Solar

Solarthermie

Die direkte Umwandlung der Sonnenenergie leistet die Solarthermie, die produzierte Wärme wird direkt am Ort der Erzeugung genutzt. Ein hoher Wirkungsgrad und eine stetig in der Weiterentwicklung befindliche Speichertechnik machen die Nutzung der solaren Strahlung zunehmend effektiv.

Funktionsweise

In sogenannten Solarkollektoren wird eine zirkulierende Trägerflüssigkeit erwärmt. Diese Flüssigkeit transportiert die Wärme mit Hilfe einer Umwälzpumpe zu einem Wärmetausche im Speicher, die Wärme wird an das im Speicher enthaltene Wasser abgegeben. Die abgekühlte Flüssigkeit läuft zurück in den Kreislauf und nimmt erneut Sonnenenergie auf. Reicht die Sonneneinstrahlung nicht aus, um das Wasser zu erwärmen, übernimmt eine Heizspirale diese Aufgabe, die über die Heizungsanlage betrieben wird. So ist die Versorgung mit heißem Wasser im Haushalt jederzeit gewährleistet. Als Heizungsanlage sind besonders Anlagen beliebt, die ebenfalls mit regenerativen Energien betrieben werden.

Möglich ist der Einsatz der Solarthermie für die Warmwasserbereitung oder für die kombinierte Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Ebenfalls möglich ist der Einsatz zur solaren Kühlung. Aktuell sind zwei unterschiedliche Kollektorarten gebräuchlich.

Flachkollektoren

Die Flachkollektoren sind weit verbreitet und eignen sich besonders zur Bereitung von Warmwasser. In einem wärmegedämmten Metallgehäuse verlaufen Kupferrohre. Diese sind in Schlaufen verlegt und enthalten die Wärmeträgerflüssigkeit, die aus mit Frostschutz versehenem Wasser besteht. Die Oberfläche des Kollektors ist mit Glas abgedeckt. Das Sicherheitsglas ist hoch lichtdurchlässig, so dass kaum Energie verloren geht.

Für die Warmwasserbereitung mit den kostengünstigen Flachkollektoren wird eine Fläche von 1,5 m² pro Person veranschlagt. Die Kollektoren sind für die Indach-Montage geeignet und können in unterschiedlichen Farben installiert werden. So zeigt das Dach ein harmonisches Bild. Flachkollektoren haben im Vergleich zu den anderen Kollektorarten einen geringen Wirkungsgrad und können deshalb lediglich für die Warmwasserbereitung in der warmen Jahreszeit eingesetzt werden. Weiterhin musst die Ausrichtung nach Süden besonders beachtet werden.

Röhrenkollektoren

Diese auch als Vakuum-Röhrenkollektoren bezeichneten Solarkollektoren sind deutlich komplizierter aufgebaut als die Flachkollektoren. In vakuumierten Glasröhren sind die sogenannten Absorber eingebaut, mehrere Glasröhren werden verbunden und bilden zusammen einen Kollektor. Bei nicht idealen Bedingungen wie zum Beispiel einer nicht idealen Ausrichtung oder Dachneigung sowie bei weniger günstigem Klima sind Röhrenkollektoren aufgrund des hohen Wirkungsgrades ideal. Sie arbeiten auch bei diffusen Lichtverhältnissen effektiv, weiterhin ist der Platzbedarf geringer. Für die Warmwasserbereitung wird pro Person 1,0 m² Kollektorfläche benötigt, wird die Solarenergie zusätzlich zur Heizungsunterstützung verwendet, steigt der Flächenbedarf pro Person auf 3 bis 4 m².

 

Röhrenkollektoren sind in drei unterschiedlichen Bauarten erhältlich:

  • Direkt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor: Die Wärmeträgerflüssigkeit fließt in zwei Kupferrohren im Inneren der Vakuumröhre.
  • Indirekt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor (Heat-Pipe): Innerhalb des Glaszylinders liegt ein Wärmerohr, in dem eine leicht verdampfende Flüssigkeit enthalten ist.
  • CPC-Vakuum-Röhrenkollektor: Ein Kollektor besteht aus zwei Glasröhren, die konzentrisch angeordnet sind. Die Absorberschicht ist auf der inneren Röhre aufgebracht, die Röhren sind vor einem Parabolspiegel angebracht der die Absorption der Solarwärme optimiert.

Die Solaranlage zur Warmwasserbereitung – Funktion und Komponenten

Wird eine Solaranlage als Unterstützung der Warmwasserbereitung konzipiert, können die günstigeren Flachkollektoren eingesetzt werden. Die Auslegung wird vom Fachbetrieb vorgenommen und richtet sich nach dem Jahresbedarf an Warmwasser im Gebäude, bzw. im Nutzungsbereich der Anlage. Folgende Komponenten werden für die Anlage benötigt:

  • Solarkollektoren als Flach- oder Röhrenkollektoren, die die Wärme der Solarstrahlung in einer Wärmeträgerflüssigkeit aufnehmen
  • Einen Solarkreislauf, der als Rohrsystem von den Kollektoren zum Wasserspeicher und wieder zurück führt
  • Ein Warmwasserspeicher, der für den bivalenten Betrieb ausgerichtet ist und in dem das enthaltene Wasser über die Solarenergie oder eine Heizspirale erwärmt werden kann
  • Einen Wärmetauscher mit angeschlossener Umwälzpumpe, die die Trägerflüssigkeit transportiert
  • Steuereinheiten und Sensoren wie Solarsteuerung und Temperaturfühler
  • Wasseranschluss mit Warm- und Kaltwasser
  • Ausdehnungsgefäß
  • Entlüftung
  • Geregelte Nachheizung

Bei der Auslegung der Anlage ist der Warmwasserbedarf im Haushalt entscheidend. Man rechnet mit einer Wassermenge von 80 Litern pro Tag und Person. Für eine möglichst realistische Auslegung empfiehlt sich die Orientierung am tatsächlichen Verbrauch, geplanter Familienzuwachs und andere für die Zukunft anstehende Aspekte sollten in der Planung mitberücksichtigt werden.

Solaranlage zur Heizungsunterstützung

Wird ausreichend solare Wärme produziert, können Solaranlagen nicht nur Warmwasser bereiten, sondern zusätzlich auch die Heizung unterstützen. Kombiniert werden kann die Anlage zum Beispiel mit Pelletheizungen, Wärmepumpen oder modernen Brennwertheizungen. Da die Sonneneinstrahlung in der Heizsaison in unseren Breiten recht gering ist, sind Kollektoren mit hohem Wirkungsgrad erforderlich. Auch die Ausrichtung muss so optimal wie möglich gewählt werden. Die erforderlichen Komponenten entsprechen einer Anlage zur Warmwasserbereitung, zusätzlich erforderlich ist ein Anschluss an die Heizungsanlage, bzw. den verwendeten Heizkessel. Für die Auslegung sind die zusätzlich erforderlichen Flächen zu berücksichtigen, der Bedarf misst sich an den im Haushalt lebenden Personen und deren Nutzungs- beziehungsweise Lebensgewohnheiten, auch die Wohnfläche kann in die Berechnung mit einfließen.

Solaranlage zur solaren Kühlung

Wird das solarthermische Funktionsprinzip nicht zur Erwärmung, sondern zur Kühlung genutzt, dann wird die solare Energie für den Betrieb einer Kältemaschine genutzt. Dem sogenannten Sorptionsmittel im Kreislauf wird Wärme zugeführt, dadurch verdampft die Flüssigkeit. Der Dampf wird erst kondensiert und anschließend wieder auf einem Wärmetauscher verdampft. Die dazu erforderlich Wärme wird dem Wasser im Kreislauf entzogen, dieses wird anschließend als Kühlmittel in einen Kreislauf eingespeist. Wird eine Solarthermieanlage im Sommer zur solaren Kühlung genutzt, steigt deren Gesamteffizienz. Denn gerade zu dieser Jahreszeit ist für die Heizungsunterstützung und die Warmwasserbereitung nur wenig Energie erforderlich. 

Solarspeicher

In Verbindung mit einer Solaranlage werden verschiedene Speicher genutzt. Welches Modell zum Einsatz kommt, hängt von der Art der Anlage sowie von der geplanten Nutzung ab:

Kombispeicher

Kombispeicher werden dann eingesetzt, wenn eine Solaranlage mit Heizungsunterstützung verbaut wird und das Platzangebot beschränkt ist. Weitere Vorteile bieten eine vereinfachte Steuerung sowie geringere Kosten, weiterhin werden durch die geringere Oberfläche im Vergleich zu zwei Einzelspeichern die Wärmeverluste deutlich verringert. Im Kombispeicher sind Trinkwasser und Heizwasser in getrennten Behältern innerhalb eines Speichers aufbewahrt. 

Pufferspeicher

Wird mit der Solaranlage lediglich Brauchwasser erwärmt, genügt ein Pufferspeicher. Gleiches gilt, wenn ausschließlich die Heizungsunterstützung per Solaranlage geplant ist. Die Dimensionierung der Speicher hängt von der Kollektorfläche, der Anzahl der im Haus lebenden Personen und dem gesamten Warmwasserverbrauch ab. Pufferspeicher speichern die aus der Solarenergie gewonnene Wärmeenergie zwischen. Zusammen mit den Solarkollektoren ist der Pufferspeicher das Herz der Solarthermieanlage.

Frischwasserstationen

Frischwasserstationen besitzen einen Zufluss für Frischwasser sowie einen Abfluss, der mit einem Plattenwärmetauscher kombiniert ist. Das Trinkwasser in der Station wird bei Bedarf und in der abgenommenen Menge erwärmt, diese Form des Wasserspeichers arbeitet also ähnlich wie ein Durchlauferhitzer.

Kriterien für Solar- bzw. Warmwasserspeicher

Generell sollten Solar- bzw. Warmwasserspeicher für ein hohes Speichervermögen und eine möglichst effiziente Wirkungsweise folgende Kriterien erfüllen:

  1. Hochgedämmte Außenhülle

  2. Hohe und schmale Bauform für eine günstige Schichtung des Wassers

  3. Auslegung für den bivalenten Betrieb

  4. Edelstahl-, email- oder kunststoffbeschichtete Innenfläche für ein Maximum an Hygiene

  5. Magnesium-Schutzanoden als Korrosionsschutz

Solaranlagen-Montage

Grundsätzlich können die Solarkollektoren auf dem Dach als Aufdach- oder Indachmontage installiert werden. Eine weitere Alternative besteht in der Montage direkt an der Fassade. Bei der Aufdachmontage werden die Kollektoren auf das geschlossene Dach aufgesetzt, als Träger dient ein ausmontiertes Gestell. Die Montage ist vergleichsweise unkompliziert, schwierig sind allerdings nachträgliche Dachreparaturen unterhalb der Kollektoren. Dies wird umso brisanter, da Dachziegel unter der Kollektorfläche schneller altern.

Alternativ ersetzen die Solarkollektoren bei der Indachmontage die Dachziegel. Diese kann zum Beispiel beim Neubau oder bei einer Dachsanierung recht unkompliziert durchgeführt werden. Die Indachmontage ist für jedes Dach ab einer Neigung von 25 Grad geeignet. Bei flacheren Dächern kann es Probleme mit dem Wasserabfluss geben.

Ausrichtung und Neigung

Die ideale Ausrichtung für die Kollektorfläche ist Süden, allerdings sind geringfügige Abweichungen bis 45 Grad von der Südausrichtung ohne große Einbußen möglich. Wie groß die Verluste sind, hängt mehr noch von der Neigung der Kollektoren ab. Eine ungünstige Ausrichtung in Kombination mit einer zu flachen Neigung kann zu erheblichen Verringerungen im Wirkungsgrad führen.

Für die Beurteilung von Ausrichtung und Dachneigung können folgende Faustregeln angesetzt werden:

  • Süden ist die optimale Ausrichtung für eine Solarthermieanlage.
  • Die ideale Dachneigung für Anlagen zur Warmwasserbereitung liegt zwischen 30 und 50 Grad.
  • Die ideale Dachneigung für Anlagen zur Heizungsunterstützung liegt zwischen 45 und 70 Grad.

Ist eine der Vorgaben nahe am Idealbereich, darf die andere Vorgabe jeweils großzügig abweichen, ohne dass es zu starken Verlusten in der Leistung kommt. Wenig Sinn macht es weiterhin, eine Ausrichtung von mehr als 90 Grad aus der Südrichtung zu realisieren oder die Anlage auf einer nach Norden ausgerichteten Fläche zu errichten. Da hilft selbst die idealste Dachneigung nichts. Auf Flachdächern eignen sich Aufständerungen, um Dachneigung und Ausrichtung der Solarkollektoren zu optimieren.