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Solare Warmwasserbereitung

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Definition: die Bereitung von Warmwasser mit Hilfe von Sonnenenergie

Englisch: solar hot water generation

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 15.06.2015

Sonnenenergie ist gut zur Bereitung von Warmwasser geeignet. Hierfür wird ein Sonnenkollektor (oder häufig eine Gruppe von mehreren Kollektoren) an ein Zirkulationssystem für die Solarflüssigkeit mit einer kleinen Umwälzpumpe und einem Warmwasserspeicher (Solarspeicher) angeschlossen. Mit Hilfe von mindestens zwei Temperaturfühlern und einer kleinen Elektronik wird die Umwälzpumpe eingeschaltet, solange die Temperatur im Kollektor hoch genug ist, so dass Wärme an den Speicher abgegeben werden kann. Die umgewälzte Solarflüssigkeit durchläuft im Speicher einen Wärmeübertrager, der sie vom zu erwärmenden Trinkwasser getrennt hält.

Wenn der Speicher oberhalb der Kollektoren montiert werden kann, ist manchmal ein einfaches Schwerkraftsystem realisierbar: Auch ohne eine Umwälzpumpe zirkuliert das Wasser allein aufgrund der Temperaturunterschiede, sobald der Kollektor erwärmt wird. Eine solche Thermosiphonanlage bringt jedoch einige Nachteile mit sich, insbesondere die Gefährdung durch Frost.

Bei den Sonnenkollektoren handelt es sich häufig um Flachkollektoren, manchmal auch um Vakuum-Röhrenkollektoren. Der Artikel über Sonnenkollektoren beschreibt noch weitere Typen, einschließlich den Speicherkollektoren als eine simple Lösung mit gewissen Einschränkungen.

Dimensionierung der Anlage; Zusatzerwärmung im Winter

Meist werden Sonnenkollektoranlagen für die reine Warmwasserbereitung mit 1,5 bis 2 m2 Kollektorfläche pro Person im Haushalt gebaut. Sie sind damit so dimensioniert, dass sie an sonnigen Sommertagen etwas mehr Wärme erzeugen, als benötigt wird. Überschüssige Wärme verpufft dann entweder am Kollektor oder wird manchmal auch über eine Erdwärmesonde einer Wärmepumpenheizung abgeführt. Insgesamt wird im Sommer der Großteil des Warmwasserbedarfs von der Kollektoranlage gedeckt. Im Winter genügt die Wärmeerzeugung aber häufig nicht, da die Sonneneinstrahlung abnimmt, die Wärmeverluste des Kollektors zunehmen und der Wärmebedarf für das Warmwasser aufgrund des kälteren Leitungswassers etwas zunimmt. Deswegen wird dann zusätzliche Wärme von der Heizungsanlage benötigt, die z. B. über einen zweiten Wärmeübertrager an den Speicher abgegeben werden kann. Diese Wärme wird häufig im oberen Teil des Speichers zugeführt; der untere Teil bleibt kalt, damit später einsetzende Sonnenstunden genutzt werden können.

Der Solarspeicher wird meist so bemessen, dass er das zwei- bis dreifache des täglichen Warmwasserbedarfs speichern kann. Beispielsweise mag ein Vierpersonenhaushalt täglich 200 Liter Warmwasser benötigen, und der Speicher könnte 400 bis 600 Liter fassen.

Im Sommer spart die Solaranlage nicht nur die Wärme für das Warmwasser, sondern auch die Energieverluste des Heizkessels – was möglich noch mehr ausmacht.

Im Winter kann die benötigte Zusatzwärme häufig relativ effizient gewonnen werden, während der Betrieb z. B. eines Heizkessels im Sommer nur für die Warmwasserversorgung häufig extrem ineffizient ist. Eine Solaranlage spart dann also nicht nur die Wärme des Warmwassers, sondern zusätzlich auch die Bereitschaftsverluste des Heizkessels. Diese können bei älteren Heizkesseln sogar höher sein als die Wärmemengen für die Aufheizung des Wassers. In diesem Fall kann durch die Solaranlage sogar mehr Heizöl eingespart werden, als der Wärmemenge entspricht, die die Kollektoren erzeugen.

Energetisch noch günstiger ist es, den Solarspeicher nicht zusätzlich mit Erdgas zu beheizen, sondern stattdessen das Warmwasser bei Bedarf in einem separaten Durchlauferhitzer z. B. mit Erdgas nachzuheizen. (Es gibt Gas-Brennwertgeräte, die einen solchen Duchlauferhitzer enthalten.) Dann kann das ganze Speichervolumen für die solare Erwärmung genutzt werden, und Speicherverluste treten nur auf, solange Sonnenenergie gespeichert wird. Der einzige Nachteil ist, dass die Leistung des Durchlauferhitzers eine Grenze für die pro Minute verfügbare Warmwassermenge setzen kann. Es können dann z. B. nur maximal zwei Personen gleichzeitig duschen.

Den Restwärmebedarf elektrisch zu decken, ruiniert die Energiebilanz der Solaranlage.

Nicht empfehlenswert ist es, die benötigte Zusatzwärme mit einem Elektroheizstab im Warmwasserspeicher oder mit einem elektrischen Durchlauferhitzer zu erzeugen. Dann leidet nämlich die Energieeffizienz des Gesamtsystems dermaßen unter der niedrigen Effizienz der Elektrowärme, dass ein System z. B. mit einer Brauchwasserwärmepumpe womöglich schon besser wäre – bei gleichzeitig massiv niedrigeren Installationskosten.

Im Jahresmittel deckt die solare Warmwasserbereitung typischerweise etwa die Hälfte des Energiebedarfs für Warmwasser. Der Heizwärmebedarf des Gebäudes kann allerdings bei schlechter Wärmedämmung des Gebäudes weitaus höher sein, so dass insgesamt der Heizöl- oder Erdgasverbrauch womöglich um weniger 10 % abnimmt.

Regelung der Warmwassertemperatur

Im Prinzip könnte eine Solaranlage so betrieben werden, dass die Umwälzpumpe nicht mehr verwendet wird, wenn eine ausreichende hohe Temperatur des Warmwasserspeichers erreicht wird. Die überschüssige Wärme würde dann an den Kollektoren verpuffen. Üblich ist es deswegen, dass der Warmwasserspeicher bei guten Wetterverhältnissen bis auf z. B. 95 °C aufgeheizt werden kann. Das so erwärmte Wasser darf dann aber nicht direkt zu den Zapfstellen gelangen, da man sich damit verbrühen könnte. Es muss durch einen thermostatischen Warmwassermischer mit kaltem Wasser auf die gewünschte Temperatur von z. B. 60 °C gemischt werden. Mit dieser Strategie kann im Speicher wesentlich mehr Wärme für schlechtere Tage gespeichert werden.

Heizungsunterstützung

Lesen Sie auch den Artikel über die solare Heizungsunterstützung.

Viele thermische Solaranlagen dienen außer der Warmwasserbereitung auch der Heizungsunterstützung. Sie arbeiten in der Regel mit einer größeren Kollektorfläche und decken z. B. in einem Niedrigenergiehaus typischerweise rund 20 bis 30 % des gesamten Wärmebedarfs. Während im Sommer praktisch der gesamte Warmwasserbedarf gedeckt wird, dient die Produktion zu anderen Jahreszeiten eher der Heizung, und zwar auf niedrigerem Temperaturniveau, so dass die Ausbeute der Kollektoren verbessert wird.

Es gibt auch Solarheizungen, die einen wesentlich höheren Anteil des Energiebedarfs decken. Dies erfordert allerdings weitergehende Maßnahmen, die der Artikel über Solarheizung erklärt.

Empfehlungen

Am ehesten wirtschaftlich sind nicht zu groß dimensionierte Solaranlagen für Mehrfamilienhäuser. Im Winter kann das Brauchwasser mit Sonnenenergie zumindest vorgewärmt werden; ein Heizkessel oder eine Wärmepumpe übernimmt den restlichen Wärmebedarf. Durch die Versorgung mehrerer Wohnungen werden die Kosten pro Wohnung deutlich geringer. Bei einer allzu großzügigen Auslegung der Anlage kann die Kosteneffizienz leiden; man erzeugt u. U. hauptsächlich größere Wärmeüberschüsse im Sommer, die man nicht nutzen kann, ohne jedoch die Dauer der solaren Vollversorgung erheblich ausdehnen zu können.

Wenn ein größerer Teil des Wärmebedarfs solar gedeckt werden soll, kann eine solare Heizungsunterstützung in Verbindung mit einer vergrößerten Kollektorfläche vorgesehen werden. Gerade wenn die Heizungsanlage ohnehin erneuert werden muss, bietet sich diese Option an.

Als Ergänzung zu einer Heizungswärmepumpe ist eine Solaranlage normalerweise finanziell nicht amortisierbar, da die Wärmepumpe bereits recht effizient und kostengünstig arbeitet. Einen ökologischen Vorteil bringt sie trotzdem.

Auf keinen Fall sollte ein Solarspeicher mit einem Elektroheizstab nachgeheizt werden, da ein solches System eher weniger effizient als eine Brauchwasserwärmepumpe wäre, trotz wesentlich höherer Kosten. Eine Ausnahme kann allenfalls für die gelegentliche stärkere Aufheizung zur Vorbeugung gegen Legionellen gemacht werden.

Kann durch eine andere Investition vielleicht mehr Energie gespart werden?

Bevor eine Solaranlage installiert wird, sollte geprüft werden, ob andere Maßnahmen nicht sinnvoller wären, d. h. mehr Energieeinsparung für weniger Geld bewirken. Hierbei sollte man sich nicht nur auf alternative Möglichkeiten für die Warmwasserbereitung konzentrieren, wie z. B. eine Brauchwasserwärmepumpe; es gibt auch andere Optionen wie z. B. eine verbesserte Wärmedämmung des Gebäudes, evtl. auch nur den Ersatz alter Fenster. Es kann jedoch vorkommen, dass staatliche Förderangebote den Einbau einer Solaranlage finanziell attraktiver machen, selbst wo andere Lösungen an sich kosteneffizienter wären. Auch die Nutzungspflicht für erneuerbare Energien kann den Ausschlag für die Solaranlage geben.

Wenn eine Solaranlage vorhanden ist, sollte diese möglichst gut genutzt werden, indem auch die Waschmaschine und die Geschirrspülmaschine an die Warmwasserversorgung angeschlossen wird. Allerdings haben nur manche Modelle von Waschmaschinen einen Warmwasseranschluss, während Geschirrspülmaschinen in der Regel problemlos angeschlossen werden können; beim Kauf sollte darauf geachtet werden. Der Vorteil eines Warmwasseranschlusses ist, dass der interne Elektroheizstab kaum mehr gebraucht wird und der Stromverbrauch der Maschine dann sehr viel geringer ausfällt.

Literatur

[1]Solar Toolbox (http://www.solartoolbox.ch/simulation) von Solar Campus zur Simulation des solaren Deckungsgrads von Sonnenkollektoranlagen für die Warmwasserbereitung mit und ohne Heizungsunterstützung
[2]Solarfoerderung.de: Informationen über Solaranlagen und staatliche Fördermöglichkeiten

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Sonnenenergie, Sonnenkollektor, Solarspeicher, Warmwasser, Wärmespeicher, Thermosiphonanlage
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Haustechnik

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