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Energiebedarf des AquaSolar-Systems für den Frostschutz

AquaSolar-System von Paradigma
Perfekt: Sonne -> Wasser -> Wärme

Von anderen Herstellern von Solarthermieanlagen, aber auch von Anlagenbetreibern wird immer mal wieder die Effizienz der Frostschutzfunktion von AquaSystemen in Frage gestellt; es würde zu viel Energie aufgewandt werden. Ist das wirklich so?

 

Solaranlage mit Paradigma AquaSolar-System:

Angaben zum Frostschutz & Energiebedarf Insbesondere wird behauptet oder befürchtet, dass nachts unnötig Wärme aus dem Speicher auf das Dach transportiert und dadurch die tagsüber gewonnene Solarenergie wieder vernichtet wird. Nachfolgende Ausarbeitung entkräftet eindrucksvoll diese Befürchtungen und zeigt, dass die Frostschutzfunktion bei AquaSolar-Systemen, insbesondere mit der neuen Solarstation STAqua II mit integriertem Solarregler SystaSolar Aqua II höchst effizient arbeitet und andere Systeme deutlich in den Schatten stellt.

1. Vorgehensweise und Randbedingungen

Verlässliche und genaue Rückschlüsse über den Energiebedarf für den Frostschutz von Solaranlagen lassen sich ausschließlich durch detaillierte und exakte Computersimulationen unter festgelegten Randbedingungen gewinnen. Dies geschieht mit der äußerst leistungsfähigen Simulationsumgebung COLSIM. In dieser Ausarbeitung werden zunächst für einen mittleren deutschen Standort (Würzburg) folgende Solaranlagen-Systeme bezüglich ihrer energetischen Leistungsfähigkeit und insbesondere ihres Frostschutzbedarfs miteinander verglichen:

  • Solaranlage mit Flachkollektor, Glykolfüllung und Regelung SystaSolar
  • AquaSolar-System mit Regelung SystaSolar Aqua I
  • AquaSolar-System mit Regelung SystaSolar Aqua II

 

Um Anhaltswerte für einen mittleren Frostschutzbedarf zu gewinnen, sowie die oberen und unteren Grenzen des Frostschutzbedarfs abzustecken, wird dann eine größere Bandbreite an AquaSolar-Systemen bis maximal 15 m² Kollektorfläche betrachtet:

  • Kleine AquaSolar-Systeme mit kurzen Außenrohrleitungen an warmen Standorten
  • Mittlere AS-S mit mittellangen Außenrohrleitungen an gemäßigten Standorten
  • Große AS-S mit langen Außenrohrleitungen an kalten Standorten

     

Die den Simulationen zugrunde liegenden Randbedingungen entsprechen zum Teil den Randbedingungen bei Ertrags-Vorhersagen von Solarsystemen im Rahmen von Kollektortests nach EN 12975 bzw. Stiftung Warentest. Weitere Randbedingungen wurden praxisnah angenommen. Zum Zeitpunkt der Untersuchung waren die neuen Paradigma Solarkollektoren STAR und AQUA PLASMA noch nicht auf dem Markt; daher beziehen sich die Daten auf das bewährte Vorgänger-Modell Paradigma Star azzurro.

2. Energetischer Vergleich von Systemen Aqua II, Aqua I und Glykol mit Flachkollektor

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahressimulation mit COLSIM für verschiedene Solarsysteme des für bezüglich der Sonneneinstrahlung in den Breitengraden Deutschlands repräsentativen Standorts Würzburg:

  • Aqua II - AquaPaket 1 x CPC 21 Star azzurro (3,5 m²), Aqua 290, SystaSolar Aqua II
  • Aqua I - AquaPaket 1 x CPC 21 Star azzurro (3,5 m²), Aqua 290, SystaSolar Aqua I
  • Glykol - Glykolsystem mit Hochleistungs-Flachkollektor (5,0 m²), Sunny 300, SystaSolar

Jedes Glykolsystem muss nach einer kalten Nacht erst mühsam von der Sonne erwärmt werden, während sich ein AquaSystem schon nahezu auf Betriebstemperatur befindet. Der Frostschutzbedarf wird daher berechnet aus der dem Speicher während des Frostschutzbetriebs entnommenen Energiemenge, abzüglich der Energiemenge, die morgens bei Sonnenaufgang noch im System vorhanden ist.

KriteriumGlykolAqua IAqua II
Spezifischer Kollektorertrag in kWh/(m²a)367553559
Speichereintrag solar in kWh/a1.4951.6221.630
Energiebedarf für Frostschutz in kWh/a02114
Pumpenstrombedarf in kWh/a532612

Die Funktions- und Frostsicherheit mit Aqua II gegenüber Aqua I wurde noch einmal deutlich erhöht. Die in der Tabelle dargestellten Simulationsergebnisse zeigen nun, dass sich darüber hinaus noch ganz erhebliche energetische Vorteile für Aqua II ergeben:

Der Energiebedarf für Frostschutz bei Aqua II (14 kWh/a) wurde gegenüber Aqua I (21 kWh/a) trotz höherer Sicherheit noch einmal erheblich reduziert und liegt im Verhältnis zum Speichereintrag solar (1.630 kWh/a) im Fall mit kurzer Außenleitung bei weniger als 1%.

Der Pumpenstrombedarf konnte mit Aqua II (12 kWh/a) gegenüber Aqua I (26 kWh/a) nochmals halbiert werden und liegt damit bei weniger als einem Viertel im Vergleich zum betrachteten Glykolsystem (53 kWh/a). Hinweis: Alle hier dargestellten Zahlen geben lediglich Tendenzen an, welche bei veränderten Randbedingungen abweichen können. Die Bandbreite der Abweichungen für den Frostschutzbedarf für das AquaSolar-System wird in den folgenden Abschnitten abgeschätzt.

3. Frostschutzbedarf Aqua II bei verschiedenen Systemvarianten und Außenrohrlängen

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahres-Simulation mit COLSIM für verschieden große AquaSolar-Systeme in einem Niedrigenergiehaus am Standort Würzburg:

1 x CPC 21 & Aqua 2902 x CPC 21 & Aqua 4903 x CPC 45 & Expresso 1100
Spezifischer Kollektorertrag in kWh/(m²a)559512446
Speichereintrag solar in kWh/a1.6303.0125.185
Energiebedarf  Frostschutz in kWh/a1442118
Quotient aus 3 und 2 in %0,86 %1,39 %2,28 %

Bezieht man den Frostschutzbedarf der Solar-Systeme am Standort Würzburg auf die in den Speicher eingetragene Solarenergie, so ergibt sich ein Quotient zwischen 0,86 % und 2,28 % grob also etwa zwischen 1 % und 2,5 %.

4. Frostschutzbedarf Aqua II in verschiedenen Klimazonen

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahressimulation mit COLSIM für das AquaSystem mit 2 x CPC 21 Star azzurro und Speicher Aqua 490 in verschiedenen Klimazonen und unterschiedlichen Breitengraden Deutschlands:

FreiburgWürzburgStötten
Spezifischer Kollektorertrag in kWh/(m²a)514512555
Speichereintrag solar in kWh/a3.0343.0123.270
Energiebedarf  Frostschutz in kWh/a264262
Quotient aus 3 und 2 in %0,86 %1,39 %1,90 %

Bezieht man den Frostschutzbedarf der Aqua-Systeme in den verschiedenen Klimazonen auf die in den Speicher eingetragene Solarenergie, so ergibt sich ein Wert zwischen 0,86 % und 1,90 % grob also etwa zwischen 1 % und 2 %.

5. Abschätzung Frostschutzbedarf Aqua II

Aus den durchgeführten Simulationen lässt sich der zu erwartende Frostschutzbedarf für Warmwasser-Anlagen und Solarheizungen mit AquaSolar-System unter verschiedenen Randbedingungen zumindest grob abschätzen:

  • Kleinere AquaSysteme - bis 5 m² mit kurzen Rohrleitungen bis 2 x 1 m
  • Mittlere AquaSysteme - von 5 bis 10 m² mit mittleren Rohrleitungen bis 2 x 8 m
  • Größere AquaSysteme - von 10 bis 15 m² mit langen Rohrleitungen bis 2 x 15 m
Frostschutzbedarf kWh/aWarmes KlimaMittleres KlimaKaltes Klima
Kleinere Aqua-Systeme101520
Mittlere Aqua-Systeme254060
Größere Aqua-Systeme70120200

Ausgehend von einem mittleren AquaSolar-System bei mittlerem Klima (40 kWh/a) kann der Frostschutzbedarf der Paradigma Solaranlagen unter günstigen Bedingungen (kleines System mit kurzen Außenleitungen) also um Faktor 4 nach unten (10 kWh/a) abweichen. Bei ungünstigen Bedingungen (großes System mit langen Außenleitungen) ist eine Abweichung um Faktor 5 nach oben (200 kWh/a) möglich.

 

Der Frostschutzbedarf für Aqua-Solaranlagen bewegt sich dabei in der Regel zwischen 0,5 % und 3,5 % des Solarertrages!

 

Die jährlichen Verluste üblicher Solarspeicher liegen im Vergleich dazu in einem Bereich oberhalb von 600 kWh/a und können bei kleinen thermischen Solaranlagen bis zu 40 % des Solarertrages „auffressen“.

Schema der Anbindung
Der feine Unterschied

6. Frostschutzbedarf von wasserbasierten Nachahmerprodukten anderer Solarthermie-Hersteller

Es versteht sich von selbst, dass alle in diesem Papier gemachten Angaben ausschließlich für die AquaSolar-Systeme von Paradigma in Form von AquaPaketen bis 15 m² Kollektorfläche gelten. Der Frostschutzbedarf von wasserbasierten Nachahmerprodukten anderer Hersteller kann um ein vielfaches über den hier genannten Werten liegen. Insbesondere das häufig praktizierte, stetige Pumpen in festen Zeitintervallen ist in der Regel energetischer äußerst zweifelhaft. Häufig wird ein Nachahmer allerdings nicht in der Lage (und schon gar nicht Willens) sein, nähere Untersuchungen zum Frostschutzbedarf des eigenen Solar-Systems durchzuführen bzw. durchführen zu lassen. Ganz nach dem Motto: „Was ich nicht weiß, macht das Dach nicht heiß“.

Fazit und Zusammenfassung der Untersuchung