Aufgabe Vorschlag C - 1 - Solarthermie · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2022

Vorschlag C: Solarthermie und Trinkwasseraufbereitung

Die Eigentümer eines dreißig Jahre alten Einfamilienhauses möchten Energiekosten bei der Gebäudeheizung, die aktuell über eine Gas-Brennwertheizung realisiert wird, einsparen. Dazu möchten die Eigentümer aus ökologischen Gründen unbedingt auf eine regenerative Energie zurückgreifen. Eine Installationsfirma hat die Familie dazu beraten, auf dem nach Süden ausgerichteten Dach eine solarthermische Anlage mit Heizungsunterstützung zu installieren.

Material 1: Installationstechnische Daten des Gebäudes und Standortdaten

Installationstechnische Daten des Gebäudes:

Beheizte Fläche: $160\,\text{m}^2$

Wärmeenergiebedarf: $110\,\text{kWh}/(\text{m}^2\cdot\text{a})$

Heizungsinstallation: Gasbrennwertheizung mit Fußbodenheizung

Wirkungsgrad der Gasbrennwertheizung: $94\,\%$

Wasservolumen Kombispeicher: Fassungsvermögen $750\,\text{L}$

Installierte Kollektoren: $5$ Flachkollektoren à $1{,}9\,\text{m}^2$

Standortdaten für die Sonneneinstrahlung:

Durchschnitt der Globalstrahlung am Standort: $G = 1050\,\text{kWh}/(\text{m}^2\cdot\text{a})$

Im Jahresdurchschnitt nutzbarer Anteil der Globalstrahlung für die Solarthermie: $36\,\%$

Material 2: Brenn- und Heizwerte einiger ausgewählter Brennstoffe

Brennstoff

$h_S$ in $\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ bzw. $\text{kJ}\cdot\text{m}^{-3}$

$h_I$ in $\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ bzw. $\text{kJ}\cdot\text{m}^{-3}$

Steinkohle · 29000–32700 · 27000–32700

Braunkohlebriketts · 21000 · 19600

Eichenholz · 15100 · Je nach Wassergehalt stark unterschiedlich

Fichtenholz · 16200

Torf · 23000 · 15000

Hausmüll · nicht bekannt · 9000–11000

Heizöl EL · 45400 · 42700

Heizöl S · 42300 · 40200

Benzin · 46700 · 42500

Benzol · 41940 · 40230

Diesel · 44800 · 41640

Biodiesel (Rapsöl-Methylester) · ca. 40000 · ca. 37000

Petroleum · 42900 · 40800

Erdgas Typ E · 41300 · 37300

Methan · 39850 · 35790

Propan · 100890 · 92890

1.1

Beschreiben Sie fünf verschiedene Einflussfaktoren (Standortfaktoren, menschlich-zivilisatorische oder installationstechnische Einflüsse), die den Ertrag von solarthermischen Anlagen beeinflussen können. [10 BE]

1.2

Für die Installation der solarthermischen Anlage stehen als Kollektoren die beiden Varianten Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor zur Verfügung. Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau beider Kollektortypen. Beschreiben Sie die Wärmegewinnung in einer solarthermischen Anlage mittels Sonnenlichts. [11 BE]

1.3

Der Wirkungsgrad von Röhrenkollektoren ist größer als der Wirkungsgrad von Flachkollektoren. Begründen Sie dies. [6 BE]

1.4

Diskutieren Sie die Eignung beider Kollektortypen für den gewünschten Einsatz in dem Einfamilienhaus. [12 BE]

1.5

Die Eigentümer hatten geplant mindestens $20\,\%$ ihres Wärmeenergiebedarfs durch Solarthermie zu erbringen. Zeigen Sie, dass diese Einsparung mithilfe der solarthermischen Anlage ermöglicht wird (Material 1). [5 BE]

1.6

An einem sonnigen Tag hat sich durch die Solarthermie die Temperatur im Kombispeicher von $50\,^\circ\text{C}$ auf $70\,^\circ\text{C}$ innerhalb von drei Stunden erhöht. Berechnen Sie die von der Solarthermie erbrachte Leistung und die in dieser Zeit eingesparte Erdgasmenge (Material 1 und 2). [7 BE]

1.7

Mithilfe der Solarthermie deutlich größere Einsparungen bei den Wärmekosten zu erzielen, wäre selbst dann problematisch, wenn eine größere Kollektorfläche installiert werden würde. Begründen Sie dies.

Entwickeln Sie eine Möglichkeit, durch die die Hauseigentümer den größten Teil des jährlichen Wärmebedarfs mit Sonnenenergie abdecken könnten. [6 BE]