29. Juni 2022

Paradigma hat zwei solarthermische Sanierungskonzepte für Bestandsgebäude entwickelt, um einen möglichst hohen Autarkiegrad bei der Wärmeversorgung zu erzielen

Die Klimakatstrophe ist aktuell die größte gesellschaftliche Herausforderung. Fakt ist: CO₂-Emissionen müssen effektiv und dauerhaft gesenkt werden. Der größte Hebel dazu liegt im Gebäudebestand. Solarthermische Anlagen bieten eine Lösungsoption, den Autarkie­grad von Ein- und Zweifamilienhäusern zu erhöhen und Treibhausgasemissionen einzusparen.

Bei der Energiewende stehen vor allem der Ausbau der regenerativen Energien zur Stromerzeugung und die Umstellung des Verkehrs auf Elektromobilität im Fokus. Diese Prioritäten gehen allerdings an der Realität vorbei, wenn man sich den Endenergiebedarf von Einfamilienhaushalten anschaut. Dieser liegt bei einer durchschnittlichen Familie in einem Einfamilienhaus des Gebäudebestands bei rund 40.000 Kilowattstunden pro Jahr. Der Stromverbrauch macht davon mit 4000 Kilowattstunden lediglich zehn Prozent aus. Auf den Sektor Mobilität entfallen rund 12.000 Kilowattstunden. Das Gros der Energie wird mit 60% und rund 24.000 Kilowattstunden für die Wärmeerzeugung benötigt. Dieses Beispiel steht für etwa 15% des Gebäudebestands. 63% sind als Altbauten noch einmal deutlich schlechter gestellt.
Hier liegt der Anteil der Wärmeerzeugung bei zwei Dritteln des Endenergiebedarfs. Und selbst bei einem energetisch hoch qualitativen KfW-Haus hat der Wärmebedarf mit 10.000 Kilowattstunden noch einen Anteil von 38%. Bevor über die Anschaffung eines Elektrofahrzeugs oder die Installation einer Photovoltaik-Anlage nachgedacht wird, sollte daher zuerst die Wärmeversorgung optimiert werden.

Heizen in Kombination
In Neubau und Bestand gilt die Kombination Wärmeerzeuger plus solarthermische Anlage bereits seit langem als gute Partnerschaft. Bei Bestandsgebäuden schafft die solarthermische Anlage eine Möglichkeit, durch ihre Einbindung als regenerativer Wärmeerzeuger eine Energie- und Heizkostenersparnis zu erzielen. Aus Klimaschutzsicht ist dabei die Kombination aus Solarthermieanlage und Holzpelletkessel die beste Investition. Denn als Nachwachsender Rohstoff gilt Holz als CO₂-neutral, da bei der Verbrennung nur so viel CO₂ freigesetzt wird, wie die Bäume während ihres Wachstums dem CO₂-Kreislauf entnommen haben.
Damit die Kombination beider Systeme vor allem im Bestand bestmöglich greifen kann, sind besonders leicht integrierbare Solarthermie-Systeme sinnvoll. Die „CPC“ Vakuum-Röhrenkollektoren im „AquaSolar System“ des Herstellers Paradigma arbeiten daher mit reinem Wasser als Wärmeträger. Der Vorteil: Bei der Nachrüstung einer solchen Anlage ist kein separater Solarkreislauf notwendig. Der vorhandene Wärmespeicher kann deshalb häufig erhalten bleiben.

Nur Sonnenenergie ist wirklich CO₂-frei
Früher orientierte sich die Bemessung einer Solarthermie-Anlage am Wärmebedarf eines Hauses und dem Zusammenspiel mit den weiteren Komponenten des Heizsystems. Im GEG ist für Neubauten eine anteilige Wärmeerzeugung aus regenerativen Quellen von 15% gefordert. Diese Zielerfüllung sollte im Sinne des Klimaschutzes heute nicht mehr den Maßstab bilden. Vielmehr lautet die Devise: Die Solarerträge sollten so hoch wie möglich sein, um die größtmögliche CO₂-Einsparung zu erzielen. Dabei zeigt sich, dass eine CO₂-Einsparung nicht zwingend mit einer Energieeinsparung einhergehen muss. Ein Holzpelletkessel spart große Mengen an CO₂ ein, ohne dass dafür der Endenergiebedarf des Hauses maßgeblich sinken muss. Erst die zusätzliche Solaranlage führt auch zu einer deutlichen Einsparung an Endenergie von bis zu 50% und mehr. So reicht die gleiche Menge CO₂-neutraler Holzpellets dann nicht nur für ein einziges Haus, sondern sogar für zwei.

Paradigma hat mit dem „Sonnen EnergieHaus“ und dem „SonnenAktivHaus“ zwei Sanierungskonzepte für Bestandsgebäude entwickelt, um über einen möglichst hohen Autarkiegrad bei der Wärmeversorgung besonders hohe CO₂-Einsparungen zu erzielen. Das „SonnenEnergieHaus“ deckt dabei 50% der jährlich benötigten Heizenergie durch solare Erzeugung ab. Das „SonnenAktivHaus“ erzielt immerhin einen Autarkiegrad von 30%. Möglich werden diese Werte durch entsprechend große Kollektorflächen. Um ein Bestandsgebäude mit 24.000 Kilowattstunden Wärmebedarf zu einem SonnenEnergieHaus zu machen, sind 30 m² Kollektorfläche in Kombination mit zwei 800 l fassenden Pufferspeichern notwendig. Die Vakuum-Röhrenkollektoren stellen dabei auch bei diffusem Licht und an Wintertagen solare Erträge bereit. Nach dem Eimer-Prinzip heizt sich das Wasser in den Vakuumröhren auf und wird dann in einem Schwall in den Pufferspeicher geleitet. So werden höhere Wärmeerträge auf höherem Temperaturniveau und bei geringerem Pumpenstromverbrauch erzielt als im Durchlaufprinzip.
Bei der Konzeption der beiden Sonnenhäuser hat Paradigma den Bestand an Einfamilienhäusern in die vier Kategorien KfW-Haus, Niedrigenergiehaus, Bestandshaus und Altbau eingeteilt. Somit reichen acht Standard-Solarsys­teme für nahezu alle Anwendungsfälle aus.

Vorhandene Dachfläche gibt den Ausschlag
Die Größe der Solaranlage für den größtmöglichen solaren Energieertrag bemisst sich an der verfügbaren Dachfläche. Im Mittel steht bei den mehr als 15 Mio. Einfamilienhäusern, die durch eine Solarthermie- oder Photovoltaik-Anlage energetisch aufgewertet werden können, lediglich eine Dachfläche von 22 m² zur Verfügung. So ist die Entscheidung, ob ein Gebäude zum „SonnenEnergieHaus“ oder zum „SonnenAktivHaus“ werden kann, nicht allein vom Eigentümerwunsch, sondern ebenso von den baulichen Gegebenheiten abhängig.
Für die verfügbaren Dachflächen ergibt sich folgende Faustformel: Bei besonders kleinen Dächern mit weniger als 6 m² verfügbarer Fläche ist eine rein solarthermische Warmwasserbereitung sinnvoll. Bei Dachflächen zwischen 6 und 20 m² ist die rein solarthermische Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung zu bevorzugen. Erst ab einer freien Dachfläche von mehr als 20 m² ist die Kombination aus Solarthermie zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung mit einer Photovoltaikanlage die beste Option. Regenerativ erzeugter Strom lässt sich – im Gegensatz zu regenerativ erzeugter Wärme – ohne größere Verluste transportieren, sodass bei der Stromproduktion Erzeugungs- und Verbrauchsort besser voneinander entkoppelt werden können.

Nachvollziehbare Erträge
Um die Vorteile der solaren Wärmeerzeugung greifbar zu machen, ist eine Erfassung der Erträge notwendig. Wie bei einer Photovoltaikanlage auch, muss der Nutzer nachvollziehen können, welche Leistung seine solarthermische Anlage erbringt. Paradigma hat hierfür mit der Zweistrang-Solarstation „STAqua II“
und dem Solarregler „Systa Solar Aqua II“
ein transparentes System entwickelt. Mit Hilfe von Sensoren misst die Anlage den tatsächlich im Solarkreis vorhandenen Volumenstrom, die Solarvorlauf- und die Solarrücklauftemperatur sowie die Außentemperatur. Aufgrund der Verwendung von Wasser als Wärmeträger lässt sich damit zuverlässig der Ertrag der Solaranlage bestimmen. Zusätzlich kontrolliert eine integrierte Diagnosefunktion permanent alle Funktionen des Systems, sodass Störungen schnell erkannt und behoben werden können.
Durch die Messung der Solarerträge ließ sich bereits nachweisen, dass der in Aussicht gestellte Autarkiegrad durch ein SonnenEnergieHaus in der Praxis sogar noch übertroffen werden kann. So wurde für ein KfW-Haus 40+ in Umkirch mit 20 m² Kollektorfläche eine solare Deckungsrate von 70% des jährlichen Wärmebedarfs ermittelt.

Problematik der thermischen Stagnation
Bei dermaßen großen Kollektorflächen stellt sich unwillkürlich die Frage der Überhitzung im Sommer. Grundsätzlich ist die thermische Stagnation, in der der Pufferspeicher voll ist und keine weitere Energie von den Kollektoren mehr aufnehmen kann, ein normaler Zustand, mit dem an einigen Tagen im Sommer zu rechnen ist. Gut konzipierte und ausgereifte Solaranlagen sind dieser Herausforderung gewachsen. Die „CPC“ Vakuum-Röhrenkollektoren und alle anderen Komponenten eines „AquaSolar“-Systems von Paradigma halten hohen Systemtemperaturen und überhitztem Dampf beliebig oft Stand. Außerdem ist das bei herkömmlichen Solaranlagen auftretende Cracken des Wasser-Glykol-Gemischs ausgeschlossen, da im Paradigma-System ausschließlich Wasser als Wärmeträger verwendet wird.
Grundsätzlich kann überschüssige Solarenergie im Sommer allerdings auch eine Ressource für zusätzliche, kreative Anwendungen sein. Die ab und an praktizierte Kellertrocknung ist hierfür ein Beispiel.
Im Winter funktioniert der Frostschutz folgendermaßen: Durch den gezielten Einsatz von Niedertemperaturwärme aus dem kalten Bereich des Speichers schützt sich das „AquaSolar“-System selbst vor dem Einfrieren. Der Frostschutz-Energieaufwand beträgt 1 bis 3% des Jahresertrags.

Warmes Wasser durch die Sonne
Einen auch im Sommer kontinuierlich bestehenden Wärmebedarf bildet die Warmwasserbereitung. In diesem Bereich hat sich die Solarthermie bereits seit langem bewährt. Nahezu jeder bestehende, konventionelle Warmwasserspeicher kann mit dem Paradigma „AquaSolar“-System nachgerüstet werden. Ein spezieller Solarspeicher ist dazu generell nicht erforderlich. Um einen besonders hohen hygienischen Standard zu erzielen, ist es jedoch sinnvoll, einen solar beschickten Pufferspeicher mit einer Frischwasserstation einzusetzen.

Hohe solarthermische Deckungsraten sind Realität
Solarthermie avanciert zunehmend von der reinen Ergänzungslösung zu einem hoch effektiven Heizsystem mit Unterstützung durch einen konventionellen Wärmeerzeuger wie Heizkessel oder Wärmepumpe. Solare Deckungsraten von 70% und mehr sind keine Utopie mehr, sondern in entsprechenden Gebäudekonzepten realisierbar. So muss nur noch ein kleiner Teil der Wärme aus anderen Quellen ergänzt werden. Viel wichtiger als diese Spitzenwerte ist allerdings die solarthermische Aktivierung des Gebäudebestands. Denn durch die Substitution fossil erzeugter Heizwärme gegen solarthermische Heizwärme lässt sich der CO₂-Ausstoß des Gebäudebestands ebenso deutlich senken, wie der Brennstoffverbrauch. Wird der verbleibende Restbedarf an Wärme dann noch durch einen regenerativen Energieträger wie Holzpellets gedeckt, profitiert das Klima gleich doppelt. Paradigma hat mit acht Standard-Solarsystemen einen Weg aufgezeigt, wie sich das Einsparpotenzial an Brennstoff und CO₂ im Gebäudebestand heben lässt. Kein regeneratives Hybridsystem sollte auf diese wertvolle Option verzichten.

Text und Bilder: Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG

https://ritter-energie.de