Das Gesamtkonzept

Sehr oft wird beim Kauf einer Solaranlage nur auf die Leistung eines Kollektors geachtet. Was aber ein Kollektor erwirtschaftet soll auch effizient gespeichert werden. Dies übernehmen eben die Solarspeicher mit Ihrer Qualität und Funktion. Solarspeicher werden in den allermeisten Fällen mit Wasser als Wärmeträgermedium gefüllt und müssen daher besonderen Anforderungen hinsichtlich der  Korrosion genügen.

Auch der beste Sonnenkollektor auf dem Dach nützt zur Warmwasserbereitung wenig, wenn der dazugehörige Warmwasserspeicher hohe Wärmeverluste aufweist. Die hohen Verluste in gängigen Wärmespeichern sind neben einer oft nicht ausreichenden Wärmedämmung des Speichers größtenteils auf Rohr- und Anschlussverluste zurückzuführen. Aufgrund dieser Verluste konnte die gespeicherte Wärme bisher oft nur am selben Tag genutzt werden. Ein guter Solarspeicher zur kombinierten Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung wird so effizient gegen Wärmeverluste isoliert, daß die Wärme nicht nur am selben oder am nächsten Tag, sondern auch noch bis zu 5 Tage später genutzt werden kann. Durch den Einsatz von EPS (Extrudiertes Polystyrol) als Dämmmaterial und innovativer Neuerungen bei der Bodenisolierung, dem konstruktiven Aufbau und der gesamten Anschlusstechnik konnten die Wärmeverluste auf weniger als 1/7 typischer Werte unter realen Heizungskellerbedingungen gesenkt werden.

Wärmespeicher geben ständig Wärme an die Umgebung ab. Die gültigen Anforderungen an eine Speicherdämmung werden von modernen Speichern mühelos eingehalten, weil dabei die Rohr- und Anschlussverluste unberücksichtigt bleiben. Was bedeutet das praktisch? Ein vorschriftsmäßig isolierter 800 Liter Speicher darf bei ca. 60 °C in 24 Stunden 4 kWh an Bereitschafts- wärme beanspruchen, das ist der mittlere tägliche Solarertrag von ca. 2 m² Kollektorfläche. Das heißt auch, der Speicher darf im Ganzen um 4,3 K abkühlen (türkisfarbene Kurve). Der größte Teil der Wärme, nach jüngsten Literaturangaben typischerweise das fünffache der Speicherverluste, geht aber über das Rohrnetz verloren, so daß eine Abkühlung um 12 bis 18 Grad in 24 Stunden leider noch als normal zu bezeichnen ist, wenn gegen die Rohrnetzverluste keine Maßnahmen getroffen werden (blaue Kurve). Die Maßnahmen zur Erreichung einer drastisch verbesserten Wärmedämmung werden weiter unten erläutert.

Das Wärmedämmmaterial

Unter den üblichen Dämmaterialien für Speicher findet man PU-Weichschaum, PU-Hartschaum, Melamin und EPS. Das EPS hat aufgrund seiner guten ökologischen und physikalischen Eigenschaften gleichermaßen Vorteile. EPS ist wiederverwendbar (kreislauffähig), wird als Zuschlagstoff beim Kompostieren verrottbarer Abfälle verwendet, entspricht Baustoffklasse B1 nach DIN 4102 und Wassergefährdungsklasse 0, entwickelt im Brandfall weniger an für die Inhalationstoxizität von Brandgasen entscheidendem Kohlenmonoxid als z.B. Holz oder Kork und ist unter der Bezeichnung Styropor bereits vielen als Lebensmittelverpackung oder Baustoff vertraut. EPS hat auch bei höheren Temperaturen eine geringe Leitfähigkeit.
 

Die Wärmeleitfähigkeit von PU-Weichschaum ist demnach um bis zu knapp 60 %, die von PU-Hartschaum und Melamin um bis zu 10 % und die von EPP um bis zu 25 % größer als die von EPS. Die Werte für PU-Weichschaum, PU-Hartschaum, Melamin und EPP wurden am FhG ISE in Freiburg gemessen. Die Werte für EPS sind Angaben der BASF für Styropor-Schaumstoffteile mit einer Dichte von 0,025 kg/m.
Naturstoffe wie Jute, Baumwolle und Kork wurden nicht betrachtet, weil sie kaum verwendet werden. Sie sind nach dem derzeitigen Stand zu teuer und lassen hinsichtlich der Verarbeitungsmöglichkeit, Materialkonstanz und anderer geforderter Eigenschaften (z. B. Stäube bei der Verarbeitung, chemische Behandlung, bakteriologische Unbedenklichkeit) noch zu viele Fragen offen.

Speicheranschlüsse und Anschlusssiphons

Die Rohranschlüsse an Speichern entziehen einem Speicher sehr viel Wärme. Die Ursachen dafür sind leicht verständlich: Das Rohrnetz hat trotz kleinen Inhalts eine relativ große Oberfläche, enthält Wärmebrücken (ungedämmte Rohranschnitte, Ventile, Thermometer, Schieber, Pumpen, Übergänge und andere Armaturen) und ist selbst bei bester Handwerksarbeit wesentlich schlechter gedämmt als der Speicher. Noch eines ist bemerkenswert: Zur Rohrnetzisolierung empfehlen die VDI-Richtlinien statt der maximalen lediglich die "wirtschaftlichste Dämmstärke". Und das ist für Solaranlagen oft zu wenig. Auch wenn alle Pumpen ruhen, können die Rohre heiß werden. Dies geschieht entweder durch Schwerkraftzirkulation oder durch Mikrozirkulation. Bei der Schwerkraftzirkulation im geschlossenen Speicherkreis strömt heißes Wasser aus dem Speicher, kälteres Wasser strömt durch einen anderen Speicheranschluss in den Speicher zurück. Die wirksamste Gegenmaßnahme dagegen sind federbelastete Rückflussverhinderer ohne Überströmöffnung und Thermosiphons. Bei der thermischen Konvektion im unterbrochenen Speicherkreis (Mikrozirkulation) strömt heißes Wasser aus dem Speicher, kälteres Wasser strömt durch dasselbe Rohr in den Speicher zurück. Die Mikrozirkulation ist um so stärker, je größer die Rohrquerschnitte sind.

Ein einzelner horizontaler Anschluss verliert beim Auftreten von Mikrozirkulation leicht über 40 Watt, bei aufsteigenden Rohren oder bei Schwerkraftzirkulation können es allerdings auch bis zu 200 Watt sein. Besonders anfällig ist die Kombination Dachheizzentrale mit Speicher im Keller.

Auch wenn direkt aufsteigende Rohre vermieden und kleine Rohrquerschnitte verwendet werden, verliert ein Anschluss noch bis zu 10 W durch schwache Mikrozirkulation und Wärmeleitung.

Wenn derselbe Anschluss in der Speicherisolierung ca. 25 cm schräg nach unten verlegt, d.h. siphoniert wird, dann verringern sich seine Verluste auf weniger als ein Viertel.

Wird dieser Siphon zusätzlich innen mit ca. 2 mm Kunststoff ausgekleidet, dann verringern sich die Verluste dieses Anschlusses auf ein Zehntel des Wertes ohne Siphonierung. Ohne Umlaufzirkulierung durch Schwerkraft oder Pumpen ist der Anschluss bereits deutlich kälter als der Speicher.

Eine wirksame, aber aufwendige Maßnahme zur Vermeidung von Anschlussverlusten sind direkt am Speicher ausreichend nach unten geführte Anschlüsse, kurz Thermosiphons. Das Konzept der Speicher SOLUS II beinhaltet siphonierte Anschlüsse standardmäßig. Die wichtigsten Anschlussrohre sind zusätzlich mit PP-Kunststoffrohren ausgekleidet, um ein Wechselspiel zwischen Mikrozirkulation und Wärmeleitung im Stahlrohr zu unterdrücken. Die Wirksamkeit von Thermosiphons und des PP-Innenrohres in den Siphons verdeutlicht ein Balkendiagramm.

Der konstruktive Dämmaufbau

Die Wärmeverluste von Speichern finden durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlungsaustausch statt. Hierzu wurden weitere Untersuchungen am FhG ISE in Freiburg durchgeführt, um verschiedene Wandaufbauten auf ihren Wärmedurchgang zu messen. Dabei war das Ziel, bei minimalem Werkstoffeinsatz eine möglichst hohe Dämmwirkung zu erzielen.

Für den Speichermantel wurde eine Lösung erarbeitet, die neben dem ca. 10 cm starken EPS-Schaum noch einen zusätzlichen Luftspalt sehr wirkungsvoll als Dämmung nutzt . Die sich ohne entsprechende Maßnahmen einstellende Luftströmung (Konvektion) wird durch eine spezielle ALU-Folie in Verbindung mit Dämmstreifen um den Behälter minimiert. Darüber hinaus verringert die ALU-Folie nochmals deutlich den Strahlungsaustausch zwischen Behälterwandung und Isolation. Der Luftspalt wirkt dadurch wie eine zusätzliche Dämmschicht, was die Wärmeverluste im seitlichen Bereich ebenfalls verringert. Die Montage der Dämmung wird dabei dank der gleichbleibenden Dämmstärke nicht erschwert, die Dämmwirkung aber nochmals verbessert.

Die Bodenisolierung

Die Wärmeverluste eines Speicherbodens tragen mitunter mit bis zu 25 % zum Wärmeverlust des Speichers. Mehr als bei den anderen Oberflächen sind hier die Randbedingungen entscheidend. Ist der Speicher in einer Dachheizzentrale eingesetzt, kommen die Verluste dem Haus mitunter unmittelbar zugute. Im ungedämmten Keller dagegen können auch bei gut schichtenden Speichern verhältnismäßig große Wärmeverluste zum Fußboden entstehen. Schichtende Speicher sind zwar einerseits im unteren Bereich meist kühler als nicht schichtende, andererseits lassen sie sich aber vorteilhafterweise auch bis zum Behälterboden durchladen, und dann werden sie unten zeitweise sogar heißer. Die geringeren Temperaturen im Bodenbereich machen eine gute Bodendämmung also auch bei Schichtenspeichern keinesfalls überflüssig.Die Wärmeverluste über den Behälterboden resultieren zu einem guten Teil aus der Wärmeleitung über die Stahlfüße oder den Standring. Diese Flächen sind nicht zu vernachlässigen, weil sie das gesamte Gewicht des Speicherwassers und des Behälters tragen müssen. Für die Speicher SOLUS II und COAX wurden daher neben einer fugendichten VolliIsolierung des Bodenbereichs spezielle Kunststoff-Füße entwickelt, die bei hoher Tragkraft den Wärmetransport auf ein Mindestmaß reduzieren. Auf den für den Transport praktischen Standring musste dabei nicht verzichtet werden.

Berechnungen der Speicherverluste an einem Beispiel

Im nachfolgenden Bild sind berechnete Speicherverluste unterschiedlicher Pufferspeicher (Inhalt 500/800 Liter) dargestellt. Die Verluste ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Isolierung und Dicke sowie auf die unterschiedliche Ausführung der Anschlüsse an den Speichern. Anschlüsse am Speicher oben (z.B. Abgang für Heizung oder Beladung durch den Kessel) erhöhen die Wärmeverluste drastisch. Vom “Schlechtesten” zum “Besten” Speicher ergeben sich dabei Unterschiede von bis zu zwei mal so hohen Wärmeverlusten. Dies zeigt deutlich, daß sich ein guter Speicher sehr positiv auf den Solarertrag auswirkt. Ebenso kann durch einen guten Speicher der Kessel (Nachheizung) öfters aus bleiben und es wird ein deutlich höherer Ertrag erwirtschaftet.

Berechnungsverfahren und Erläuterungen finden Sie hier ...

Im nachfolgenden Bild sind berechnete Speicherverluste unterschiedlicher Speicher (Inhalt 400 Liter) dargestellt. Die Verluste ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Isolierung und Dicke sowie auf die unterschiedliche Ausführung der Anschlüsse an den Speichern. Anschlüsse am Speicher oben (z.B. Abgang Warmwasser) erhöhen die Wärmeverluste drastisch. Vom “schlechtesten” zum “besten” Speicher ergeben sich dabei Unterschiede von bis zu drei mal so hohen Wärmeverlusten. Dies zeigt deutlich, daß sich ein guter Speicher sehr positiv auf den Solarertrag auswirkt. Ebenso kann durch einen guten Speicher der Kessel (Nachheizung) öfters aus bleiben und es wird ein deutlich höherer Ertrag erwirtschaftet.

Berechnung der Erträge einer Brauchwassersolaranlage
in Abhängigkeit der Speicherverluste

Im nachfolgenden Bild sind die Erträge einer 6 qm Solaranlage in Abhängigkeit der Speicherverluste unterschiedlicher Speicher (Inhalt 400 Liter) berechnet worden. Zieht man die Speicherverluste vom Solarertrag ab, so bekommt man einen Nettoertrag, der auch tatsächlich zur Verfügung steht. Vom “schlechtesten” zum “besten” Speicher ergeben sich bei einer solchen Anlage Unterschiede von bis zu 700 kWh im Jahr. Dies entspricht ungefähr dem Jahresertrag von ca. 1,5 qm Flachkollektor. Somit könnte eine Anlage mit einem guten Speicher mit geringerer Solarfläche auskommen. Dies spart Investitionskosten. Da “gute” Solarspeicher auch etwas teurer in der Anschaffung sind, den Ertrag einer Solaranlage aber deutlich steigern können, amortisieren Sie sich schon nach wenigen Jahren.

Berechnet man die Erträge auch für Pufferspeicher bei größeren Solaranlagen zur Unterstützung der Raumheizung, so ergeben sich ähnlich Zahlen. Bei “guten” Pufferspeichern mit geringen Wärmeverlusten können dabei bis zu 20 % an Solarfläche eingespart werden. Dies stellt eine Kostenersparnis dar.
Es bedeutet, daß bei einer Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung (z.B. Solarfläche 20 qm) ca. 4 qm Kollektoren eingespart werden können. Durch die Einsparung an Kollektorfläche bei einem solchen Beispiel ist der Mehrpreis eines “guten” Speicher sofort durch die Einsparung an Kollektorfläche amortisiert.