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Solarthermie

Der Einsatz erneuerbarer Energien für die Wärmeversorgung schont fossile Energieressourcen, vermindert Schadstoffemissionen sowie die Emissionen klimarelevanter Gase, wie sie durch konventionelle Heizsysteme verursacht werden.

Thermische Solaranlagen zur Wassererwärmung werden so ausgelegt, dass sie in den Sommermonaten den Warmwasserbedarf weitgehend ohne den Einsatz einer Zusatzheizung decken können. In der Übergangszeit und im Winter wird eine Vorwärmung des Wassers erreicht. Die Bedarfstemperatur erfolgt dann durch die Nacherwärmung mit einem konventionellen Heizsystem.

Eine Solaranlage setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

  • Sonnenkollektoren
  • Kompakt- / Solarstation
  • Solar-Regelung
  • Solarspeicher
  • Verrohrung

Die Leistung und Lebensdauer einer Solaranlage hängt ganz entscheidend von der Qualität der verwendeten Bauteile und der fachgerechten Installation der Anlage ab.

Solarthermie
© Clage

Planung und Dimensionierung

Bei Solaranlagen wird mit ein solarer Deckungsgrad von 55 bis 65% erreicht. Bei einem durchschnittlichen Warmwasserbedarf von 30 Litern mit 45°C pro Person und Tag ergibt sich für einen 3-Personen Haushalt eine Sonnenkollektor-fläche von etwa 4 bis 5 m2 bei der Verwendung von Flachkollektoren und eine Sonnenkollektorfläche von etwa 3 m2 beim Einsatz von Vakuum-Röhrenkollektoren.

Gesamtkosten

Die Gesamtkosten setzen sich aus den Investitionen und dem Betrieb der Anlage zusammen. Die Investitionskosten für Sonnenkollektoranlagen sind deutlich höher als bei herkömmlichen Warmwasser-Versorgungssystemen. Staatliche Förderprogramme sowie Zuschüsse einiger Energieversorger können die Gesamtkosten auf das Niveau herkömmlicher Systeme senken helfen.

Flachkollektoren

Flachkollektoren bestehen aus einem selektiv beschichteten Absorber aus Kupfer oder Aluminium. Die selektive Beschichtung dient dazu, die Sonnenstrahlung nahezu vollständig durch Absorbtion in Wärme umzuwandeln, und wenig Wärmestrahlung wieder zu reflektieren.

Schema Flachkollektor

Der Absorber ist in ein wärmegedämmtes Gehäuse aus Metall oder Kunststoff eingebettet, als Isolationsmaterial wird meist Hartschaum und/oder Mineralwolle verwendet. Vakuum-Flachkollektoren sind Flachkollektoren mit einer Wärmedämmung durch Unterdruck. Dadurch wird der Wirkungsgrad deutlich erhöht.

Als Abdeckung wird eine spezielle, eisenarme Solarglasscheibe eingesetzt. Flachkollektoren können Stillstandstemperaturen bis zu 200°C aufweisen. Optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn die Kollektorfläche in einem Winkel von 45° nach Süden ausgerichtet ist.

Vakuum-Röhrenkollektoren

Vakuum-Röhrenkollektoren bieten die größte Leistungsausbeute und Lebensdauer. Sie bestehen aus mehreren nebeneinander angeordneten Glasröhren, in denen der selektive Absorber eingeschlossen ist. Die runde Form ermöglicht, dass in der Röhre ein hoher Evakuierungsgrad erreicht werden kann, mit Kollektorwirkungsgraden bis zu 80 %. Die Stillstand-stemperatur im Vakuum-Röhrenkollektor erreicht Werte von über 250°C.

Röhrenkollektor, © HEA

Beim Heatpipe- oder Wärmerohr-System findet in jeder einzelnen Röhre ein eigener Wärmekreislauf statt. Die Sonnenwärme wird zunächst vom Absorber auf das Wärmerohr übertragen. Im Wärmerohr verdampft Flüssigkeit, die die Rohrwandung benetzt; der Dampf strömt zu einem Wärmeaustauscher am oberen Ende der Röhre, kondensiert und gibt dabei Wärme an den Anlagenkreislauf ab. Das Wärmeträgermedium umströmt dabei im Sammlerrohr den Wärmeaustauscher. Heatpipe- Kollektoren benötigen einen Aufstellwinkel von mindestens 30° um den Kreislauf im Wärmerohr zu ermöglichen.

Bei den direkt durchflossenen Vakuum-Röhrenkollektoren durchströmt das Wärmeträger-Medium jede einzelne Röhre, die Sonnenenergie gelangt dadurch sofort vom Absorber in den Solarkreislauf. Die Röhren dieses Kollektors sind drehbar, so dass auch bei ungünstig ausgerichteten Dachflächen oder Fassaden die optimale Absorberposition eingestellt werden kann.

Regelung, Speicherung, Nacherwärmung

Solarregler

Die Solar-Regelung erfolgt über den Betrieb der Umwälzpumpe. Zwei Temperaturfühler erfassen die Istwerte der Temperatur innerhalb des Sonnenkollektors und der Temperatur im unteren Bereich des Solarspeichers. Überschreitet die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher den voreingestellten Wert, wird die Umwälzpumpe in Gang gesetzt. Somit ist sichergestellt, dass der Wärmetransport stets vom Sonnenkollektor zum Solarspeicher und nicht umgekehrt stattfindet.

Regelung, Speicherung, Nacherwärmung
Solar-Regelung, © HEA

Solarspeicher

Im Solarspeicher wird die von den Sonnenkollektoren gewonnene Wärme stets an den kühlsten Bereich abgegeben. Dazu befindet sich im unteren Bereich des Speichers ein großflächig dimensionierter Wärmeaustauscher in Form einer Rohrschlange, der vom Wärmeträgermedium durchflossen wird. Zum Anschluss der Nacherwärmung dient ein weiterer Wärmeaustauscher im oberen Drittel des Speichers.

Die Nacherwärmung kann durch eine konventionelle Öl- oder Gasheizungsanlage sowie durch spezielle Durchlauferhitzer erfolgen.

Die Speichergröße sollte so gewählt werden, dass der 1,5 bis 2-fache Tageswarmwasserbedarf bevorratet werden kann. Der Solarspeicher hat im Einfamilienhaus einen Inhalt von 300 bis 400 Litern.

Nacherwärmungssysteme

Zur Nacherwärmung können konventionelle Öl-, oder Gasheizungsanlagen dienen, die auf einen Wärmeaustauscher im oberen Bereich des Solarspeichers arbeiten. Ist die Mindesttemperatur am Auslauf des Solarspeichers unterschritten, wird die Heizung aktiviert und erwärmt den Inhalt im oberen Speicherbereich.

Nacherwärmungssysteme
Nacherwärmung, © HEA

Sinnvoll ist die Verlegung der Nacherwärmung außerhalb des Solarspeichers. Zum Einsatz kommen hierbei elektronische Durchlauferhitzer, die speziell für die solare Nacherwärmung geeignet sind, sowie geschlossene Warmwasserspeicher. Es wird dann nur die tatsächlich benötigte Wassermenge nacherwärmt. Durch die dezentrale Platzierung der Geräte nahe der Zapfstellen werden die Leitungsverluste gering gehalten. Die dezentrale Nacherwärmung bei Bedarf führt zu einer höheren Ausnutzung der Sonnenenergie, da das gesamte Speichervolumen für die Solarwärmespeicherung ausgenutzt wird und kein konventionell vorgewärmtes Wasser vorgehalten wird, das die Wärmeabgabe des Kollektors beeinträchtigt.

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