Die solare Einbindung der Heizung = die Solarheizung !

Das System im Überblick

Wollen wir Energie sparen und unsere Finanzen entlasten, dann müssen wir die Sonne durch eine größere Solarfläche, als dieses heute üblich ist, in die häusliche Wärmeversorgung einbinden. Um kurzfristige Schlechtwetterperioden im Sommer und in der Übergangszeit zu überbrücken ist natürlich auch ein größerer Wärmespeicher erforderlich. Zusätzlich entlasten wir noch unser Klima durch eine CO2-Einsparung.

Damit eine Anlage aber noch finanzierbar bleibt und ihre Amortisation über die Einsparung bei den Betriebskosten möglichst 10 Jahre nicht übersteigt, wird eine solare Deckung von 50% im Jahr mit der Solaranlage alleine angestrebt. Bei einem Neubau könnte man eine höhere Deckungsrate verwirklichen, doch beim Gebäudebestand sind hier aufwandsbedingte Grenzen gesetzt. Vielleicht wollen Sie aber nur eine bestehende Anlage mit einer Solaranlage ergänzen.

Den restlichen Wärmebedarf - mit einer Solaranlage ist es hauptsächlich der Bedarf in den längeren Kälteperioden des Winters - deckt eine etwas veränderte Wärmepumpe. Als Wärmequelle dient das bei uns überall verfügbare Wasser in einer sich außerhalb des Gebäudes befindenden Zisterne. Die Wärmepumpe kühlt dieses beispielsweise um 5° ab und erwärmt das Wasser für den Wärmespeicher um 10° bei einem kleineren Volumenstrom. Damit die Zisterne nicht allzu groß gewählt werden muss, wird auch die sehr hohe Latentwärme des Wassers beim Erstarren zu Eis genutzt.

Selbstverständlich lässt sich unsere Wärmepumpe auch ohne Solaranlage betreiben - wie jede andere Wärmepumpe auch. Falls aber keine Solaranlage vorgesehen ist, muss das entstehende Eis durch Regenwasser oder einen einfachen Absorber auf dem Dach des Gartenhäuschens geschmolzen werden.

Hier wird neben der erzielbar hohen Wärme durch den Solarkollektor auch Wärme mit niedrigerer Temperatur sinnvoll genutzt - worauf die meisten Systeme verzichten. Diese wird in der Zisterne zwischengespeichert und bei fehlender Solarwärme durch die Wärmepumpe genutzt. Der Solarkollektor hat dadurch einen ganz wesentlich größeren Nutzen. Durch die Trennung von Eis und Wasser, mittels einer Aufteilung in Kaverne und Zisterne, wird dieser Nutzen noch erheblich vergrößert.

Ein "mittleres" Niedrig-Energie-Haus (50 kWh/qm) mit 150 qm Wohnfläche verbraucht im Winter etwa 6.200 kWh Wärme. Das ist gut die Hälfte des Jahreswärmebedarfs. Mit einem 16 qm großen Solarkollektor und einem Wärmespeicher mit 4.000 Litern Wasser - sinnvoll sind durchaus auch 20 qm bis 24 qm und 5.000 Liter Wärmespeicher - wird die andere Hälfte gedeckt und das Wasser der Zisterne durch die überschüssige Solarwärme im Sommer auf 25 bis 30 °C erwärmt. Mit der Umwandlung in Eis (93 kWh pro cbm Wasser) stehen so zusammen 118 kWh pro cbm Wasser zur Verfügung.

Die Wärmepumpe benötigt etwa 1/4 elektrischen Strom und 3/4 Energie aus der Zisterne. Dafür werden 48 cbm Wasser in Eis umgewandelt (das Eis-Volumen ist etwa 15% größer als das Wasservolumen). Allerdings wird zwischenzeitlich etwa die Hälfte des Eises durch Erd- und Solarwärme wieder geschmolzen. Bei einem maximalen Eisanteil von 50% reichen deshalb rund 50 cbm Wasser in der Zisterne aus. Das zeigen auch die Erfahrungen mit den bisher erstellten Anlagen.

Die folgende Tabelle wurde im März 2007 angepasst:

Energiebedarf	Gesamtenergie	Sommer März - Oktober	Winter November - Februar
Heizung 150 qm x 50 kWh/qm	7.500 kWh p.a.	1/3 = 2.500 kWh	2/3 = 5.000 kWh
Warmwasser monatlich 300 kWh	3.600 kWh p.a.	2/3 = 2.400 kWh	1/3 = 1.200 kWh
Summe	11.100 kWh p.a.	= 4.900 kWh	= 6.200 kWh
		Solaranlage	Wärmepumpe
Deckung	Sommer 80% solar Sommer 20% WP Winter 90% WP Winter 10% solar	= 3.920 kWh = 620 kWh	= 980 kWh = 5580 kWh
Summe	11.100 kWh p.a.	= 4.540 kWh	= 6.560 kWh

Verbrauch / Kosten	Wärmepumpe	Wasserpumpen	Gesamtstrom
elektrischer Strom	1/4 von 6.560 kWh = 1.640 kWh p.a.	+ 500 kWh p.a.	= 2.140 kWh
Tarif = 0,12 Euro/kWh	Nacht- bzw. Nieder-Tarif		= 257 Euro p.a.

Wasser-Eis-Speicher	Zisterne	Eisvolumen	Wasservolumen
Energieentnahme bzw. Eis-Volumen	3/4 von 6.560 kWh = 4.920 kWh p.a. (Rest = elektr. Strom)	4.920 kWh : 118 kWh/cbm x 1,15 = 48 cbm	50 % Eis schmilzt zwischendurch d.h. 50 cbm reichen aus.

Eine Öl-Brennwertheizung verbraucht bei 90% Wirkungsgrad für das Beispiel der Tabelle 12.333 kWh Primärenergie (1.233 Litern Öl). Das ist fast die doppelte Primärenergie (elektrischer Strom 2.140 kWh x 3 = 6.420 kWh wg. Kraftwerk) und kostet bei 0,60 Euro/Liter für den Brennstoff rund 740 Euro und damit 65% mehr!

Eine einfache Berechnung, nebst einem Vergleich von WSchVo'95 und EnEV sowie einer Öl-Heizung und unserer Solar-Heizung, finden Sie in einer als html-Datei abgespeicherten EXCEL-Tabelle, die in einem separaten Fenster geöffnet wird. Nach dessen Schließung kommen Sie wieder hierher zurück: Berechnungsbeispiel.

Unser saisonaler Energiespeicher benötigt keine Wärmedämmung, das Wasser steht nicht unter Druck und es kann dafür einfaches Regenwasser verwendet werden. Wird das Eis im gleichen Behälter gespeichert, dann sollte dieser etwa das doppelte Volumen des entstehenden Eises haben. Es gibt auch andere Lösungen, bei denen das entstehende Eis an einer anderen Stelle gelagert wird.

Besonders wichtig ist die Umwandlung von Wasser in Eis außerhalb des Speichers. Dadurch wird die Hauptproblematik aller Energiespeicher einfach umgangen: Die Zufuhr und Entnahme von Wärme. Im festen Zustand sind die Materialien schlechte Wärmeleiter und deshalb wird der Transport von Wärme, besonders bei größerem Volumen, in beiden Richtungen behindert. Auch kommt bei unserem Verfahren die Wärmegewinnung durch die Wärmepumpe ohne große Eingriffe in die Natur aus und nutzt sowohl Erd- als auch Sonnenwärme.

Eine Lösung für kleine Solaranlagen, die nur warmes Brauchwasser erzeugen, bieten beispielsweise die Regenzisternen der Firma Wisy. Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Größen von Zisternen. Unsere Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 3,0 kW wird einfach in den Domschacht mit 70 cm Durchmesser eingehängt und versorgt den Wärmespeicher im Haus mit Wärme, wenn die Sonne für ein paar Tage Pause macht. Sie müssen dann nicht gleich die Heizung in Betrieb nehmen. Diese Variante ist auch sehr vorteilhaft für Häuser mit einer Holzheizung, da diese dann im Sommer, in Perioden mit niedrigeren Temperaturen, ausgeschaltet bleibt. Ggf. kann in dieser Zeit auch die Wohnstube mit Wärme versorgt werden.

Wenn die Größe der genannten Zisterne nicht zur Wärmeversorgung ausreicht, können mehrere parallel aufgestellt werden oder es kann das folgende Beispiel diese Aufgabe übernehmen. So haben beispielsweise ein Bodenelement und 3 Betonringe mit 2,5 m Durchmesser und jeweils 0,5 m Höhe ein Volumen von knapp 10 cbm. In dieser Anordnung alleine können etwa 5 cbm Eis erzeugt und gespeichert werden.

Mit einer zusätzlichen unterirdischen Wasser-Kaverne kann die Anlage erweitert werden. Allerdings sind hierfür die äußeren Bedingungen zu berücksichtigen (Bodenverhältnisse, Begeh- oder Befahrbarkeit). Bei 3 m x 4 m Grundfläche und 1,5 m Höhe beträgt das Volumen 18 cbm. Wird entstandenes Eis aus der Betonzisterne entnommen und an anderer Stelle gelagert, ist die Anlage dann auch für einen größeren Wärmebedarf geeignet.

Die Wärmepumpe kann vorteilhaft über der Zisterne in einem Gartenhäuschen aufgestellt werden. Dadurch wird im Keller Platz für andere Dinge geschaffen und alle Anlagenteile bleiben für Inspektionen leicht zugänglich. Außerdem kann das im Winter entstandene Eis gratis zum Kühlen verwendet werden: gekühlte Speisekammer statt eines Kühlschranks, Klimatisieren von Wohn- und Geschäftsräumen, u.a.m.!

Allerdings wird die Wärmepumpe mit elektrischer Energie betrieben. Das ist aber die einzige Stelle, an der künstlich erzeugte Energie hinzugfügt werden muss: Ein Viertel der durch die Wärmepumpe gewonnenen Energie ist elektrisch - bei 50% solarer Deckung sind das nur 1/8 des gesamten Wärmebedarfs! - der Rest ist Sonnen- bzw. Erdwärme. Vorteilhaft ist, dass die Wärmepumpe nur nach Bedarf ergänzend läuft und sich nach individuellem Bedarf einfach regulieren lässt.

An Primärenergie, dem Maßstab der neuen Energie-Einspar-Verordnung, werden weniger als 40% verbraucht - ein beachtlicher Tatbestand! Sie können die restliche Wärme natürlich auch anders erzeugen, beispielsweise umweltneutral durch eine Heizung mit Pellets oder Hackschnitzel.

Öffentlich geförderte Latentspeicher und thermochemische Verfahren:

An der Fachhochschule Lübeck hatte Prof. Dr. Weik bereits in den 80-er Jahren ein "Doppelspeicher-Solarsystem" in einem Solarhaus mit einem 20 cbm Langzeit-Wasserspeicher und 3 cbm Tagesspeicher untersucht, bei dem die Latentwärme im Winter durch eine Wärmepumpe genutzt wurde. Der Wärmeentzug geschah allerdings im Wasser durch gewendelte Kupferrohrschlangen. Hierbei behindert aber das sich an den Kupferrohren absetzende Eis den Wärmeübergang und verschlechterte die Leistungszahl der Wärmepumpe mit zunehmender Eisstärke erheblich. Dieser Punkt ist bei unserem System durch die Trennung von Wasser und Eis behoben - man könnte es analog dazu ein "Dreispeicher-Solarsystem" nennen. Heute führt Prof. Dr. Kreußler das Projekt weiter.

Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart hat vom BMFT geförderte Untersuchungen an einem "Kies-Wasser-Speicher" bzw. "Kies/Wasser-Speicher" (Schreibweise !) gemacht (Forschungsberichte des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins Nr. 47 von 1994). Leider hat aber Kies nur die halbe Wärmespeicherkapazität des Wassers und damit verschenkt man einen sehr großen Teil des Volumens. Die Nutzung von Latentwärme bereitet die gleichen Probleme wie bei der Anordnung in Lübeck. Hier sind Leitungen im Kies zu verlegen an denen das Wasser einfriert und dann zusätzlich noch Dehnungsprobleme schafft. In letzter Zeit hat sich hiermit auch die Technische Universität Chemnitz beschäftigt. Doch die einzige sinnvolle Lösung lautet: "Trennung von Wasser und Eis", wie das bei unserem System verwirklicht wird.

Mit Natriumazetat als Latentspeicher wurde durch die Firma Schneider für DLR (Deutsche Luft- und Raumfahrt) ein Konzept entwickelt. Anfänglich wurde Weißöl als Wärmeträger benutzt, dieses wurde im Jahr 2000 durch einen patentierten Wärmetauscher innerhalb des Speichers ersetzt. Die Schmelztemperatur vom Natriumazetat wird mit 58,5 °C und die Schmelzwärme mit 75 kWh pro cbm angegeben. Für einen Wärmebedarf von 5.000 kWh wird allerdings ein gut wärmegedämmter Speicher mit fast 70 cbm Inhalt benötigt, und dieser ist recht teuer.

Ein thermochemisches Verfahren verwendet Zeolith, das die Heizwärme im Winter durch starke Erhitzung bei der Aufnahme von Wasserdampf liefert und mittels Sonnenwärme im Sommer wieder "getrocknet" wird. Für Zeolith werden knapp 230 kWh pro cbm angegeben und dieser Wert ist immerhin drei Mal größer als beim Natriumazetat. Bei 5.000 kWh Wärmebedarf werden gut 22 cbm Speichervolumen benötigt. Die erforderliche Solarfläche soll dafür etwa 40 qm betragen. Außerdem wird dieser Speicher beim "Austreiben" des Wasserdampfs einem starken Unterdruck ausgesetzt (er muss evakuiert werden), und der Druckspeicher verteuert dieses System ganz wesentlich.

Die beiden letzten Verfahren stellen 100% der benötigten Wärme zur Verfügung, allerdings ist die erforderliche Energie zum Betreiben der Anlagen hierbei nicht berücksichtigt. Weitere detailliertere Informationen darüber finden Sie bei BINE.

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