Metalldach mit innovativer Solartechnik

Schema des Sonnenkollektors

1 Wärmedämmung
2 Schutzkassette, unterseitig
3 Titanzink-Oberfläche
4 Systemlattung, Systembefestiger
5 Fluidträger
6 Flexibler Edelstahlschlauch
7 Sammelrohr mit Steckverbindung

Der Heizwärmebedarf von Gebäuden spielt in unseren Breitengraden eine große Rolle und steht seit jeher im Mittelpunkt der Betrachtungen zu energieeffizientem Bauen. Nicht zuletzt durch die steigenden Energiepreise und das Bemühen um umweltverträgliches Bauen ist die Nachfrage nach erneuerbaren Energien groß und die Nutzung der Sonnenenergie steht dabei an erster Stelle.

Das System »Quick Step SolarThermie« von Rheinzink verbindet die Vorteile eines umweltverträglichen, einfach zu montierenden Metalldachs mit einem intelligenten Energiekonzept. Unverglaste Sonnenkollektoren, die unter der Dachdeckung angeordnet werden, produzieren Niedertemperaturwärme und sorgen für kontinuierliche Energiegewinnung, sogar bei bewölktem Himmel und winterlichen Außentemperaturen. Im Gegensatz zu üblichen Solarkollektoren wird die Dachdeckung selbst als Energiequelle genutzt. Dabei verbirgt sich die komplette Technik unter der eigentlichen Dachdeckung. Somit bleibt dem Planer die volle Gestaltungsfreiheit, ohne Zugeständnisse an die Dachfläche, die nachträglich aufgebrachte Kollektoren mit sich bringen.

Das metallene Decksystem besteht aus serienmäßig vorgefertigten, standardisierten Quick Step-Basisprofilen, dem entsprechenden Haltesystem und den Regenwasser führenden Fugenprofilen zur Verbindung der Basisprofile im Bereich der Querstöße. Für Dachdurchdringungen werden systemkonforme Anschlussrahmen verwendet. Ebenso sind Systemkomponenten für Traufen, Firste, Ortgänge und Kehlen verfügbar. Die Montage der Basisprofile, oberhalb der zuvor installierten Solarthermie-Paneele ist einfach und zeitsparend. Sie werden mit den vorderseitigen Ab- und Umkantungen und den rückseitigen wulstähnlichen Aufkantungen durch Aufdrücken und Einrasten verbunden. Die Verlegerichtung verläuft vom First zur Traufe. Bei Bedarf können einzelne Profile ohne Probleme ausgetauscht werden. Die fertige Dachfläche zeigt eine ausgeprägte treppenartige Abstufung. Als Oberflächenqualität stehen die Varianten »vorbewittert« blaugrau und »vorbewittert« schiefergrau zur Verfügung.   

Die innovative Entwicklung nutzt die hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs Titanzink: Basisprofile des Quick Step-Treppendachs werden mit einem an der Unterseite aufgebrachten Fluidsystem modifiziert. Mit den so ausgerüsteten Kollektoren ist es möglich, Solar- und Umgebungswärme aufzunehmen und sie an Heiz- bzw. haustechnische Sys-teme weiterzuleiten. Als Niedertemperaturkollektor liefert Quick Step SolarThermie Wärmeenergie bis etwa 35 °C.

Wärmepumpe mit Solar- und Geothermie
Mit den besonderen physikalischen Eigenschaften der Absorbertechnologie eignet sich das System als Wärmequelle für Wärmepumpensysteme. Durch Ankoppeln des unverglasten Solarkollektors als zusätzliche Wärmequelle wird die Effektivität der Wärmepumpe deutlich gesteigert. Zudem lassen sich die herkömmlichen Wärmequellen wie Erdsonden oder horizontale Erdabsorber reduzieren und somit Investitionskosten sparen. Die Energiegewinne werden aus direkter und diffuser Solareinstrahlung, aus Umweltenergie in Form von Umgebungstemperatur und aus Kondensationswärme genutzt. Kondensation von Luftfeuchte in Form von Tauwasser auf den Kollektoren tritt regelmäßig auf. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wirkt sich positiv auf die Energiebilanz aus: Untersuchungen ergaben, dass die Kondensationsgewinne den Kollektorertrag um mehr als ein Drittel erhöhen. Da der Absorber in Kopplung mit Wärmepumpensystemen häufig unterhalb der Umgebungstemperatur betrieben wird, arbeitet das System im Gegensatz zu klassischen Solarkollektoren besonders effektiv mit der Umgebungstemperatur, somit auch während der Nacht.

Schaltschema der Solar-Geothermischen Anlage

1 Quickstep-SolarThermie
2 Solarkreis – Vorlauf
3 Solarkreis – Rücklauf
4 Regeleinheit für ein Zwei-Quellen-System mit Solepumpe
5 Erdreichkollektor
6 Solekreis – Rücklauf
7 Sole-Wasser-Wärmepumpe
8 Heizkreis – Vorlauf
9 Heizkreis – Rücklauf
10 Raumheizung, Wandheizung
11 Raumheizung, Fußbodenheizung
12 Warmwasserspeicher

Umweltfreundliche Energie aus der Erde
Wärmepumpensysteme sind preiswert zu betreiben, umweltfreundlich, komfortabel und wartungsarm. Sie versorgen ein Gebäude zuverlässig mit Heizenergie und warmem Wasser. Das am häufigsten eingesetzte Verfahren für Sole-Wasser-Wärmepumpen sind Erdwärmesonden, also Bohrungen mit bis zu etwa 100 Metern Tiefe. Eine andere Möglichkeit sind Erdwärmekollektoren, die unterhalb der Frostgrenze, in etwa 150 cm Tiefe im Boden verlegt werden. Die Erdtemperaturen reichen allein nicht aus, das Haus direkt zu beheizen. Den Rest erledigen dann Wärmepumpen. Bei effizient auslegten Anlagen stammen ca. 75% der Energie aus der Erde und etwa 25% aus dem Antrieb der Wärmepumpe.

Auch mit herkömmlichen Solarkollektoren kann tagsüber Energie zum Aufbereiten von Warmwasser und zum Heizen eingesammelt werden. Für die Warmwassererzeugung in Ein- und Mehrfamilienhäusern wird dieses Prinzip millionenfach angewandt. Allerdings steht die Sonne nicht immer in ausreichendem Maße zur Verfügung. Das macht es aufwendig, Gebäude ausschließlich mit Solarenergie zu heizen: Tage mit geringer Sonneneinstrahlung müssen mit entsprechend großen Speichersystemen überbrückt werden. Im Winter reicht die Sonnenenergie nicht aus, im Sommer steht dagegen ein enormer Überschuss an Solarwärme zur Verfügung, der nicht genutzt werden kann. Daher werden Solarheizsysteme üblicherweise mit einem zweiten Heizsystem, in der Regel mit Öl oder Gas, kombiniert.


Im Hinblick auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpensystemen ist bei der Wahl der Wärmequelle auf ein möglichst hohes Temperaturniveau und die Verfügbarkeit über das gesamte Jahr zu achten. Als Faustregel gilt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Energiequelle und dem Heizsystem, desto höher die Effizienz einer Wärmepumpe. So wird zum Betreiben der Wärmepumpe weniger Energie benötigt und senkt die Betriebskosten.

Natürliche Wärmequellen als nachhaltiger Energiemix

Ein ideales Zusammenspiel auf der Basis erneuerbarer Energieträger entsteht, wenn man die Wärmepumpentechnologie mit der Absorbertechnologie kombiniert. Bei diesem »geo-solarthermischen« System wird die Solaranlage in den Erdwärmekreis eingebunden. Im Sommer und in den Übergangszeiten stehen höhere Umweltwärmemengen durch die Solarstrahlung und durch Umgebungstemperatur zu Verfügung, im Winter hingegen ist das Temperaturniveau im Erdreich günstiger. Die Umweltwärmemengen aus direkter Solarstrahlung, aber auch aus Absorption aus der umgebenden Atmosphäre, machen den Absorber temporär zur thermodynamisch günstigsten Wärmequelle für Wärmepumpenheizanlagen. Besonders in den Übergangszeiten liegt die Energie der Lufttemperatur oberhalb der direkten Globalstrahlung und der Erdreichtemperatur. Somit kann auch die Lufttemperatur z.B. an milden Wintertagen – anders als durch Erdsonden oder Erdabsorber – unmittelbar genutzt werden. Der Absorber sollte wie herkömmliche Solarkollektoren möglichst nach Süden orientiert sein.

Effizienter Betrieb

Durch eine spezielle Regelstrategie ist es möglich, der Wärmepumpe primärseitig immer ein hohes Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen. Die Wärmeträger-Volumenströme des Erdkollektors und des Solar-absorbers werden so entsprechend dem jeweiligen Temperaturangebot beeinflusst. Die drei Systemkomponenten Wärmepumpe, Erdreichspeicher und Sonnenkollektor müssen regelungstechnisch und hydraulisch aufeinander abgestimmt werden. Die hydraulische Verschaltung ermöglicht drei Betriebsarten: die Entladung des Erdspeichers durch die Wärmepumpe, die Beladung (Regenerierung) des Erdreichs durch die Sonnenkollektoren sowie den »Zwei-Quellen-Betrieb«, in dem Kollektoren und Erdsonden gemeinsam Wärme zur Wärmepumpe liefern.

Komponenten einer solar-geothermischen Anlage

Die Hauptkomponenten der Geo-Solaranlage bestehten aus dem Erdwärme- oder Speichersystem, einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit den hydraulischen Einrichtungen als Wärmepumpenmodul, dem Quick Step SolarThermie-Solarabsorbersystem, einem Niedertemperaturheizsystem, beispielsweise Fußbodenheizungen mit möglichst geringen Vorlauftemperaturen und einem Hydraulikmodul zur hydraulischen Umschaltung des Erdwärme-Solarabsorberkreises mit entsprechender Regelung.

Ausführungsbeispiel

Seit September 2003 wird die Geo-Solaranlage an einem Einfamilienwohnhaus in Dresden ausgewertet. Durch Einspeisung des Energie Ertrages aus Quick StepSolarThermie betrug die Soletemperaturerhöhung in den Jahren 2004 und 2006 im Durchschnitt 6 Kelvin. Im ersten Betriebsjahr konnte eine Jahresarbeitszahl von 5,04 gemessen werden. Ursprünglich benötigte die Wärmepumpe als Wärmequelle eine Erdreichkollektorfläche von 400 m². Da die Grundstücksfläche nicht ausreichte, konnte die Fläche durch den Einsatz von 44 Quick Step SolarThermie Paneelen auf 320 m² verringert werden. Die Alternative, drei Erdsonden à 93 m Tiefe einzusetzen, wäre kostenintensiver gewesen als der gewählte Einsatz von Erdreichkollektoren in Kopplung mit dem Quick Step SolarThermie Dach inkl. Verrohrung, Hydraulik und Regelung. Bei der Größenbestimmung der Erdreichkollektoren konnte somit auf 20% der Entzugsfläche verzichtet werden.

Betriebserfahrungen

In den Übergangsperioden, vor allem im Frühjahr, wenn der Erdboden in den Wintermonaten durch die extreme Entzugsleistung der Erdsonden in der Heizperiode ausgekühlt ist, wird ein deutlicher Anteil der benötigen Wärmeenergie der Umgebungsluft durch Quick Step SolarThermie entzogen, zusätzlich ist die solare Strahlungsenergie nutzbar. Auf Grund des geringeren Wärmeentzuges durch den Erdkollektor wird das Erdreich in den Wintermonaten nicht so stark ausgekühlt und kann sich in den Sommermonaten schneller und auf ein höheres Temperaturniveau regenerieren. Die Gefahr der Eislinsenbildung im Erdreich wird verhindert. In den Sommermonaten ist der Anteil der Wärmeenergie, der durch Quick Step SolarThermie erbracht wird, deutlich höher, als der Anteil der Erdsonden.

An sonnenreichen Sommertagen kann die Solarabsorber-Vorlauftemperatur so hohe Werte erreichen, dass eine Warmwasserbereitung direkt, ohne Zwischenschaltung der Wärmepumpe, bis zu einem Teil möglich wird. Jedoch muss hier eine Nachladung durch die Wärmepumpe erfolgen. Diese Vorteile führen dazu, dass der Wärmepumpe mit einer Solarabsorber-Erweiterung eine Wärmequelle mit einem höherem Temperaturniveau über einen längeren Zeitraum zur Verfügung steht. Damit wird der Betrieb der Wärmepumpe wesentlich wirtschaftlicher, es stellt sich eine höhere Jahresarbeitszahl ein. Das führt bei gleichem Wärmebedarf zu einer geringeren jährlichen Betriebsstundenzahl und damit zu einer höheren Standzeit der Wärmepumpe.

Forschen für mehr Energieeffizienz

Die Rheinzink GmbH & Co. KG hat in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solar-energieforschung Hameln (ISFH) dem Forschungs- und Beratungszentrum für Maschinen- und Energiesysteme e.V. (FBZ) und haustechnischen Partnern ein geosolares Forschungsprojekt zu unverglasten Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen (UMSys) initiiert. Hier werden Grundlagen für einfache Berechnungen und Dimensionierungen standardisierter Geo-Solar-Anlagen mit Quick Step SolarThermie erarbeitet sowie System- und Regelkonzepte untersucht.

Durch Kopplung von Geothermie und Quick Step SolarThermie können Sole-Wasser- Wärmepumpensysteme erheblich in ihrer Arbeitszahl verbessert werden. In Zusammenhang mit modernen Niedrigtemperatursystemen kann der Temperaturhub von Quelle zu Verbrauchseite um bis zu 15 Kelvin reduziert werden. Die sich durch Reduzierung des Stromverbrauchs der Wärmepumpe ergebenden Energieeinsparungen liegen über 30 % gegenüber einer Erdwärmesondenanlage ohne solare Regeneration. Die Investitionskosten einer Geo-Solar-Anlage liegen etwas höher als die einer konventionellen Erdwärmesondenanlage. Die Mehrkosten des Systems amortisieren sich durch die höheren Einsparungen in der gleichen Zeit wie eine Erdwärmesondenanlage gegenüber einem konventionellen Heizungssystem mit Öl oder Gas. Bei Objekten mit hohem Warmwasserbedarf (Mehrfamilienhäuser, Hotels, Krankenhäuser) lassen sich durch den Einsatz von Quick Step SolarThermie bis zu 25% des Bedarfs decken.


Weitere Informationen unter
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