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SolarthermieSolarthermie-Anlagen bieten eine Möglichkeit, die kostenlose Energie der Sonne aufzufangen und zum Beispiel für die Heizung oder die Warmwasserbereitung im eigenen Haus zu nutzen. Im Vergleich zu anderen Systemen funktioniert das mit vergleichsweise einfacher Technik und hohem Wirkungsgrad. Wie eine Solarthermie-Anlage funktioniert, aus welchen Bestandteilen sie besteht und mit welchen Vor- und Nachteilen Solarwärmeanlagen verbunden sind, lesen Sie in den folgenden Abschnitten.

Wie funktioniert eine Solarthermie-Anlage?

Thermische Solaranlagen fangen die Strahlung der Sonne auf und wandeln sie direkt in Wärme, die dann zum Beispiel zur Gebäudebeheizung oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Im Vergleich zur Photovoltaik, die solare Strahlung in elektrische Energie wandelt, funktioniert das mit vergleichsweise einfacher Technik und einem hohen Wirkungsgrad. Je nach Kollektortyp können so bis zu 75 Prozent der auftreffenden Strahlung verwendet werden. Wichtig zu wissen ist jedoch, dass neben dem Kollektor auch in der übrigen Anlage Verluste auftreten. So erreichen Solaranlagen im Durchschnitt einen Wirkungsgrad von 50 bis 60 Prozent.

Bestandteile der Solarthermie: Kollektor, Solarkreislauf und Speicher

Im Vergleich zu vielen anderen Wärmeerzeugern, können die Komponenten einer Solarthermie-Anlage schon mit einfachen Mitteln hergestellt werden – wenn auch nur mit einem niedrigeren Wirkungsgrad. Unabhängig vom Einsatzgebiet der Technik, bestehen sie aus:

  • Kollektoren zur Umwandlung der Solarenergie in Wärme
  • Einem Solarkreislauf zum Transport der Energie im Haus
  • Einem Speicher zum Sammeln der schwankenden Solarenergie

Der Kollektor einer Solarthermie-Anlage

Kollektoren haben die Aufgabe, die Solarenergie in nutzbare Wärme zu wandeln. Damit dass gut funktioniert, werden sie in der Regel im richtigen Winkel und mit der richtigen Orientierung auf dem Dach montiert. Da die Sonne ihren Stand über den Tages- und Jahresverlauf ändert, ist der Ertrag am höchsten, wenn die Kollektoren in einem Winkel von etwa 45 Grad nach Süden ausgerichtet sind. Aber auch eine Orientierung nach West oder Ost ist möglich, dann jedoch mit einem 20 bis 30 Prozent geringerem Ertrag. Generell unterscheidet man für den Einsatz in Wohngebäuden folgende Kollektorformen:

  • Schwimmbadabsorber
    Schwimmbadabsorber sind die einfachste Kollektor-Form. Sie bestehen aus einer dunkel gefärbten Gewebematte mit integriertem Rohrnetz. Durch dieses zirkuliert das Wasser aus einem Pool oder Schwimmbad, das durch die auftreffende Solarstrahlung erwärmt wird. Da die Kollektoren in der Regel nur im Sommer genutzt werden, erreichen sie auch ohne Wärmedämmung ausreichend hohe Wirkungsgrade.

  • Flachkollektoren
    Nach dem gleichen Prinzip, jedoch deutlich effizienter funktionieren Flachkollektoren. Diese werden in Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung verwendet und bestehen aus einem ringsum gedämmten Kasten. Während sich im Inneren des Kollektors Rohrleitungen mit einer Solarflüssigkeit befinden, werden sie zur Sonne hin mit speziellem Solarglas abgedeckt. Dieses wurde so optimiert, dass nur wenig Licht absorbiert oder reflektiert wird und ein besonders großer Anteil der Solarenergie in den Kollektor gelangt.

  • Vakuumröhrenkollektoren
    Die Effizientesten unter den Kollektoren sind Vakuumröhrenkollektoren. Diese werden auch zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung eingesetzt und bestehen aus mehreren Glasröhren. Angeschlossen werden sie an einen sogenannten Sammler. Durch ein Vakuum im Inneren der Glasröhren, können die Wärmeverluste der Kollektoren so ähnlich wie bei einer Thermoskanne reduziert werden. Verglicht man Vakuumröhren- und Flachkollektoren, können Vakuumröhrenkollektoren auf der gleichen Fläche mehr Wärme gewinnen.

Hinweis:
Preisgünstige und wartungsarme Thermosiphonanlagen, die ohne eine Pumpe auskommen, eignen sich wegen ihres Funktionsprinzips nur für sonnenreiche südliche Länder. Der Wasserkreislauf wird bei diesen Anlagen durch das Prinzip der spezifischen Dichte von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen in Gang gesetzt: Warmes Wasser steigt zum Sammelbehälter auf, während das kältere Wasser in einer zweiten Leitung nach unten zum Erhitzer sinkt.

Der Solarkreislauf einer Solarthermie-Anlage

Über den Solarkreislauf wird die Wärme im Kollektor kontinuierlich abgeführt und zum Speicher transportiert. Damit das funktioniert, besteht er neben einer Pumpe aus einem Rohrnetz, in dem die Solarflüssigkeit – mit Frostschutzmittel versetztes Wasser – zirkuliert. Da das Volumen der Flüssigkeit durch ständig wechselnde Temperaturbedingungen schwankt, ist zusätzliche Sicherheitstechnik notwendig. Ein Ausdehnungsgefäß und ein Sicherheitsventil gewährleisten dabei immer einen sicheren und effizienten Betrieb der Solarthermie-Anlage.

Der Pufferspeicher einer Solarthermie-Anlage

Die Sonne scheint meist nur dann, wenn die Wärme im Haus nicht benötigt wird. Mit einem Pufferspeicher kann die Wärme der Solarthermie-Anlage gesammelt und solange gespeichert werden, bis auch ein Bedarf besteht. Während die mit Wasser gefüllten Behälter bei Anlagen zur Warmwasserbereitung in Einfamilienhäusern etwa 300 Liter fassen, können sie bei Solaranlagen zur Heizungsunterstützung ein Volumen von 1.000 Litern und mehr erreichen.
Damit es nicht zu einer Durchmischung der Solarflüssigkeit mit Trink- oder Heizungswasser kommt, fließt diese generell nur in einem Wärmeübertrager – eine Rohrschlange, die funktioniert wie ein Tauchsieder – durch den Pufferspeicher.

Wie kann eine Solarthermie-Anlage eingesetzt werden?

Geht es um den Einsatz der Solarthermie in Wohngebäuden, werden die Anlagen hauptsächlich für die Schwimmbaderwärmung, die Warmwasserbereitung oder die Heizungsunterstützung verwendet. Während Schwimmbad-Anlagen meist nur aus der so genannten Absorbermatte – dem Schwimmbadkollektor - und einer Pumpe bestehen, ist der Aufbau bei Anlagen zur Warmwasserbereitung oder der Heizungsunterstützung aufwendiger.

Solarthermie zur Warmwasserbereitung

Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserbereitung bestehen aus Kollektoren, dem Solarkreislauf und einem Trinkwasserspeicher. Während die Wärme zum Erhitzen des Trinkwassers dabei über weite Teile des Jahres vom Dach kommt, stellt ein zusätzlicher Wärmeerzeuger – zum Beispiel eine Gas-Brennwertheizung – sicher, dass auch dann warmes Wasser fließt, wenn die Sonne einmal längere Zeit nicht scheint. Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserbereitung können aufgrund ihrer meist kompakten Größe gut in Neubau- und Altbau-Gebäude integriert werden.

Solarthermie zur Heizungsunterstützung

Auch Anlagen zur Heizungsunterstützung bestehen neben den Kollektoren auf dem Dach aus dem Solarkreis sowie einem Pufferspeicher. Dieser nimmt die gesamte Solarwärme auf und verteilt sie je nach Bedarf an Heizung oder Warmwasserbereitung. Wird die erneuerbare Wärme im Speicher knapp, wird automatisch ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet, der sicherstellt, dass es im Haus immer angenehm warm ist. Im Vergleich zu Solaranlagen zur Warmwasserbereitung haben Anlagen zur Heizungsunterstützung eine größere Kollektorfläche und einen größeren Pufferspeicher.

Investitionskosten für Solarthermie-Anlagen

Die Kosten für eine Solarthermie-Anlage lassen sich nur in etwa beziffern und hängen von der Größe der Anlage und ihrem Zweck ab.

  • Brauchwassererwärmung
    Bei einem typischen 4-Personen-Haushalt werden üblicherweise für die reine Brauchwassererwärmung eine Kollektorfläche von 5-6 Quadratmetern und ein Wasserspeicher mit einem Volumen von 300 Litern installiert.

  • Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung
    Soll die Solaranlage auch der Heizungsunterstützung dienen, muss mindestens von der 3-fachen Kollektorfläche ausgegangen werden. Für den Wasserspeicher wird in diesem Fall ein Volumen von 100 Litern pro Quadratmeter Kollektorfläche berechnet.

Rahmenbedingungen der Solarthermie

Für eine optimale Ausnutzung des Sonnenlichts sind bei der Installation der Solarkollektoren einige Regeln zu beachten. Wichtig ist zunächst die Dachausrichtung: Optimal ist eine südliche Ausrichtung, Fachleute gehen jedoch davon aus, dass eine Abweichung von 45° in östliche oder westliche Richtung durchaus toleriert werden kann und die Solar-Bilanz nicht wesentlich verringert. Wenn die Montage in beide Richtungen möglich ist, sollte die Südwest-Ausrichtung bevorzugt werden: Auch wenn die Menge der Sonneneinstrahlung identisch ist, ist hier damit zu rechnen, dass durch fehlende Frühnebel eine bessere Sonneneinstrahlung und somit eine günstigere Energiebilanz erwartet werden kann.
Für einen optimalen Neigungswinkel müsste ein Solarkollektor je nach Sonnenstand ständig elektronisch nachgeführt werden. Da dies jedoch einen großen technischen Aufwand bedeuten würde, werden die Kollektoren mit einer bestimmten Neigung fest montiert. Der Neigungswinkel richtet sich nach ihrem Verwendungszweck. Dabei gilt: Wird die Solaranlage zur Warmwasserbereitung genutzt, ist ein Neigungswinkel zwischen 25° und 55° zu empfehlen; wird mit der Anlage auch geheizt, sollte die Neigung zwischen 50° und 70° betragen. In diesem Fall ist sogar eine Fassadenmontage und somit eine Neigung von 90° möglich.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Verschattung. Für einen hohen Energieertrag sollte gewährleistet sein, dass die Kollektoren für die Dauer von sechs zusammenhängenden Stunden um die Mittagszeit nicht verschattet sind. Bei Anlagen, die nur zur Warmwasserbereitung dienen, spielen Verschattungen während des Winters keine große Rolle, da aufgrund der wenigen Sonnenstunden und der tiefen Temperaturen keine größeren Erträge zu erwarten sind. Wird die Anlage jedoch auch für die Raumbeheizung benötigt, ist auch im Winter darauf zu achten, dass die Kollektoren nicht durch Schattenwurf beeinträchtigt werden.
Fällt viel Schnee, der die Kollektoren bedeckt, können diese keine Energie liefern. Doch hier gilt: Je steiler der Neigungswinkel der Kollektoren, umso besser rutscht der Schnee ab. Besonders von Kollektoren, die mit einem Neigungswinkel von mindestens 30° montiert wurden und keinen Rahmen haben, gleitet der Schnee besonders gut ab. Den Schnee selbst per Hand von den Kollektoren zu fegen, ist nicht zu empfehlen, da die Unfallgefahr sehr groß ist und die Oberfläche der Kollektoren zerkratzt werden könnte. Doch mittlerweile werden auch automatische Räumsysteme angeboten. Sie räumen entweder mechanisch den Schnee oder arbeiten mit einer elektrischen Beheizung.

Welche Vor- und Nachteile haben Solarthermie-Anlagen?

Solarwärme-Anlagen nutzten kostenfrei verfügbare Energie für die Heizung oder die Warmwasserbereitung von Gebäuden.

Vorteile sind dabei:

  • sie verursachen keine Brennstoffkosten
  • sie verbrauchen keine fossilen Energieträger
  • sie werden im Neubau wie auch im Altbau gefördert

Zu den Nachteilen einer Solarthermie-Anlage zählen folgende Punkte:

  • für die Kollektoren muss ausreichen Platz in der richtigen Orientierung vorhanden sein
  • das Angebot der Solarenergie ist schwankend
  • je nach Einsatzzweck können hohe Kosten entstehen

Solarthermie-Anlagen arbeiten mit erneuerbaren Energien, verursachen keine Brennstoffkosten und können die monatlichen Ausgaben in vielen Haushalten senken. Vor allem zur Warmwasserbereitung, können sie heute in vielen neuen und bestehenden Gebäuden integriert werden.

 

 

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