Ein aktueller Forschungsschwerpunkt sind die Kombianlagen zur Trinkwassererwärmung und Raumheizungsunterstützung. Im Rahmen der Förderkonzepte Solarthermie-2000 und Solarthermie2000plus sowie einem weiteren Verbundprojekt sind solche Kombianlagen untersucht worden. In diesen Forschungsprojekten entstanden z. B. grundlegende Erkenntnisse zu deren Alterungs- und Stagnationsverhalten. Die Untersuchungen zeigen eine Vielzahl von Systemvarianten, mit teils unnötig komplexer Hydraulik. Von Seiten der Forschung wird eine Vereinfachung, Standardisierung und Vereinheitlichung der Systeme empfohlen. Vorgefertigte Komponenten sollen Fehler bei der Installation reduzieren und optimierte Komplettsysteme ermöglichen. Auch bei den großen Anlagen, die effektiv arbeiten, gibt es noch viele Möglichkeiten zur Steigerung der Systemeffizienz, zur Vereinfachung der Systeme und zur Anpassung des Solarsystems an konventionelle Heizsysteme.

Nahwärmesysteme:

Für die Forschungsarbeiten an Solarsystemen, die in Wärmenetze integriert sind (ohne Saisonspeicher), stehen derzeit mehrere Demonstrations- und Forschungsanlagen aus Solarthermie-2000 bzw. Solarthermie2000plus zur Verfügung: So gibt es Anlagen in Stuttgart, Hennigsdorf, Heilbronn, Speyer, Holzgerlingen und auf Norderney. Da bei diesen netzintegrierten Anlagen das Netz den einzigen Verbraucher darstellt, existieren bei Weitem nicht so viele Systemvarianten wie bei den Kombianlagen, bei denen drei Verbraucher – das gezapfte TWW, die TWW-Zirkulation und die Raumheizung – in das Solarsystem integriert werden müssen. Netzintegrierte thermische Solarsysteme unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch die Einbindung des konventionellen Kessels (mit oder ohne Pufferspeicher), durch die Art des Netzes (Drei- oder Vierleiternetz) und durch den Aufbau der Wärmeübergabestationen in den einzelnen Gebäuden. Gerade bei diesen Wärmeübergabestationen besteht noch ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Ein besonderer Schwerpunkt ist auch die Erreichung niedriger Netzrücklauftemperaturen (vgl. BINE-Projektinfo 11/06).

Kennwerte

Die technischen Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit einer Solaranlage lassen sich mit verschiedenen Kennwerten beschreiben. Die wichtigsten sind:

• Solarsystemnutzungsgrad
• Solarer Deckungsanteil (solare Wärmeeinsparung)
• Durch das Solarsystem eingesparte konventionelle Endenergie oder Primärenergie sowie vermiedene Schadstoffemission (z. B. CO₂)
• Arbeitszahl des Solarsystems
• Auslastung des Solarsystems
• Kosten für die durch die Solaranlage eingesparte Endenergie (oder Primärenergie).
  
  

Was macht Systeme effizient?

Bei der Planung von Solaranlagen geht es um eine mehrdimensionale Optimierung. Die nutzbaren solaren Energieerträge werden maximiert, die Systemkosten minimiert und die Wechselwirkung mit der konventionellen Wärmetechnik optimiert. Letztlich geht es darum, möglichst viel fossile Brennstoffe einzusparen. Wie effizient die eingestrahlte Energie in Nutzwärme umgesetzt werden kann, hängt entscheidend von dem Temperaturniveau des angeschlossenen Verbrauchers ab. Je niedriger dieses liegt, umso besser ist der Nutzungsgrad der Solaranlage, weil mit steigender Temperatur des Verbrauchers auch die Temperatur in den Kollektoren ansteigen muss und dann höhere thermische Verluste entstehen.

Bei der Trinkwassererwärmung wird das Wasser von ca. 10 °C (Kaltwassertemperatur) bis hin zu ca. 60 °C (Warmwassertemperatur) aufgeheizt. Besonders der erste Teil dieses Prozesses erfolgt sehr effizient, weshalb Vorwärmanlagen besonders gute Erträge erzielen. Aus diesem Grund ist auch ein kalter Rücklauf vorteilhaft. Bei der TWW-Zirkulation liegt die Temperaturspreizung zwischen ca. 55 bis 60 °C (Rücklauf / Vorlauf). Hier wird deutlich, dass die Einbindung der TWW-Zirkulation in die Solaranlage die Arbeitsbedingungen für das Solarsystem erheblich verschlechtert, denn rund 35 – 75% des Energiebedarfs für das Trinkwarmwassersystem entfallen auf die TWW-Zirkulation, bei der die Rohre ständig von Wasser auf einem hohen Temperaturniveau durchströmt werden.

Der Nutzungsgrad eines Solarsystems zur Raumheizungsunterstützung hängt entscheidend von der Rücklauftemperatur aus dem Heizkreis und damit auch vom Heizungssystem ab. Bei einer Flächenheizung (z. B. Fußbodenheizung) liegt sie bei ca. 25 °C, bei Radiatorsystemen je nach Gebäudestandard und Auslegung der Heizflächen bei 35 – 50 °C oder sogar mehr. Ein sorgfältiger hydraulischer Abgleich des Heizungssystems ist unerlässlich, damit solch niedrige Rücklauftemperaturen in der Praxis auch erreicht werden. In Abb. 10 sind die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten eines Solarsystems zur reinen Trinkwassererwärmung, Trinkwassererwärmung mit eingebundener Zirkulation, Trinkwarmwasser + Zirkulation + Heizungsunterstützung gegenübergestellt. Die Grafik zeigt die aus der Anwendung resultierenden Kollektoreinlauftemperaturen, den Systemnutzungsgrad, den solaren Deckungsbeitrag und die Wärmekosten. Bei Systemen mit Zirkulationseinbindung, Heizung oder im Wärmenetz liegen die Temperaturen höher, sodass der Nutzungsgrad sinkt. Der absolute Energiegewinn wächst natürlich, weshalb der Deckungsanteil steigt. Der Kostenanstieg zu den komplexeren Systemen fällt nicht so deutlich aus, weil die spezifischen Kosten mit der Größe der Anlagen sinken. Um mehr konventionelle Energie einzusparen und die Umwelt zu entlasten, werden zunehmend Kombianlagen installiert.

Die Deckungsanteile erscheinen mit 5 bis 20% niedrig. Dies liegt an dem hohen Heizwärmebedarf eines durchschnittlichen Gebäudes. Bei Gebäuden mit Niedrigenergie- oder sogar Passivhausstandard kann der solare Anteil ein Vielfaches betragen, weil der Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung bei diesen Gebäuden an Gewicht gewinnt. Bei heizungsunterstützenden und netzintegrierten Anlagen kann man durch geeignete Wahl der Kollektorfeld- und Solarspeichergröße Deckungsanteile von ca. 10 bis 30% erreichen. Höhere Deckungsanteile sind in der Regel nur bei sehr großen Netzen oder Solaranlagen und besonders großen Solarspeichern (sog. saisonalen Speichern) sinnvoll. Selbst 100% solare Wärmeversorgung ist mit entsprechender Speichertechnik (und Größe) möglich. Entsprechende Gebäude sind bereits damit ausgerüstet. Sie sind unter dem Aspekt, dass praktisch keine Heizkosten anfallen, erstaunlich kostengünstig.