Was ist Solarthermie?

Die Sonnenenergie kann in Strom und Wärme umgewandelt werden. Anlagen, die Wärme erzeugen heißen solarthermische Anlagen und bestehen aus folgenden Systemkomponenten:

Kollektorfeld
Wärmespeicher
Solarkreis (Rohrkreis zwischen Kollektoren und Speicher)
Regelung

Die Sonnenkollektoren absorbieren die solare Strahlung, wandeln sie in Wärme um und geben sie dann an ein Wärmeträgermedium ab. Dieses wird über das Rohrsystem zu einem Solarspeicher gepumpt, erwärmt dort das Wasser und fließt gekühlt zurück zu den Kollektoren. Solange nutzbare Wärme in den Kollektoren zur Verfügung steht hält der Regler die Pumpe in Betrieb.

Technische Anlagenkomponenten

Die Kollektoren sind das Bindeglied zwischen dem Sonnenenergienutzer und der Strahlung der Sonne. Es gibt drei unterschiedliche Arten und Bauformen von Kollektoren für verschiedene Einsatzgebiete mit jeweils spezifischen Kosten.

Schwimmbadabsorber

Hierbei handelt es sich um einen preiswerten Kollektor aus schwarzem, witterungs- und UV-beständigem Kunststoff (EPDM oder Polyethylen). Diese Form des Kollektors stellt die einfachste Art der Solarthermie dar. Eine spezielle Bauform ist der Speicherkollektor, in diesem sind Kollektor und Speicher direkt vereint.

Flachkollektoren

Alle marktgängigen Flachkollektoren bestehen aus einem Metallabsorber in einem flachen, rechteckigen Gehäuse. Als obere transparente Abdeckung wird ein eisenarmes Solarsicherheitsglas verwendet, welches sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Gleichzeitig verhindert die Abdeckung Wärmeabstrahlung vom Absorber und Wärmeentzug durch Konvektion. Zusätzlich ist der Kollektor an den Seiten und auf der Rückseite zur Verminderung von Wärmeverlusten gedämmt.

Vakuumröhrenkollektoren

Zur Verringerung der thermischen Verluste in einem Kollektor werden Glaszylinder mit innenliegenden Absorptionstreifen evakuiert. Dadurch werden Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung verringert. Der Absorber befindet sich hier mittig in einem Glasrohr. Bei einem direktdurchströmten Vakuum-Röhrenkollektor wird die Wärmeträgerflüssigkeit durch Kupferrohre geleitet, die wärmeleitend mit dem Absorber verbunden sind. Bei einem Heatpipe-Kollektor wird die absorbierte Wärmenergie über ein Wärmerohr in einem am oberen Ende des Rohres angebrachten Wärmetauscher transportiert und erwärmt dort ein Wärmeträgermedium. Heatpipe Kollektoren sind die leistungsstärksten und auch die teuersten Kollektoren. Schwachstelle ist die Haltbarkeit des Vakuums.

Diese Art der Kollektoren haben aufgrund ihrer guten Dämmung bei bestimmten Wetterlagen Vorteile. Vor allem im Winter bringen sie eine erheblich höhere Leistung als gleich große Flachkollektoren. Im Gegensatz zu Flachkollektoren gleicher Größe erreichen Vakuumröhrenkollektoren eine höhere Betriebstemperatur (bis 450°C) und eignen sich zur Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie.

Für die Montage der Kollektoren sind mehrere Möglichkeiten vorhanden, die je nach Dachausführung angewandt werden können. In jedem Fall ist im Vorfeld die Statik des Daches zu prüfen.

Schrägdachmontage – In- und Aufdachmontage

Bei der Schrägdachmontage wird zwischen Indach- und Aufdachmontage unterschieden.

Bei der Indachmontage werden die Kollektoren in ein Ziegel- oder Blechdach integriert. Die Befestigung erfolgt direkt auf den Sparren bzw. der Lattung. Die Randabschlüsse werden als Blechnerarbeiten ähnlich einem Dachfenster wasserdicht ausgeführt.

Bei der Aufdachmontage werden die Kollektoren mittels Dachhaken oder Sparrenanker befestigt. Diese werden auf den Sparren verschraubt und ermöglichen eine Befestigung der Kollektoren ca. 5-10 cm über der Dachhaut. Die Rohrführung in das Gebäude erfolgt über zur Dacheindeckung passende Lüfterelemente.

Flachdachmontage und Freiflächenaufständerung

Für eine optimale Nutzung der Sonneneinstrahlung werden Kollektoren schräg aufgestellt. Bei Flachdächern wird hierfür auf Unterkonstruktion aus verzinktem Stahl oder Aluminium in entsprechenden Anstellwinkeln zurückgegriffen. An aufgeständerten Solarthermieanlagen treten erhöhte Windlasten auf, so dass diese eine starke Befestigung benötigen

Fassadenmontage

Bei einer Fassadenmontage können die Kollektoren parallel zur Wand montiert werden. Dies führt aber unter Umständen zu einem ungünstigen Anstellwinkel zur Sonne. Alternativ können ähnlich einer Flachdachmontage Unterkonstruktionen verwendet werden, die ein schräges Anstellen zur Wand ermöglichen.

Generell gibt es drei Arten von Speichern: Warmwasserspeicher, Kombispeicher und Pufferspeicher. Warmwasserspeicher haben einen Marktanteil von ca. 75%, Kombispeicher von 20% und Pufferspeicher von rund 5%.

Warmwasserspeicher

Bei diesem System wird das Trinkwasser direkt durch die Solarthermieanlage erwärmt. Im unteren Bereich des Speichers ist zum Anschluß der Solaranlage ein Wärmetauscher eingebaut. Dies bewirkt, dass gerade bei Wasserzapfung kühle Temperaturen am Wärmetauscher vorhanden sind und so die Effizienz der Solarthermieanlage erhöht werden kann. Eine Nachheizung des Speichers erfolgt über einen im oberen Teil des Speichers eingebauten zweiten Wärmetauscher. Eine Heizungsunterstützung ist mit diesem Speichersystem nicht möglich. Um die Solarenergie zu speichern und auch an weniger sonnenreichen Tagen solar erwärmtes Trinkwasser bereitstellen zu können, wird ein solcher Speicher üblicherweise mit dem 1,5-fachen des täglichen Wasserbedarfs dimensioniert also ca. 80l – 100l pro Tag und Person.

Kombispeicher

Hierbei handelt es sich um eine Mischung aus Warmwasserspeicher und Pufferspeicher. Er liefert gleichzeitig warmes Wasser, welches entweder im Durchfluss oder über eine im Speicher eingebaute Trinkwarmwasserblase erwärmt wird und unterstützt die Heizung. In den letzten Jahren gab es einige entscheidende Innovationen auf dem Gebiet der Kombispeicher.

Pufferspeicher

Bei einem Pufferspeicher wird Heizungswasser als Speichermedium verwendet. Das Heizungswasser wird über einen innenliegenden Wärmetauscher oder einen außenliegenden Plattenwärmetauscher durch die Solaranlage erwärmt. Die Trinkwarmwasserbereitung erfolgt über ein Frischwassersystem oder einem parallel geschalteten Trinkwasserspeicher, welcher mit Heizungswasser beheizt wird. Ein Pufferspeichersystem eignet sich zur solaren Unterstützung der Heizung.