Solaranlage zur Unterstützung der Warmwasserversorgung

 

Schon immer wurde Solarenergie im Haushalt genutzt. Im ersten Solarzeitalter bis zur Industrialisierung nutzte die Menschheit fast ausschließlich Sonnenenergie: Direkt oder als Wind- und Wasserenergie oder Holz. „Passiv“ nutzen wir heute die Sonne in jedem Haushalt: Die durch die Fenster fallenden Sonnenstrahlen erwärmen das Gebäude und das Tageslicht bietet eine kostenlose Beleuchtung. In der Regel wird unter dem Begriff „Solarenergienutzung“ jedoch die Verwendung „aktiver“ Systeme verstanden. Die Warmwasserbereitung mit der Sonne (Brauchwasser) ist das heute gebräuchlichste System.

 


Welchen Beitrag können Solaranlagen zur Energieeinsparung leisten?

Thermische Solaranlagen stellen in der Regel zwischen 30 und 60 Prozent des jährlichen Energiebedarfs für Brauchwasser bereit. Die Grafik macht deutlich, dass eine Solaranlage aus einem unsanierten Altbau noch kein Energiesparhaus macht. Die Sonne schickt uns zwar keine Rechnung, sie zwingt uns aber zum vernünftigen, sparsamen Umgang mit Energie. Denn ihr Beitrag durch Warmwasser-Solaranlagen liegt hierzulande bei 10 bis 20 kWh/m² Wohnfläche und Jahr (= 1 bis 2 Liter Heizöl pro m² und Jahr). Wer in einem Altbau mit 20 Litern Heizöl pro m² und Jahr lebt, wird einen Rückgang um 1,5 Liter pro m² durch Kollektoreinbau also kaum merken. Er steht nach Montage seiner Solaranlage erst am Anfang eines längeren Energiesparweges (siehe unsere 6 Schritte zum Energiesparhaus). Ein guter baulicher Wärmeschutz schafft erst die Voraussetzung für einen hohen solaren Deckungsbeitrag.

Ist Ihr Haus durch zusätzlichen Wärmeschutz schon auf einen neuen Stand gebracht, dann ist eine Solaranlage, besonders auch im Zuge einer Heizungserneuerung, eine besonders sinnvolle und lohnende Investition.

 

Der Kollektor

Wichtigste Komponente einer Solaranlage ist der Solarkollektor. Er fängt das Sonnenlicht ein und gibt die gewonnene Energie in nutzbarer Form ab.

Es existieren unterschiedliche Bauarten von Kollektoren, das Wirkungsprinzip ist jedoch stets dasselbe.


Der Flachkollektor

Der Flachkollektor ist einfach, kostengünstig und die übliche Bauart für Brauchwasser-Solaranlagen. Sein großflächiger Absorber wird von einem kastenförmigen, gedämmten Gehäuse umgeben. Als transparente Abdeckung werden  Glasscheiben oder Kunststoffe in Folien- oder Plattenform eingesetzt. Auf der Rückseite und an den Seiten reduzieren handelsübliche temperaturbeständige Dämmstoffe (Mineralfaser-, Polyuhrethanplatten o. ä.) die Wärmeverluste. Das Gehäuse besteht aus verzinktem Stahlblech oder Aluminium.
Vorteil: Sehr günstiger und einfacher Kollektor.
Nachteil: Geringerer Wirkungsgrad als Vakuumkollektoren, aber ausreichend für die meisten Fälle.


Der Vakuumflachkollektor

Eine spezielle Variante des Flachkollektors ist der so genannte Vakuumflachkollektor. Er ist ähnlich aufgebaut wie der Flachkollektor, die Dämmwirkung wird allerdings durch einen Unterdruck im Gehäuse erreicht, der den Wärmetransport durch Luftströmung (Konvektion) verringert. Um den von außen wirkenden Luftdruck aufzunehmen, sind zwischen Glasabdeckung und Rückseite Stützen aufgebaut, die den Absorber durchstoßen. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist möglich, indem die restliche Luft im Kollektor gegen das Edelgas Krypton ausgetauscht wird.
Vorteil: Höherer Wirkungsgrad als übliche Flachkollektoren.
Nachteil: Höherer Kaufpreis und Wartungsaufwand.

 

Der Vakuumröhrenkollektor

Kollektoren dieser Bauart bestehen aus einem Gestell mit mehreren nebeneinander befestigten Glasröhren, in denen sich jeweils ein Absorberstreifen befindet. Die Röhren sind evakuiert  das Vakuum ist wesentlich besser als in Vakuumflachkollektoren. Die Glasröhren werden werkseitig dauerhaft abgedichtet. Allerdings kann es bei besonderer mechanischer oder thermischer Belastung vorkommen, dass einzelne Rohre undicht werden (besonders bei Transport und Einbau). Den Vakuumverlust erkennt man daran, dass die defekte Glasröhre außen wesentlich wärmer wird als die Umgebungstemperatur. Prüfen Sie die einzelnen Röhren immer einmal. Diese Bauart ist sinnvoll, wenn am Standort weniger Solarangebot herrscht. Anbringung an einer Wand, Verschattung während Teilen des Tages, fehlende Flächen, usw.
Vorteil: Noch höherer Wirkungsgrad als der Vakuumflachkollektor.
Nachteil: Hoher Anschaffungspreis und Wartungsaufwand.

 

Die Solaranlage  mehr als ein Kollektor

Die folgende Grafik zeigt den typischen Aufbau einer Solaranlage zur Wassererwärmung. Die Farbwahl soll die Aufheiz- und Abkühlvorgänge darstellen. Es sind aber drei verschiedene Medien zu unterscheiden: Im Kollektorkreislauf zirkuliert Solarflüssigkeit, im Kreis der Nachheizung sowie im Speicher befindet sich Heizungswasser, und das Trinkwasser durchströmt in diesem System nur den Wärmetauscher (Durchlauferhitzer) im oberen Teil des Speichers.

























Der Speicher

Um einen Ausgleich zwischen Zeiten mit hohem Strahlungsangebot (Mittagszeit) und solchen mit großem Warmwasserverbrauch (z. B. morgens und abends) zu schaffen, ist ein Warmwasserspeicher erforderlich. Je größer der Speicher ist, desto mehr Sonnenenergie kann genutzt werden, da strahlungsarme Tage überbrückt werden können. Dem werden jedoch durch mit dem Volumen steigende Anschaffungskosten Grenzen gesetzt.


Ein guter Speicher zeichnet sich durch eine hochwertige Wärmedämmung aus (mindestens 10 cm). Die Dämmung soll an der Speicherwand anliegen und darf keine Fugen aufweisen. Auch nicht bei Rohranschlüssen, Flanschen, Thermometern etc., da andernfalls Konvektionsströmungen mit erheblichen Wärmeverlusten entstehen können. Die Dämmung sollte den Speicher wie eine dichte Glocke umhüllen. Die vorhandene Reinigungsöffnung muss jedoch zugänglich bleiben.

Da die Solaranlage in den Wintermonaten nur wenig Ertrag liefert, ist die Verbindung mit der Heizung nach wie vor erforderlich.  Wissenschaftliche Untersuchungen zu ausgeführten Anlagen zeigen ein breites Spektrum von jährlichen solaren Deckungsgraden zwischen 30 und 60 Prozent. Empfehlenswert ist der Anschluss an die bestehende Heizungsanlage, da hier die Wärme relativ effizient bereitgestellt wird. Wenn die Temperatur im oberen Bereich des Speichers unter eine festgelegte Grenze fällt, wird die Pumpe eingeschaltet und zusätzliche Wärme aus dem Kessel in den Speicher transportiert.

Wird stattdessen ein beim Einbau billigerer Elektroheizstab genutzt, ist der Umweltnutzen der Solaranlage dahin.

Die Regelung

Damit die Anlage nur dann in Betrieb ist, wenn das Energieangebot der Sonne zur Speicherbeheizung ausreicht, wird die Solaranlage mit einer  Regelung ausgestattet. Am gebräuchlichsten sind Temperatur-Differenz-Regelungen, bei denen die Temperatur am Ausgang des Kollektors und im Speicher in der Höhe des Wärmetauschers verglichen wird.

Eine schlecht eingestellte Regelung beeinträchtigt erheblich die Effizienz der Gesamtanlage. Im Extremfall kann es vorkommen, dass die tagsüber gewonnene Solarwärme nachts wieder aus dem Speicher in den Kollektor transportiert und nach außen abgegeben wird. Bei einer längeren Schönwetterperiode wäre technisch ein Anstieg der Speichertemperatur auf über 90° C leicht möglich. Aus Sicherheitsgründen und zur Reduzierung der Kalkbildung schaltet die Regelung in diesem Fall die Zirkulationspumpe ab.