Warmwasseraufbereitung: Systeme, Solarthermie und Wärmepumpenboiler im Vergleich

So senkst du deine Warmwasserkosten mit Solarthermie

Die Sonne ist herzlich willkommen: Sonnenkollektoren stehen bei Bauherrschaften hoch im Kurs. Immer mehr Ein- und Mehrfamilienhäuser setzen auf eine thermische Solaranlage, um das Brauchwasser mit erneuerbarer Energie zu erwärmen. Im Jahr 2023 wurde die Energie der Sonne in der Schweiz genutzt, um 730 Gigawattstunden Wärme zu erzeugen. Das ist 50 Prozent als zehn Jahre zuvor. Dieser Zuwachs im Gebäudepark ist gewollt. Die Kantone haben zuletzt ihre Energiegesetze soweit angepasst, dass Brauchwasser in Neubauten und sanierten Gebäuden möglichst erneuerbar und energieeffizient erwärmt werden muss. Die Erstinstallation oder der Ersatz eines Elektroboilers sind generell verboten. 

Welche Regeln für Warmwasser heute gelten

Neben dem Elektroboiler-Verbot sind für neue Warmwasserspeicher folgende Regeln zu beachten: Das Warmwassersystem ist entweder über die Heizungsanlage oder anderweitig mit erneuerbarer Energie zu versorgen. Gesetzlich erlaubt ist zudem, dass ein kombiniertes Heizungs-Warmwasser-System saisonal überbrückt werden darf. Der Warmwasser-Boiler wird im Sommer, wenn die Heizungsanlage ausser Betrieb ist, mit Strom (über den vorinstallierten Elektroheizstab) aufgeheizt. Einige Kantone erlauben ebenfalls, dass Warmwassersysteme mithilfe einer eigenen Photovoltaikanlage ganzjährig versorgt werden können. Andere Kantone verlangen dagegen, dass ein Mindestanteil des Warmwassers aus erneuerbaren Energiequellen aufbereitet wird. 

So schützt du dein Warmwasser vor Legionellen

Ein Knackpunkt für die Warmwasseraufbereitung ist der hohe Wärmebedarf: Aus hygienischen Gründen muss das Brauchwasser regelmässig und kurzzeitig auf ein Temperaturniveau bis maximal 70 °C aufgeheizt werden. Die meisten Boiler verfügen deshalb über eine Steuerung mit vorprogrammierter Legionellenschaltung. Eine sorgfältige Planung des Warmwassersystems sorgt dafür, dass die Hygieneanforderungen mit optimaler Energieeffizienz sichergestellt werden. Der Bund informiert regelmässig über aktuelle Erkenntnisse zu den Risiken von Legionellen im Trink- und Brauchwasser. 

Warum sich ein Wärmepumpenboiler lohnt

Das Warmwasser über eine eigene Wärmequelle aufzubereiten, hat den Vorteil: Das Heizsystem kann im Sommer ausser Betrieb gesetzt werden, ohne dafür viel Strom verbrauchen zu müssen. Der Wärmepumpenboiler benötigt selbst weniger Energie zur eigenständigen Warmwasseraufbereitung. Eine Installation im Heizungskeller ist sinnvoll, weil die warme «Kellerluft» den Wirkungsgrad des Wärmepumpenboilers verbessert. 

Warum sich Solarthermie für Warmwasser lohnt

Thermische Solaranlagen fangen die erneuerbare Energie der Sonne ein und leiten die Wärme dem hausinternen Warmwassersystem zu. Sie liefern die Hälfte bis zu zwei Drittel der Energie, die die Wasseraufbereitung erforderlich ist. Sonnenkollektoren werden in der Regel zusätzlich zu einem Heizsystem installiert.

Für das Erfüllen von Bau- und Energievorschriften werden thermische Solaranlagen als Standardlösung akzeptiert. Die meisten Kantone richten zudem Förderbeiträge für thermische Solaranlagen aus. Und weil ein Ein-zu-eins-Ersatz von Elektroboilern faktisch nicht mehr gestattet ist, wurden die baurechtlichen Bewilligungsverfahren für Solaranlagen in der Regel erheblich vereinfacht.

Solarthermie als Ergänzung zur Heizung

Die Solarthermie lässt sich mit bestehenden und neuen Heizungsanlagen zu einem bivalenten System kombinieren. In vielen Fällen verbessert die Kombination die Gesamtenergieeffizienz der Energieversorgung, weil die Kraft der Sonne für höhere Temperaturen sorgt und in Sommer- und Übergangsmonaten ausreichend Energie zur Verfügung steht. Sonnenkollektoren können erneuerbare Heizsysteme wie Wärmepumpen oder Holzheizungen beispielsweise ergänzen, um letztere im Sommer ausser Betrieb zu setzen. Bei der Unterstützung von fossilen Heizungsanlagen werden ausserdem die CO2-Emissionen reduziert. 

Solarthermie und Wärmepumpe richtig kombinieren

Bei der Kombination einer Wärmepumpenheizung mit thermischer Solaranlage ist auf das hydraulische System zu achten, so dass sich beide Wasserkreisläufe nicht in die Quere kommen. Dem solaren Wärmeeintrag ist soweit möglich Vorrang zu geben: Sonnenkollektoren können das Brauchwasser problemlos auf 65 °C aufheizen. Deshalb ist die Energiezufuhr im unteren Bereich des Warmwasserspeichers zu positionieren. Demgegenüber ist der Wärmetauscher für den Wärmepumpenkreislauf im oberen Bereich des Speichers anzubringen. So kann gewährleistet werden, dass die Wärmepumpe jeweils ergänzend arbeitet und nur im Ausnahmefall den ganzen Wasserkörper im Speicher aufheizt. Denn Temperaturdifferenzen über 40 °C verringern den Wirkungsgrad und erhöhen den Strombedarf einer Wärmepumpe.

So funktioniert eine Solarthermieanlage

Zentrales Element einer thermischen Solaranlage ist der Sonnenkollektor. Dabei handelt sich um quaderförmige Glasmodule, die einen schwarz beschichteten Absorber umhüllen. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Kollektormoduls sehen folgendermassen aus:

• Das Wasser zirkuliert durch Leitungsschlaufen und wird durch Sonnenstrahlen erwärmt. Danach fliesst die Wärme über einen eigenen Kreislauf vom Sonnenkollektor in den Warmwasserspeicher.
• Die Glasabdeckung und die Kollektor-Rückseite sind gedämmt, um den Wärmeverlust zu minimieren.
• Ein Frostschutzmittel im Wasser des Kollektorkreislaufs verhindert, dass die Flüssigkeit bei tiefen Aussentemperaturen gefriert.
• Sobald die Temperatur im Kollektor höher ist als im Speicher, treibt eine Umwälzpumpe die Wasserzirkulation an. Ventile und Siphons im hydraulischen System verhindern, dass der Warmwasserspeicher überhitzt.
• Eine Alternative zum flachen Sonnenkollektor ist der Vakuumröhren-Kollektor. Dieser ist zwar teurer in der Anschaffung, aber erzielt 10 bis 50 Prozent höhere Wärmeerträge.

Wie viel Fläche auf dem Dach wird benötigt?

Erfahrungswerte vereinfachen die Dimensionierung von Sonnenkollektoren. Als Faustregel gilt: Pro Person in einem Haushalt sind 1 bis 1,5 m2 grosse Flächen auf dem Dach optimal auf den Sonnenlauf auszurichten. Die optimale Grösse für ein Einfamilienhaus beträgt deshalb 5 bis 6 m2, um etwa die Hälfte des Jahresbedarfs für die Warmwasseraufbereitung zu decken. Für beschattete oder suboptimal ausgerichtete Dächer sind Zuschläge von 50 Prozent einzuplanen. Ein grössere Kollektorfläche kann zusätzliche Wärme für weitere Anwendungen im Wohnbereich liefern wie etwa:

• Zur Unterstützung des Heizsystems: Sonnenkollektoren wärmen den Heizkreislauf beispielsweise auf 30°C vor.
• Zur ergänzenden Heizungsnutzung ist die hydraulische Integration sorgfältig zu planen.  
• Eine 16 m2 grosse Kollektorfläche auf einem Einfamilienhaus deckt 20 bis 25 Prozent des jährlichen Gesamtwärmebedarfs für Heizung und Warmwasser ab.
• Sind Waschmaschine und Geschirrspüler mit einem Warmwasseranschluss ausgerüstet, können sie hydraulisch in das solare Erwärmungssystem eingebunden werden.

Wie Sonnenkollektoren auszurichten sind

Grundsätzlich lassen sich Flachkollektoren auf ein Schräg- respektive Flachdach montieren. Die Integration in Fassaden oder als Balkonbrüstung ist ebenfalls möglich. Um den solaren Wärmeertrag zu optimieren, sind die Besonnungsdauer und die geografische Ausrichtung der ausgewählten Flächen zu berücksichtigen.

• Ein nach Süden oder Westen ausgerichtetes Schrägdach erlaubt eine Integration oder ein Aufsetzen von Sonnenkollektoren. Dabei wird in der Regel nicht die gesamte Dachfläche benötigt.
• Auf einem Flachdach sind Sonnenkollektoren mit einem Winkel bis 45° aufzuständern und nach Süden respektive Westen auszurichten. Kollektoranlagen lassen sich mit einer Dachbegrünung kombinieren.
• An einer Hausfassade vertikal montierte Sonnenkollektoren liefern im Vergleich zu einer Dachanlage geringere Wärmeerträge. Das Ertragsprofil ist jedoch im Tagesverlauf ausgeglichener, mit höheren Anteilen morgens und abends. Vertikale Kollektoren optimieren den Winterertrag, weil der Einstrahlwinkel bei niedrigem Sonnenstand verbessert wird.
• Flach- und Röhrenkollektoren können als Ersatz von Balkonbrüstungen eingesetzt werden und funktionieren analog wie Fassadenkollektoren.
• Nach Süden oder Westen geneigte, unbeschattete Gartenböschungen stellen weitere Flächen dar, an denen Solarthermie-Module installiert werden können.

Welcher Wärmespeicher ist der richtige?

 
Thermische Solaranlagen benötigen in der Regel einen Wärmespeicher, damit die zeitliche Differenz zwischen Produktion und Verbrauch überbrückt werden kann. Abhängig vom Energiebedarf sind zwei verschiedene Speichersysteme möglich: Wird die Solarenergie nur für die Wassererwärmung genutzt, wird ein einziger Kombispeicher benötigt. Solche Wärmespeicher haben den Brauchwasserbehälter integriert und sind in einem Einfamilienhaus idealerweise 300 bis 400 Liter gross. Soll die solare Wärme die Heizungsanlage unterstützen, wird ein eigener Wärmespeicher mit Volumen von 800 bis 1500 Liter empfohlen. Einfluss auf die Wahl des Volumens hat zudem die Dauer, wie lange die Wärme gespeichert werden soll.

Warum sich eine Frischwasserstation lohnt

Der Speicherbewirtschaftung lässt sich mit einer zusätzlichen Frischwasserstation vereinfachen. Die solare Wärme dient dabei zum Aufheizen des Warmwassers auf eine Grundtemperatur von etwa 50 °C. Wird heisses Wasser angefordert, strömt dieses vom Energiespeicher durch einen Wärmetauscher, der elektrisch aufgeheizt wird und einen Durchlauferhitzer vergleichbar funktioniert. Dort wird es kurzzeitig auf mindestens 70 °C aufgeheizt. Dies verhindert das Bilden von Legionellen im Wasser. In der Regel erhöht eine Frischwasserstation die Energieeffizienz der Warmwasseraufbereitung.

Typische Fehler bei der Installation vermeiden

Praxiskontrollen und Leistungstests decken immer wieder Mängel bei thermischen Solaranlagen auf. Die häufigsten Fehler betreffen die Installation und die Steuerung. Deshalb sind folgende Qualitätskriterien bei Planung und Ausführung zu beachten:

• Rohrleitungen, Anschlüsse, Verbindungsstücke und Armaturen sind zu dämmen.
• Rohre und Verbindungen sind aus druckfesten Materialien einzubauen.
• Die Leitungsführung verursacht keine unnötigen Strömungswiderstände.
• Ein Siphon am Wärmespeicher verhindert die Rückzirkulation und ein Auskühlen in der Nacht.
• Durchflussmesser einbauen.
• Temperaturfühler in geschützten Zonen installieren.
• Temperaturbeständige Komponenten wählen.
• Anlage und Einstellungen bei Betriebsübergabe dokumentieren. 

Systeme zur Warmwasseraufbereitung im Vergleich