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Solargeothermie
Übersicht
>> Zielsetzung der Solargeothermie
>> Nachteile konventionell implementierter thermischer Solaranlagen
>> Erdwärmeheizung mit solarthermisch erzeugtem Erdwärmespeicher
>> Solarthermisch unterstützte Registerstation
>> Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
Zielsetzung der Solargeothermie
Der Begriff Solargeothermie bezeichnet den Versuch, Sonnen- und Erdwärme in einem System zur Heizwärmegestehung so zusammen zu fassen, dass die Solarthermie über ihren direkten Beitrag bei Sonnenschein oder ihren indirekten Beitrag über den Pufferspeicher hinaus, energetisch sinnvoll integriert wird. Dabei geht es vor allem darum, die Solarthermie, die bisher nur saisonal und auch nur unterstützend zur Wärmeerzeugung verwandt wird, so zu implementieren, dass sie der ganzjährigen Wärmegestehung aus Erdwärme zugeführt wird und damit den Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht oder bei gleichbleibender Effizienz der Wärmepumpe die Investition in den Erdwärmetauscher reduziert.
Nachteile konventionell implementierter thermischer Solaranlagen
Bisher wurden thermische Solaranlagen in der Haustechnik hauptsächlich dazu genutzt, die gesammelte („Sonnenkollektor“) Wärme zur Trinkwassererwärmung (Dusch- und Badewasser) oder Heizungsunterstützung zu verwenden. Dabei variiert je nach dem gewünschten Anteil des solaren Zugewinns die benötigte Kollektorfläche. Die thermische Solaranlage besteht grundsätzlich aus einem Kollektor, welcher die Sonnenwärme auffängt und absorbiert, und einem Solarwärmespeicher, um die eingefangene Wärme so unabhängig wie möglich von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können. Als Speichermedium dient überwiegend Wasser. Häufig sind die sogenannten Solartanks bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Solarwärmeüberträger eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z. B. eine Erdwärmepumpe. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke).
Da vom Gesamtheizenergiebedarf eines Privathaushaltes ungefähr 15 % auf die Trinkwassererwärmung entfallen und diese im Jahresmittel zu 50 % solarthermisch gedeckt werden, resultiert eine Energieersparnis von etwa 7,5 % des Gesamtheizenergiebedarfes. Anlagen zur Heizungsunterstützung decken in etwa 30% des Jahres den Heizwärmebedarf und führen somit zu einer Ersparnis von etwa 25%. Sie sind jedoch deutlich größer und daher auch teurer als Anlagen nur für die Trinkwassererwärmung. In beiden Fällen ergeben sich häufig nur geringe Ersparnisse, sodass eine prognostizierte Lebensdauer von 20 Jahren nicht ausreicht, die Investitionskosten wieder einzuspielen.
Zudem führt oftmals eine fehlende oder schlechte Regelung der solarthermisch unterstützten Heizung in der Praxis zu noch schlechteren Werten. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn Eltern und Kinder morgens in der Frühe Duschen, um dann zur Arbeit, Schule oder Kindergarten aufzubrechen. Der Trinkwasserspeicher fordert dann umgehend das Nachheizen an. Da zu dieser Uhrzeit jedoch die Solaranlage die Sonnenenergie nicht wirksam einspeisen kann, wird häufig der gesamte Warmwasserbedarf kurzfristig von der Gas- oder Ölheizung bereitgestellt, sodass die Solaranlage einige Stunden später zwar einsatzbereit, jedoch funktionslos bleibt.
Erdwärmeheizung mit solarthermisch erzeugtem Erdwärmespeicher
- solargestützte Wärmepumpe (Quelle: Schüco)
Eine die oben angeführte Probleme mindernde Lösung wurde in 2007 insbesondere von Schüco propagiert. Das Schüco Solar-Wärmepumpenpaket besteht aus einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, die mit Flächenkollektoren oder Erdsonden versorgt wird, und je nach Anlagengröße aus vier bis sechs Solarkollektoren (siehe Abbildung).
Die eigentliche Besonderheit dieses Systems ist die zusätzliche Anbindung des Solarwärmeüberträgers an den Rücklauf der Erdsonden oder des Flächenkollektors. Die Rücklauftemperatur der Sole wird dann angehoben, sobald die Vorrangschaltung der Solaranlage erkennt, dass Wärme zwar produziert jedoch nicht an das Heiz- oder Trinkwassersystem abgegeben wird. Dies führt dazu, dass das durch den Heizbetrieb im Winter die Erdwärmesonden oder den Flächenkollektor umgebende Erdreich energetisch schneller regeneriert wird und unter Umständen sogar eine höhere nutzbare Ausgangstemperatur zu Beginn der Heizsaison erreicht. Diese Temperatursteigerung führt dann zu einer höheren Effizienz der Wärmepumpe, da diese nun eine geringere Differenz zwischen benötigter Vorlauftemperatur und vorhandenem Erdwärmetemperaturniveau überbrücken muss.
Durch die künstliche Herstellung eines Erdwärmespeichers werden zum einen die Betriebskosten der Wärmepumpe gemindert und zum anderen die Auslastung der Solaranlage gesteigert, sodass sich die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verbessert. Trotz dieser Effekte ist in wirtschaftlicher Hinsicht jedoch zu sagen, dass bei den heute für ein solches System aufzuwendenden Investitionskosten die auf eine kWh herunter gerechneten Gesamtkosten in etwa denen entsprechen, die auch durch ein „normales“ Erdwärmesystem erreichbar wären. Der ökologische Beitrag ist jedoch höher, da weniger CO2 pro erzeugter kWh Wärme durch die voran gegangene Erzeugung des benötigten Wärmepumpenstroms emittiert wird.
Solarthermisch unterstützte Registerstation
- Schema Wärmepumpe mit Registerstation (Quelle: Roth)
Während das oben beschriebene System in erster Linie auf die Effizienzsteigerung und somit ökologische Vorteilhaftigkeit des Gesamtsystems abzielt, zielt das von den Roth Werken aktuell angebotene System ausschließlich darauf ab, durch den solarthermischen Zugewinn die Größe und somit Investition in den Erdwärmetauscher zu reduzieren. Im Prinzip entspricht das „Roth-System“ dem des „Schüco-Systems“. Über Kollektoren geerntete Solarenergie wird zunächst direkt für die Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Erst dann wird überschüssige Energie in die im Erdreich eingebaute sogenannte Registerstation geleitet (siehe Abbildung).
Dort wird sie zur Regeneration des Erdreichs und in Abhängigkeit der Größe der Solaranlage auch zur Erhöhung des nutzbaren Energiepotenzials des vorhandenen Erdreichs verwendet. Die Registerstation ist mit „Armen“ ausgestattet, die aus horizontal angebrachten Kunststoffrohren bestehen. Sie stellen die Speicher- und Entzugselemente dar und werden ähnlich des Flächenkollektors unterhalb der Frostgrenze eingebracht. Erdbohrungen bzw. großflächige Erdabtragungen für horizontale Rohrkollektoren werden damit nicht notwendig. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Registerstation durch ihre begrenzte Oberfläche weniger Kälteentzugsleistung bietet und damit auf einen bivalenten Betrieb per Solarthermiekombination häufig angewiesen ist . Zudem begrenzt die Grundstücksgröße den Einsatz der Registerstation, sodass das Anwendungsgebiet insbesondere im Altbau mit höheren Systemtemperaturen und Heizwärmebedarf sehr begrenzt ist.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Erdwärme und Solar
>> Solarthermie
>> Photovoltaik
Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
Sehr geehrte Damen und Herren, im Prinzip heißt das, dass die Wärmepumpe außerhalb der Heizperiode still steht (0,5 a) bzw. sie springt ein als Back-up System für die Solaranlage ein? Ist das primärenergetisch nicht wesentlich schlechter zu bewerten als ein Gas_-Brennwertkessel in Bezug auf die Sommermonate?
In der Tat wird in den Sommermonaten und der Übergangsperiode die Wärmepumpe entlastet. Ganz wird diese nicht still stehen, jedoch kann die Bezeichnung „back up“ in Abhängigkeit der Regelung in den meisten Fällen jedoch als durchaus zutreffend gewertet werden. Primärenergetisch ist eine Wärmepumpen-Solarthermie-Kombination einer Gas-Heizung hingegen deutlich überlegen, da große Mengen Umweltwärme genutzt werden und somit der Primärenergieeinsatz gegenüber einer Gas-Heizung wesentlich geringer ist.
Guten Tag! Es würde mich interessieren, welche Leistungsfaktoren die Wärmepumpe in Kombination mit der Solaranlage erreicht?
Die Effizienz der Einbindung der Solarthermie hängt natürlich von der Anlagenkonfiguration ab. In den von uns beschriebenen Möglichkeiten, der Anbindung der Solarthermie an den Rücklauf der Erdwärmesonden, wird zum einen versucht, durch die hinzugewonnene Energie den Investitionsaufwand in den Erdwärmetauscher zu reduzieren. Zum anderen wird versucht bei gleichbleibender Größe des Erdwärmetauschers, die Effizienz der Wärmepumpe durch Solarthermie zu erhöhen. Im ersten Fall wird die Anlageneffizienz insgesamt gleichblieben, sodass die Mehrinvestition in die Solarthermieanlage mit der Ersparnis an Kosten für den Erdwärmetauscher verglichen werden muss. Im zweiten Fall wird sich die Anlageneffizienz erhöhen, sodass hier die zusätzliche Betriebskostenersparnis der Mehrinvestition in die Solarthermieanlage gegenübergestellt werden muss. Im Bereich des Einfamilienhauses bleiben die Gesamtkosten in beiden Fällen fast gleich, sodass man nicht von einem wirtschaftlichen Vorteil gegenüber einer herkömmlichen Erdwärmeheizung ohne Solarthermie sprechen kann. Allerdings ist die zusätzliche Einbindung der Solarthermie natürlich ökologisch vorteilhafter, sodass wir solargeothermische Systeme eher unter diesem Gesichtspunkt empfehlen können.
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