Benutzer:Dr.sonne/Sonnenheizung

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Sonnenheizung

Der Begriff Sonnenheizung sowie als Synonym Solarheizung wird häufig zur Werbung gebraucht, ohne definiert zu sein. Daher wird versucht, diesen Begriff aus allgemein und breit anwendbar zu definieren. Das Ziel ist ein objektives, allgemein anerkanntes Kriterium zu schaffen, damit Firmen von akkreditierten Instituten ihre Produkte testen lassen können und Verbrauchern eine objektive Aussage zur Verfügung steht.

Es soll ein Prädikat “Sonnenheizung“ für Systeme etabliert werden, deren bereitgestellte Energie zu mindestens 80 % aus der Sonne stammt, ohne dass dafür externe Transportbewegungen (wie Zufuhr von Holz) anfallen.

Histroie

Die vor Jahren begonnene Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung von Strom durch Photovoltaik oder zur Erwärmung von Brauchwasser sowie gar zur Heizungsunterstützung durch Solarthermie wurde anfangs belächelt. Heute, im Bewusstsein der endlichen fossilen Brennstoffe und der Umweltschäden durch die Verbrennung zur Gewinnung von Wärme und Strom, steht die Nutzung der Sonnenenergie weltweit immer mehr im Mittelpunkt. Während Deutschland bei der Photovoltaik seit Jahren weltweit der größte Markt ist, kam es 2008 zu einem kurzem Boom in Spanien und 2010 zu einer Euphorie in Tschechien sowie Italien und es ist zu erwarten, dass die Begeisterung in den USA um sich greift.

Bei der Solarthermie ist die Solare Deckungsrate, auch Solarer Deckungsgrad genannt, das Maß, wieviel Prozent der benötigten Energie von der Sonne bereitgestellt wird. Dabei ist zwischen der Solaren Deckungsrate für das Brauchwasser und für die Heizung zu unterscheiden. Dieser Wert ist über das Jahr gesehen sehr unterschiedlich. So ist es heute in vielen Fällen kein Problem, in der Zeit zwischen Mai und September das Brauchwasser zu annähernd 100 % durch die Sonne zu erwärmen. Entscheidend ist der Prozentwert in Bezug auf die Energie für das ganze Jahr. Da die Gesamtenergie für die Heizung im Regelfall deutlich höher als für die Brauchwasserbereitung ist, stellt die Bereitstellung einer erheblichen Solaren Deckungsrate für die Heizung eine Herausforderung dar. Bisher war es durchaus vorbildlich, Anlagen zu errichten, die über das Jahr hinweg die Energie für Heizung und Warmwasser zu über 50 % aus der Sonne erzeugen (Solare Deckung über 50 %) - siehe auch "Sonnenhaus" in Wikipedia.

Regierungsziel

Schon vor Jahren erklärte in Deutschland das Bundesumweltministerium als hehres Ziel, im Jahr 2030 Gebäude als Baustandard zu 100 % mit Sonne zu beheizen (Hohenheimer Runde).

Der Energiebedarf ist über das Jahr hinweg sehr unterschiedlich verteilt und hängt dabei auch von Faktoren wie der Gebäudeisolierung ab. Eine Heizkostenabrechnung nach Gradzahltagen, bei der die Kalendertage unterschiedlich bewertet werden, verdeutlicht dies. Auf den Januar entfallen mit einem Anteil von 8,5 % der Jahreszeit 17 % der Heizkosten.

Da der Energiebedarf im Januar am höchsten ist, die von der Sonne zur Verfügung stehende Energie im Jahrestief liegt, fällt das Erreichen des Ziels (zu 100 % mit Sonne zu heizen), umso schwerer, je mehr man sich 100 % annähert. Die Steigerung von 50 % auf 60 % ist gegenüber der Steigerung von 70 % auf 80 % ein Kinderspiel. Das Ziel 100 % ist äußerst ambitioniert.

Definition Sonnenheizung

Systemdefinition Sonnenheizung

Als Sonnenheizung gilt die Nutzung von regenerativer Sonnenenergie zur Heizung und Brauchwasserbereitung mit einem fest installierten System, ohne durch externe Transportprozesse Energie zuzuführen. Durch diese Definition scheiden sowohl Holz- oder Pelletheizungen als auch die Nutzung von tiefer Geothermie aus. Hingegen ist es zulässig sowohl die durch Sonnenkollektoren gewonnene Energie als auch im Boden oder im Wasser vorhandene regenerative Sonnenenergie zu nutzen. Das seit Urzeiten bekannte Holzfeuer kann als CO2-neutral betrachtet werden. Aber nur durch die Eliminierung von Transportprozessen gelangt man zu einer Definition eines Maßstabs von anspruchsvollen Systemen, die nach der Installation ständig Sonnenenergie bereitstellen.

Technische Grundlagen

Eine Gebäudevoraussetzung, um eine hohe Solardeckungsrate zu erreichen, ist eine gute Isolierung des Gebäudes. Wenn die Grundstücksfläche groß genug ist, könnte dies zwar über große Kollektorflächen oder große Bodenflächen ausgeglichen werden, würde sich aber technisch bei einer Vielzahl von Gebäuden nicht realisieren lassen und ist nicht sinnvoll. Technisch zwingend ist die Nutzung einer Flächenheizung mit einer geringen Vorlauftemperatur. Sowohl bei der Nutzung einer Wärmepumpe für Sonnenenergie aus dem Erdreich als auch bei der Nutzung von Sonnenkollektoren hängen die technischen Möglichkeiten in hohem Maße von der über das Heizverteilsystem vorgegebenen Vorlauftemperatur ab. Entscheidend ist hier, wie bereits angeführt, der Winter mit seinem hohen Energiebedarf und der gleichzeitig geringeren Bereitstellung von Sonnenenergie. Vereinfacht gesagt ist es technisch bei einer Vorlauftemperatur im Heizsystem von 30° C oder 35° C in viel höherem Maße möglich Energie von der Sonne zu nutzen als bei einem höheren Temperaturniveau von etwa 50° C oder gar nach der Ansicht des Autors unseriösen Werbung für Wärmepumpen im Altbau mit einer Vorlauftemperatur von 70° C. Bei der Nutzung der Sonne durch Kollektoren ist neben einer anzustrebenden Südausrichtung der Neigungswinkel der Kollektoren entscheidend. Die nachfolgende Darstellung auf Basis von Auswertungen, bei der der Neigungswinkel in Stufen von 5° verändert wird, zeigt die idealen Winkel bei Photovoltaik und bei Solarthermie. Bei Photovoltaik ist der höchste Jahresertrag maßgebend, der sich bei ca. 30° ergibt. Bei der thermischen Nutzung ist im Sommer ein hoher Ertrag nicht nutzbar, ja sogar für manche Anlagen schädlich. Bei einer Kollektorneigung von 45° ist der Jahresertrag nur 1 % geringer als bei 30° aber im Hinblick auf die Jahreszeit deutlich günstiger verteilt. Ein noch größerer Neigungswinkel von 60° führt zu einer Abflachung der nutzbaren Solarenergie zwischen März und Oktober, während es in der Winterzeit zu einem geringen Mehrertrag kommt und durch das bessere Abrutschen von Schnee auf den Kollektoren sogar ein deutlicher Vorteil entsteht. Anmerkung: Die Darstellung zeigt durch die blau markierten Zahlen, welcher Neigungswinkel von Kollektoren oder Modulen in jedem Monat zum höchsten Energieertrag führt. Die maximale Energieausbeute kann durch eine 2-achsige, zeitgesteuerte Nachführung der Einstrahlebene (Kollektoren oder Module) erreicht werden und liegt deutlich höher.

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Definition einer Grenze für das Prädikat Sonnenheizung

Sowohl bei einer Wärmepumpe zur Nutzung der in der Erde gespeicherten Sonnenenergie als auch bei der Nutzung der Sonnenenergie mittels Kollektoren fällt Hilfsenergie an, die mittels Photovoltaik zumindest teilweise lokal selbst erzeugt werden könnte und ein nutzbares Potenzial im Hinblick auf eine Sonnenheizung darstellt (zusätzliche Investition im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeitsrechnung des Gesamtsystems). Ausgehend vom hehren Ziel der Bundesregierung im Jahr 2030 eine Solare Deckung von 100 % zu erreichen und dem heutigen Stand der Technik erscheint für ein Prädikat “Sonnenheizung“ eine Grenze von 80 % Sonnenanteil sinnvoll. Der Artikel soll zu einer Festlegung oder Norm führen, dass akkreditierte Institute Firmen für deren Produkte nach einer Prüfung das Prädikat Sonnenheizung verleihen können und dadurch Verbraucher ein verlässliches Kriterium haben, wie dies heute z. B. bei Haushaltsgeräten mit der Einteilung nach Energieeffizienzklassen der Fall ist.