Technik der Solarkollektoranlage

Die wesentlichen Bauteile jeder thermischen Solaranlage sind der Sonnenkollektor, welcher die solare Strahlungsenergie in Wärme umwandelt, ein Behälter, welcher die Wärme für sonnenarme Zeiten zwischenspeichert, Rohrleitungen, eine Pumpe, eine Sicherheitsgruppe sowie die Regelung der Anlage.

Solarkollektoren werden in vielen verschiedenen Ausführungen angeboten. Man kann die Bauformen nach Absorbermatten, Flachkollektor, Vakuum-Flach-kollektor, Vakuum-Röhrenkollektor, Kollektorsysteme mit integriertem Speicher und Luftkollektoren unterscheiden. Allen Solarkollektoren gemein ist das Funktionsprinzip:

Funktionsprinzip Sonnenkollektor

Die Sonne sendet Energie in Form von Strahlung auf die Erdoberfläche. Diese Strahlungsenergie ist über ein weites Spektrum von Wellenlängen verteilt, weist jedoch ein lntensitätsmaximum im kurzwelligen Bereich auf. Schwarze Materialien wandeln kurzwellige Strahlungsenergie in Wärme um und senden langwellige Wärmestrahlung aus, die von einer Glasabdeckung zurückgehalten wird. Es entsteht der so genannte Treibhauseffekt.

Dieser Aufheizungseffekt ist jedem bekannt, der sich in ein Auto gesetzt hat, das längere Zeit der vollen Sonnenstrahlung ausgesetzt war. Den Treibhauseffekt versucht man nun beim Kollektor bewusst zur Energiegewinnung zu nutzen.

Die auf den Kollektor auftreffende Strahlungsenergie kann aber nur zu einem Teil in Nutzenergie umgewandelt werden. Wie bei jeder Energieumwandlung treten dabei Verluste auf. Bei Sonnenkollektoren sind Verluste weitgehend durch Umweltbedingungen (Temperatur und Strahlungsintensität) und Benutzeranforderungen (gewünschtes Temperaturniveau des Energieträgers) bestimmt.

Auswahlkriterien

Die Kollektoren werden meist auf den Dächern installiert, dabei ist zwischen der Aufdachmontage (der Kollektor ist auf der bestehenden Dachhaut angebracht) und der Indachmontage (der Kollektor wird in die Dachhaut integriert) zu unterscheiden. Flachdächer sind zur optimalen Ausrichtung des Kollektors durch Aufständerung gut geeignet. Auch die Montage an Fassaden und die Freiaufstellung (Großanlagen) sind möglich.

Solare Trinkwarmwasserbereitung

Voraussetzung für diese Art der Nutzung von Sonnenenergie ist eine zentrale Brauchwassererwärmung mit geeigneten Systemkomponenten. Die wichtigsten Bestandteile einer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung sind aus Abbildung 3 ersichtlich.

Schema einer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung

Dabei ist zu beachten, dass die Effizienz einer Solaranlage nicht nur vom Wirkungsgrad des Sonnenkollektors, sondern vielmehr vom Zusammenspiel aller Systemkomponenten abhängt. Entscheidend ist letztlich der solare Deckungsanteil am gesamten Brauchwasserverbrauch über das Jahr bzw. der Zusatzenergiebedarf, welcher durch das konventionelle Heizungssystem aufgebracht werden muss.

Die optimale Auslegung von Warmwasser-Solaranlagen ermöglichen solare Jahres-Deckungsraten von rd. 40 - 70 % (in Einzelfällen auch mehr), wobei in den Sommermonaten eine Volldeckung des Brauchwasserbedarfs anzustreben ist, um einen unwirtschaftlichen Teillastbetrieb des Wärmeerzeugers in der Heizungsanlage in dieser Zeit zu vermeiden.

Unverschattete Süddächer mit einer Neigung von ca. 30 - 45 Grad bieten die günstigsten Voraussetzungen für solare Brauchwassererwärmungsanlagen und ermöglichen hohe Energieausbeuten von etwa 400 bis 500 kWh/m2 im Jahr.
Auf Flachdächern ist die optimale Ausrichtung durch Aufständerung der Kollektoren möglich. Bei Südabweichung (südwest- oder südöstlich orientierte Dächer) kann die Energieausbeute durch Vergrößerung der Kollektorflächen erhöht werden. Kollektoren für Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung sind üblicherweise Flachkollektoren mit selektiver Beschichtung und transparenter Abdeckung oder auch Vakuum-Röhren-Kollektoren. In unseren Breitengraden werden fast ausschließlich Systeme mit Zwangsumlauf und als Wärmeträger ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt. Dadurch können diese Anlagen ganzjährig und mit Systemnutzungsgraden von 30 % bis 40 % betrieben werden.

Faustregeln zur Berechnung solarer Trinkwarmwasserbereitung: Pro Person etwa 1 m2 bis 1,5 m2 Flachkollektorfläche bzw. 0,8 m2 bis 1 m2 Vakuumröhrenkollektorfläche. Das Brauchwasserspeichervolumen sollte 60 bis 80 Liter je m2 Kollektorfläche betragen, was dem 1,5 bis 2-fachen Tagesbedarf an Warmwasser entspricht.

Solare Gebäudebeheizung

Stetige Weiterentwicklung und Verbesserungen der Solaranlagentechnik ermöglichen es heute, auch mit der Sonne zu heizen. Üblicherweise liefert die Solaranlage etwa 20 % bis 30 % des Heizenergiebedarfs (solare Teildeckung) und erledigt den Großteil der Warmwasserbereitung, der Rest wird mittels eines zweiten Wärmeerzeugers abgedeckt.

Das grundlegende Problem der solaren Gebäudeheizung ist, dass gerade, wenn der Heizenergiebedarf am größten ist (Dezember bis Februar), die solare Einstrahlung und damit der erzielbare Solarbeitrag zur Beheizung am geringsten sind (Abbildung 4).

Jahreszeitlicher Verlauf Heizenergiebedarf und Sonnenenergieangebot

Die Lösung sind so genannte Pufferspeicher, welche die Solarwärme für einige Tage (für niedrigen Solarbeitrag völlig ausreichend) bis zu mehreren Monaten (Saisonalspeicher) zwischenspeichern und bei Bedarf diese an das Heizsystem abgeben.

Voraussetzung einer solarunterstützten Gebäudeheizung ist ein sehr guter Wärmeschutz des Hauses. Ein Jahresheizenergiebedarf unter 50 kWh pro m2 und Jahr (das entspricht einer Öl- bzw. Gasmenge von weniger als 5 Liter bzw. 5 m3 pro Jahr und m2 Wohnfläche) ist auf jeden Fall anzustreben. Erst bei niedrigem Energiebedarf ist der Einsatz einer Solaranlage aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten sinnvoll. Dabei kommen etwa 20 bis 40 % des Energiebedarfs von der Solaranlage, den Rest liefert ein konventioneller Öl- bzw. Gaskessel, eine Wärmepumpe, Holzhackschnitzelkessel, Stückholzkessel, Holzpelletskessel.

Geeignet sind Flachkollektoren, Vakuum-Röhren-kollektoren und, bei Vorhandensein einer Luftheizung, auch Luftkollektoren. Der optimale Anstellwinkel der Solarkollektoren bei Unterstützung der Raumheizung liegt zwischen 48 Grad bis 60 Grad. So werden optimale Leistungswerte im Winterhalbjahr und der Übergangszeit ermöglicht und zugleich Überhitzungsprobleme im Sommer vermindert.

Wohnhaus mit dachintegrierter Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Stromerzeugung

Faustregeln zur Berechnung solarer Gebäudebeheizungen:

Kollektorfläche etwa 1 m2 bei Flachkollektor bzw. 0,5 bis 0,6 m2 bei Vakuumröhrenkollektor pro 10 m2 Wohnfläche. Das Pufferspeichervolumen sollte ca. 50 Liter pro m2 Kollektorfläche betragen. Je nach Anlagenkonfiguration und Heizenergiebedarf bzw. gewünschter Deckungsrate durch die Solaranlage sind auch stark abweichende Flächen- und Speichergrößen möglich.