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Solarthermie Einfamilien/Mehrfamilienhaus

Solarthermische Anlagen wandeln Sonnenlicht in Wärme um. Dies geschieht im häuslichen Bereich vor allem zu zwei Zwecken: zur Warmwasseraufbereitung sowie zur Unterstützung der Heizung. Dabei ist das, was bei einer Photovoltaikanlage die Solarzelle beziehungsweise das Solarmodul ist, bei einer thermischen Solaranlage der Absorber bzw. Kollektor.

Der Zweck des Absorbers besteht darin, die Wärme des Sonnenlichts möglichst vollständig aufzunehmen (Absorption) und diese dann an eine ihn durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit (z. B. Propylenglykol mit Wasser oder nur Wasser) abzugeben.

Bei Kollektoren gibt es im wesentlichen zwei konkurrierende Bauweisen: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren.

Wie der Name schon verrät, zeichnet sich der Flachkollektor durch seine flache Bauweise aus. Der Absorber besteht bei diesem Kollektortyp meist aus Kupfer- oder Aluminiumplatten. Diese sind in der Regel mit schwarzem Lack beschichtet, da schwarze Oberflächen einen besonders hohen Absorptionsgrad aufweisen. Effizientere Flachkollektoren sind mit einer sog. „selektiven Absorberbeschichtung“ (z. B. aus Titan-Nitrid-Oxid) behandelt. Dies steigert den möglichen Absorptionsgrad noch einmal.

Auf der Unterseite der Absorberplatten verlaufen Röhren, die meist mit einem Gemisch aus Frostschutzmittel und Wasser befüllt sind. Dieses Gemisch nimmt die vom Absorber abgegebene Wärme auf und transportiert sie zu einer entsprechenden Nutzeinrichtung oder einem Wärmespeicher.

Flachkollektor Aufdach

Als Abdeckung kommt meist eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, das sich durch eine hohe Durchlässigkeit für den kurzwelligen Spektralbereich der Sonneneinstrahlung auszeichnet. Gleichzeitig gelangt so nur wenig Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch (Treibhauseffekt). Außerdem verhindert die Glasabdeckung den Wärmeentzug durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion). Gemeinsam mit dem Gehäuse schützt sie den Absorber schließlich vor Witterungseinflüssen.

Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech. Als Dämmmaterialien werden hauptsächlich Polyurethan-Schaum oder Mineralwolle verwendet.

In der Anschaffung her sind Flachkollektoren im Mittel deutlich günstiger als Vakuumröhrenkollektoren. Dafür ist beim Flachkollektor der Wirkungsgrad um einiges niedriger. Das folgende Balkendiagramm verdeutlicht dies:

Kollektorleistung_Definition

         

Soll eine thermische Solaranlage nur Warmwasser aufbereiten, können Flachkollektoren ausreichend sein. Will man aber auch die Heizung unterstützen, kommt man an Vakuumröhrenkollektoren kaum vorbei.

Das Wesentliche bei einem Vakuumröhrenkollektor ist, dass die Ummantelung des Absorbers aus einer doppelwandigen Glasröhre besteht. Der Zwischenraum dieser Doppelwand ist zunächst mit Luft gefüllt, wird aber dann „evakuiert“. Das heißt: Die Luft wird solange abgesaugt, bis ein nahezu perfektes Vakuum entsteht. Dieses „Thermoskannenprinzip“ bietet eine hervorragende Wärmeisolierung. Bei neueren Systemen ist zudem auf der Oberfläche der inneren Glasröhre eine selektive Beschichtung aus aufgedampften Metallfilmen aufgetragen, um die Wärmeabsorption zu verstärken.

Als Absorber fungiert bei dieser Bauweise meist ein in die „Thermoskanne“ ragendes U-Rohr oder koaxiales Rohr aus Aluminium. Es wird von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen, welche die auf diese Weise aufgefangene Wärmeenergie aufnimmt und weitertransportiert. Heute überwiegt der Einsatz eines Absorberrohrs, das oben aus der Glasröhre herausführt (Heat-Pipe) und in eine Sammelschiene mündet. Diese leitet die Wärmeträgerflüssigkeit dann weiter. Vorteil dieser Anordnung ist das leichte Auswechseln einer defekten Vakuumröhre, ohne Trägerflüssigkeit ablassen, neu befüllen und das System entlüften zu müssen.

 

Mehrere über eine Sammelleitung verbundene Röhren bilden den Sonnenkollektor. Zum Teil kommen hier zur zusätzlichen Wirkungsgradsteigerung Parabolspiegel zum Einsatz (siehe z. B. CPC Vakuumröhrenkollektor von Paradigma). Diese wölben sich um die untere Hälfte der Vakuumröhre und reflektieren das Sonnenlicht gezielt auf den Absorber. Besonders diese Bauart von Vakuumkollektoren bieten den Vorteil, dass sie auch bei niedrigen Einstrahlungen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem sind höhere Temperaturen erreichbar (z. B. zur Heißwasserbereitung, Dampferzeugung, Klimatisierung).

Eine komplette thermische Solaranlage beinhaltet aber noch weitere Komponenten. Hier als Beispiel die schematische Darstellung einer Anlage zur reinen Warmwasseraufbereitung mit Vakuumröhrenkollektor und glykolhaltigem Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit (sog. Zweikreisanlage):

 

  • Der Vakuumröhrenkollektor absorbiert die durch Sonneneinstrahlung gewonnene Wärme und gibt sie an die Wärmeträgerflüssgikeit (Wasser mit Glykol als Frostschutz) ab. Sie durchfließt den ersten Kreislauf.
  • Die Pumpe wird durch einen Regler gesteuert, der über Fühler die Temperatur an Kollektor und Speicher erfasst. Ist die Temperatur am Kollektor höher als im Speicher, setzt der Regler die Pumpe in Gang. So gelangt die durch den Kollektor absorbierte Wärme mit der Trägerflüssigkeit zum Warmwasserspeicher.
  • Dort treffen erster Kreislauf (Wärmeträgerflüssigkeit) und zweiter Kreislauf (Brauchwasser) zusammen. Der Warmwasserspeicher dient der Bevorratung bei Tagen mit schwächerer Sonneneinstrahlung.
  • Kaltwasserzufluss und Warmwasserabfluss kennzeichnen den zweiten Kreislauf, der der häuslichen Versorgung mit warmen Brauchwasser dient.
  • Durch den Wärmetauscher wird die solar gewonnene Wärme aus dem ersten Kreislauf (Wärmeträgerflüssigkeit) an den zweiten Kreislauf (Brauchwasser) übertragen.

Bei aufwendigeren Anlagen ist der Warmwasserspeicher an einen dritten Kreislauf mit einem weiteren Wärmetauscher gekoppelt. Dieser wird durch den Heizkessel erwärmt und springt für die solare Warmwasseraufbereitung dann ein, wenn die Kollektoren z. B. im Winter keine oder zu wenig Nutzenergie liefern. Darüber hinaus gibt es noch ausgeklügeltere solarthermische Anlagen, die neben der Warmwasseraufbereitung auch die Heizung wirkungsvoll unterstützen.

Mehr zum Thema „Solarthermie“ finden Sie auf den Webseiten des Bundesverbands Solarwirtschaft (BSW) sowie der EnergieAgentur.NRW.

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