Für die Isolierung von Solarrohren werden immer noch Materialien eingesetzt, die die Anforderungen für Solaranwendungen nicht erfüllen. Daraus ergeben sich Einschränkungen der Haltbarkeit, ein verminderter Anlagenertrag durch Wärmeverluste und Folgekosten für den Anwender.
Die Trinkwassererwärmung ist einer der größten Energieverbraucher und CO2-Verursacher in Haushalten. Rund 15 % des Endenergieverbrauchs entfällt in europäischen Haushalten auf die Trinkwassererwärmung. Tendenz steigend: In der Energieeinsparverordnung (im November 2020 durch das Gebäudeenergiegesetz ersetzt) ist (gemäß DIN 4701) als Nutzwärmebedarf für Warmwasser im Standardfall ein nutzflächenbezogener Pauschalwert von 12,5 kWh/(m2 ∙ a) anzusetzen. Umgerechnet auf die Wohnfläche ergibt sich dann ein Pauschalwert von ca. 15 kWh/(m2 ∙ a) – was genau dem maximal zulässigen Heizwärmebedarf eines Passivhauses entspricht.
Für die Raumheizung müsste die Heizung eigentlich nur während der Heizperiode laufen. Übernimmt der Wärmeerzeuger auch die Trinkwassererwärmung, wird er jedoch das ganze Jahr betrieben. Ist eine entsprechend dimensionierte thermische Solaranlage vorhanden, wird im Sommerhalbjahr der Wärmeerzeuger nur selten für den Trinkwarmwasserbedarf benötigt, bis zu 50 % der Energiekosten für die Trinkwassererwärmung lassen sich dadurch einsparen.
Aktuell werden in Europa rund 24,3 TWh Solarwärme gewonnen, rund ein Drittel davon in Deutschland, dem nach wie vor wichtigsten Markt für Solarthermie in Europa. 2018 ist hierzulande der Bestand um 71 000 auf 2,36 Mio. Anlagen gestiegen; laut Berechnungen des Bundesverbands Solarwirtschaft vermeiden sie CO2-Emissionen von 8 Mio. t/a. Bei knapp 19 Mio. Wohngebäuden, davon rund 16 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser, bedeutet dies aber auch, dass in der überwiegenden Mehrheit der Haushalte bisher auf die Unterstützung der Sonne zur Trinkwassererwärmung verzichtet wird.
Praxistest zeigt Defizite und Potenziale von Solarthermieanlagen
Mit solarthermischen Anlagen können erhebliche Energie- und CO2-Einsparungen erzielt werden – wenn sie richtig geplant, installiert und gewartet werden. Wie der Praxistest Solarthermie von co2online jedoch zeigt, laufen in Deutschland rund zwei Drittel der Solarthermieanlagen nicht optimal. Mit optimierten Anlagen könnten laut der gemeinnützigen Beratungsgesellschaft allein in Deutschland etwa 66 Mio. Euro/a an Energiekosten gespart und 340 000 t/a an CO2-Emissionen vermieden werden.
Ganz entscheidend für optimal arbeitende und zu optimierende thermische Solaranlagen sind professionell gedämmte Solarleitungen. Nur durch eine korrekte Solarisolierung, können Sie sicherstellen, dass die Erträge mit minimalen Wärmeverlusten und maximaler Temperatur im Wärmespeicher ankommen.
Zur Dämmung von Solarleitungen werden jedoch immer noch Materialien eingesetzt, die nicht den besonderen Anforderungen entsprechen. Beim Einsatz nicht geeigneter Dämmstoffe verringert sich nicht nur der Anlagenertrag durch erhöhte Energieverluste, langfristig verlieren sie komplett ihre Dämmeigenschaften und müssen ersetzt werden. Deshalb sollten nur Produkte eingesetzt werden, die den erhöhten technischen Anforderungen dauerhaft genügen und sicher und einfach angewendet werden können.
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Anforderungen an Solardämmstoffe zur Isolierung von Solarleitungen
Wärmeleitfähigkeit
Je geringer die Wärmeleitfähigkeit (λ-Wert), desto besser die Wärmedämmung. Die Wärmeleitfähigkeit üblicher Dämmstoffe liegt im Bereich von 0,030 bis 0,050 W/(m ∙ K). Da sie sich in der Regel mit zunehmender Stofftemperatur erhöht, wird sie in Kombination mit der Mitteltemperatur angegeben. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit auch in starkem Maße vom Materialfeuchtegehalt beeinflusst wird. Ein hoher Feuchtigkeitsgehalt führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Dämmeigenschaften des Materials.
Feuchtigkeitsaufnahme
Da Rohrleitungen von Solaranlagen teilweise im Freien liegen, ist die Feuchtigkeitsaufnahme von Dämmstoffen ein wichtiger Faktor. Liegt die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien im trockenen Zustand noch sehr nahe beieinander, kann sie mit zunehmender Durchfeuchtung eines Dämmstoffs drastisch ansteigen.
Offenzellige Materialien neigen zu einer mehr oder weniger starken Feuchtigkeitsaufnahme. Bei einer Durchfeuchtung von 10 % ist die Wärmeleitfähigkeit einer Mineralfaserdämmung schon um das 2,5-Fache gestiegen und die Dämmwirkung bereits erheblich vermindert. Verursacht wird die Feuchteaufnahme durch auf der Innenseite der Ummantelung kondensierende Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft. Flexible Elastomerdämmstoffe (FEF) und Polyethylen haben eine geschlossenzellige Struktur und sind nicht hygroskopisch, d. h. sie nehmen so gut wie keine Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Bei diesen Dämmstoffen bleiben die Wärmeleitfähigkeit und damit die Dämmwirkung auf Dauer konstant.
Witterungsbeständigkeit
Dämmstoffe im Außenbereich müssen witterungsbeständig sein. Dazu muss die Wirkung von Sonneneinstrahlung, Wärme, Feuchte und anderen klimatischen Beanspruchungen auf die Eigenschaften, insbesondere bei Kunststoffen, bestimmt werden. Dies wird in der Regel mit zeitraffenden, künstlichen Bewitterungsprüfungen ermittelt, die besondere künstliche Lichtquellen verwenden.
Temperaturbeständigkeit
Da die Mediumtemperatur von Solaranlagen in Spitzenzeiten deutlich über der von „normalen“ wärmeführenden Leitungen (Heizungs- oder Warmwasserleitungen) liegt, sind viele Dämmstoffe nicht für diesen Einsatzbereich geeignet.
Die Anwendungsgrenztemperatur von Mineralwolldämmstoffen liegt deutlich über + 200 °C. Dämmstoffe aus Polyethylen (PEF) können bis maximal 100 °C eingesetzt werden, bei höheren Temperaturen beginnen sie zu schmelzen und sind deshalb für Solaranlagen nicht geeignet. Die obere Anwendungsgrenztemperatur von Dämmstoffen, deren Basis synthetischer NBR-Kautschuk (z. B. SH/Armaflex) ist, liegt bei + 110 °C. Sie schmelzen zwar bei höheren Anwendungstemperaturen nicht, können aber unter ungünstigen Umständen komplett verhärten (Bild 3), was sich nachteilig auf die technischen Eigenschaften, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, auswirken kann. Vor allem aber leidet die mechanische Beständigkeit des Materials.
Dämmstoffe, deren Basis ein EPDM- oder Acrylat-Kautschuk ist, können auch bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden. Hier liegt die Daueranwendungstemperatur bei etwa + 150 °C. Aber Vorsicht! Nicht jeder EPDM- oder Acrylat-Kautschuk kann die hohen Temperaturen tatsächlich verkraften. Erst durch eine Feinabstimmung der Materialzusammensetzung können diese Temperaturgrenzen erreicht werden. Mit DIN EN 14 707:2008-02 [bei Erstbearbeitung aktuell, inzwischen zurückgezogen, Anm. d. Red.] liegt eine Norm vor, nach der die obere Anwendungsgrenztemperatur bestimmt werden kann. Die Normen DIN EN 14 706 (Platten und Rollen) und DIN EN 14 707 (Schläuche) sind Bestandteil der europäischen Produktstandards aller gängigen Dämmstoffe. Die obere Anwendungsgrenztemperatur sollte sich deshalb in der Leistungserklärung (DoP – Declaration of Performance) für das Produkt wiederfinden.
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Brandverhalten
Wie bei allen Baustoffen kommt dem Brandverhalten auch bei Dämmstoffen für Solarleitungen eine wesentliche Bedeutung zu. Gemäß den jeweiligen Landesbauordnungen dürfen leichtentflammbare Baustoffe nicht verwendet werden. Die Verwendung brennbarer Baustoffe − die mindestens „normalentflammbar“ (Euroklasse DL-s1,d0 bis E) erfüllen müssen − ist für Gebäude bis zu einer Höhe von maximal 22 m im Allgemeinen zulässig. Der Nachweis erfolgt nach DIN EN 13 501 [bei Erstbearbeitung aktuell, inzwischen zurückgezogen, Anm. d. Red.] und ist zwingend in der Leistungserklärung aufzuführen.
Korrosionsschutz
Kupfer- und Edelstahlleitungen sind vor Korrosion zu schützen. In Deutschland beispielsweise müssen Dämmstoffe für Kupferwerkstoffe gemäß DIN 1988-200 nitritfrei sein und dürfen einen Massenanteil an Ammoniak von nicht mehr als 0,2 % enthalten. Die Verfahren zur Messung von Nitrit und Ammoniak sind in den Produktnormen nicht festgeschrieben. Der Nachweis kann beispielsweise mittels Ionenchromatographie nach DIN EN ISO 10 304-1 erfolgen; es sind aber auch alle anderen geeigneten Methoden, beispielsweise Photometrie nach ISO 7150-1 möglich. Dämmstoffe für Rohre aus nichtrostenden Stählen (wie Edelstahlwellrohre) dürfen einen Massenanteil an wasserlöslichen Chlorid-Ionen von 0,05 % nicht überschreiten. Die Bestimmung wasserlöslicher Chloride erfolgt gemäß EN 13 468. Die Einhaltung dieser Anforderungen sollte in einem Prüfzeugnis bzw. in der Leistungserklärung dokumentiert sein.
Verarbeitungsfreundlichkeit
Gute physikalisch-technische Werte sind ein entscheidendes Kriterium bei der Beurteilung eines Dämmstoffes, verarbeitungstechnische Gesichtspunkte dürfen aber nicht vernachlässigt werden. Die Dämmung muss sich auch unter schwierigen Baustellenbedingungen so ausführen lassen, dass die gesamte Konstruktion keine Schwachstellen aufweist.
Elastomere Dämmstoffe zeichnen sich neben guten technischen Werten (geringe Wärmeleitfähigkeit gepaart mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme) dank ihrer Flexibilität, sehr guten Verklebbarkeit und Verarbeitbarkeit als besonders anwenderfreundlich aus. Mit HT/Armaflex bietet Armacell einen Dämmstoff an, der für Anwendungsgrenztemperaturen bis zu + 150 °C Dauerbelastung geeignet ist. Das Material ist UV-beständig und somit ohne Zusatzanstrich auch für Außeninstallationen geeignet. Bei hohen mechanischen Belastungen empfiehlt Armacell, eine zusätzliche Ummantelung (z. B. in Form eines Blechmantels wie Okabell) zu installieren.
Vorisolierte (Doppel)Rohrsysteme: Warum man sie erstmal prüfen muss
Stand der Technik sind heute speziell für Solaranlagen entwickelte vorisolierte Rohrleitungssysteme. Verarbeiter sollten allerdings prüfen, ob der eingesetzte Dämmstoff die zuvor genannten Eigenschaften
besitzt, ob das System den Mindestanforderungen der Baustoffklasse entspricht und ob das Produkt als System geprüft wurde.
Bei den verschiedenen Ausführungen werden unterschiedlichste Materialien zusammengebracht. Gegenüber dem Ursprungsmaterial ergeben sich deshalb hinsichtlich des Brandverhaltens neue Eigenschaften. Die Mindestanforderungen an den baulichen Brandschutz, d. h. Baustoffklasse „normalentflammbar“ (Euroklasse DL-s1,d0 bis E), müssen erfüllt sein.
Bild: Armacell
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Vorisolierte Rohrleitungen für Solaranlagen werden als Doppelrohrsysteme aus Kupfer und Edelstahl angeboten. Leitungen aus dem traditionellen Werkstoff Kupfer sind sehr kompakt, wodurch der Montageplatzbedarf und die Oberfläche gering sind. Das nahtlos gezogene Kupferrohr ist weichgeglüht, damit es auf- und abgewickelt und in Form gebogen werden kann.
Bei der Verwendung von Edelstahlrohren werden stumpf geschweißte, dünnwandige Glattrohre mechanisch mit radialen Wellen versehen (Edelstahlwellrohre). Durch die Vielzahl der Wellen erhalten die Rohre eine hohe Flexibilität. Sie sind ebenso druck- und temperaturbeständig wie Kupferrohre, bieten aber in der Verlegung aufgrund der höheren Flexibilität gewisse Vorteile. Durch die meist ringförmige Wellung ist ein Abknicken praktisch unmöglich, wodurch Querschnittsverengungen ausgeschlossen werden können. Alle Verbindungen werden geschraubt oder gesteckt, sodass mit einfachen Werkzeugen eine Verbindung zwischen Kollektor und Übergabestation hergestellt werden kann.
Vorisolierte Rohrleitungen lassen sich auch bei beengten Raumverhältnissen gut verarbeiten: In Lüftungsschächten, Nebenzügen des Kamins, ungenutzten Regenfallleitungen, Kunststoff-Abflussrohren oder nachträglich verlegten Kanälen im Innen- oder Außenbereich.
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Darum sind Zwillingsleitungen beim Verarbeiten vorteilhaft
Einen Verarbeitungsvorteil besitzen Zwillingsleitungen wie die Armaflex-DuoSolar-Produkte (Bild 4) von Armacell. Anders als bei herkömmlichen 2-in-1-Solarleitungen laufen die Kupfer- bzw. Edelstahlwellrohrleitungen hier nicht in einem gemeinsamen, sondern in zwei getrennten Schläuchen. Die vorgedämmten Vor- und Rücklaufleitungen sind durch eine besondere Verbindungstechnik (Join-Split-System) aneinandergekoppelt. So können die beiden Rohrleitungen gemeinsam verlegt und zum Anschluss an den Kollektor und den Wärmespeicher ohne Einsatz von Werkzeugen getrennt und wieder zusammengefügt werden.
Zur schnellen Installation der Doppelrohrsysteme bietet Armacell auch speziell auf die Produkte abgestimmte Schnellkupplungen (Bild 5), die erhebliche Kosteneinsparungen bei der Montage ermöglichen und zudem bedeutend sicherer als herkömmliche Fittings sind. Mit DuoSolar 220 (Bild 6) hat Armacell auch eine Lösung für den Anschluss von Vakuumröhren-Kollektoren. Bis 2015 war der Einsatz vorgedämmter Solarleitungen auf Anwendungstemperaturen von maximal + 150 °C begrenzt, seitdem hält das Doppelrohrsystem DuoSolar 220 mit einem Temperaturbereich von – 50 bis + 220 °C auch den hohen Betriebstemperaturen von Anlagen mit Vakuumröhren-Kollektoren stand.
Neue Dämmanforderung im GEG
Während die Energieeinsparverordnung (EnEV) nie explizite Anforderungen an die Dämmung/Isolierung von Solarleitungen genannt und Spielraum für Interpretationen gelassen hat, sollte diese Lücke eigentlich im Gebäudeenergiegesetz (GEG) geschlossen werden. Laut Referentenentwurf zum GEG vom 25. Mai 2019 hätten alle Wärmeverteilungsleitungen eines Gebäudes einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,25 W/(m ∙ K) im Mittel nicht überschreiten dürfen.
Für die Praxis hätte das bedeutet, dass Solarleitungen nach dem GEG-Entwurf in der Regel (um nicht an anderer Stelle kaum zu realisierende Kompensationen durchzuführen) mit einer Wandstärke von 100 % nach EnEV zu dämmen gewesen wären. Bei einer Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs von 0,042 W/(m ∙ K) müssten DN-16-Rohre mit einem 29‑mm-Schlauch isoliert werden. Herkömmliche Produkte erfüllen jedoch allenfalls die 50-%-Anforderung nach EnEV.
Das dann tatsächlich am 8. August 2020 im Bundesgesetzblatt veröffentlichte und am 1. November 2020 in Kraft getretene Gebäudeenergiegesetz ist bezüglich der Wärmedämmung von Rohrleitungen und Armaturen in Anlage 8 GEG wieder auf den letzten EnEV-Stand (dort Anlage 5) zurückgefallen.
Bezogen auf Solarleitungen ist aber dringend eine Dämmung von mindestens 100 % nach GEG / EnEV zu empfehlen, weil der Temperaturverlust in einer Solarleitung für die Effizienz des Gesamtsystems eine wesentlich höhere Bedeutung als der eigentliche Wärmeverlust über die Rohrleitungen ist: Kann die Solarwärme die Temperaturanforderungen für Raumwärme und / oder Trinkwassererwärmung aufgrund des Temperaturverlusts nicht erfüllen, muss über Heizkessel, Wärmepumpe oder Heizstab Energie bei geringem Wirkungsgrad (Heizkessel, Wärmepumpe) zugeführt werden.
Bild: Armacell
Nach Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode durch das FIW München hat Armacell vorisolierte Zwillingsleitungen entwickelt, die nicht nur eine maximale Energieeinsparung bieten, sondern auch extrem platzeffizient sind. ArmaFlex DuoSolar e-Save (Bild 7) benötigt bei gleicher Energieeffizienz bis zu weniger als die Hälfte des Raums von einzeln verlegten Solarleitungen.
Über die Join-Split-Technik können die Solarleitungen während der Installation einfach geteilt und wieder zusammengefügt werden. Die geschlossenzellige EPDM-Dämmung hat eine Temperaturbeständigkeit von 150 °C, das gewellte Edelstahlwellrohr ermöglicht kleine Biegeradien. Eine Folienummantelung schützt das System vor mechanischer Beschädigung und UV-Strahlung. Das Doppelrohrsystem wird in DN 16 (Außenmaße: 59 × 99 mm) und DN 20 (65 × 111 mm) in unterschiedlichen Längen mit integrierter Fühlerleitung angeboten. Das Systemzubehör umfasst Rohrschellen und Fittings für den Anschluss an handelsübliche Kollektoren und Wärmespeicher.
Dieser Artikel erschien zuerst in TGA 09-2019 unter dem Titel „Damit die Wärme auch im Speicher ankommt “ von Dipl.-Ing. Michaela Störkmann.
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