Die Strahlung der Sonne kann in Strom und in Wärme umgewandelt werden. Anlagen, die Wärme erzeugen heißen thermische Solaranlagen. Sie bestehen im Prinzip aus  | dem Kollektorfeld
| | dem/den Wärmespeicher(n)
| | dem Solarkreis (geschlossener Rohrkreis zwischen Kollektoren und Speicher)
| | der Regelung |
Sonnenkollektoren absorbieren solare Strahlung, wandeln sie in Wärme um und geben die Wärme an ein Wärmeträgermedium ab. Dieses wird über ein Rohrsystem zu dem Solarspeicher gepumpt, erwärmt dort das Wasser im Speicher und strömt abgekühlt zu den Kollektoren zurück. Solange nutzbare Wärme in den Kollektoren zur Verfügung steht, hält der Regler die Pumpe in Betrieb. Im Winter heizt der Kessel die fehlende Wärme nach.
Diese Anlagen können verhältnismäßig einfach in vorhandene Warmwassersysteme eingebunden werden.
Der Kollektor ist das Bindeglied zwischen dem Sonnenenergienutzer und der Sonne und ihrer Strahlung. Es gibt unterschiedliche Arten und Bauformen für verschiedene Einsatzgebiete mit spezifischen Kosten und Leistungen.
Schwimmbadabsorber
Diese preiswerten Kollektoren bestehen aus witterungs- und uv-beständigem Kunststoff ohne Gehäuse, Wärmedämmung und Glasscheibe und werden für die Schwimmbadwassererwärmung eingesetzt.
Flachkollektoren
Alle marktgängigen Flachkollektoren bestehen aus einem Metallabsorber in einem flachen, rechteckigen Gehäuse. Es ist zur Rückseite und zu den schmalen Seiten Wärme gedämmt und an der Vorderseite, welche der Sonne zugewandt ist, mit einer transparenten Abdeckung (Spezialglas) versehen. Zwei Rohranschlüsse für den Zu- und Abfluss des Wärmeträgermediums führen meist seitlich aus dem Kollektor.
Das Kernstück eines Flachkollektors ist der Absorber. Er besteht aus einem gut Wärme leitenden Metallblech (z. B. aus Kupfer oder Aluminium) mit einer dunklen (selektiven) Beschichtung und aus mit ihm leitend verbundenen Kupferrohren. Trifft Solarstrahlung auf den Absorber, wird sie überwiegend absorbiert und teilweise reflektiert. Durch die Absorption entsteht Wärme, die im Blech an die Kupferrohre geleitet wird. Durch diese strömt die Wärmeträgerflüssigkeit, welche die Wärme aufnimmt und zum Speicher transportiert.
Vakuumröhrenkollektoren
Zur Verringerung der thermischen Verluste in einem Kollektor werden Glaszylinder mit innen liegenden Absorberstreifen wie Thermoskannen evakuiert. Dadurch werden Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung verringert. Die Strahlungsverluste lassen sich durch Erzeugen eines Vakuums nicht reduzieren, da für den Transport von Strahlung kein Medium notwendig ist. Sie werden, wie auch beim Flachkollektor, durch selektive Absorberschichten niedrig gehalten. Die Wärmeverluste an die Umgebungsluft sind damit sehr stark reduziert. Auch bei einer Absorbertemperatur von 120°C und mehr bleibt das Glasrohr außen kalt.
Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus einer Anzahl miteinander verschalteter Röhren, die am Kopf durch einen Verteiler- bzw. Sammlerkasten verbunden sind. Darin laufen die gedämmten Vor- bzw. Rücklaufleitungen. Am Fuß sind die Röhren auf einer Schiene mit Röhrenhalterungen befestigt.
Wir unterscheiden direkt durchströmte und Heat-pipe-Vakuumröhrenkollektoren.
Das Energieangebot der Sonne ist nicht beeinflussbar und stimmt selten mit den Zeiten des Wärmebedarfs überein. Deshalb muss die solar erzeugte Wärme gespeichert werden. Wir unterscheiden Trinkwasserspeicher zur direkten Erwärmung von Trinkwasser und Kombispeicher zur Erwärmung von Trinkwasser oder zur Heizungsunterstützung.
Trinkwasserspeicher
Dies sind mit Trinkwasser gefüllte Stahlspeicher (Druckspeicher) mit zwei Wärmetauschern. An dem unteren Wärmetauscher wird der Solarkreis, an dem oberen die Nachheizung durch den Heizkessel angeschlossen.
Kombispeicher
Es gibt zwei Arten von Kombispeichern:
Pufferspeicher sind mit Heizungswasser gefüllte Stahlspeicher (Druckspeicher) oder drucklose Kunststoffspeicher. Die in ihnen bevorratete Wärme kann wahlweise ins Heizungssystem eingespeist (Heizungsunterstützung) oder über einen Wärmetauscher (intern oder extern) an das Trinkwasser übertragen werden.
Der Tank-in-Tank-Speicher ist eine Kombination aus Puffer- und Trinkwasserspeicher. In einen Pufferspeicher ist im oberen, warmen Bereich ein kleinerer Trinkwasserspeicher eingebaut, dessen Oberfläche als Wärmetauscher fungiert. Er eignet sich für den Einsatz in Solaranlagen zur Warmwasserbereitung ohne und mit Heizungsunterstützung.
Schichtenspeicher
Um heißes Wasser sofort nutzen zu können, ohne dass erst der ganze Speicher erwärmt werden muss, wurden für die Beladung von Speichern > 300 Liter besondere Speicherladesysteme entwickelt. Eine selbst regelnde Lade-vorrichtung sorgt hierbei für eine in der Höhe variable Einleitung des erwärmten Wassers. Diese erfolgt jeweils in der Höhe, in der die Temperatur des zufließenden Wassers gleich der Speichertemperatur in dieser Schicht ist. Dadurch entstehen eine gute Temperaturschichtung innerhalb des Speichers und ein schnelles Erreichen der Nutztemperatur im oberen Speicherbereich. Aber auch eine Beladung in verschiedenen Ebenen mit einer Steuerung über Ventile wird angeboten. Schichtenspeicher gibt es als Trinkwasser- oder als Pufferspeicher.
Über den Solarkreis wird die im Kollektor erzeugte Wärme in den Solarspeicher transportiert. Er besteht aus folgenden Elementen:
| Rohrleitungen: sie verbinden die Kollektoren auf dem Dach und dem meist im Keller untergebrachten Speicher
| | Solarflüssigkeit: sie transportiert die Wärme vom Kollektor zum Speicher
| | Solarpumpe: sie lässt die Solarflüssigkeit im Solarkreis zirkulieren
| | Solarkreiswärmetauscher: er überträgt die gewonnene Wärme an das Trinkwasser im Speicher
| | Armaturen und Einbauten zum Befüllen, Entleeren und Entlüften
| | Sicherheitseinrichtungen: Ausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil, schützen die Anlage vor Schäden (Leckagen) durch Volumenausdehnung |
Die Regelung einer solarthermischen Anlage hat grundsätzlich die Aufgabe, die Umwälzpumpe zur optimalen "Ernte" der Sonnenenergie zu steuern. In den meisten Fällen handelt es sich um einfache elektronische Temperaturdifferenzregelungen: solange die Temperatur im Kollektor um einige Grade höher ist als das Wasser im unteren Speicherbereich, ist die Pumpe in Betrieb.
Zunehmend kommen Regler auf den Markt, die als einzelne Geräte verschiedene Systemschaltungen steuern können und darüber hinaus mit zusätzlichen Funktionen wie Wärmemengenmessung, Datenlogging und Fehler-diagnosefunktionen ausgestattet sind.
Wir unterscheiden im Wesentlichen drei prinzipiell unterschiedliche Systeme:
Systeme zur Trinkwassererwärmung (s. Abb. 1)
Systeme zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung, in Abb. 5 mit Tank-imTank-Speicher dargestellt
Systeme zur Schwimmbadwassererwärmung
Hier handelt es sich um eine komplett andere Technik als bisher beschrieben. Die Kollektoren sind schwarze Kunststoffmatten, sog. Schwimmbadabsorber, die vom Schwimmbadwasser direkt durchströmt werden. Auch die Verrohrung besteht aus Kunststoff. Als Speicher dient das Schwimmbecken. Der Filterkreis wird zeitgesteuert, der Kreis über den Absorber temperaturgesteuert betrieben: immer wenn im Schwimmbadabsorber nutzbare Wärme vorhanden ist, wird das Dreiwegeventil vom Regler umgeschaltet und die Wärme aus dem Absorber ins Schwimmbecken transportiert.
In der Regel verfolgt die Auslegung einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung im Ein- und Zweifamilienhausbereich das Ziel, den Energiebedarf der Trinkwassererwärmung während der Sommermonate Mai bis September zu 100% über die Solaranlage abzudecken. Gewünschter Nebeneffekt: Der Heizkessel kann während dieser Zeit komplett ausgeschaltet bleiben. In den übrigen Monaten, in denen der Heizkessel ohnehin läuft, muss er die fehlende Wärme liefern (nachheizen). Der Solaranteil übers Jahr beträgt 60%.
Abbildung 7 zeigt den Einfluss der Dachneigung und -ausrichtung auf die jährlich eingestrahlte Energiemenge.
Bewährt hat sich die Auslegung des Speichervolumens auf das 1,5- bis 2-fache des täglichen Warmwasserbedarfs (das sind 80 - 100 l pro Person bei mittlerem Verbrauch) und 1,2 bis 1,5 m2 Kollektorfläche pro Person. Im Ein- und Zweifamilienhausbereich ergeben sich Kollektorflächen von 4-6 m2 und Speicher mit 300 bis 500 Liter Fassungsvermögen.
Zur Heizungsunterstützung werden 1m2 Kollektorfläche pro 10 m2 beheizte Wohnfläche und 50 l Speichervolumen pro m2 Kollektorfläche angesetzt. Das ergibt, je nach Dämmstandard 10 - 30% solare Deckung. Beispiel: 15 - 20 m2 Kollektorfläche und 750 - 1000 l Pufferspeicher.
Grundsätzlich lassen sich Kollektoren | in ein geneigtes Dach integrieren (Indachmontage)
| | auf ein geneigtes Dach montieren (Aufdachmontage)
| | auf ein Flachdach bzw. eine Freifläche aufständern und
| | an eine Fassade montieren |
Schrägdachmontage
Bei der Indachmontage werden die Dachziegel an der entsprechenden Stelle entfernt und die Kollektoren direkt auf die Dachlatten montiert. Die Abdichtung an den Übergängen zur Dachhaut wird durch eine überlappende Konstruktion erreicht. Dabei wird der Kollektor überwiegend mittels spezieller Eindeckrahmensysteme aus Aluminium oder Zink und Blei in die Dachabdeckung eingebunden, ähnlich wie Dachfenster.
Bei der Aufdachmontage werden die Kollektoren etwa 5-10 cm über der Dachhaut montiert. Die Haltepunkte werden durch sogenannte Dachhaken oder Sparrenanker gebildet, die auf die Sparren, bei Wellplatten auf eine Welle, bei gefalzten Zinkdächern auf einen Stehfalz o. ä. aufgeschraubt werden. Die Rohrführung in das Gebäude erfolgt über Lüfterelemente.
Flachdachmontage
Grundsätzlich müssen Kollektoren auf Flachdächern schräg angestellt werden (20-60°). Dafür gibt es Flachdachständer aus verzinktem Stahl oder Aluminium in entsprechenden Anstellwinkeln. Ausnahme: direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren. Aufgrund der entstehenden Windangriffsflächen müssen die Kollektoren gegen Abheben und Herabstürzen bzw. Gleiten gesichert werden, durch Gegengewichte, durch Abspannung mit dünnen Drahtseilen oder Verankerung mit dem Flachdach. In jedem Fall ist im Vorfeld die Tragfähigkeit des Daches zu prüfen.
Fassadenmontage
Kollektoren an der Fassade können entweder schräg angestellt oder parallel zur Wand montiert werden.
Die Montage des Solarkreises und der Solarspeicher ist ähnlich wie im Heizungsbereich, einige Besonderheiten sind jedoch zu beachten.
Die Preise für solarthermische Anlagen sind erfreulicherweise in den letzten Jahren deutlich gesunken - und dies bei steigender Leistungsfähigkeit. Eine Einfamilienhausanlage kostet einschließlich Montage und Mehrwertsteuer ca. 5. 000 EUR. Davon können Fördermittel z. B. aus dem Marktanreizprogramm in Höhe von 625 EUR abgezogen werden.
Beispiel:
gerechnet wurde mit einem Nutzwärmeertrag von 350 kWh/m2a, mit einem Kesselwirkungsgrad im Sommer von 65%, einer Lebensdauer der Anlage von 25 Jahren und einem Ölpreis von 0,30 EUR/l im ersten Jahr bei einer durch-schnittlichen jährlichen Ölpreissteigerung von 7%.
Anschaffungskosten 5. 000,00 EUR
+ Betriebskosten, Reparaturen 500,00 EUR
- Förderung 625,00 EUR
- Energieeinsparung bei 7% Preissteigerung 5. 120,00 EUR
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= Ãœberschuss 245,00 EUR
Jeder Besitzer einer thermischen Solaranlage leistet Beiträge zur Schonung unwiederbringlicher Energiereserven und zum Klimaschutz durch Verringerung von CO2-Emissionen.
In Zahlen:
in Deutschland werden allein durch thermische Solaranlagen jedes Jahr 200 Mio Liter Heizöl eingespart und ca.
800. 000 t CO2-Emissionen vermieden. Und der Solarmarkt wächst weiter.
Durch uns:
· Sie finden vielfältige Informationen auf unserer Internetseiten
· Wir bieten ein umfangreiches Leistungsangebot
· Wir sind in Deutschland regional mit Landesverbänden und Sektionen vertreten
Darüber hinaus finden Sie weitere Hilfe unter folgenden Adressen:
www.solarfoerderung.de
www.bafa.de
www.kfw.de
www.bsi-solar.de
www.solarserver.de
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