuffer mehr möglich ist, greift die Kollektor-Wärmepumpe die Kollektorrestwärme als ideale Wärmevorlage ab. Dadurch erreicht sie einen COP von mehr als 5. Die Kollektor-Wärmepumpe entnimmt dem Hausnetz 600 Watt, speist auch die Wärme direkt in die Fußbodenheizung und den Überschuss mittig in den Arbeitspuffer ein. Die Einspeiseleistung ist zwischen 2,8 und 3,2 Kilowatt gemessen und genügt für 140 Quadratmeter Fußbodenheizung in den Übergangszeiten.

Ab 85 Grad Celsisus Kollektortemperatur leitet die Kühlkreispumpe anstelle der Solarkreispumpe die ankommende Solarflüssigkeit in einen Kühlkreis an der Hausnordwand. Denn mit 85 Grad Celsisus Abschalttemperatur sind der 850 Liter fassende Arbeitspuffer und beide 850-Liter-Speicher im Mittel auf 70 Grad Celsisus im Hochsommer bereits ausreichend temperiert. Die Anlage wird dadurch zugunsten der Lebensdauer thermisch nicht belastet.

Regelung mit Wettervorhersage

Die „eco manager-touch Regelzentrale“ des Herstellers Solarfocus, schaltet den Gas-Brennwertkessel zu, sobald die obere Zone des Arbeitspuffers mit 55 Grad Celsisus unterschritten wird. Diese Zone dient vorrangig der Frischwassererwärmung. Eine Wettervorhersage variiert das obere Zonenvolumen abhängig von der Solareinstrahlung.

Das System setzt sich aus zwei unabhängig arbeitenden, interaktiv wirkenden Regelungen zusammen: Regelung Solarthermie und Regelung Heizung, die interaktiv durch die Thermie des Arbeitspuffers synchronisiert sind.

• Die Regelung Solarthermie von Thermosolar ist räumlich in der Kollektor-Wärmepumpe untergebracht, (a) zum Ansteuern der Kollektorpumpen, (b) zum solaren Beladen des Solespeichers in der Kollektor-Wärmepumpe, (c) zum direkten Einspeisen in die Fußbodenheizung und (d) zum Einspeisen des solaren Überschusses in den Arbeitspuffer.
• Die „eco manager-touch Regelzentrale“ regelt anhand der Heizkurve den Vierwegemischer, also die Fußbodenheizung und das Ein-/Ausschalten des Gas-Brennwertkessels. Unterschreitet die mittlere Puffer-Zonentemperatur die Temperaturanforderung der Fußbodenheizung, dreht der Vierwegemischer auf Entnahme im Puffer oben. Die neuartige Nutzung des unteren Pufferteil verbessert den Puffer-Wirkungsgrad.
• Die hygienische Frischwassererwärmung mit externem Wärmetauscher regelt sich sofort mit dem hydraulischen Proportionalregler.

Wirtschaftlichkeit

Obwohl diese Anlage mit der Direkteinspeisung der Solarthermie vorrangig auf technische Wirkmächtigkeit fokussiert ist, ist ökonomische Wirksamkeit nicht abzustreiten. Die Investition belief sich auf 45.000 Euro. In diesen Kosten sind Gasbrennwert-Gerät, Systemsteuerungen, Frischwasserstation, Speicher und Installationsmaterial sowie Arbeitskosten enthalten. Die 15 Jahre alten Vakuumflachkollektoren waren bereits vorhanden und gehen in die Kalkulation nicht mit ein. Nach Abzug der Förderung ergaben sich Kosten von 29.000 Euro, damit 14.500 Euro mehr als eine „herkömmlichen Heizung“ mit Gasbrennwert-Gerät und Warmwasserboiler. Die Mehrkosten von 14.500 Euro erzeugen Gaskosteneinsparungen. Die Gaskosteneinsparungen beliefen sich im Jahr 2019 auf 1.145 Euro und im Jahr 2020 auf 1.330 Euro. Die Verzinsung der Solarthermie, Gaskosteneinsparungen gegen Mehrkosten, erreicht maximal 11 %.

Solarthermie als „Sozialthermie“ erwirtschaftet als Grüne Technik hohe Zinsen, trägt zum Vermögenserhalt bei, verringert Klima-Schadstoff CO₂, die staatliche Bürokratie greift nicht in die Privatsphäre ein und all dies im Gegensatz zur „Solarvoltaik“ mit dem Ziel des Gelderwerbs.

Jochen Leiffer

Der Autor beschäftigt sich seit 40 Jahren mit Solarthermie. In München ist er im Rahmen der Bürger Agenda 2030 tätig und hält Vorträge zum Stand der Solarthermie-Technik.