Kollektoren und Speicher einer Solarthermieanlage optimal dimensionieren
Die Planung einer solarthermischen Anlage kann viele Gründe haben. Das Spektrum reicht vom aktiven Umweltschutz durch CO2-Einsparungen bis zum Wunsch nach Unabhängigkeit von immer weiter steigenden Energiekosten. Doch egal, ob Ressourcen geschont oder unnötige Kosten eingespart werden sollen, es kann nur klappen, wenn die Solarthermieanlage richtig dimensioniert wird. Wir zeigen, welche Größe die solarthermische Kollektorfläche und der Wärmespeicher im Idealfall haben sollten.
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Faktoren für die optimale Größe einer Solaranlage
Bei der Planung einer optimal dimensionierten Solarthermieanlage muss eine ganze Reihe von Faktoren bedacht werden:
- Soll die Anlage ausschließlich das Trink- und Brauchwasser erwärmen oder zusätzlich die Heizung unterstützen?
- Bei einer ausschließlich zur Trinkwassererwärmung geplanten Anlage: Wie viele Personen leben im Haushalt? Je größer die Anzahl der Haushaltsmitglieder ist, desto höher ist der tägliche Warmwasserbedarf und desto größer muss die Anlage ausgelegt werden.
- Bei einer heizungsunterstützenden Solaranlage: Wie groß ist die Wohnfläche? Und wie steht es um den energetischen Zustand des Hauses den Heizwärmebedarf der darin lebenden Personen? Je besser ein Gebäude gedämmt ist und je geringer die Vorlauftemperatur der Heizung, desto weniger Kollektorfläche ist für die Heizungsunterstützung nötig.
- Welcher solare Deckungsanteil wird angestrebt? Zielwerte für den optimalen Deckungsgrad liefert der Beitrag zum Einsparpotenzial.
- Wie groß ist das Budget für die Solarthermie-Kollektoren? Sollen sie leicht, besonders effektiv, aber teuer – oder schwer, etwas weniger effektiv, dafür aber günstiger sein? Der Beitrag Solarthermie-Kollektoren im Vergleich nennt alle Vor- und Nachteile der beiden gängigen Kollektorentypen.
- Last but not least kann auch die Förderfähigkeit ausschlaggebend sein. Welche Größe zu welchen Bedingungen gefördert wird, erfahren Interessenten in der Beitragsreihe zur Förderung & Finanzierung.
Wärmebedarf ermitteln
Eine gut dimensionierte solarthermische Anlage zur Trinkwassererwärmung deckt typischerweise rund 50 bis 65 Prozent des jährlichen Warmwasser-Energiebedarfs – konkret hängt der Wert von Standort, Ausrichtung, Verschattung und Verbrauchsprofil ab. Dieser solare Deckungsanteil von etwa 60 % sorgt dafür, dass der Warmwasserverbrauch in den Sommermonaten oft komplett solar gedeckt wird; der Heizkessel muss nur in der Übergangszeit und im Winter nachheizen. Entscheidend für das Erreichen dieses Zieles ist u.a. die bedarfsgerechte Planung der Anlage. Hierbei empfiehlt es sich, auch die Familienplanung mit einzukalkulieren.
Um den konkreten Wärmebedarf zu bestimmen, muss zunächst die Entscheidung für die gewünschte Nutzung fallen: Nur Warmwassererzeugung oder Warmwassererzeugung plus Heizungsunterstützung.
Warmwasserbedarf bestimmen
Die Größe des Kollektorfeldes orientiert sich am mittleren täglichen Warmwasserverbrauch. Dieser kann von Haushalt zu Haushalt recht unterschiedlich ausfallen. Bei manchen reichen 20–30 Liter pro Tag und Person, bei anderen sind pro Person und Tag 50–60 Liter nötig, um den gewünschten Bedarf zu decken. Der größte Faktor ist der Verbrauch an Warmwasser beim Duschen und Baden. Vollbad-Fans müssen ihre Solarthermieanlage deutlich größer dimensionieren.
Eine Badewanne fasst 150 bis 180 Liter Wasser. Der Wasserverbrauch beim Duschen hängt vom Wasserdurchfluss und der Duschdauer ab. Der Warmwasser-Verbrauch beim Duschen lässt sich einfach abschätzen: Duschdauer × Durchfluss der Brause. Beispiel: 6 Minuten bei einer wassersparenden Brause mit rund 7 l/min ergeben rund 44 Liter; bei einer einfachen Standard-Brause mit 12 l/min und 6 Minuten sind es bereits 72 Liter, bei 15 l/min und 6 Minuten 90 Liter. Wirklich wassersparende Brausen liegen typisch bei 6 bis 9 l/min.
Ist der Haushalt mit einer Warmwasseruhr ausgestattet, kann der individuelle Warmwasserbedarf einfach abgelesen werden. Als überschlägiger Richtwert werden für mittleren Bedarf rund 30 bis 60 Liter Warmwasser pro Person und Tag bei 45 °C angesetzt; einschlägige technische Regeln für die Fachauslegung sind u. a. VDI 6002 (solare Trinkwassererwärmung) und DIN EN 12831 (Heizlast). Die Stromrechnung eignet sich dagegen nicht für eine Berechnung. Der Energiebedarf für die Beleuchtung kann zwar meist vernachlässigt werden, beim Verbrauch von Waschmaschine und Geschirrspüler sieht das allerdings ganz anders aus.
Energiebedarf der Heizung herausfinden
Natürlich hängt der Heizwärmebedarf ebenfalls von der Personenzahl ab. Viel entscheidender für die Ermittlung sind jedoch die Größe der zu beheizenden Wohnfläche, die Technik der Wärmeverteilung (Flächenheizung oder Radiatoren), die Wärmeisolierung des Hauses, das Wärmebedürfnis der Hausbewohner und die durchschnittlichen Außentemperaturen am Standort.
Diese Vielzahl an Faktoren macht es schier unmöglich, den individuellen Heizwärmebedarf zu berechnen. Aber: Hier hilft die jährliche Abrechnung des Energielieferanten weiter. Dort ist neben den Kosten auch der Verbrauch entsprechend der verfeuerten Brennstoffe angegeben.
Solarthermie Kollektorfläche berechnen
Es liegt auf der Hand, dass die Heizungsanlage deutlich mehr Energie benötigt als alle Warmwassererzeuger im Haushalt zusammen. Entsprechend unterschiedlich ist auch die Kollektorfläche zu dimensionieren. Als zweiter Faktor kommt hinzu, dass Vakuumröhrenkollektoren effizienter arbeiten – sie benötigen für die gleiche Wärmeleistung rund ein Drittel weniger Fläche; umgekehrt brauchen Flachkollektoren rund 50 % mehr Fläche als Röhrenkollektoren. Folgende Faustregeln haben sich als brauchbar erwiesen:
- Bei Anlagen zur reinen Trinkwassererwärmung sollte pro Person eine Kollektorfläche von 1,5 Quadratmetern bei Flachkollektoren und 1,0 Quadratmeter bei Röhrenkollektoren vorgesehen werden.
- Solarthermieanlagen, die neben der Trinkwassererwärmung zusätzlich die Raumheizung eines Hauses unterstützen sollen, sind etwa doppelt so groß auszulegen. Bei einem 4-Personen-Haushalt bedeutet dies eine Kollektorfläche von etwa 8 bis 12 Quadratmetern.
Rechner: Solarthermie richtig dimensionieren
Faustregeln zur Dimensionierung – 4-Personen-Haushalt als Beispiel
Richtwerte zur Erstorientierung; konkrete Fachauslegung erfolgt nach einschlägigen Regeln wie VDI 6002, Hersteller-Auslegung und ggf. Simulationsprogramm.
(1,5 m²/Person)
(1,0 m²/Person)
(80 l/Person)
Jahres-Warmwasserbedarf
(60–80 l/m² Kollektor)
Jahres-Gesamtwärmebedarf
nur bei niedriger Heizlast und großem Speicher
(bauliche Sonderlösung)
Solarthermie Wärmespeicher dimensionieren
Das optimale Speichervolumen richtet sich ebenfalls nach der geplanten Nutzungsart:
Für die Speicherung solar erwärmten Trinkwassers ist mit einem Volumen von 80 Litern pro Person zu rechnen. Dies entspricht in etwa dem doppelten Tagesbedarf und bietet damit genügend Spielraum für verregnete Sommertage ohne solaren Gewinn.
Soll die solarthermische Anlage nicht nur für warmes Wasser sorgen, sondern zusätzlich die Heizung unterstützen, so können 60 Liter Puffervolumen pro Quadratmeter Kollektorfläche für Flach- und 80 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche für Vakuumröhrenkollektoren angesetzt werden. Oder einfacher ausgedrückt: Ein Warmwasser-Heizwasser-Kombispeicher für ein Einfamilienhaus hat eine typische Größe von ca. 700 Liter Inhalt. Immer dann, wenn nicht genügend solare Wärme vorhanden ist, wird über die vorhandene Heizung, also zum Beispiel die Gasheizung oder Pelletheizung, nachgeheizt.
Einsparpotenzial durch solarthermische Anlagen
Die Anschaffungskosten resultieren aus der sinnvollen Größe der solarthermischen Anlage, sprich Kollektorfläche und Speichervolumen. Damit zusammenhängend, lässt sich je nach bevorzugtem Kollektortyp und Kesselnutzungsgrad die Höhe der jährlichen Einsparung an Brennstoff abschätzen. Folgende Durchschnittswerte beruhen auf erprobten Rechenmodellen:
- Mit einer solarthermischen Anlage zur reinen Trinkwassererwärmung werden 60 Prozent Brennstoff eingespart. Dies entspricht etwa 10 Prozent des Gesamtwärmebedarfs eines Haushalts.
- Mit einer Solarthermie-Anlage zur Warmwassererzeugung plus Heizungsunterstützung lassen sich bei einem normal wärmegedämmten Bestandshaus typischerweise rund 15 bis 25 Prozent des jährlichen Gesamtwärmebedarfs solar decken. Bei energetisch besser gedämmten Häusern steigt das Potenzial: Niedrigenergiehäuser erreichen einen solaren Deckungsanteil am Heizwärmebedarf in der Größenordnung von rund 25 bis 40 Prozent; Werte um 50 Prozent sind nur bei sehr günstiger Konstellation aus niedriger Heizlast, niedriger Vorlauftemperatur und großem Speicher realistisch. Sonnenhäuser mit deutlich überdimensionierter Kollektorfläche und großem Saisonalspeicher zielen auf bis zu 100 Prozent – das ist aber eine bauliche Sonderlösung, kein Standardprodukt.
Zwei unserer Beiträge verraten noch mehr zum Einsparpotenzial: Für die monetäre Einsparung spielt der Preis für die eingesparten konventionellen Energieträger eine zusätzliche Rolle. Darüber hinaus kann auch bei weiteren Faktoren eine ganze Menge eingespart werden.
Rechner: Einsparungen durch Solarthermie berechnen
Fazit
Bei einer ausschließlich zur Trinkwassererwärmung geplanten solarthermischen Anlage dient folgender Richtwert der ersten Orientierung:
Für die Trinkwassererwärmung benötigt eine vierköpfige Familie eine Kollektorfläche von rund 5 Quadratmetern und einen Solarspeicher mit einem Fassungsvermögen von etwa 300 Litern.
Wenn die solarthermische Anlage nicht nur das Trinkwasser erwärmen, sondern zusätzlich auch die Raumheizung unterstützen soll, kann man folgende Größen für Kollektorfläche und Speicherinhalt angeben.
Für den 4-Personen-Haushalt liegt die Spannweite der Anlagengröße üblicherweise zwischen einer Kollektorfläche von 10 bis 12 Quadratmetern, je Quadratmeter kommen 60 bis 80 Liter an Speichervolumen für den Solarspeicher hinzu.
Wichtig ist, dass die Anlagengröße möglichst exakt zum Wärmebedarf der Hausbewohner passt. Denn bei Solarthermieanlagen gilt: Größer ist nicht besser!
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