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Thermische Solaranlage

Technische Daten
Erfahrungen
Verhalten von Kollektor und Anlage
Vergleich mit anderen Energieträgern
Jahreserträge, Bilanz
Energie-Inhalt im Speicher
Zahlen zur Diskussion um die Solarenergie


Kosten-Nutzen

Kosten für Erdgas

Jahr
Preis in Euro
2007
967
2008
891
2009
1014
2010
1011
2011
1041
2012
799
2013
975
2014
1030
2015
692 *(vier Wochen mit Holz geheizt)

Bei einem mittleren Wert der Gaskosten von 1000 Euro pro Jahr und laut Energiezähler einer durch die Sonne eingesparten Menge  von 25% (Abb. 17) ergibt sich eine Einsparung von 250 Euro pro Jahr
Bei einer angenommenen Lebensdauer der Solaranlage von 20 Jahren beträgt somit die Einsparung rechnerisch 5000 Euro.
Dieser Betrag entspricht nur einem Bruchteil der Anlagenkosten (von 2006).
Fazit: Die thermische Solaranlage rechnet sich nicht.


Technische Daten

Funktion: Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung
Fläche 12 m²
Pufferspeicher 850 L, die Aufladung kann über zwei Wärmetauscher erfolgen, jeweils im oberen (für Brauchwasser) oder unteren Bereich (für Heizung).
Ausrichtung SSW
Dachneigung 38 Grad

Zur Nutzung des Pufferspeichers:

Zunächst war der  Vorrang für die Brauchwassererwärmung im oberen Speicherteil eingestellt.  Doch brachte diese Einstellung "Warmwasser mit möglichst hoher Temperatur" weniger Energie wegen des schlechteren Wirkungsgrades des Kollektors bei hohen Temperaturen.
Daher wurde später wegen des besseren Wirkungsgrades nur noch der etwas kältere untere Teil des Speichers solar aufgeheizt. Dies hat allerdings zur Folge, daß bei nicht ausreichender Wassertemperatur im oberen Bereich die Gasheizung zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser nachgeheizen muß .

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Abb. 01: Die Kollektoren auf dem Dach
Abb. 02: Sie liegen auf den Ziegeln auf, Verbindungsmuffe zwischen zwei Elementen.


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Abb. 03: Anlagenschema:
links (nicht gezeichnet) Gasheizung und Holzkessel,
in der Mitte Pufferspeicher und Solaranlage,
rechts die Heizkörper im Haus.

Der Speicher hat zwei Wärmetauscher für Solar und zwei Eingänge für das Heizungswasser (oben und unten). Das Brauchwasser wird mit einer Edelstahlrohrschlange (rechts im Speicher erwärmt).
Die Heizkörper bekommen ihr Heizwasser aus der unteren Hälfte des Speichers.


Erfahrungen 

Da je nach Jahreszeit die Sonne kürzer oder länger scheint, sind im Winter bei dieser Ausrichtung etwa fünf Stunden nutzbar, im Sommer etwa zehn Stunden. Dementsprechend ist der mögliche Ertrag im Sommer höher.


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Abb. 04: 8.1.2007, Tag ohne Solarenergie: Aussentemperatur 2 bis 6 Grad (untere Kurve= Kollektor),
Die Heizung springt fünfmal am Tag an jeweils für etwa zwei Stunden, am Abend ist eine erhöhte Temperatur eingestellt zum Aufheizen des oberen Speichers für Warmwasser. Der Heizungskreislauf hat Temperaturen zwischen 30 und 40 Grad.
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Abb. 05: 27.12.2006, Tag im Winter mit Sonnenschein bei Aussentemperaturen von etwa -5 Grad.
Ertrag = 2517-2505= 12 kWh von 11 bis 16 Uhr. Die Temperatur reicht aus, um den Speicher aufzuheizen auf 55 Grad. Im Normalbetrieb sind für die Heizung 35 bis 45 Grad erforderlich.
In der Zeit von 0 bis 8 Uhr zeichnen sich die Heizperioden der Gasheizung ab. (FB)
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Abb. 06: 12.3.2007, Tag im Frühling mit Sonnenschein bei Aussentemperaturen von etwas über Null Grad. Die Heizung ist nicht in Betrieb
Ertrag = 2713-2684= 29 kWh. Der Speicher erreicht 80 Grad im oberen Teil. (FB)
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Abb. 07: 18.5.2007, Tag im späten Frühling bei Aussentemperaturen bei etwa 10 Grad.
Ertrag: 3825-3792= 33 kWh, etwas bewölkt. Speicher erreicht fast 80 Grad. (FB)


Verhalten von Kollektor und Anlage


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Abb. 08:Wirkungsgradkennlinie für einen Flachkollektor mit 12 m², aufgetragen als erreichbare Nutzleistung gegen die  Temperaturdifferenz zwischen Luft und Kollektorflüssigkeit.
100% Wirkungsgrad entspricht 12 kW bei 1000 W Einstrahlung.

Der Wirkungsgrad eines Flach-Kollektors hängt von der Differenz zwischen Wasser- und Lufttemperatur, der Einstrahlung sowie der Durchlässigkeit der Abdeckung ab. 
  • Je größer der Unterschied zwischen Innen-und Außentemperatur ist, um so höher sind die Verluste.
  • Bei gleichen thermischen Verlusten ist deren prozentualer Anteil bei starker Sonneneinstrahlung geringer als bei schwacher.
  • Die optischen Eigenschaften der Scheibe und des Absorbers sorgen für eine nicht 100-prozentige Umsetzung des Sonnenlichtes. Hier etwa 85%.
Die Temperatur im Kollektor kann ohne Belastung so weit steigen, bis die Verlustwärme gleich der eingestrahlten Leistung ist. Dann erreicht der Kollektor die Leerlauftemperatur.
In diesem Fall sind es 120 Grad plus Lufttemperatur bei 800 Watt beziehungsweise 145 Grad plus Lufttemperatur bei 1000 Watt. (FB)

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Abb. 09: Guter Sonnentag, zuerst oberer Speicher danach unterer Speicher aufgeheizt. (FB)
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Abb.10: Chaos-Tag: 
Zunächst erreicht der obere Speicher seine Maximaltemperatur.
Danach ab 13:00 kommt auch der untere Speicher an die Grenze. Der Regler schaltet die Pumpe ab. (Stagnation genannt)
Die Temperatur im Kollektor steigt, dabei erhöht sich der Druck. Ein Teil der Solarflüssigkeit wird in das Ausdehnungsgefäß im Keller gedrückt. Im Kollektor bildet sich Dampf. Bei weiter steigender Temperatur könnte der Druck weiter ansteigen, bis alle Flüssigkeit in Dampf verwandelt ist.
Wenn genügend Platz im Ausdehnungsgefäß ist, dann ist dieser Zustand unschädlich für die Anlage.
Da das Ausdehnungsgefäß aber etwas zu klein war (Planungsfehler), öffnete sich im Keller ein Sicherheitsventil und Solarflüssigkeit und Dampf wurden in einen Auffangbehälter gedrückt. (FB)

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Abb.11: Arbeit (aufsummiert) und Leistung (rot) an einem guten Sonnentag mit einigen Wölkchen. Zwei verschiedene Abgabetemperaturen: 90 und 60 Grad im oberen und unteren Speicher beeinflussen den Wirkungsgrad. 33% bzw. 50%,    bei 100% = 12 kW (FB)



Vergleich mit anderen Energieträgern


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Abb. 12: Vergleich der Preise für  Holz und Holzspäne 2007 (FB)
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Abb. 13: Kostenrechnung Stadtwerke, Strom, Gas, Wasser  im Sommer 2006 (FB)



Jahreserträge, Bilanz

Nach rund zwei Jahren Solarbetrieb läßt sich der "Gewinn" abschätzen.
Für Warmwasser und Heizungsunterstützung hat die Sonne rechnerisch etwa ein Viertel des verbliebenen Gasverbrauches ersetzt. Allerdings ließ sich die Energie an einigen sehr heißen Sommertagen nicht immer nutzen.
Auf der anderen Seite hätte ohne Sonne die Bereitstellung von Brauchwasser im Sommer erhöhte Betriebskosten bei der Gasheizung verursacht.

Vorsichtig geschätzt dürfte der Gewinn in einer Ersparnis von rund 20% bezogen auf die verbrauchte Gasmenge liegen.

Für die Schonung der Umwelt ist dieser Betrag zur Einsparung von CO2 sehr viel, zur Refinanzierung der Anlagenkosten bei heutigen Gaspreisen jedoch noch sehr wenig.



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Abb. 14: blau: Täglicher Solarertrag (kWh) und  rot: Pumpenlaufzeit (h). Die langen Laufzeiten im Sommer-06 sind bedingt durch die Aktivierung der Rückkühlfunktion zur Vermeidung von Übertemperaturen. (FB)
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Abb. 15:Solarertrag in jeweils vier Wochen. In den Wintermonaten ist der Ertrag sehr gering, in den Sommermonaten bis zu 650 kWh. (FB)


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Abb. 16: blau: Solarertrag-Summe (kWh) und  lila: Pumpenlaufzeit-Summe (h).
Die Ernte in 18 Monaten beträgt rund 5500 kWh, bzw. rund 3000 kWh in den letzten 365 Tagen.
Im Vergleich zum Gas-Jahresverbrauch mit rund 13500 kWh sind dies etwa 25 %.

In den beiden Winterperioden von November bis Februar war der Ertrag äußerst gering. (FB)
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Abb. 17: Gegenüberstellung Energieverbrauch Heizung- Energiegewinn Solar in kWh.
Die Solardaten sind um den Faktor 4 überhöht.
Heizungsbedarf und Solarangebot sind zeitlich versetzt. Im Sommer ist der Bedarf reduziert und im Winter das Angebot nur gering. Dennoch gibt es in den Übergangszeiten Überschneidungen, bei denen die Solarenergie die Heizung unterstützen kann.
Unter der Annahme, daß die gesamte Solarenergie nutzbringend in Heizung und Brauchwasser fließt, kann bei gleichen Stufenhöhen mit ähnlichen Kurven und einer Überhöhung um den Faktor Vier der Gewinn durch die Solarenergie als ein Viertel der Heizenergie angesehen werden.
Ohne Solarenergie wäre der Gasverbrauch also 25% größer
.
Tatsächlich ist der Gewinn jedoch geringer, denn es gibt selbst im Oberharz im Sommer einige heiße Tage, in denen weder Energie für Brauchwasser noch Heizung benötigt wird, und der heiße Speicher lediglich den Keller aufheizt. (FB)



Energie-Inhalt im Speicher

Der Speicher hat 850 Liter Inhalt.

Die Wärmemenge pro Grad Temperaturerhöhung beträgt  850 kg * 4,2 kJ/kg/K = 3570 kJ /K
(eine Kilowattstunde hat 3600 kJ),  d.h. der Speicher enthält ca. 1 kWh pro Grad Temperaturerhöhung

Ein guter Sonnentag (10.6.2006) hat 32 kWh erbracht und somit eine Erwärmung um 32 Grad (entspricht rund 3,5 m³ Gas).

Nutzbar für Heizung ist der Temperaturbereich von 95° bis 40° , 95 - 40 = 55° entsprechend  55 kWh bei 850L Wasser.
Das sind etwa 6 m³ Gas bei einem Brennwert von 9 kWh/m³,
die etwa 40% des Bedarfs eines sehr kalten Wintertages (15 m³) ersetzen.

Weitere Speicher: Der Speicher250 und der Holzkessel enthalten jeweils 250 Liter.
Nutzbar für Heizung sind
95° - 40° = 55°,   55K * 4,2 kJ/kg/K* 500kg = 115500 kJ  oder 115500kJ / 3600 kJ/kWh  = 32 kWh bei 500L Wasser.
also 16 kWh für jeden der beiden Speicher (jeweils entsprechend rund 2 m³ Gas).

Gesamtsumme der gespeicherten Energie  55 + 32 = 87 kWh
Das entspricht  10 m³ Erdgas  und (Juli 2006) rund 7 Euro.

Aufheizen des Holzkessels oder des Speicher250 um 55°
16 kWh entsprechend 16 kWh / 4,7 kWh/kg = ca. 4 kg Holzspänebriketts oder Abkühlung des Speicher850 um 16°.
Bei Holzheizung mit 16 kW dauert das Aufheizen von 250 L Wasser somit etwa eine Stunde.


Wärmeverluste im Speicher850
Laut Daten vom 17.6.2006 sinkt die Temperatur von 68,4° auf 66,6° in 6 Stunden.
d.h. 68,4° - 66,6° = 1,8° in 6 Stunden oder 4 *1,8° = 7,2° in 24 Stunden

Verlustleistung = 7,2 kWh / 24h = 0,3 kW    = 300 Watt bei 47° Differenz (67° - 20° Lufttemperatur),
(bei höherer Temperatur etwa 95° -20° rechnerisch demnach  75 / 47 * 300 = 490 Watt

Am 20.5.06 waren es 68,9° - 67° in 10 Stunden = 4,6° in 24 Stunden, somit rund 200 Watt.

Somit kühlt sich der Speicher pro Tag je nach Wassertemperatur zwischen 5 und 10 Grad ab.

Die Frontseite mit den Anschlußrohren ist noch nicht überall optimal isoliert. (.... Aufgabe für dunkle Wintertage)


Zahlen zur Diskussion um die Solarenergie


Warmwasser, 100 Liter pro Tag von 10 Grad auf 50 Grad erwärmen,
100 Liter/Tag * 4,2 kJ/kg/K * (50-10) Grad = 16800 kWs = 4,6 kWh/Tag

direkt an der Entnahmestelle elektrisch erzeugen.
4,6 kWh/Tag * 0,21 Euro/kWh = 0,97 Euro pro Tag

im Speicher vorhalten und mit Gas erwärmen einschließlich der Verluste im Speicher
etwa 1 m³ Gas/Tag  = 0,593 Euro pro Tag

In den Monaten Juni, Juli, August..., etwa 100 Tage, läuft die Heizung nicht,
Warmwasserkosten könnten durch Solarbetrieb aufgefangen werden:
Einsparung für elektrisch erwärmtes Warmwasser     100 Tage * 1 Euro = 100 Euro
Einsparung für mit Gas erwärmtes Warmwasser       100 Tage * 0,6 Euro = 60 Euro

Bei elektrisch erwärmtem Wasser direkt an der Entnahmestelle reduziert sich die Warmwassermenge, da nur das Wassser erwärmt wird, was wirklich gebraucht wird.

Bei Wasser aus dem Speicher durch Gas erwärmt wäre bei Verwendung einer Zirkulationspumpe die (verschwendete) Wassermenge kleiner, doch die Verluste in den Leitungen beim Umwälzen wieder größer.

In den übrigen Monaten läuft die Gas-Heizung und der Speicher ist ohnehin warm,
dann entstehen für Warmwasser nur noch die zusätzlichen Energiekosten für Gas,
4,6 kWh/Tag * 0,069 Euro/kWh   = 0,32 Euro/Tag

Bei Sonnenstrahlung von 1000 kWh pro Jahr (Hannover, Clausthal hat ca 850) und 365 Tagen ist die Strahlung im Mittel  1000 / 365 = 2,75 kWh/Tag.
Das sind bei 24 Stunden/Tag eine mittlere Dauerleistung von 2,75/24 = 114 Watt

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