Solarthermie Röhrenkollektoren die heimlichen Gewinner und Scharlatane Luftkollektoren
Zwei Drittel unseres Energieverbrauchst ist immer noch Wärme. Billige PV-Module haben die Masse überrumpelt. Unbedachte Gebäudeverwalter nutzen schon elektrische Heizstäbe für Überschussstrom. Dabei ist das gleich doppelter Frefel.
Photovoltaik kann max. 25 % der Sonnenergie wandeln
Strom, die Umwandlungsfähigste Energieform in Wärme zu Puffern ist Geldverschwendung
Wirtschaftlichkeit von Solarthernie gegen PV-Heizstäbe
Bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Ingenieurbüros wie TGA Köln werden immer zwei Preise herangezogen.
Beispielsweise:
Strompreis 40 Cent/kWh (Stand 2025)
Wärmepreis 10 Cent/kWh
Wärme ist also weniger Geld wert und das, umso niedriger die Temperatur.
Wirkungsgrad von Solarthermie
Solarthermie kann 60 % der Sonnenenergie in Wärme auf hohem Temperaturniveau wandeln. Es wird also schnell klar:
Wer mit PV-Wärme erzeugt bekommt weniger Wärme
Wer mit PV-Wärme erzeugt speichert einen geringeren Wert
Er benötigt mehr PV-Fläche als für Solarthermie
Inhalt
1.1 Wirtschaftlichkeit von Solarthernie gegen PV-Heizstäbe 1
1.2 Wirkungsgrad von Solarthermie 1
3 Beispiel Lagerhalle mit Solarthermie 1
7.1.2 Vakuumröhrenkollektoren 10
7.3 Fenster Nordseite Lagerhalle 11
9 Fazit: Wirtschaftlichkeit Solarthermie vs PV 11
9.1 Wirtschaftlichkeit Photovoltaik mit Speicher und Heizstab 12
9.2 Wirtschaftlichkeit Solarthermie mit Speicher 12
Beispiel Lagerhalle mit Solarthermie
Jede energetische Analyse hängt von den individuellen Gebäudedaten ab. Ein Beispiel lässt sich nur bedingt übertragen. Wenn sie nur das Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsberechnung lesen wollen, überspringen Sie den Teil und gehen Sie zum Fazit.
In dieser Lagerhalle werden temperaturempfindliche Waren gelagert. Das Dach ist statisch nicht belastbar.
Es ist davon auszugehen, dass das Dach und die Fassade leicht gedämmt wurden. Die Heizung über Deckensegel hat einen geringen Strahlungsanteil. Betrachtet man die Heizkosten für das Gebäude könnte es sein, dass ggf. die Halle einsparpotential seitens der Nutzer oder der Nutzung birgt. Gemäß Energieaudit haben schon Schulungen für Mitarbeiter stattgefunden, die in den Heizkosten noch nicht zur Geltung kommen.
Gebäudedaten
Lagerhalle und Verbinder
Ohne Drahtglas Anteil
Eingaben | |
Fläche (m²) | 1,224 |
Volumen (m³) | 6,868.14 |
Sollwert Kühlung | 23 °C |
Sollwert Heizung | 5 °C |
Zulufttemperatur | 12 °C |
Personenzahl | 43 |
Infiltration (m³/h) | 633 |
Berechnungsart für Luftvolumen | Zentralheizung: Heizkörper |
Relative Luftfeuchtigkeit | 46.00% (Calculated) |
Luftfeuchtigkeit | |
Psychrometrische Meldung | None |
Trockenkugeltemperatur Eingang Kühlschlange | 24 °C |
Feuchtkugeltemperatur Eingang Kühlschlange | 16 °C |
Trockenkugeltemperatur Ausgang Kühlschlange | 11 °C |
Feuchtkugeltemperatur Ausgang Kühlschlange | 11 °C |
Trockenkugeltemperatur Mischluft | 24 °C |
Berechnungsergebnisse | |
Spitzenkühllast gesamt (W) | 67,077 |
Spitzenkühllast – Monat und Stunde | Juli 15:00 |
Spitzenkühllast wahrnehmbar (W) | 59,733 |
Spitzenkühllast latent (W) | 7,343 |
Spitzenluftstrom Kühlung (m³/h) | 17,322 |
Spitzenheizlast (W) | 18,942 |
Spitzenluftstrom Heizung (m³/h) | 1,709 |
Spitzenluftstrom Belüftung (m³/h) | 1,708 |
Prüfsummen | |
Kühllastdichte (W/m²) | 54.78 |
Kühlung – Durchflussdichte (L/(s·m²)) | 3.93 |
Kühlung – Durchfluss/Last (L/(s·kW)) | 71.73 |
Kühlung – Fläche/Last (m²/kW) | 18.25 |
Heizlastdichte (W/m²) | 15.47 |
Heizung – Durchflussdichte (L/(s·m²)) | 0.39 |
Belüftung – Dichte (L/(s·m²)) | 0.39 |
Belüftung/Person (m³/h) | 40 |
Wasserheizung – Durchfluss (m³/h) | 1.5 |
Energieverbrauch
Berechnung aus den Sanierungsfahrplänen ergeben:
| Heizlast kW | Fläche m² | W/m² | berechnet | kWh/(m²*a) | kWh | |
Haus 17 | 16 | 474 | 34 | 43171 | 91 | 43171 | |
Haus 16 | 31 | 792 | 39 | 59538 | 75 | 59538 | |
Lager | 29 | 1.191 | 24 | 52556 | 44 | differenz | 274795 |
| 76 | 44437 |
| 155265 |
| 377504 | |
Der tatsächliche Energieverbrauch ist viel größer als die theoretischen Berechnungen.
Erneuerbare Energien
Erneuerbare Energien können den fossilen Energieverbrauch senken.
Photovoltaik
Eine Photovoltaikanlage an Fassaden greift nur wenig in die Biodiversität ein und kann ohne Übertragungsverluste den Primärenergiebedarf und somit den CO2 Ausstoß der Gebäude maßgeblich senken. Es ist möglich eine Photovoltaikanlage ohne Netzanschluss im Inselbetrieb zu betreiben.
Es ist keine Photovoltaik vorhanden. Die potenziellen Flächen sind gut, für unverschattete 76 m² 15 kW Peak. Ca. 14.000 kWh Strom sind im Jahr zu erwarten.
Der Photovoltaikstrom könnte mit Batterie zu über 50 % im Büro-Gebäude genutzt werden.
Um das Netz rund um das Kraftwerk vor Oberschwingungen von Energieerzeugungsanlagen wie Photovoltaik zu Schützen wird ein Energieflussrichtungssensor, kurz EnFluRi eingesetzt. Dieser verhindert das Einspeisen und drosselt die Solare Leistung entsprechend des momentanen Strombedarf des Gebäudes.
Es gibt zwei Möglichkeiten wie eine 0-Einspeise PV-Anlage wirtschaftlich betrieben werden kann.
Die PV-Anlage ist so klein, dass die Spitzenleistung der Grundlast des Hauses entspricht
Abbildung 25 Energieflussrichter Quelle Senec
Die PV-Anlage primär und zu Spitzenzeiten eine Batterie lädt um die Lastkurve des Bürogebäudes flexibel zu bedienen. Eine Überdimensionierung zu den Sommermonaten ist möglich, um dem schwachen winterlichen Sonnendargebot gerecht zu werden.
Lastgang HA Gas
Messprotokoll
Messort: Hauptabteilung Gas Verwaltung mit Werkstatt/Lager
Zeitraum:
Beginn Aufzeichnung: 26.11.2019, 18:00 Uhr
Ende Aufzeichnung: 28.11.2019, 18:00 Uhr
Aufzeichnungsdauer: 48 Stunden
Aufzeichnung:
Strom [A], Spannung [U], Wirk [VA]- und Scheinleistung [VAS]
Aufzeichnungsintervall:
1min
Messung:
Die Versorgung erfolgt über eine Einspeisung in der Lagerhalle HA Gas
Die Einspeisung versorgt den kompletten Verwaltungsbau der HA-Gas und die Lagerhalle
HV1 – siehe Anlage „Übersichtsplan“
Messgerät Chauvin Arnoux PEL103
Abbildung 26 Lastgang, Watt auf der x-Achse, PV Leistungskurve Sommer grün, Winter rot
Am Lastgang kann eine Grundlast von 2 kW abgelesen werden. Die Last verändert sich im Zeitraum zwischen 5:30 – 17:00 dauerhaft auf durchschnittlich 8 kW. Die mittlere Leistungserhöhung wird durch die Beleuchtung und Bürotechnik verursacht.
Es wird von einem Tagesbedarf von 92 kWh aus 11,5 Betriebsstunden mit 8 kW und 12,5 Nachtstunden mit 2 kW mit der Gesamtarbeit von 116 kWh pro Tag ausgegangen.
Es ist nicht möglich diesen Energieverbrauch mit erneuerbaren Energien auf der Dachfläche zu erzeugen.
Speicher
Ein 10 kWh Speicher sollte Platz im Gebäude finden und täglich voll ausgenutzt werden. Wöllte man kaum PV-Strom durch Abschaltung verschwenden, bräuchte die 15 kWpeak Anlage eine 30 kWh Batterie. Aufgrund der hohen Investitionskosten ist von so großen Batteriespeichern abzuraten.
Der EnFlurRi kann an den SMA Energy Meter angeschlossen werden. Im Sunny Home Manager können die Messintervalle auf 200- 1000 ms eingestellt werden, so dass eine Einspeisung in das Netz unterbunden wird. Somit kann auf teure Oberschwingungsfilter verzichtet werden.
Einspeisemanagement der PV-Wechselrichter einstellen
Die Benutzeroberfläche des PV-Wechselrichters aufrufen.
Als Installateur anmelden.
Installationsassistent auf der Benutzeroberfläche des PV-Wechselrichters starten.
Bei jedem Schritt [Speichern und weiter] wählen bis zum Schritt Netzsystemdienstleistung konfigurieren.
Sicherstellen, dass die Funktion Anlagensteuerung und Leistungsbegrenzung auf [Ein] gestellt ist.
In der Dropdown-Liste Betriebsart Wirkleistung den Eintrag Wirkleistungsbegrenzung P durch Anlagensteuerung wählen.
In der Dropdown-Liste Betriebsart für ausbleibende Anlagensteuerung den Eintrag Verwendung Fallback-Einstellung wählen.
In das Feld Fallback Wirkleistung P den gleichen Wert eintragen, der auch für den Batterie-Wechselrichter eingetragen ist. Dazu wenn nötig den Wert in Prozent umrechnen. Dadurch ist bei Systemen mit Sunny Home Manager sichergestellt, dass bei Ausfall der Kommunikation zwischen Sunny Home Manager und Wechselrichter der korrekte Rückfallwert übernommen wird.
Im Feld Timeout die Zeit eintragen, die der PV-Wechselrichter abwarten soll, bis er seine Nennleistung auf den eingestellten Fallback-Wert begrenzt.
Wenn bei einer 0 %- oder 0 W-Vorgabe nicht erlaubt ist, dass der PV-Wechselrichter geringfügig Wirkleistung in das öffentliche Stromnetz einspeist, in der Dropdown-Liste Netztrennung bei 0%-Einspeisung den Eintrag Ja wählen. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Wechselrichter im Fall einer 0 %- oder 0 W-Vorgabe vom öffentlichen Stromnetz trennt und keine Wirkleistung einspeist.
Abbildung 27 PV-Gis Batteriesimulation
Abbildung 28 Technikraum, SMA-Wechselrichter und Speicher
Solarthermie
Es ist gut möglich, dass die Statik der Lagerhalle keine schweren Lasten zulässt. Die Fassade bürgt jedoch ebenso ein unverschattetes Solarpotential. Da Wärme im Winter benötigt wird ist eine Steile Ausrichtung auch nicht hinderlich.
Heizung
Abbildung 33 Kühl- und Heizarbeit des Gebäudes über das Jahr
Aufgrund der geringen Wärmekapazität von Polystyrol ist die theoretisch erforderliche Kühl-Energie größer als die Heizenergie. 17% des Kühlbedarfs wird pro Jahr durch die außenliegende Verschattung eingespart.
Wärmeerzeuger
Das Gebäude hat keine Pumpen, sondern wird als hydraulischer
Strang einer Fernwärmeübertragungsstation im Lager versorgt.
Vorschläge und Optionen
Solarthermie
Im folgenden Abschnitt werden zwei thermische Kollektoren gegenübergestellt.
Luftkollektoren
Das charmante an Luftkollektoren ist, dass Sie unabhängig der Heizungstechnik in Lagerhallen eingebunden werden kann. Detektiert ein Temperaturfühler eine Übertemperatur am Solar-Luft-Kollektor, so bläst ein Ventilator die Luft in die Halle.
Bei der Südseite der Lagerhalle können die Drahtglasflächen ausgebaut und um einen Luftkollektor erweitert werden
Über den Sonnenkollektor mit einer Beschichtung, die ein breites Spektrum des Lichts absorbieren kann, wird warme Luft im Winter in die Halle geblasen. Die senkrechte Ausrichtung ist optimiert für die tiefstehende Wintersonne. Im Sommer kann der Ventilator zur Nachtauskühlung verwendet werden.
Abbildung 50 Solarsimulation Winterhalbjahr für Wärmegewinne durch Luftkollektoren an Industriefassaden
Ist im Winter denn überhaupt nennenswerte Wärme durch Luftabsorber oder Luftkollektoren an Fassaden zu erwarten?
Tatsächlich ist der Wirkungsgrad der Luftkollektoren nur 25 %. Somit könnten über das Winterhalbjahr nur 6500 kWh von der Sonne zu erwarten sein.
Die Frage ist jedoch, ob die Luft das erforderliche Temperaturniveau zur Beheizung der Halle erreicht.
Abbildung 51 Simulation der Fassadenluftkollektoren gemäß Herstellerangaben gerechnet mit Polysun
Tatsächlich zeigt sich, dass im Winter kaum brauchbare Temperaturen zu erwarten sind.
Gehen wir davon aus, dass die Wärmeverluste durch die Luftkollektoren reduziert werden, so ist es eine Win-Win Situation. Die Fenster können im Rahmen der Umbauarbeiten ausgebaut werden und gedämmte Elemente sollten den Zwischenraum füllen. Die Rohre der Luftkollektoren sollten Winddicht and die Wandelemente eingebunden werden.
Die Digitale Hallenheizungs- und Lüftungssteuerung ETAmatic-H NX kann an unterschiedliche Gebäudeanforderungen individuell angepasst werden und realisiert eine optimierte Heizungs- und Lüftungsregelung. Die Bedienung erfolgt über einen Internet-Browser oder der Funktionstasten am Display. Nachtauskühlung kann für den Sommer einprogrammiert werden, so dass die Lagerhalle im Sommer etwas kühler ist.
Die Luftkollektoren mit Plexiglasplatte kosten mit Ventilatoren, Rohren und Regelung 75.600 €/ 77 m² = 982 €/m² geliefert und montiert. Das nackte Trapezblech mit Absorber Beschichtung mit einem Wirkungsgrad unter 25% 718 €/m² geliefert und montiert mit allem Zubehör. Die Montage macht Zirka 11 % der Kosten aus.
Alles in allem lässt sich von Luftkollektoren zu diesem Preis nur abraten. Neben dem geringen Ertrag aufgrund des schlechten Wirkungsgrades, lohnt sich die hohe Investition nicht.
Vakuumröhrenkollektoren
Vakuum Röhrenkollektoren sind unabhängiger von der Außentemperatur. Diese Heat Pipe betriebenen Solarkollektoren werden in Angermünde hergestellt. Sie sind sicher vor Überhitzung im Sommer und bieten einen Bruttowirkungsgrad von 48 %. Der Hersteller empfiehlt die Module in einer Neigung von 80 ° an die Fassade zu montieren.
Abbildung 53 Vakuumröhrenkollektor, Fassadenmontage
Ausgegangen von einem Wirkungsgrad von 50 % könnten 16.900 kWh optimistisch gewonnen werden. Sollte diese Wärmemenge mit 30 C/kWh Infrarotheizung bereitet werden, so entstünde eine Einsparung von 4.700 € pro Jahr. Infratotheizung wird verglichen, weil für Lagerhallen Strahlungsheizungen empfohlen werden.
Kritiker mögen behaupten, dass die Sonne doch auch ohne die Kollektoren durch die Drahtverglasung in das Gebäude gekommen wäre. Der Strahlungseintrag wäre mangels Absorberfarbe oder Vakuumröhre nicht einmal die Hälfte (7.000 kWh). Die Verluste über diese Fenster seien mit 77 m²* 5,5 W/(m²*K) *76 kKh = 36.000 kWh.
Die Kosten für diese MEGA-Kollektoranlage (MEGA-Kollektorsegment, Fassadengestell mit Kollektorverbinder und -Anschlüsse) belaufen sich auf ca. 350,– €/Bruttokollektorfläche. Anders gesagt kann der Preis für Solarthermie bei dieser 48,67 kW Anlage für 41.800 € netto mit 860 €/kW angenommen werden.
Für 96 m² Fassaden Vakuum-Röhren-Kollektoren fallen also folgende Investitionen an.
Kollektoren | 33.600 |
Ausdehnungsgefäß 105 l | 300 |
Glykol 200 l | 100 |
Pumpengruppe DN 25 | 600 |
Sicherheitsgruppe | 200 |
Rohr & Dämmung DN 25 Rolle 50 m | 500 |
Montage mit Arbeitsbühne | 6.500 |
Gesamt | 41.800 |
Die Investition in Vakuumkollektoren amortisiert sich in unter 10 Jahren. Die Sanierungsmaßnahme mit Wasser basierten Solarkollektoren ist empfehlenswert
Heizungsoptimierung
Nachdem die Fernwärmestation, das bedeutet der Plattenwärmetauscher, die Rohrleitungen und die Armaturen 200% gedämmt worden sind, ist für den kommenden Winter das Zeitintervall der Heizungspumpe sukzessive zu erhöhen bis die Bewohner sich wohler fühlen. Sobald die thermischen Maßnahmen stattgefunden haben, kann die Heiz-Zeit wieder zurückgestellt werden.
Eine Digitale Regelung für die Heizungstechnik ist wertvoll. Sie kann verschiedenste Steuerungsaufgaben übernehmen und Daten von Sensoren sammeln und Visualisieren. Bei Etapart kostet die Steuerung mit 6 Fühlern 3300 € Netto. Insgesamt kann die Hallenheizungsregelung ETAMATIC ca. 12.000,00 € kosten, je nachdem wie viele Funktionen und Monitoring erfüllt werden soll. Im Gebäudeenergiegesetzt wird ein Monitoring von Gebäuden gefordert.
Oftmals sind die erforderlichen Aufgaben, um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern eher von simpler Natur. In der Fachsprache redet man von Low Tech Lösungen als Pendant von Smarter non Stop Messung und permanentem Datenaustausch mit dem Internet und den Servern.
Wenn die Tore der Lagerhalle geöffnet sind, sollte die Heizung ausgehen. Dazu bietet der Torhersteller einen Türkontakt als Magnetschalter für knapp 60 €. (https://www.tor7.de/hoermann-magnetschalter-bi-direktional)
Der Magnetschalter kann entweder ein Thermostat für 15 €/Stk direkt oder ein Ventil für 110 € ansteuern. Dies kann erforderlich sein, wenn mehrere Heizkörper über einen Strang abgeschaltet werden sollen.
Wenn die Tore geschlossen sind, funktioniert die Heizung wie zuvor. Wird das Tor geöffnet, schaltet das Ventil die Heizung ab und es wird keine Wärmeenergie mehr verschwendet.
Die Kosten für die Einbindung eines Türkontaktes in die Hörmann Tore werden auf 1.000 € für das erste und 400 € für jedes weitere Sektionaltor geschätzt.
Fenster Nordseite Lagerhalle
Die Drahtverglasung der Lagerhalle sollte mit Doppelverglasten Fenstern ersetzt werden.
Die Wärmeverluste über Einfachverglasung sind im Jahre 2025 nicht mehr vertretbar.
Kostenschätzung
Fläche | Anzahl | Bezeichnung | Preis | Einheit | Summe |
Regelung Fernwärme | |||||
Einregulieren | |||||
76 | 48 | PV-Module mit Befestigung und Wechselrichter 15 kW | 350 | €/Stk | 16.800,00 € |
3 | Speicher 3 kWh | 2000 | €/Stk | 6.000,00 € | |
LAGERHALLE | |||||
2 | Torkontakte zur Heizungsabschaltung | 1400 | €/Stk | 2.800,00 € | |
62 | Fenster Südseite schließen | 150 | €/m² | 9.300,00 € | |
90 | 50 | Fenster Nordseite tauschen Doppelverglast | 500 | €/Stk | 25.000,00 € |
96 | 1 | Thermische Solaranlage Vakuum Röhren | 437,50 € | €/m² | 42.000,00 € |
sonstiges | 5.000,00 € | ||||
Ergebnis | netto | 529.650,00 € |
Fazit: Wirtschaftlichkeit Solarthermie vs PV
Das Ergebnis des wirtschaftlichen Vergleiches von Solarthermie zu Photovoltaik ist nicht so deutliche wie so mancher es gerne hätte. Beide Systeme haben Ihre Berechtigung. Es kommt im Wesentlichen auf den Nutzen im Sommer an. Für uns als TGA-Planer bleiben das Herstellungsland Deutschland und die Langlebigkeit, sowie die Einfachheit die Hauptvorteile von Solarthermie.
Wirtschaftlichkeit Photovoltaik mit Speicher und Heizstab
22.800 € für 15 kW peak Photovoltaik mit 9 kWh Batteriespeicher. Das Ergibt einen Preis für Photovoltaik mit Speicher von 1520 €/kW.
Die zu erwartende Arbeit der PV-Module wird mit 14.000 kWh Strom simuliert.
Wir kommen auf einen Wärmepreis von 1,62 €/kWh.
Im Winter, wenn Wärme benötigt wird, ist kein Strom am Standort Deutschland mit PV zu erwarten.
Wirtschaftlichkeit Solarthermie mit Speicher
Im Winterhalbjahr sind von den Vakuumröhrenkollektoren 26.000 kWh *0,6 % Wirkungsgrad 15.600 kWh zu erwarten.
Die 46 kW Solaranlage ist zwar etwas größer aber mit dem Leistungspreis von 860 €/kW auch günstiger. Das Liegt natürlich an dem günstigeren Energiespeicher in Form eines Heizungspuffers.
Der ganzjährige Wärmepreis kommt auf 1,61 €/kWh, wenn z.B. ein Stirlingmotor oder eine Absorptionskältemaschine im Sommer betrieben werden. In diesem Fall kann die Wärme ins Fernwärmenetz für den Trinkwarmwasserbedarf genutzt werden.
Luftkollektoren
Ungedämmte Luftkollektoren, wie Sie tatsächlich verbaut wurden, bringen nichts außer einer Fassadenneugestaltung.
Wir kommen auf einen Wärmepreis von 11,6 €/kWh.
Von Luftkollektoren ist in diesem Fall abzuraten.
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