Benutzer:PoC/Solarheizung

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Der Gedanke der autarken Solarheizung ist sehr verlockend, wirft aber auch viele Fragen auf. Grundlegend geht es um folgendes:

  • Umsetzen und Speichern der im Sommer zu Verfügung stehenden Wärme,
  • Nutzung dieser gespeicherten Wärme zur Raumheizung im Winter.

Der Knackpunkt ist: Diese thermische Solaranlage soll (bis auf die zur Regelung und für Pumpen notwendige elektrische Leistung) energieautark arbeiten und im ersten Schritt lediglich Wärme zur Raumheizung zu Verfügung stellen.

Mehrere Fachleute verneinten die Machbarkeit eines solchen Projektes, mit wenig Beweisen aber vielen Ausreden:

  • Eine solche Wärmemenge ist nicht speicherbar,
  • der Speicher kühlt auch bei bester Isolierung zu schnell aus (Verluste zu groß),
  • die zu Verfügung stehende Dachfläche reicht nicht aus, um den notwendigen Energieertrag umzusetzen.

Übersicht

Beteiligte Komponenten sind:

  • Ein Langzeitwärmespeicher. Dieser ist im Idealfall ein entsprechend großer, zwecks Platzersparnis im Garten grundwasser- und wärmeisolierter Tank.
  • Sonnenkollektoren zur Umsetzung der Sonnenenergie in transportable Wärme, durch Erhitzung eines Mediums.
  • Ein oder mehrere Wärmetauscher im Haus oder den Räumen, welche die gespeicherte Wärme an die Raumluft abgeben.

Berechnungsgrundlagen

Grundlegend muss wie folgt vorgegangen werden:

  • Ermittlung des Wärmebedarfs in der Heizperiode,
  • Ermittlung des zugehörigen Speichervolumens,
  • Ermittlung der notwendigen Kollektorfläche, um das benannte Volumen über den Sommer mit Energie zu beaufschlagen.

Wärmebedarf

In meinem Fall ist das recht einfach zu überschlagen: Heizöl hat einem Heizwert von 10,7 kWh/l. Bei einer angenommenen Restmenge von 120 l über die derzeitige Heizperiode bedeutet das eine Energiemenge von 1284 kWh. Nun arbeitet eine Heizung niemals mit einem Wirkungsgrad von 100 %, beim Kohleofen sind es z. B. 30..50 %. Ich nehme hier mal für meinen Heizungstyp (Mit Verbrennungszulüfter versehener Ölfeuerungseinsatz in Kachelofen) 40 % an. Heißt, die tatsächlich im Haus landende Wärme liegt bei knapp 514 kWh.

Wärmespeicherung

Spezifische Wärmekapazität von Wasser

Auch hier ist immer mit Verlusten zu rechnen, die teilweise schwer bezifferbar sind. Ich beziffere die Verluste in den Rohren als auch durch Wärmetauscher, Wärmeverlust des Tanks, usw. mit vermutlich übertriebenen 50 %. Heißt, ich müßte eine Wärmemenge von gerundet 1030 kWh speichern.

Lt. Ralf sind Tankverluste von 0,5 W/qm realistisch, wobei hier die Info über das Temperaturgefälle fehlt.

Wasser besitzt eine (temperaturabhängige) Wärmespeicherkapazität von im Schnitt 4,193 kJ pro kg und Kelvin (bei einem berücksichtigten Temperaturbereich von 40..100 °C). Eine Kilowattsekunde entspricht einem Kilojoule.

Mit sinkender Temperatur sinkt auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers, als unteres Limit setze ich hier mal 40 °C. Wenn ich das Wasser auf 95 °C erhitze, habe ich also pro kg Wasser eine Wärmekapazität von 230,615 kWs/kg. Um also 1030 kWh Wärme zu speichern, benötige ich also rund 16.100 kg Wasser, eine erstaunlich geringe Menge, was wahrscheinlich in einer optimistischen Verlustrechnung der beteiligten Komponenten zu suchen ist.

Um auf der sicheren Seite zu sein, würde ich diese Menge verdreifachen. Die Frage ist hier, wie sehr die alles andere als lineare Wärmekapazität des Wassers sich bemerkbar macht. Ich neige dazu, diese zu vernachlässigen, da sie gerade mal eine Schwankungsbreite von ca. 40 Joule/kg/K besitzt, also ca. 1 % des Absolutwertes.

Pro Kubikmeter Wasser bei ca. 70-75 °C kann man 20 kWh Leistung speichern. Ist ein Praxiswert aus der BHKW Technik, sagt Ralf, leider fehlt hier die Angabe der Temperaturdifferenz für eine sinnvolle Verwertung dieser Angabe.

Wärmeeintrag

Verlustkurven

Der Wärmeeintrag der Sonnenkollektoren ist von der Ausrichtung (hier: West), der absoluten Position und damit dem Einstrahlungswinkel und der Tageslänge, als auch vom Wetter abhängig. Der Wirkungsgrad liegt bei < 85 %.

Die Sonne hat mächtig Mampf, Sommers bis zu 1 kW/qm. Bei einer angenommenen, zugepflasterten Dachfläche von 36 qm wären das dann bis zu 36 kW, bei direktem Sonnenschein.

Nun habe ich durch die Westausrichtung des Daches im Hochsommer erst ab ungefähr Mittag Sonneneinstrahlung auf der Fläche, mit sinkendem Sonnenstand (jahreszeitenbedingt) kommt die Sonne später 'rum. Ein Richtwert gibt für Westausrichtung mit 32 ° Dachneigung 75 % der Voll-Leistung bei Südausrichtung an.

Dann gibt es da noch das Wetter, auch hier gibt es noch umfangreiche Recherchearbeit, wie die lokalen Wetterbedingungen im Schnitt liegen.

Bei einem angenommenen Sommerschnitt von 600 W/qm und 80 % Wirkungsgrad der Kollektoren ergibt das 17,28 kW für die genannte Dachfläche. Unberücksichtigt weiterer Verluste würde das 60 h mehr oder weniger hochqualitativen Sonnenschein bedeuten. Bei einer gedachten Hauptnutzungszeit von 14 bis 18 Uhr (4 h), wären das gerade mal 15 Tage. Wie gesagt, das ist nur mal eine völlig blauäugige Überschlagsrechnung. Bemerkenswert ist, dass Steffen über einen anderen Rechnungsweg (Ertragsrechnung der Arbeit über das Jahresmittel statt über Leistung und eingeschränkte Beleuchtungswerte) recht ähnliche Zahlen erhält.

Hier stellt sich aber ganz klar die Frage, ob ich mir 36 qm Sonnenkollektoren überhaupt leisten kann. Überschlägig sind ca. 400..1200 €/qm für Vakuum-Röhrenkollektoren zu veranschlagen (also 14.400..43.200 €), bei Flachkollektoren noch immer bei 150..600 €/qm (5400..21600 €).

Wärmenutzung

Viel interessanter ist aber die Tatsache der Absoluttemperaturen. Solar Server hat hier einige Punkte gesammelt. Interessant sind die Maximaltemperaturen: Ich möchte ja im Interesse eines geringen Wärmewiderstandes während der Nutzungszeit im Winter eine möglichst hohe Temperatur im Tank erreichen. Um das zu erzielen, sind nur noch die Tage im Jahr interessant, in denen das Fluidum in den Kollektoren seine Maximaltemperatur erreicht, die bei guten Kollektoren bei 120 °C liegt und in gewissen Grenzen sicherlich durch die Durchflussmenge steuerbar ist. Letztendlich bestimmt die Einstrahlung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur die auftretenden Verluste und damit die theoretisch maximal erreichbare Temperatur (bei keinerlei Energieentnahme, sprich nicht zirkulierendem Fluidum).

Eine Alternative zu möglichst hohen Temperaturen im Tank ist eine geringere Maximaltemperatur (60..70 °C) bei entsprechend höherer Wassermenge, um die geringere Speicherkapazität auszugleichen. Um im Winter trotzdem einen ausreichenden Heizeffekt zu erhalten, sind entweder größere Wärmetauscher (Radiatoren) mit dadurch geringerem Wärmewiderstand notwendig, oder eine Temperaturaufstockung durch eine speziell bemessene Wärmepumpe, die auf der Verflüssigerseite die benötigten Temperaturen zu erreichen vermag. Die Betriebskosten der Wärmepumpe können durch geringere Anschaffungskosten der Kollektoren durchaus gerechtfertigt sein.
Ein weiterer Vorteil geringerer Temperaturen im Tank ist die größere Effizienz, mit der die Energie dorthin gelangt, vergleichbar mit der Ladekurve eines elektrischen Kondensators (Laden von 10 auf 20 % braucht nicht soviel Zeit wie von 80 auf 90 %), sowie die geringeren Verluste durch die geringere Temperaturdifferenz über die Tankisolation.

Schlußendlich besteht noch die Möglichkeit der Niedertemperaturheizung in der Wand, analog zur Fußbodenheizung. Wenn man den Aufwand einrechnet, die gespeicherte Wärme im Haus verfügbar zu machen, ist das m. E. der Weg, den man gehen sollte, wenn man eh am Renovieren ist. Damit werden aber die zeitgleich zu stemmenden Kosten (Tank, Isolation, Befüllung, Verrohrung, Kollektoren, …) wiederum sehr hoch.

Fazit

Mangels genauer Zahlen bleibt ein gewisses Restrisiko bei der Realisierung. Wenn das Projekt im Rahmen eines Neubaus mit erheblicher Dachfläche umgesetzt wird, im Haus auch konsequent Niedertemperaturwärmetauscher wie Fußboden- oder Wandheizungen vorgesehen sind, könnte das Projekt tatsächlich interessant sein. Zum Nachrüsten bestehender Immobilien dürfte der zu treibende Aufwand, die Wärme auch mit vernünftigem Wirkungsgrad im Haus zu verteilen zu groß sein.