Die ewige Streitfrage der erforderlichen Speichergröße |
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Grundsätzlich kann eine Solaranlage bei uns in Mitteleuropa so ausgelegt werden, dass der Wärmebedarf eines ganzen Jahres gedeckt wird. Allerdings fallen dafür sehr hohe Investitionskosten für die Kollektoren und den Wärmespeicher an. Interessant sind deshalb auch niedrigere solare Deckungsraten. Im Abschnitt "Niedrig-Energie-Haus" wurde gezeigt, dass nach der heutigen Wärmeschutzverordnung 75 % der Wärme für die Heizung und nur 25 % auf die Bereitung von Warmwasser entfallen. Die Einbeziehung der Heizung ist deshalb besonders lukrativ. So wollen wir mit einer Solaranlage nicht nur Warmwasser erzeugen, sondern auch in der Übergangszeit und im Sommer die Heizwärme an kälteren Tagen bereitstellen. In dieser Zeit soll die Heizung - bis auf wenige Ausnahmen - ausgeschaltet bleiben. Bleibt nur noch zu klären welche Größen für den Solarkollektor und den Speicher in unserem Klima sinnvoll sind. Zur möglichen solaren Deckung des Wärmebedarfs in der Schweiz hat Herr Josef Jenni Untersuchungen vorgenommen und diese in seinem Buch "Sonnenenergieanlagen" (ISBN 3-906558-03-7) veröffentlicht. Daraus geht hervor wie groß Wärmespeicher und Solarfläche für eine bestimmte solare Deckungsrate sein müssen. Seine Werte für ein Haus in Kloten, mit einer Wärmeleistung von 5 kW, habe ich in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Diese Werte können zur groben Abschätzung auch für unsere Verhältnisse herangezogen werden. |
| Speichergröße | Solarkollektorfläche | ||
| 20 qm | 40 qm | 80 qm | |
| 5 cbm | 52,0 % | 65,5 % | 81,7 % |
| 10 cbm | 54,0 % | 68,9 % | 86,3 % |
| 20 cbm | 58,3 % | 75,1 % | 100 % |
| 50 cbm | 74,0 % | 90,2 % | 122 % |
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Da eine hohe solare Deckungsrate recht hohe Investitionen erfordert, scheint es sinnvoll hier einen Kompromiss einzugehen. Eine Vergrößerung vom Wärmespeicher verursacht dabei allgemein höhere Kosten, als eine Vergrößerung der Solarfläche. In den meisten Fällen wird man sich deshalb mit einer niedrigeren solaren Deckungsrate zufrieden geben. Wenn alle Häuser eine bessere Wärmedämmung erhielten und die Sonne zu 50 % bei der Wärmeversorgung einbezogen würde, dann wäre sehr viel erreicht ! |
| solare Deckungsrate bei 5 kW Leistung |
Speichervolumen | Solarfläche |
| 100 % | 20 cbm | 80 qm |
| 75 % | 10 cbm | 60 qm |
| 50 % | 5 cbm | 20 qm |
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Die Sonne sendet im Abstand der Erde eine Energie von 1.370 W/qm, das ist die sogenannte Solarkonstante. Davon treffen bei klarem Himmel etwa 1.000 W auf einen Quadratmeter Erdoberfläche. An einem "sonnigen Normaltag", den wir mit 800 W/qm Sonnenstrahlung und 6 Stunden Sonnenschein definieren, empfangen 12 qm Solarflachkollektoren 57,6 kWh Energie. Mit einem angenommenen Wirkungsgrad von 50 % können 28,8 kWh in einen Speicher geladen werden. Während einer 6 tägigen Schönwetterperiode sind das insgesamt rund 173 kWh. Allerdings muss man einen täglichen Verlust durch Abkühlung von etwa 1° bis 2° berücksichtigen. Mit dieser Wärme können 3.000 Liter Wasser von 25° auf etwa 65° erwärmt werden. Folgende Zahlen können Sie zur Kontrolle heranziehen: Sollen 1.000 Liter Wasser um ein Grad erwärmt werden, so sind 1,16 kWh erforderlich. Bei einer Erwärmung von 3.000 Litern um 40° sind also 1,16 mal 3 mal 40 rund 139 kWh notwendig. Für den täglichen Verlust von etwa 1,5° an die Umgebung muss man 5,22 kWh ansetzen. In 6 Tagen sind das rund 31 kWh. Die Energie zur Erwärmung und der zwischenzeitliche Verlust ergeben 170 kWh. Diese werden durch den oben errechneten Gewinn in 6 Tagen abgedeckt und 139 kWh stehen für ein paar kühlere Tage als Heizwärme zur Verfügung. Die Frage lautet nun: Wie viele Tage kann man damit die erforderliche Heizwärme decken ? Ein gut gedämmtes Haus mit 150 qm beheizter Wohnfläche und jährlich 50 kWh/qm, benötigt eine maximale Heizleistung von 5 kW. Diese ergibt sich aus 150 qm mal 50 kWh/qm = 7.500 kWh Jahresheizbedarf, dividiert durch 1.500 Vollbetriebsstunden als Faustformel = 5 kW. Diese Heizleistung gilt für die niedrigste Außentemperatur von -15° mit der maximalen Differenz von 35° zu +20° innen. Wollen wir einige kühlere Tage mit 13° Tagesdurchschnittstemperatur überbrücken, so benötigen wir 20 % der maximalen Heizleistung, weil hier die Temperaturdifferenz nur 7° beträgt. Es werden also 1 kW (20 % von 5 kW) mal 24 Stunden = 24 kWh zuzüglich 5,22 kWh Wärmeverlust täglich benötigt. Der oben berechnete Wärmevorrat beträgt 139 kWh und dieser reicht gerade für 5 Tage für die Versorgung mit Heizwärme (29,22 kWh mal 5 = 146 kWh). Ein Haus nach der Wärmeschutzverordnung von 1995 WSchVo'95 (Wärmeverbrauch bis 100 kWh/qm) würde damit höchstens 2 1/2 Tage auskommen. Also sind 3.000 Liter Speichergröße durchaus sinnvoll und wesentlich kleinere Speicher ohne die erhoffte Wirkung. |
Nachtrag: Die "gültige Verordnung" ist hier die WSchVo'95 !
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Der Verbrauch von Warmwasser wird bei 4 Personen mit 200 Litern pro Tag angesetzt. Um diese von 10° auf 50° zu erwärmen sind 9,3 kWh erforderlich. Ein Speicher, der mit 1.500 Litern Wasser auf 65° erwärmt ist, wird bei der Entnahme von 11,9 kWh (9,3 kWh für Warmwasser und 2,6 kWh für den Wärmeverlust) täglich rund 6,5° abgekühlt (1,16 mal 1,5 mal 6,5° = 11,3 kWh). Aus dem 65° warmen Wasser im Speicher kann am 1. Tag Warmwasser mit 60° erzeugt werden (durch den Wärmetauscher eine um 5° niedrigere Temperatur). Am 2. Tag hat der Speicher durch Entnahme und Verlust eine 6,5° niedrigere Temperatur, also noch 58,5°, und erzeugt Warmwasser mit 53,5°. Am 3. Tag sind es noch 52° die Warmwasser mit 47° erzeugen und am 4.Tag noch 45,5° die nur noch Warmwasser mit 40,5° erzeugen. Letzteres ist in seiner Temperatur für die Versorgung mit Warmwasser zu niedrig. |
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Für die Überbrückung von 5 bis 6 kühleren Tagen brauchen wir also 1.500 Liter für die Erzeugung von Warmwasser und zusätzlich 3.000 Liter für die Heizung. Um den Aufwand in Grenzen zu halten bauen wir deshalb einen gemeinsamen Speicher für Warmwasser und Heizwasser von etwa 5.000 Litern Inhalt. Der Speicher ist im Inneren unterteilt und das Wasser darin dient lediglich als Speichermedium. Hiermit kann je nach geografischer Lage des Gebäudes eine gut 50 %-ige solare Deckung erreicht werden |
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Ing. Büro Heizen mit der Sonne Patente: DE 44 05 991, DE 101 64 102, DE 195 16 837, DE 196 45 801 |