Dämmung für den Ertrag
Eine thermische Solaranlage besteht immer auch aus einem Speicher. Die Ernte vom Dach erfolgt nun mal nicht zeitgleich mit der Nutzung der Wärme. Daher ist das Speichern dieser Wärme notwendig. Aber wie steht es mit den Verlusten?
Diese aus Stahl gefertigten Behälter werden von den Speicherherstellern samt der Dämmung geliefert. Entweder bildet Speicherbehälter und Dämmung bereits eine Einheit oder Behälter und Dämmung werden getrennt geliefert. Die getrennte Lieferung hat Vorteile beim Transport von sehr großen Speichern. Die Lieferung als fertiges System spart dagegen Einbauzeit und zeigt meist bessere Dämmeigenschaften bei vergleichbarer Dämmstärke gegenüber der getrennten Lieferung. Was gibt es also noch zu berichten, wenn doch ohnehin alles vom Hersteller vorgegeben wird?
Dämmmaterialien
Man findet üblicherweise PU-Weichschaum (PU für Polyurethan), PU-Hartschaum, Melamin und EPS (Extrudiertes Polystyrol) als Dämmmaterial von Speichern. Allen gemein ist die Eigenschaft einer geringen Wärmeleitfähigkeit.
PU mit 0,020-0,030 W/(m·K)
Melamin mit 0,035 W/(m·K)
EPS mit 0,035-0,040 W/(m·K)
Im Vergleich dazu liegt die Wärmeleitfähigkeit beispielsweise von Stahl bei 48 W/(m K)
Die Wärmeleitfähigkeit wird mit dem griechischen Buchstaben λ (sprich lambda) abgekürzt. Der Lambda-Wert der verwendeten Dämmungen ist also sehr gering. Die Einheit Watt pro Meter pro Kelvin (W/(m K)), die man da liest, ist nur auf den ersten Blick geheimnisvoll. Wenn man diese mit Verstand betrachtet, dann steht da beispielsweise für einen Werkstoff mit einem λ-Wert von 0,04 W/(m K):
Ich gebe nur 0,04 Watt an Wärme ab, wenn du mich einen Meter dick aufbaust und einer Temperaturdifferenz von einem Grad aussetzt. Machst du mich dünner, gebe ich entsprechend mehr Leistung ab. Ist die Temperaturdifferenz größer, lasse ich ebenfalls mehr Wärme durch. Damit verliert die Einheit W/(m K) ihre Schrecken und erklärt sich fast schon selbst.
Einflussfaktoren
Wird Wärme abgegeben, spielen die Faktoren Wärmeleitung, Konvektion und Strahlungsaustausch eine Rolle.
Die Wärmeleitung bezeichnet den Vorgang im Speicher, bei dem sich die Stahlmoleküle der Hülle durch das heiße Wasser im Speicher zum Schwingen anregen lassen. Diese Schwingungen übertragen sich auf die Nachbarmoleküle und leiten diese Schwingung bis nach außen. Der Stahlbehälter ist außen fast genauso heiß wie drinnen. Folgt dann jedoch ein Stoff, der sich weniger leicht in Schwingung versetzen lässt, also die Dämmung, verzögert sich die Wärmeabgabe durch Leitung.
Die Konvektion bezeichnet den Vorgang, dass durch den warmen Speicher erwärmte Luft außen am Speicher aufsteigt, da diese durch die Erwärmung leichter wird. Dabei strömt kühlere Luft nach und wird wiederum erwärmt. Dabei wird der Speicher gewissermaßen luftgekühlt.
Ein Strahlungsaustausch findet statt zwischen einem heißen unisolierten Stahlkörper und den kalten Kellerwänden im Aufstellraum.
Diese Einflüsse soll also die Dämmung verzögern, ganz aufhalten kann sie diese nicht.
Rechnerische Größen
Nehmen wir als Beispiel eine Dämmung aus EPS mit einem λ-Wert von 0,04 W/(m K) die mit 8 Zentimeter Dicke um einen Stahlbehälter gewickelt ist. Dann kann man den U-Wert errechnen.
U-Wert-Berechnung ausführlich im SBZ-Monteur 09 von 2008 „Der U-Wert das Bollwerk“ bequem im Netz unter www.sbz-monteur.de im Heft-Archiv.
Der U-Wert ist also der Kehrwert des Wärmedurchlasswiderstandes RT.
Der Wärmedurchlasswiderstand ergibt sich für das Speicherbeispiel aus
Der gesamte Widerstand ergibt sich also aus einem Übergangswiderstand innen (Rsi) dem Widerstand des Stahls (R1) dem der Dämmung (R2) und dem äußeren Übergangswiderstand (Rse)
Rsi = beträgt 0,001 m²K/W (
(Übergang innen, von Wasser auf Stahl)
R1 = 0,0002 m²K/W
(Durchgang durch Stahlwand)
R2 = 0,08m/0,04 W/m K = 2 m²K/W
(Durchgang durch Dämmung)
Rse = beträgt 0,1 m²K/W
(Übergang außen von Speicher an Luft)
Die Einheiten wurden der Einfachheit halber weggelassen
Man sieht schon auf den ersten Blick, dass die Dämmung mit dem Wert von 2,0 m²K/W den bei Weitem größten Widerstand darstellt.
Der U-Wert beträgt daher
Der U-Wert beträgt also rund 0,48 W/m²K
Und jetzt?
Wie schließt man dann auf die Wärmeabgabe dieses Speichers?
Dazu benötigt man natürlich noch die wärmeübertragende Fläche des Speichers. Diese wird für einen 400 Liter-Speicher mit 5 Quadratmeter angenommen.
Dann sind noch die Temperaturen des Aufstellraumes und des Speichers interessant. Der Aufstellraum wird mit 10 °C angenommen, die Speichertemperatur liege bei 60 °C. Dann ergibt sich eine Wärmeabgabe von
0,48 W/(m²K) x 5 m² x 50 K = 120 W
Einzelheiten für diese Berechnung erfahren Sie ausführlich im SBZ-Monteur 11 von 2008 „Warmer Hintern in der Laube“ bequem im Netz unter www.sbz-monteur.de im Heft-Archiv.
Da steht also gewissermaßen ein Heizkörper mit einer Leistung von 120 Watt im Heizungskeller. An einem Tag gibt dieser Speicher 120 Watt multipliziert mit 24 Stunden als rund 2880 Wattstunden an Wärmeenergie ab. Das entspricht in etwa der Energie die in 0,3 Liter Heizöl oder auch 0,3 Kubikmeter Erdgas stecken.
Viel oder wenig?
Die Entscheidung, ob es sich bei diesem Wert um eine katastrophale Verschwendung handelt oder nur um Peanuts muss man selbst treffen. Sie können leicht ausrechnen, was eine Verbesserung des U-Wertes für Folgen hätte. Würde man nämlich die Dämmstärke auf beispielsweise 10 Zentimeter erhöhen, würde der U-Wert sich verbessern auf 0,38 W/(m²K) (0,1m/0,04 W/m K = 0,38 W/m K) und die Wärmeverlustleistung auf 95 Watt senken. Am Ende eines Tages wären dann „nur“ noch 2280 Wh verpufft sein. Zwei Zentimeter Dämmung sparen also täglich 600 Wh oder 0,06 Liter Heizöl (0,06m m³ Erdgas). Im Jahr sind das allerdings bereits 219000 Wh also entsprechend 21,9 Liter Heizöl.
Leider spart man mit weiteren zwei Zentimetern Dämmung nicht nochmals diese Menge an Brennstoff bezogen auf ein Jahr.
12 Zentimeter Dämmung führt zu einem U-Wert von 0,32 W/m²K und einem Verlust pro Tag von 1944 Wh. Pro Jahr würde eine Dämmung die vier Zentimeter dicker ausfällt rund 341640 Wh Verluste einsparen, also „nur“ noch rund 12,3 Liter Heizöl zusätzlich.
Über dieses Phänomen haben wir bereits berichtet im SBZ Monteur 11/2011.
Zusammenfassend kann man diese nicht zu verhindernde Verlustleistung und die damit verbundene Energiemenge als durchaus relevant ansehen. Die angemessene Dämmung der Solarspeicher ist also dringend notwendig.
Gegenüberstellung
Ein Solarspeicher fällt in der Regel größer aus, als ein konventioneller Speicher. Das bedeutet auch gleichzeitig, dass der Solarspeicher eine größere Oberfläche aufweist. Man muss daher festhalten, dass die notwendigerweise größere Oberfläche eines Solarspeichers eben auch besser gedämmt werden muss. Denn, würde man auf die bessere Dämmung verzichten, dann müsste ein Teil der vom Dach geernteten Solarwärme wieder eingesetzt werden um den systembedingten Nachteil der höheren Verlustleistung auszugleichen.
Ketzer behaupten sogar, dass die Ernte vom Dach ohnehin verpufft, da ja die Trinkwasserzirkulation das erwärmte Wasser noch durch das Wohnhaus treibt. Dabei entsteht natürlich ebenfalls eine Verlustleistung. Faktisch ist das natürlich auch so. Nur wird dabei außer Acht gelassen, dass diese Verlustleistung natürlich auch bei Anlagen ohne Solarkollektoren auf dem Dach entstehen. Aber es ist nicht unbedingt abwegig zu behaupten, dass sämtliche Verluste einiger Warmwasserinstallationen die Ernte der Solaranlage komplett auffressen. Nur, ohne Solaranlage würde wiederum Öl oder Gas diese Verlustleistung bringen müssen. Daran wird natürlich auch deutlich auf welch hohem Komfort- und Hygiene-Niveau Deutschland in diesem Bereich steht.
Übrigens sollte man ernsthaft darüber nachdenken was denn wohl passiert, wenn man eine Luft/Wasser-Wärmepumpe gleichzeitig in dem Raum Luft ansaugen lässt, in der auch ein Warmwasser- oder Pufferspeicher steht.
Richtig, man erhöht die Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Umgebung und vergrößert so die Verlustleistung des Speichers. Das ist also eine ziemlich beknackte Unart.
