Kamin

Entstehung, Bau und Livedaten einer Vakuumröhren – Kollektoranlage



Binsenweisheiten?

Bevor man sich an eine Solaranlage macht, sollte man sein Haus in Ordnung bringen! Wie später an Hand der Solarsimulationen zu sehen, ist die solare Einsparung eine unmittelbare Funktion des Wärmebedarfs des Hauses. Wenn man kann, sollte man diesen mit vertretbaren Mitteln auf ein Minimum bringen. Was man hier erreicht kostet keine weiteren Betriebs- und Wartungsaufwände und erhöht die solare Effizienz merklich. In unserem Fall war außer der Stillegung eines kleinen Hallenschwimmbades, was wegen Langweiligkeit und Dauerkampf mit den Kalkablagerungen eh fällig war, nicht viel zu gewinnen. Etwas später haben wir einen großen Teil unseres Dach's mit 16 cm PU-Hartschaum mit sofort merkbarem Erfolg gedämmt.

Als nächstes muß man sich fragen, wie man seinen thermischen Energiebedarf insgesamt decken möchte. Eine Solaranlage erzielt bei einem existierenden Einfamilienhaus und Anlagennachrüstung in Deutschland zwischen wenigen Prozent bis etwa 1/3 Bedarfsdeckung. Mögliche Abweichungen werden später angesprochen. Das heißt, man muß entscheiden, wie man die restlichen 2/3 des Energiebedarfs decken will. In unserem Fall hat dies zur Erneuerung und Verkleinerung der Ölheizung geführt, die unter Einschluß von Brennwerttechnik bereits eine signifikante Heizkostenreduktion ergab. Damit war auch die erste Überraschung fällig: Die Heizungsfirma hat sich zwar an den vereinbarten Festpreis für die Installation gehalten, jedoch waren für das verwendete Material 2,5 Tausend Euro mehr zu berappen, als vorkalkuliert. Das sind ca. 25% Mehrpreis!

Und auf die Preisgestaltung des Materials hat der Kunde keinen Einfluß. Naja, fehlerfrei war die Installation dann auch nicht. Zusammen mit der selbstkritischen Prüfung der eigenen Fähigkeiten war dies der Hauptgrund, die Solaranlage im Selbstbau herzustellen. Wir nehmen es einmal vorweg: Sie funktioniert problemlos mit gutem Ertrag!

Erst wenn die beiden vorhergehenden Punkte abgearbeitet sind, sollte man sich ausführlich mit einer eigenen Solaranlage auseinandersetzen.

Da man für eine Solaranlage mittleren Ertrags einen Betrag anlegt, der zwischen dem Preis eines Klein- und Mittelklassewagens liegt, gilt es eine eigene Wissensbasis zu schaffen. Denn: Etablierte Testinstitutionen mit Vollabdeckung aller Aspekte, einen Solar-TÜV oder ein Äquivalent zu den Automobilklubs gibt es (noch?) nicht. Ein fehlgekauftes Auto läßt sich überdies leichter abstoßen, wie eine aufwendig installierte Solaranlage.

Wieviel weiß man eigentlich über Solartechnik? Gefahr droht!



Um es vorweg zu nehmen, wir kannten die Grundprinzipien, mehr nicht. Wem es genauso geht, der sollte sich bei den vielfältigen Quellen informieren. Bevor man anfängt: Vorsichtsfaktor auf höchste Priorität stellen!!! Nehmen wir es vorweg: Natürlich gibt es viele solide Anbieter und Firmen, die nur Ihr bestes wollen: Ihr Geld, aber dafür gute funktionierende Anlagen abliefern. Die Gefahr liegt primär in der Psychologie: Der Öl + Gaspreis steigt, Pellets + Holz nicht minder, und es gibt gute ökologische Gründe, Sonnenenergie zu nutzen. Die Klimakatastrophe droht, und hier neigen auch Fachleute, Politiker sowieso, zu Übertreibungen, die die Technik hinterher nicht so erfüllt, wie sich die Versprechungen vorher lesen. Im Kielwasser dieser Begeisterungswelle schwimmen die Allseeligmacher, Erfinder einmaliger Prinzipien, Technokleriker, Abzocker und gewöhnlichen Betrüger.

Ihnen gilt es zu entgehen und dennoch zu einer wirkungsvollen Solaranlage zu kommen.

Dafür gibt es natürlich kein Patentrezept, wir beschreiben, wie wir es erreicht haben:
  1. Überblick gewinnen: Unter vielen Informationsmöglichkeiten wird hier z.B. empfohlen: Solarthermie 2008 (PDF Datei). Diese Broschüre gibt einen sehr guten Überblick über Anlagentypen, Kollektorarten, Kollektorausrichtung, Speicherarten, Anlagenkonfigurationen und vieles mehr. Obwohl von einer staatlichen Stelle verfaßt, verfällt sie nicht in überschäumenden Solaroptimismus ideologisch geprägter anderer Publikationen.
  2. Fachausstellungen besuchen: Neben lokalen Ausstellungen waren wir auf der Intersolar, der IFH/Intherm sowie der ISH. ACHTUNG: NIX KAUFEN! Es gibt keine günstigen Messesonderangebote!!! Die Gefahr auf Psychotricks hereinzufallen ist groß!
  3. Hersteller in Frage kommender Anlagen kontaktieren oder gar direkt besuchen. Wir waren bei 4 Herstellern direkt.
  4. Anlagen live besichtigen. Ein freundlicher Handwerksmeister, Herr Felsmann, hat uns dies ermöglicht.
  5. Anlagen im Internet live ansehen sowie Bauberichte lesen. Ein paar gibt’s unter Links am Ende des Internetauftritts.
  6. Internetforen besuchen, z.B. das Forum Haustechnik Dialog. Es dauert eine Weile, bis man dort Spreu vom Weizen trennen kann. Wir haben jedenfalls etliche wertvolle Informationen gesammelt. Man kann auch Anfragen stellen, wobei die ersten Antworten naturgemäß von denen kommen, die Ihr Bestes wollen: Ihr Geld.

Wenn man jetzt einwendet, dass dies sehr viel Zeit in Anspruch nimmt: Korrekt. Sollten Sie sich allerdings vertun in der Wahl Ihrer Anlage: Ein Prozeß dauert länger und der Ärger währt ewig!

Wenn man bis hier gekommen ist, wird man einige Feststellungen treffen:
  • die großen etablierten Heizungsfirmen betreiben Solar (so unser Eindruck) nur zur Produktabrundung
  • viele Kernkomponenten wie Kollektoren und Speicher, auch Solarregler tauchen in unterschiedlicher Aufmachung mehrfach auf. Man ist i.d.R. gut beraten, den tatsächlichen Hersteller festzustellen.
  • eine Reihe von Firmen, oft im Internet agierend, versprechen Dinge, die sie nicht belegen können. Davon unter „Anlagenauslegung“ mehr.


  • Schlussendlich wird man jetzt oder später die Entscheidung treffen müssen:
    Fremdvergabe oder Selbstinstallation?
    Wir haben uns zur Selbstinstallation entschlossen, da wir einerseits gebrannte Kinder waren aus unser Heizungsmodernisierung resultierend, zum anderen haben die anderen konsultierten Handwerksbetriebe selbst keine Möglichkeit gehabt, die gewünschte Anlage zu simulieren und daraus resultierend die Anlagenparameter mit uns zusammen zu bestimmen. Dies ist essentiell, siehe nächstes Kapitel.
    Schliesslich entscheidend war dann die Verwendung von Presstechnik zur Verbindung der Kupferrohre der Installation sowie natürlich ein gewisser Erfahrungshintergrund. Das konnten wir allein packen!
    Spaß gemacht hat es, erfolgreich ist es und viele tausend Euro gespart hat es auch.
    Allerdings ein simples Jedermannswerk ist es auch nicht. Es bedarf reichlicher Sachkenntnis und Verständnis für technische und physikalische Zusammenhänge.

    Bevor wir in die Auslegung eintreten eine Empfehlung unter Vorbehalt:
    Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, sein Geld in Solartechnik anzulegen und nicht zu erhalten, was versprochen wurde. Einer der so Geschädigten ist Rainer Hoffmann, der seinen Erfahrungen viele Internetseiten gewidmet hat. Warum der Empfehlungsvorbehalt? Nach unserem Eindruck schießt Rainer Hoffmann über das Ziel hinaus, indem er nicht nur Missstände und Falschbehauptungen der Solarbranche aufzeigt, sondern z.B. das immer noch anhaltende Waldsterben leugnet und die drohende Klimakatastrophe negiert. Ein großer Teil seiner Darlegungen gilt einer umfangreichen juristischen Auseinandersetzung, deren Ergebnis nicht wirklich berauschend ist. Dennoch: Rainer Hoffmann hat so viele Fallstricke, Fehlbehauptungen und Irreführungen und auch Tips zur Fehlervermeidung zusammengestellt, dass man seine eigenen Vorstellungen und Vorgehensweisen daran prüfen kann. Wir haben es gelesen, es hat uns geholfen und wir sind nicht vom Glauben abgefallen. Hier der Link: www.solarkritik.de

    Nehmen wir etwas wichtiges vorweg: Als wir dieses Haus erworben haben, lag der Heizölverbrauch bei knapp 10000 l/Jahr. Heizungsmodernisierung, bereichsweise Dämmung, Stillegung unnützer Verbraucher, die Solaranlage und bewussteres Verbrauchsverhalten (ohne Komforteinbuße!) haben dazu geführt, dass der jährliche Verbrauch unter 1/3 davon liegt. Über weiteres Reduktionspotential wird noch berichtet.

    Auslegung der Solaranlage

    Solar tut gut, wenn man’s vorher rechnen tut!

    Spätestens hier muß man eine Grundsatzentscheidung treffen: Solar zur Warmwasserbereitung oder zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Wir haben uns zu letzterem entschieden, da die reine Warmwasserbereitung nur einen sehr geringen Teil des Wärmebedarfs ausmacht und für uns über den Charakter einer Spielerei nicht hinaus gegangen wäre.

    Zielsetzung: Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung mit hoher Abdeckung über das Jahr.

    Der Grundzusammenhang: Die folgende Grafik enstammt der Seite "www.heizungsbetrieb.de"

    Solarjahr

    Die obige Grafik verdeutlicht, welche Abwägungen zu treffen sind. Erweitert um die Betriebserfahrungen des ersten Solarjahres ziehen wir folgende Schlüsse:

  • Als erstes zeigt sie glasklar, dass der höchste Gewinn zu erzielen ist, wenn man ZUERST sein Haus bestmöglich dämmt und damit den Bedarf senkt. Diese Maßnahme verringert die Größe der Solaranlage und erhöht die Chance für eine hohe solare Abdeckung.
  • Gleiches trifft auf die Heizung zu: Je geringer die Vorlauftemperatur, je höher kann der solare Ertrag ausfallen.
  • Gleichermaßen ist erkennbar, dass der Ertrag aus reiner Warmwassergewinnung sehr klein ist.
  • Will man einen wirklich hohen Solarertrag erzielen, bedarf es großer Kollektorflächen.
  • Mit üblichen Speichern und Kollektoren liegt ein erzielbarer Ertrag in der Größenordnung von 10 – 30% des Bedarfs.
  • Nachrechnungen und praktische Erfahrung zeigen, daß näherungsweise 1/3 des thermischen Energieverbrauchs eines EFH in den Monaten März bis Oktober anfallen und solar abdeckbar sind. Zwischen November und Februar fallen ca. 2/3 des Jahresverbrauchs an. Dem stehen relativ geringe Solarerträge in diesem Zeitraum gegenüber.
  • Die Ertragskurve der Solaranlage kann durch die Wahl von viel Kollektorfläche und Spitzenkollektoren angehoben werden. Es soll nicht verschwiegen werden, dass dies teuer ist. Hinzu kommt, dass der Effekt übermäßiger Solarflächenvergrößerung (wenn nicht gleichzeitig mit gewaltiger Speichervergrößerung verbunden) sich ertragsseitig nur in den ertragsschwachen Wintermonaten ein wenig bemerkbar macht. Zu dieser Zeit fehlt in den meisten Gegenden Deutschlands einfach die notwendige Einstrahlung. Da könnte man von gespeicherter Solarenergie zehren.
  • Zwischen Bedarf und Ertrag klaffen zwei Lücken: Im Sommer fällt je nach Anlagendimensionierung deutlich mehr Energie an, als benötigt wird, im Winter ist das Gegenteil der Fall. Dies verdeutlicht bereits an dieser Stelle, wie wichtig es ist, in Zukunft große Mengen thermischer Energie speichern zu können (was derzeit noch sehr teuer ist).

  • Wer sich eine Solaranlage nur auf Grund von Prospekten, Messesonderangeboten, Internetangeboten oder auch freundlichen Empfehlungen des nachbarlichen Handwerkers aufstellt oder läßt, handelt leichtfertig bis unverantwortlich. Bei Rainer Hoffmann kann man nachlesen, wie so etwas enden kann. Internetrecherchen ergeben reichlich Beispiele von enttäuschten oder geprellten Anlagenbesitzern. Das muß nicht sein!

    Nachdem man einen sinnvollen eigenen Informationsstand erreicht hat, sollte man eine detaillierte Solarsimultion zu Rate ziehen, welche die obigen Rohwerte einengt. Bei sorgfältiger Handhabung wird der erwartbare Ertrag basierend auf Wettermodellen, Standort, Anlagenparametern etc. vernünftig berechnet. Es gibt mehrere bekannte Solarsimulationsprogramme, die man für die Auslegung heranziehen kann, wie z.B. Polysun, T-Sol, GetSolar, … Wir haben die Vollversion von GetSolar gewählt, da es für ein Privatvorhaben angemessen im Preis war, nicht jedoch ohne gewisse Gegenrechnungen zu machen. Nachdem wir die Erweiterung unserer Anlage in Erwägung ziehen, benutzen wir auch "Polysun Designer". Hiermit kann man eine Anlage sehr detailliert nachbilden und auch z.B. (mehrere) Speicher mit individuellen Dimensionen, Werkstoffen und Isolierungen betrachten. Ist anspruchsvoll in der Benutzung.

    Allesamt unbefriedigend fanden wir die ins Netz gestellten Schnellauslegungsprogrämmchen, die zumeist mit einer Bestellofferte verlinkt waren.

    Die Eingewöhnung in ein neues Programmsystem dauert seine Zeit, und dies hier darf nicht in einen Programmierkurs umschlagen. Andererseits ist Transparenz gefragt, deshalb an dieser Stelle aus dem Programmsystem heraus kopiert das abschließende Resultat, so wie es nun auf dem Dach bei uns steht. Man kann alle wesentlichen Parameter und das Berechnungsergebnis darin finden.

    Tabelle Diagramm
    Obige Tabelle und Diagramm sind direkt Ergebnisse von GetSolar (siehe Link-Seite) und für den gegebenen Anwendungsfall errechnet und kopiert.

    Einige Zusatzbemerkungen: Das Programm ermöglicht u.a. die Wahl von Kollektortyp und Größe. Sehr viele Kollektoren sind in der Programmdatenbank enthalten, nicht enthaltene Kollektoren können nachgetragen werden, sofern man deren Kennwerte hat.

    Vorgabe war Jahresmaximalertrag auch in den Schwachmonaten. Bei Südausrichtung (gegeben) muß da gemäß den Ertragsdiagrammen der eingangs empfohlenen Broschüre 58° Aufstellwinkel herauskommen: o.k. Dieser Winkel ergibt ein etwa senkrechtes Auftreffen der Sonnenstrahlen auf die Kollektoren um die Mittagszeit im Oktober oder März. Wegen der allgemein geringen Einstrahlung zwischen zwischen November und Februar ist es in den meisten Gegenden Deutschlands nicht sinnvoll die Kollektoren noch steiler aufzustellen. Sehr viele Kollektortypen wurden durchgerechnet und verglichen, bis die Wahl getroffen wurde.

    Weitere Details folgen bei den Komponentenbeschreibungen.

    Anmerkung: Das Solarsimulationsprogramm GetSolar in seiner neuesten Version rechnet etwas konservativer. Eine zusätzliche Nachrechnung mit Polysun sowie die Ertragsdaten des ersten Jahres ergeben übereinstimmend eine solare Abdeckung von 30%.

    Nach der bisherigen Betriebszeit (1 Jahr) kann man sich bereits die Frage stellen, was man besser machen könnte: Auf Grund der Flachdachaufstellung liegen sehr lange aussen liegende Rohrleitungen vor. Obwohl mit der besten Solarisolierung eines Herstellers ausgestattet, verliert die Solarflüssigkeit zwischen Kollektoren und Speicher ca. 2-3°C. Das wird als zu viel empfunden mit der Konsequenz, dass irgendwann nachisoliert werden wird (Anmerkung: Ist erfolgreich gemacht worden, siehe "Bau der Anlage"). Weitere Probleme gab es nicht, die anfangs zu schwache Solarpumpe wird anderswo erwähnt und ist ergänzt.

    Ein paar Tipps zur Solaranlagenoptimierung mittels Solarsimulationen


    Solange man noch nicht erfahren genug ist, kann einen ein Solarsimulationsprogramm zur Verzweiflung bringen. Der Grund liegt prinzipiell im ungeordneten Umgang mit etlichen, sich gegenseitig beeinflussenden Parametern und der eigenen mangelnden Systematik und ein bißchen Buchführung.
    Welches sind die Hauptergebnisse, die man erzielen will?

    1. Anlagenstruktur (Grobplan der Hydraulik)
    2. Kollektortyp und Größe
    3. Speichervolumen
    4. Kollektoraufstellwinkel

    Hier der erfahrungsbasierte Vorschlag zur systematischen Vorgehensweise:

    0. Zunächst trage man alle Daten zusammen, von denen man beim Ausprobieren des Simulationsprogramms erkennt, daß sie als Eingaben benötigt werden wie: Jahresheizbedarf, Heizungsvorlauf- und Rücklauftemperatur, persönliche Heizgrenze, Kaltwasserzulauftemperatur, Warmwasserverbrauch usw. Bei der Dateneingabe kommt dann noch das Eine oder Andere hinzu. Werte, die man noch nicht wissen kann, wie Rohrleitungsdimensionen schätzt man erst einmal, um sie später zu verfeinern.

    1. Anlagenstruktur: Solarsimulationsprogramme bieten dem Benutzer eine Reihe von vorgefertigten Konfigurationen für die Solaranlage an. Man wähle eine davon aus, welche den Gegebenheiten des Hauses zu entsprechen scheint. Diese Wahl kann durchaus im weiteren Verlauf der Simulationen geändert werden, ohne daß die anderen Parameter verloren gehen. Für Anspruchsvolle: Die Solarsimulationsprogramme bieten auch Konfigurationen mit geteilten Kollektorfeldern an. Ob man sich das gleich zu Beginn antut, muß man selbst entscheiden. Hier wird empfohlen, zunächst mit nur einem Kollektorfeld zu beginnen, um erst einmal ein Gefühl für das Erreichbare zu entwickeln.

    2. Kollektor: Das wichtigste und vordringlich zu erzielende Ergebnis ist die Bestimmung des Kollektors nach Typ und Größe. Hierzu legt man die Speichergröße erst einmal willkürlich fest. 2000 Liter sind ein brauchbarer Wert. Sofern der Aufstellungsort überhaupt die Wahl des Kollektoraufstellwinkels zuläßt beginne man mit 45°. Beide Werte wird man später noch optimieren.

    Es verbleiben die wichtigsten Parameter: Kollektortyp und Kollektorgröße.

    Die Kollektorwahl sollte auf Grund von Vorinformationen grob getroffen worden sein und wird durch die in den Solarsimulationsprogrammen enthaltenen Datenbanken unterstützt. Will man die Auswahl erweitern, schaue man bei einschlägigen Testinstituten nach z.B. ITW, Arsenal, SPF, FHG... Weckt einer der Kollektoren Ihr Interesse und ist nicht in der Datenbank: Er läßt sich von Hand nachtragen. Finden Sie einen Kollektor, der hoch angepriesen wird, von dem es keine Testdaten seriöser Testinstitute gibt, und Sie sind trotzdem fasziniert: Eiskalt duschen und den Geldbeutel fragen, welches Risiko zumutbar ist.

    Jetzt bleibt nichts anderes über, als den oder die in Betracht kommenden Kollektoren der Reihe nach in die Simulation zu stecken und die Kollektorgröße solange zu variieren, bis eine Konfiguration herauskommt, die aufs Dach paßt, den gewünschten Deckungsgrad erbringt und auch noch bezahlbar ist. Dies ist auch der Zeitpunkt, wo man Kollektorleistungen für seinen Anwendungsfall vergleichen kann. Selbstverständlich gehen in die Kollektorauswahl wesentliche weitere Gesichtspunkte ein, wie Kosten und erwartbares Langzeitverhalten. Aber wir sind hier bei der Simulation!

    An dieser Stelle kann man auch, soweit dies notwendig ist, auf der Basis der bisher erzielten Ergebnisse eine Aufteilung in Felder unterschiedlicher Ausrichtung unternehmen, soweit vom Programm unterstützt. Auf Grund der Kollektordaten kann man mit Hilfe der Herstellerangaben nunmehr korrekte Werte für Rohrleitungsdurchmesser und - Länge sowie Durchflüsse nachtragen.

    3. Speicherdimensionierung: Die Größe des Speichers hat natürlich Einfluß auf den Ertrag der Solaranlage. Man verfährt am besten wie folgt: Mit den gefundenen Parametern der Kollektordimensionierung geht man wieder in die Solarsimulation und wählt das Speichervolumen neu. Beginnend mit einem relativ kleinen Wert erhöhe man diesen in mäßigen Schritten und vergleiche die Simulationsergebnisse. Eine Buchführung oder graphische Auftragung hilft da sehr. Als Ergebnis ist zu sehen, daß die solare Abdeckung zuerst mit dem Speichervolumen steigt. Dann wird die Zunahme geringer und stagniert. Wo Schluß ist bestimmt der Anwender nach Speicherraumgröße und Geldbeutel. Da wir mit einem sehr großen Speichervolumen in die Kollektorfindung gegangen sind, wird bei dem tatsächlich gewählten Speichervolumen der solare Abdeckungsgrad u.U. etwas geringer ausfallen, als zuvor berechnet.

    4. Kollektoraufstellwinkel: Mit den zuvor gefundenen Werten variieren Sie nunmehr den Kollektoraufstellwinkel und überprüfen den Effekt an Hand des Solarertrages bzw. der solaren Jahresabdeckung. Bei einer einigermaßen großen Solaranlage, die auch Heizungsunterstützung leisten soll, kommt da ein Optimum zwischen 50 - 60° heraus.

    5. Wenn Sie sich einen Gefallen tun wollen, speichern Sie die gefundene Konfiguration selbst dann, wenn Sie der (richtigen) Meinung sind, man könne doch hier und da noch optimieren.

    Schluß? Nein, man kann noch an etlichen Stellen fein optimieren und nachtragen. Dies überschreitet den als "Erste Hilfe" gedachten Rahmen dieser "Kurzanleitung für Verzweifelte".

    Nachbemerkung: Sollte das Solarsimulationsprogramm Ihrer Wahl vollständig fertige Beispiele lauffähig mit allen Werten bereitstellen, erleichtert das den Start, da man ausgehend vom funktionierenden Beispiel sich über den Weg der zielgerechten Änderungen seiner eigenen Konfiguration nähern kann. Auch hier sollte man die zuvor vorgeschlagene Reihenfolge einhalten, da sie am schnellsten zum Ziel führt.