Physik der Solarthermie für Laien
Weshalb kleine Anlagen mindestens mittelgroß sein müssen
Viele Solarwärmeanlagen in Einfamilienhäusern (EFH) entsprechen nicht annähernd der 20/50 Faustregel. Sie ist nur eine Faustregel, aber sie macht deutlich, dass die Anlage in vielen Häusern kaum mehr leistet, als das Duschwasser zu heizen, im Winter nicht einmal das. Bei Mehrfamilienhäusern (MFH) liegt der Fall anders. Dort genügt die verfügbare Dachfläche selten für beide Zwecke: die Heizung zu unterstützen und das Duschwasser zu erwärmen. Da im Verhältnis zur Dachfläche jedoch viel mehr Warmwasser benötigt wird als im EFH , neigt sich die Kosten-Nutzen-Rechnung beim größeren MFH zugunsten der Lösung, doch nur das Frischwasser solar zu erhitzen.
Grundsätzlich bietet die zu klein geratene Anlage der Sonne im Frühjahr, Herbst und Winter zu wenig Kollektorfläche, um spürbar zum Wärmehaushalt beizutragen. Physikalisch ist es sinnvoll und praktisch problemlos, mit größerer Kollektorfläche Mängel auszugleichen, die sich nicht ändern lassen, etwa die Dachneigung oder ungenaue Südausrichtung, wenn nur genug Platz auf dem Dach ist. Im EFH wäre die kleine Anlage, die nur das Duschen solar leisten soll, für den eingeschränkten Zweck zu aufwändig.
Erst die konsequente Aufrüstung zu einer Gesamtheizanlage schiebt sie beim EFH in die Zone wirtschaftlicher Vernunft, dann aber spürbar. Mancher Handwerker nennt so etwas schon eine mittelgroße oder gar große Anlage. Hat der Bauherr diesen Schritt aber erst getan, stellt sich die Belohnung ein: die Anlage erfüllt nun auch die übrigen Bedingungen der Physik, und am Ende rechnet sie sich auch. Die Physik pocht - da ist sie gänzlich humorlos - auf Einhaltung ihrer Gesetze.
Statt expandierender Heizkörper
In der Heizperiode geschieht im Hause nämlich etwas Spannendes. Je kälter es draußen wird, desto höher schraubt der Regler die Vorlauftemperatur des Heizkessels zu den Heizkörpern. Mit der Folge, dass die Rücklauftemperatur (vom Heizkörper zum Heizkessel) allmählich nachzieht und ebenfalls steigt. Hätten Sie im Wohnzimmer Heizkörper, die sich wie Ballons ausdehnen, wäre diese Hochregelung nicht erforderlich, nur die Gemütlichkeit des Wohnraums wäre beeinträchtigt.
Eine Sonnenwärmeanlage trägt nur dann etwas Nützliches zum Wärmehaushalt bei, wenn sie die Rücklauftemperatur übertrifft. Das ist heutzutage kein Problem mehr, es müssen nur fünf Bedingungen erfüllt sein: Erstens die hinreichende Kollektorfläche auf dem Dach, verbunden mit zweitens, dem Trägflussprinzip: Die Solarflüssigkeit im Kollektorkreislauf bewegt sich extrem langsam durch die Kollektorfläche. Bis die Wärme abgezapft und zum Pufferspeicher geleitet wird, schafft die Solarflüssigkeit erstaunliche Höhen: Im Frühjahr und Herbst bis zu 90°C, selbst im Winter bei Außentemperaturen von minus 5°C und voller Sonne noch bis zu 70°C.
Als nächstes muss die Solarheizungsanlage - drittens - diese Temperatur speichern (und nicht durch schlechte Dämmung wieder verlieren) und im Wechsel zwischen Verbrauch und Nachschub sparsam verwalten. Dafür sorgt die schichtweise Beladung des Pufferspeichers von oben nach unten innerhalb eines dafür konzipierten Heizsystems, und schließlich muss - viertens - der Regler diese komplizierten Abläufe steuern. Unterstützt wird dieses Konzept - fünftens - durch eine Auslegung sämtlicher Bauteile in der Systemtechnik, die der Energievergeudung entgegenwirken.
Der individuell programmierte Regler besorgt die gewünschte Versorgungssicherheit aus kostenloser, solarer Energie einerseits und bezahlter Energie vom Heizkessel (aus den teuren Brennstoffen) andererseits.
Im winterlichen Erzgebirge, bei Außentemperaturen von minus 10 bis 20°, lieferte die Anlage des Tropariums im Kurort Wiesenbad an etlichen empfindlich kalten Januartagen 2004 immerhin noch plus 60°. Für den Bauherren, der für seine exotischen Pflanzen und Tiere 29° benötigt, eine imposante Leistung. Auch wir staunen immer wieder.
Kleine und große Anlagen
Die Solarwärmeanlage kann entweder so abgestimmt sein, dass solar generierte Wärme zuerst und sofort verbraucht wird oder sie wird dem Pufferspeicher zugeführt. Letzteres ist für das Ein- und Mehrfamilienhaus günstig, ersteres für den Wohnblock. In beiden Fällen soll jedoch der Heizkessel erst in Aktion treten, wenn das Wetter und das Verbrauchsverhalten der Menschen im Hause die solare Leistung ausgeschöpft haben. Prinzip: Erstnutzung statt Auchnutzung
In der Übergangsperiode (Frühjahr und Herbst sowie an den kühlen Sommertagen) soll die solare Wärmeerzeugung den Heizkessel am besten ganz ersetzen - manche Kunden schalten ihn tatsächlich ab. Gerade zu diesen Zeiten startet der Brenner in konventionellen Heizkesseln viel zu oft - das ist dann wie der Kriechverkehr um Fünf in der Stadt, der kostet den meisten Sprit, die häufigen Kaltstarts verschleißen das Gerät, die Emissionen sind die höchsten. Das gewöhnt man dem Kessel ab durch puffergeregelte Heizungssteuerung.
Zu unserem technischen Ansatz, wir nennen ihn unsere Technosofie.
Illustration der Abläufe finden Sie im Abschnitt Systemtechnik.