Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

Solarenergie ist unbegrenzt verfügbar und steht allen Menschen kostenlos zur Verfügung. Es gibt zwei Technologien zur Nutzbarmachung der Sonneneinstrahlung: Photovoltaik und Solarthermie. Während mit Ersterer sauberer Ökostrom produziert wird, dient Zweitere der Erzeugung von Wärme – zu welchen möglichen Zwecken, erläutert dieser Artikel.

Die Wärme, die von den Solarkollektoren einer thermischen Solaranlage gesammelt wird, kann zur Warmwasserbereitung und ggf. zusätzlich zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Ein solches System zur Heizungsunterstützung wird auch als „Solarheizung“ bezeichnet. 

Die Wärme aus den Kollektoren wird in einer Solarflüssigkeit (meist ein Gemisch von Propylenglykol und Wasser) gespeichert. Die im Solarkreislauf befindliche Flüssigkeit gibt über einen Wärmetauscher die Wärme an einen zweiten Kreislauf ab, in dem sich das Leitungs- oder auch das Heizungswasser befinden. Das  erwärmte Medium wird dann in einem Solarspeicher aufbewahrt. Hierzulande kommt jedoch kein Haus mit einer Solarthermieanlage als alleinigem Heizsystem aus – die Energie der Sonne genügt nicht an allen Tagen des Jahres, den Wärmebedarf eines deutschen Haushalts zu decken. 

Reicht die Solarwärme allein beispielsweise im Winter nicht zum Heizen aus, muss ein anderer Wärmeerzeuger einspringen. Das kann eine Pellet- bzw. Holzheizung oder auch eine Wärmepumpe sein. Auch Gasheizungen werden oft mit Solarthermieanlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung betrieben.

Übrigens: Wer sich für eine Solarheizung interessiert, muss nicht gleich ein komplett neues Heizsystem in seinem Haus installieren. Solarthermieanlagen – auch solche mit Heizungsunterstützung – lassen sich vergleichsweise einfach nachrüsten. Dafür werden Sonnenkollektoren, ein Rohrleitungssystem, ein Wärmetauscher, eine Solarkreispumpe, ein Solarregler und ein passender Solarspeicher benötigt.

Ein wichtiger Bestandteil einer thermischen Solaranlage – egal ob mit oder ohne Heizungsunterstützung – ist der Solarspeicher. Er sorgt dafür, dass auch nachts oder bei Regenwetter Solarwärme in gewissem Maße zur Verfügung steht.

Je nachdem, ob mit der Solarwärme nur das Trinkwasser oder auch das Heizungswasser erhitzt werden soll, benötigt ein einzelner Speicher ggf. zwei getrennte Kreisläufe, da unterschiedliche Temperaturen vorgehalten werden müssen. Grundsätzlich wird zwischen folgenden Arten von Solarspeichern unterschieden:

1. Pufferspeicher für die Heizungsunterstützung
2. Warmwasserspeicher zur Brauchwassererwärmung
3. Kombispeicher als Warmwasserspeicher mit Heizungsunterstützung

Übernimmt die Solaranlage neben der Warmwasserbereitung auch die Heizungsunterstützung, werden in der Regel zwei separate Speicher aufgestellt: ein Pufferspeicher und ein Warmwasserspeicher. Wer wenig Platz zur Verfügung hat, kann auf einen Kombispeicher zurückgreifen, das ist ein Warmwasserspeicher samt integrierter Heizungsunterstützung. 

Die Größe des Solarspeichers richtet sich zum einen nach dem individuellen Wärmebedarf und zum anderen nach den weiteren Komponenten der Solarthermieanlage – insbesondere nach der Art und der Fläche der Solarkollektoren.

Über einen Solarregler wird die Solarthermieanlage automatisch gesteuert und überwacht. Er fungiert sozusagen als „Gehirn“ des Systems. Zu seinen wichtigsten Funktionen gehört die Temperaturdifferenzregelung: Mehrere Sensoren erfassen dabei laufend die Temperaturen, die an den Kollektoren und im Speicher vorherrschen. 

Überschreitet die Differenz zwischen ihnen einen voreingestellten Wert, setzt der Solarregler die Pumpe in Betrieb, um den Wärmebedarf zu decken. Wird ein ebenfalls voreingestellter Wert unterschritten, schaltet der Regler die Pumpe wieder aus. Dadurch ist ein effizienter Betrieb des solarthermischen Systems gewährleistet.

Während die Preise für Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren stark gefallen sind, stagnieren die Kosten für thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung bzw. zur Heizungsunterstützung. Eine Heizungs- und Warmwasser-Solarthermieanlage kostet inklusive Solarspeicher durchschnittlich etwa 10.000 Euro. Thermische Solaranlagen, die nur der Warmwasserbereitung dienen, liegen bei rund 5.000 Euro.

Systeme mit Flachkollektoren sind etwas günstiger als Systeme mit Röhrenkollektoren. Dafür benötigen sie mehr Kollektorfläche, wenn sie dieselbe Leistung erreichen sollen. Die Investitionskosten lassen sich durch verschiedene Förderungen von Bund und Ländern senken. Im günstigsten Fall können rund 50 % der Anschaffungskosten durch Zuschüsse gedeckt werden.

Die laufenden Kosten einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung sind zudem recht gering. Sie setzen sich aus Strom-, Wartungs- und Versicherungskosten zusammen. Insgesamt kommen dafür pro Jahr etwa 100 bis 200 Euro zusammen. Viele Hersteller geben inzwischen Garantien von bis zu 20 Jahren auf ihre Systeme – das Risiko, dass zusätzliche Kosten für Reparaturen und/oder Ersatzteile entstehen, ist damit relativ überschaubar.

Eine Solarthermieanlage mit Heizungsunterstützung ist eine sinnvolle Möglichkeit, fossile Brennstoffe und somit Kosten zu sparen. Gerade in den Übergangsmonaten kann der zusätzlich vorhandene Wärmeerzeuger neben der thermischen Solaranlage oft komplett ausgeschaltet bleiben. Und natürlich steht neben den finanziellen Einsparungen auch ein positiver ökologischer Effekt, da der Betrieb einer Solarthermieanlage keine schädlichen CO₂-Emissionen mit sich bringt.

Voraussetzung für einen optimal wirtschaftlichen Betrieb ist, dass die Anlage möglichst genau auf den individuellen Bedarf eines Haushalts ausgelegt ist. Es sollte beispielsweise nur genau so viel Wärme durch die Solaranlage produziert werden, wie im Haus für Warmwasser und ggf. Heizung auch verbraucht werden kann. So ist sichergestellt, dass das System mit größtmöglicher Effizienz arbeitet. Und anders als bei einer Photovoltaikanlage lassen sich Überschüsse nicht in ein öffentliches Netz einspeisen.

Für die ideale Auslegung einer Solarthermieanlage zur Warmwasserbereitung und ggf. zusätzlicher Heizungsunterstützung sind folgende Faktoren von Belang:

• Wohnfläche: Je größer die Wohnfläche, umso höher auch der Wärmebedarf.
• Dämmung: Je besser das Haus gedämmt ist, desto weniger Solarwärme wird benötigt
• Warmwasserbedarf: Als durchschnittlich gilt ein Verbrauch von 120–180 l pro Tag für eine vierköpfige Familie.
• Art der Kollektoren: Vakuumröhrenkollektoren benötigen aufgrund ihrer höheren Effizienz bei gleicher Leistungsfähigkeit weniger Fläche als Flachkollektoren.
• Ausrichtung und Neigung der Kollektoren: Sehr gute Erträge erzielt eine Südausrichtung mit einer Neigung von 45 bis 55 Grad. Eine Verschattung der Kollektoren sollte vermieden werden.
• Bauart und Größe des Speichers: Für einen Vier-Personen-Haushalt dürfte ein Speichervolumen zwischen 700 und 1.000 l benötigt werden.

Die genaue Dimensionierung einer kombinierten Solarthermieanlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung kann ein Energieberater am besten bestimmen.

Ob sich eine Solarthermieanlage lohnt, hängt nicht zuletzt vom solaren Deckungsanteil ab. Der wirkt sich maßgeblich auf die Amortisationszeit der Anlage aus. Solaranlagen, die allein der Warmwassererzeugung dienen, erreichen üblicherweise einen solaren Deckungsanteil von 60 %. Das bedeutet, dass über das System 60 % des Warmwasserbedarfs bereitgestellt werden können. Die Amortisationszeit liegt hier bei rund 15 Jahren. 

Bei thermischen Solaranlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung fällt der Deckungsanteil etwas geringer aus: Er liegt meist bei 20 bis 25 %. Die Amortisationszeit beträgt in diesem Fall gut 20 Jahre – ohne Berücksichtigung der Förderung von Bund, Ländern und ggf. Kommunen.

Wer über die Anschaffung einer Solarthermieanlage nachdenkt, sollte auch die Kosteneinsparungen bei fossilen Brennstoffen berücksichtigen. Je mehr sich hier einsparen lässt, desto schneller rechnet sich eine Solarthermieanlage mit Heizungsunterstützung.  

Ob beim Neubau oder der Modernisierung eines Wohnhauses: Es besteht eine gesetzliche Pflicht zur Nutzung erneuerbarer Energien. Gemäß Gebäudeenergiegesetz lässt sich dieser unter anderem durch den Einsatz einer thermischen Solaranlage nachkommen.

Sinnvoll ist eine Solarthermieanlage mit Heizungsunterstützung vor allem für Hausbesitzer, die bereits einen großen Heizwasserspeicher ihr Eigen nennen – etwa in Verbindung mit einer Pelletheizung. Aber auch für Modernisierer, die einen kompletten Austausch ihrer alten Heizung planen, kann sich die Investition lohnen. 

Meist wird dabei ohnehin der Wasserspeicher ausgetauscht. Es ist dann quasi nur noch die Anschaffung passender Sonnenkollektoren erforderlich. Kessel, Solaranlage und Warmwasserspeicher können optimal aufeinander abgestimmt werden, wodurch eine hohe Effizienz der Anlage sichergestellt wird. 

Auch eine Photovoltaikanlage kann warmes Wasser erzeugen und die Heizung unterstützen. Anlagenbesitzern stehen dabei unterschiedliche Möglichkeiten offen. Vor allem zwei Techniken haben sich bewährt:

1. der Betrieb eines Heizstabs in Verbindung mit einem Warmwasserspeicher
2. die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage

Warmwassererzeugung mit einem Heizstab

Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, Solarstrom zum Heizen und zur Brauchwassererwärmung zu nutzen, ist der Einsatz eines Heizstabes. Im Alltag findet man solche Bauteile beispielsweise in der Waschmaschine oder im Geschirrspüler. Auch in einen Warmwasserspeicher kann ein Heizstab eingesteckt oder eingeschraubt werden. Die meisten Speicher verfügen bereits ab Werk über einen entsprechenden Steckplatz.

Empfehlenswert ist zusätzlich die Einbindung eines elektronischen Energiemanagers: Produziert die Photovoltaikanlage einen Stromüberschuss, wird von diesem automatisch der Heizstab eingeschaltet. In den Sommermonaten lässt sich so der komplette Wärmebedarf decken. Reicht die Energie in den kälteren Tagen nicht mehr aus, wird der konventionelle Wärmeerzeuger vom Energiemanagement zugeschaltet.

Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben

Besonders effizient ist die Kombination aus Photovoltaikanlage und Wärmepumpe. Es gibt spezielle Brauchwasser-Wärmepumpen mit kleinem Speicher, die ausschließlich warmes Wasser erzeugen. Ihre Leistungsaufnahme ist im Vergleich zu konventionellen Wärmepumpen sehr gering, das heißt, sie springen schon bei geringen Solarstromerträgen an. So ist auch im Winter die Warmwasserversorgung gesichert.

Eine klassische Wärmepumpe erwärmt sowohl das Brauchwasser als auch das Heizungswasser. Einen großen Teil der Antriebsenergie kann die Photovoltaikanlage liefern. Wer den Autarkiegrad steigern möchte, kann zusätzlich einen Stromspeicher in das System einbinden.