“Es kommt auf das Zusammenspiel von Pelletskessel und Solaranlage an“

Holzpellets und Sonnenkollektoren bilden ein ideales Gespann für umweltfreundliches Heizen. Worauf es beim Zusammenspiel der beiden ankommt, das haben das Schweizer Institut für Solartechnik SPF in Rapperswil und das Institut für Wärmetechnik der TU Graz untersucht. SPF-Mitarbeiter Michel Haller erklärt im Interview mit Pelletshome.com, warum eine korrekte Installation wichtiger ist als ein möglichst effizienter Kessel, in welchem Fall er zum Einbau eines Pufferspeichers rät und was man bei der Regelung solcher Systeme beachten muss.Herr Haller, Sie haben das Zusammenspiel von Pelletsheizungen mit Solaranlagen untersucht. Was bringt eine solche Kombination an Vorteilen?
Solche Anlagen senken den Brennstoffeinsatz. Außerdem können sie die Anzahl der Kesselstarts beträchtlich reduzieren. Letzteres wirkt sich positiv auf den Nutzungsgrad, die Lebensdauer und die Emissionen aus.

Wie viel Brennstoff kann der Besitzer einer Pelletsheizung pro Jahr sparen, wenn er zusätzlich eine Solarwärmeanlage installiert?
Wenn wir von einem gewöhnlichen, mäßig isolierten Einfamilienhaus sprechen, dann spart er mit einer Standard-Kombianlage zur Warmwasserbereitung und Raumheizung mit zehn bis 15 Quadratmetern Kollektorfläche in der Regel 20 bis 30 Prozent des ansonsten nötigen Brennstoffs. Die Möglichkeit mit größeren Kollektorflächen und größeren Wärmespeichern noch mehr Brennstoff einzusparen ist nach oben offen. Allerdings verschlechtert sich dann die Rentabilität. Das ökonomische Optimum der Solaranlagen liegt meist bei den praxisüblichen zehn bis 15 Quadratmetern Kollektorfläche.

Michel Haller hat seine Doktorarbeit am Institut für Solartechnik SPF über Pellets-Solar-Kombisysteme geschrieben. Foto: SPF

Worauf sollten Verbraucher beim Kauf einer Pelletsheizung mit Solarunterstützung achten?
Natürlich sind effiziente Kessel und leistungsstarke Kollektoren von Vorteil. Entscheidend für eine hohe Energieeinsparung sind jedoch das Zusammenspiel der beiden Komponenten und in besonderem Maße die Qualität der Installation. Macht der Installateur seine Sache nicht richtig, werden Sie in jedem Fall enttäuscht sein. Wir Forscher bemühen uns, bei der Effizienz noch die letzten drei bis zehn Prozent herauszuquetschen. Der Installateur jedoch entscheidet darüber, ob die Anlage richtig funktioniert und ob die Verluste bei fünf oder 50 Prozent liegen. Deshalb braucht er eine gute Ausbildung in der Biomasse- und Solarheiztechnik sowie vorzeigbare Referenzen. Käufer sollten sich vertraglich gegen kritische Punkte wie eine lückenhafte Isolierung, eine fehlende Siphonierung von Speicheranschlüssen und eine ungewollte Schwerkraftzirkulation im Solarkreis absichern und dies bei der Abnahme kontrollieren. Sie sollten auf alle Fälle eine Endabnahme und eine Funktionskontrolle sowie eine Einweisung in die Bedienung der Anlage fordern.

Sonnenkollektoren können einen Teil des Wärmebedarfs übernehmen und gemeinsam mit einem Pufferspeicher dem Holzpelletskessel emissionsreiche und verschleißintensive Brennerstarts sparen. Stimmt diese Aussage generell?
Sie stimmt, wenn die Anlage richtig dimensioniert, verschaltet und geregelt ist.

Manche Hersteller raten wegen hoher Wärmeverluste vom Einsatz eines Pufferspeichers ab. In welchen Fällen halten Sie einen für sinnvoll?
Ein Pufferspeicher hat tatsächlich den Nachteil, dass er Wärme an die Umgebung abgibt, selbst wenn er noch so gut gedämmt ist. Deshalb sollte ein Pufferspeicher nur dann installiert werden, wenn er tatsächlich nötig ist. Unsere Labormessungen und Simulationsresultate zeigen, dass man bei einem leistungsmodulierenden, auf den Wärmebedarf des Hauses abgestimmten Pelletskessel auf einen Pufferspeicher verzichten kann. Der Haken an der Sache: Wir haben noch nie eine Anlage gesehen, bei der der Pelletskessel nicht zu groß ausgelegt gewesen wäre. Planer und Installateure wollen verständlicherweise um jeden Preis verhindern, dass ihre Kunden im Winter zu wenig Heizleistung im Keller stehen haben und deshalb frieren. Diese Angst führt nicht selten zu grotesken Überdimensionierungen von bis zu 100 Prozent.

Was ist die Folge?
Solch überdimensionierte Kessel arbeiten selbst an den kältesten Wintertagen nur mit der Hälfte ihrer Nennleistung. Bei ihnen lässt sich das Kesseltakten während eines großen Teils des Jahres nicht verhindern, selbst wenn sie ihre Leistung bis zu einem Drittel herunterfahren können. In diesen Fällen hilft nur ein Pufferspeicher. Deshalb rate ich zu folgendem: Wer den Mut hat, Pelletskessel knapp auszulegen, der kann auf einen Pufferspeicher verzichten. Die Anlage läuft dann effizienter. Wer sicher sein will, dass der Kunde auch an den kältesten Wintertagen seine Zimmer auf eine Raumtemperatur von 24 Grad Celsius heizen kann oder wer einen großen Kessel wählt, weil er den Wärmebedarf nicht genau kennt, der sollte einen Pufferspeicher einbauen. Allerdings verliert er an Effizienz gegenüber dem Mutigen.

Für die Effizienz einer Pellets-Solar-Kombianlage spielt eine Rolle, wie der Speicher beladen wird.
Das Beladen der Warmwasserzone im obersten Bereich eines Kombispeichers ist meist wenig problematisch. Dieser Bereich muss eine gewisse Energiemenge auf einem gewissen Temperaturniveau auf Vorrat haben. Ein solarer Kombispeicher besitzt jedoch noch zwei weitere Speicherbereiche: einen in der Mitte für die Raumheizung und einen unten für die Vorwärmung des Brauchwassers. Im mittleren können sich Pelletskessel und Solaranlage in die Quere kommen. Hält der Kessel die Speichermitte ständig auf Temperatur, führt das erstens zu höheren Speicherverlusten. Zweitens wird die Solaranlage ihre Wärme nicht mehr los. Tatsächlich legt der Kessel in vielen Anlagen nach dem Anfahren erst einmal mit voller Leistung los. Mit dem Überschuss, den die Raumheizung nicht abnimmt, belädt er dann den mittleren Speicherbereich. Erst wenn dieser voll beladen ist und die Rücklauftemperatur des Kessels infolgedessen zu steigen beginnt, mindert das Heizgerät automatisch seine Leistung.

Wie sollte stattdessen die Speicherbeladung ablaufen?
Viel besser wäre es, die Kesselleistung gleich zu Beginn zu reduzieren und den mittleren Speicherbereich erst dann zu beladen, wenn der Kessel selbst noch bei seiner kleinsten Leistungsstufe zu viel Wärme liefert. Der mittlere Speicherbereich sollte aus der Sicht des Pelletskessels also nicht voll sein, sondern so lange wie möglich leer bleiben. Das lässt sich bei den uns bekannten hydraulischen Schaltungen allerdings nur erreichen, wenn die Regelung der Kesselleistung einer Temperaturmessung im Speicher folgt.

Sehen Sie in dieser Hinsicht noch Entwicklungsbedarf bei Steuerungen?
Aufgrund  unserer Beobachtungen vermuten wir, dass derzeit die meisten Regelungen den mittleren Speicherbereich immer auf Temperatur halten und die Kesselleistung entweder gar nicht anpassen oder erst wenn die Rücklauftemperatur des Kessels steigt. Würden diese Regelungen an unsere Empfehlungen angepasst, würden sie die Verluste sowie das Kesseltakten reduzieren und gleichzeitig den Kollektorertrag erhöhen.

Apropos Kesseltakten. Braucht es eine bessere Leistungsmodulation bei den Pelletskesseln, um die Taktzyklen zu mindern?
Ja. Die meisten Kessel können laut der Prüfberichte zwar ihre Leistung auf ein Drittel mindern. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie es auch im Heizungskeller tun. Manche Kessel modulieren im wirklichen Betrieb nicht oder nur bis auf 40 Prozent ihrer Leistung. Das Erste, was es zu verbessern gälte wäre also, dass die Kessel ihre Leistung im normalen Betrieb tatsächlich automatisch bis auf 30 Prozent runterfahren. Zweitens schaffen es nicht alle Kessel, auch bei Teillast mit einem niedrigen Luftüberschuss zu arbeiten und ähnlich wenig Schadstoffe auszustoßen wie bei Vollast. Dadurch kann es passieren, dass ein nach unserer Ansicht richtig geregelter Kessel, der einen Taktbetrieb verhindert indem er bei Bedarf auf Teillast fährt, über ein Jahr gesehen mehr Kohlenmonoxid und flüchtige Kohlenwasserstoffe emittiert als ein Kessel gleichen Typs, der nur im Ein/Aus-Betrieb arbeitet.

Warum?
Weil die Mehr-Emissionen bei Teillast die durch weniger Takten eingesparten Emissionen übertreffen. Kessel mit guten Teillastwerten jedoch emittieren in modulierender Betriebsweise wegen der weniger häufigen Starts und Stopps weniger Schadstoffe als im Ein/Aus-Betrieb. Sie sollten deshalb modulierend betrieben werden. Dies haben gemeinsame Messungen und Simulationen des Instituts für Solartechnik SPF und der Hochschule Luzern in Horw deutlich gezeigt. Als drittens wäre noch anzufügen, dass eine Modulationsfähigkeit bis zehn Prozent der Vollast wünschenswert wäre. Damit hätte sich die Diskussion um den Einsatz von Pufferspeichern erledigt. Denn solche Kessel würden in Anlagen ohne Pufferspeicher auch dann nicht takten, wenn sie mit Angstzuschlag ausgelegt wären.

Wenn der Teillastbetrieb so wichtig ist, für wie aussagekräftig halten Sie dann Testmethoden, bei denen der Kesselwirkungsgrad lediglich bei Nenn- und Minimalleistung geprüft wird?
Leider wird mehr Aussagefähigkeit meist mit mehr Aufwand erkauft. Woran es derzeit bei diesen Messungen fehlt, ist festzustellen, ob der Kessel in der Lage ist, seine Leistung automatisch, dass heißt ohne manuelle Eingriffe von der Nennleistung auf die Minimalleistung anzupassen. Auch die Start- und Stopp-Emissionen, der tatsächliche Strombedarf der Zündung und die thermische Masse des Kessels wären von Interesse. Diese Punkte scheinen mir für einen fairen Vergleich verschiedener Produkte enorm wichtig zu sein, zumal die damit verbundenen Messungen mit vertretbarem Aufwand durchzuführen sind.

Wie sähe der ideale Leistungstest aus?
Das wäre ein mehrtägiger dynamischer Test unter quasi-realen Lastbedingungen. Wir bieten solch ein Prüfverfahren für solare Kombianlagen mit Öl-, Gas-, Pellets- oder Wärmepumpenheizung an. Es führt zu den aussagekräftigsten Ergebnissen, weil es die komplette Regelung inklusive des Zusammenspiels mit der Solaranlage und dem Pufferspeicher einbezieht. Natürlich ist der Aufwand um einiges höher. Wir sind aber gerade dabei, im Rahmen des Projektes „SimPel“ eine vereinfachte Methode zur Bestimmung des Jahresnutzungsgrades von Biomasseheizgeräten zu entwickeln. Mit dieser Methode verbinden wir niedrigen Aufwand mit hoher Aussagekraft. Der Jahresnutzungsgrad ist eine wichtige Größe, um die Leistung von Systemen mit Pelletskesseln beurteilen zu können. Ergebnisse dazu werden wir im März auf unserer Instituts-Homepage www.solarenergy.ch veröffentlichen.

Weitere Informationen:

• Robert Haberl, Lars Konersmann, Michel Haller, Elimar Frank: PelletSolar 2 – Systemoptimierung von Pellets-Feuerungen in Kombination mit thermischen Solaranlagen basierend auf dynamischen Simulationen und Messungen im Prüfstand, 2010. Bezug über www.bfe.admin.ch
• Michel Haller: Combined Solar and Pellet Heating Systems – Improvement of Energy Efficiency by Advanced Heat Storage Techniques, Hydraulics, and Control, 2010. PhD Thesis, Graz University of Technology.  http://castor.tugraz.at/doku/Diss/Haller/PhD-Thesis%20Michel%20Haller_100505_pdf_1_4.pdf
• Andreas Heinz, Michel Haller, Altenburger, Robert Haberl, Lars Konersmann: Pellsol Plus – Effizienzsteigerung von Pellets-Solar-Systemen für Raumheizung und Warmwasser durch Optimierung der Hydraulik, Regeltechnik und Wärmespeicherung, 2010. Endbericht zum gleichnamigen Projekt im Rahmen des Programms Energie der Zukunft, Klima- und Energiefonds Österreich. Bezug über www.bmvit.gv.at