Die Sonne bringt hohe Temperaturen

Das Problem, dass Kollektoren oft undurchschaubar beurteilt werden, liegt in der beliebten Präsentation von Kollektorkennlinien bei exotischen Strahlungsbedingungen, zum Beispiel bei 800 W/m². Das gilt am Referenzstandort Würzburg (Bild 2) bei einem Süddach mit 45 ° Neigung aber nur für 11 % der energetischen Strahlungsbilanz beziehungsweise nur 159 h/a. Davon verbringt eine gut dimensionierte Anlage aber viele in der thermischen Stagnation. Dagegen kommen mehr als 13 % der Sonnenstrahlung mit weniger als 200 W/m² vom Himmel. Das Jahresmittel der Strahlungsleistung liegt in Würzburg bei 397 W/m². Der Anteil unter 100 W/m² wurde hier weggelassen, weil dieser für Flachkollektoren bedeutungslos ist und auch bei Röhrenkollektoren nur noch mit maximal 5 % in der Jahresbilanz zu Buche schlagen kann. Ohne diese Vernachlässigung läge das Mittel noch tiefer.

Die Kennlinien (Bild 3) wurden bei einer Einstrahlung von 450 W/m² gerechnet und zeigen, dass unter anspruchsvolleren Betriebsbedingungen die Leistungen der drei Röhrenkollektoren die Flachkollektoren bei spätestens 40 K Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur übertreffen. Gegen den CPC-Vakuumröhrenkollektor verlieren durchschnittliche Flachkollektoren bereits bei Temperaturdifferenzen von 15 K und die besten ab 25 K. Dabei zählen diese Flachkollektoren durchaus zu repräsentativen Vertretern ihrer Gattung. Der Kollektor mit Nr. 5 ist einer von den allerbesten und soll die momentane Leistungsgrenze der Flachkollektortechnik repräsentieren. Wir hätten an dieser Stelle gern weitere, Solarteuren gut vertraute Kollektoren präsentiert, mussten aber feststellen, dass sehr viele Hersteller wegen der Förderung zwar Solar-Keymark-Tests durchführen lassen, ihre Testergebnisse aber oft nicht öffentlich machen.

Es muss auch kritisch bedacht werden, dass die Leistungsermittlung nach DIN EN 12 975 zwar bei allen Kollektoren mit Wasser durchgeführt und die mit Wasser erzielten Ergebnisse sozusagen „amtlich“ ohne Abschlag anerkannt werden, dass aber derzeit nahezu alle Hersteller die Kollektoren in der Realität mit einem anderen Wärmeträger füllen.

Diese Glykol-Wasser-Mischung hat dann bei 40 °C eine 12 % geringere Wärmekapazität und eine 38 % geringere Wärmeleitfähigkeit. Außerdem hat sie im Vergleich mit Wasser die 3,8fache Viskosität, was eine so kleine Reynoldszahl ergibt, dass die Kollektoren überwiegend bei ungünstigerer, laminarer Strömung arbeiten müssen. Entsprechend steigt der Druckverlust auf bis zu 385 % im Vergleich mit Wasser als Wärmeträger an. Dies führt zu einem höheren Pumpenstromverbrauch. Zu tieferen Temperaturen hin werden die Verhältnisse immer ungünstiger.

Auch die Wärmetauscher (auf die man bei wassergefüllten Systemen oft ganz verzichten kann) müssen beim Betrieb mit Wasser-Glykol-Gemischen deutlich größer dimensioniert werden, da die Wärmeübertragung im laminaren Bereich deutlich schlechter ist. Nahezu alle Solarertrags-Simulationsprogramme ignorieren die physikalische Abbildung dieser Zusammenhänge durch Anwendung zu einfacher Modelle vollständig. Das geradezu regelmäßige Verfehlen der vorhergesagten Jahreserträge bei Solaranlagen mit Frostschutzmitteln, was man in der Literatur über Großanlagen am besten verfolgen kann, hat vermutlich hier eine systematische Ursache.

Ein dynamischer Jahresvergleich

Im Folgenden soll gezeigt werden, dass die Zukunft der solaren Prozesswärmetechnik in der Röhrentechnologie liegt. Dazu wurde untersucht, wie sich die drei vorgestellten Röhrenkollektoren und die Flachkollektoren in der Anwendung verhalten würden.

Es gibt zwei Lastkreise, davon eine Prozesswärmeanwendung mit einem Sollwert von 90 °C, sowie eine Raumheizung mit variablem Soll­wert zwischen ca. 45 °C und 70 °C während der Heizperiode. Es werden 250 m² Bruttofläche mit Südausrichtung und 40 ° Neigung sowie ein Jahreswärmebedarf von 310 MWh angenommen. Der Speicher hat ein Volumen von 4,5 m³ und spezifische Verluste von 8 W/K. Die Solarfläche besteht aus zwölf Strängen mit je 20,8 m² in Serie. Die Stränge zweigen alle nach links und rechts von einem mittigen Hauptstrang ab. Die Hauptzuleitung DN 50 liegt 20 m im Freien und 20 m im Innenbereich. Das Kollektorfeld wurde für alle Kollektoren als gleich angenommen, obwohl es für die Vergleichskollektoren meist deutlich komplizierter und mit mehr Rohraufwand im Außenbereich aufgebaut sein müsste, da zum Beispiel keine Rückführungsrohre vorhanden sind und bei manchen gar nicht so viel Fläche in Serie angeordnet werden kann. Beispielsweise lässt der Heatpipe-Kollektor nur 6 m² Bruttofläche in Serie zu. Betriebsdruck und statische Höhe gestatten eine Beladung des Speichers bis 103 °C. Aus Vergleichsgründen werden alle Kollektoren mit dem Paradigma-Anschluss-Set mit integriertem Fühler ausgestattet. Alle Vakuum-Röhrenkollektoren werden mit Wasser und der Regelung Systa-Solar-Aqua betrieben, die Flachkollektoren dagegen mit Glykol und der Regelung SystaSolar (mit Drehzahlregelung). Bei den Flachkollektoren befindet sich ein externer Wärmetauscher zwischen Solaranlage und Speicher, wobei sich eine Temperaturdifferenz von 5 K einstellt. Der Kollektordurchsatz beträgt einheitlich 0,35 l/m² bezogen auf die Aperturfläche (tatsächliche Einstrahlungsfläche und Bezugsgröße für den Wirkungsgrad nach DIN 4757). Obwohl die meisten Systeme einen deutlich größeren Druckabfall haben und daher stärkere Pumpen bräuchten, wird der Einfachheit halber nicht der Pumpenstromverbrauch, sondern nur die reine Pumpenlaufzeit verglichen.

Lastkreis 1: Die Vorlauftemperatur beträgt mindestens 90 °C, das heißt, der Solarspeicher wird erst entladen, wenn am oberen Speicherfühler T1 mindestens 90 °C herrschen. Die Rücklauftemperatur beträgt 70 °C. Gezapft wird nur montags bis freitags von 8:00 Uhr bis 17:00 Uhr mit einem maximalen Massenstrom von 10 000 kg/h. Der Jahresenergiebedarf beträgt 145 MWh.

Lastkreis 2: Bei der 70/50 °C-Raumheizung wird die Solaranlage zur Vorwärmung des Rücklaufs verwendet, d. h., der Solarspeicher wird entladen, sobald am oberen Speicherfühler mindestens Heizkreis-Rücklauftemperatur +5 K herrschen. Es gibt keine Speichernachheizung, der Jahresenergiebedarf beträgt 165 MWh. Beim Aqua-System schaltet die Pumpe des Lastkreises 2 kurz ein, wenn unten im Speicher 10 °C unterschritten werden und aus, wenn 15 °C überschritten werden. Nur beim Referenzkollektor wird die Einspeisezeit nach dem Eimerprinzip zur Begrenzung der Pumpenlaufzeit zeitlich beschränkt. Die Wetterdaten sind von Würzburg mit einer Einstrahlung in die Kollektorebene von 1214 kWh pro Jahr.

Das Rechenmodell wurde im Programm ColSim aufgestellt. Gerechnet wurde im Messabstand von 5 s. Der CPC-Vakuumröhrenkollektor CPC 45 Azzuro wird als Referenz verwendet, die mit ihm zu erwartenden Werte werden als 100 % definiert.

Es zeigt sich, dass Flachkollektoren bei einer solchen Anwendung besser nicht zum Einsatz gebracht werden sollten, weil sie trotz der ergänzenden Niedertemperaturanwendung im Winter nicht einmal 50 % des Kollektorertrages des CPC-Vakuumröhrenkollektors bringen würden.

Mehr Speicher oder mehr Kollektor – was ist effektiver?

Bereits 2004 bestätigte das ITW Stuttgart, dass auch bei der klassischen Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung Vakuumröhrenkollektoranlagen sowohl mit deutlich kleineren Speichern als auch mit deutlich kleineren Kollektorflächen zum selben Solargewinn f_sav kommen wie Flachkollektoranlagen. Die Simulationsstudie basiert auf folgenden Annahmen:

Einfamilienhaus (EFH) nach EnEV in Würzburg mit 128 m² Wohnfläche in Südausrichtung, mit einer Dachneigung von 45°, einem Heizwärmebedarf von 71 kWh/(m²a) beziehungsweise 9090 kWh/a, einer witterungsgeführten Heizungsregelung mit 50/30 °C, einem Warmwasserbedarf von täglich 200 l bei 45 °C, einem Kesselnutzungsgrad von 85 % sowie einem Jahresenergiebedarf von etwa 14 900 kWh.

Der Parameter f_sav gibt an, wie viel Energie durch die Solaranlage im Vergleich zu einer konventionellen, nichtsolaren Wärmeversorgungsanlage eingespart werden kann. So leisten im Zusammenhang mit 1 m³ Speicher 35 m² Vakuumröhrenkollektorfläche das Gleiche wie 100 m² Flachkollektoren oder 30 m³ Speicher mit 100 m² Vakuumröhrenkollektorfläche leisten mehr als 100 m³ Speicher mit derselben Fläche Flachkollektoren.

Weil es sich bei dem oben angeführten Prozesswärmebeispiel um eine Heizungsunterstützung handelt, müsste der Speicher einen Inhalt von 100 l/m² Kollektorfläche beziehungsweise von 25 m³ Inhalt haben, damit die ganze Anlage als „innovativ“ gelten könnte und nach der jüngsten Fassung des Marktanreizprogrammes (MAP) eine Förderung bekäme. Der Kollektorertrag würde um etwa 15 % steigen, die Systemkosten dagegen schätzungsweise mindestens um ein Drittel, ganz abgesehen davon, dass für solche überdimensionalen Speicher in der Regel gar kein Platz vorhanden ist. Das ist ein vielleicht schlechtes, aber dafür auch typisches Beispiel, wie der Gesetzgeber in guter Absicht zur Überregulierung neigt und dabei so manch sinnvollere Lösung verhindert.