Solarthermie

Auf der Sonne werden bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium große Mengen an Strahlungsenergie frei, die als Licht (sichtbare Strahlung) und als Wärme (unsichtbare Strahlung) in den Weltraum abgegeben werden. Bei einem mittleren Abstand der Erde zur Sonne von 150 Mio. km stehen von dieser Strahlungsenergie auf der Erde noch maximal 1.400 W/m2 zur Verfügung. Aufgrund von Wolken und Staubpartikel in der Atmosphäre gelangt diese Energie aber nur zum Teil bis auf die Erdoberfläche. Bei stark bedecktem Himmel und zur Zeit der Dämmerung beträgt dieser Anteil nur noch 50 bis 100 W/m2, bei extrem klarem Wetter und Kumuluswolken 1.000 bis 1.200 W/m2. Für die Planung von Solaranlagen geht man von einer Einstrahlung von 700 bis 1.000 W/m2 aus.

Um diese Strahlung optimal auszunutzen, werden Solarkollektoren und -module nach Möglichkeit so positioniert, dass sie sich solange wie möglich senkrecht zur Achse Erde - Sonne befinden. Dies bedeutet, dass Kollektoren nach Süden ausgerichtet werden sollten und in Norddeutschland (53° nördl. Breite) in einem Winkel von 37° (90° - 53° = 37°) aus der Horizontalen stehen sollten. Abweichungen von dieser idealen Orientierung führen zu einer geringeren Ausbeute der Solarstrahlung. Dies kann in der Praxis aber häufig durch eine etwas größere Dimensionierung der Solarkollektoren kompensiert werden.

Die Sonnenstrahlung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der direkten und der diffusen Strahlung. In Deutschland beträgt der diffuse Anteil an der gesamten so genannten. Globalstrahlung etwa 2/3 und der direkte Anteil etwa 1/3. Beide Strahlungsarten können solarthermisch genutzt werden.

Die wesentlichen Bauteile einer thermischen Solaranlage sind

Die meisten thermischen Solaranlagen, die heute installiert werden, arbeiten mit zwei voneinander getrennten Rohrsystemen. Im so genannten Solarkreis, der Kollektor und Wärmetauscher miteinander verbindet, wird eine frostsichere Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser-Glykol-Gemisch) umgewälzt. Dieser Kreis ist über den Wärmetauscher mit dem Brauchwasserkreis verbunden.

Die Regelung setzt die Pumpe im Solarkreis immer dann in Betrieb, wenn die Temperatur am Kollektor einige Grad (z.B. 5 °C) über der Temperatur im unteren Speicherabschnitt liegt. Dadurch gelangt die von der Sonne erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit vom Kollektor in den Wärmetauscher im Speicher und erwärmt damit das Brauchwasser.

Solare Wärmegewinnung Schema einer Anlage zur solaren Brauchwassererwärmung

Das Arbeitsprinzip eines Kollektors basiert auf dem so genannten Treibhauseffekt: Kurzwellige Sonnenstrahlung dringt ungehindert durch Glasscheiben hindurch und wird beim Auftreffen auf undurchsichtige Oberflächen in längerwellige Strahlung (Wärme) umgewandelt, die die Glasscheiben nicht durchdringen kann.

Das Herzstück eines Kollektors bildet ein Absorber (Absorbieren = Aufsaugen) aus einem sehr gut Wärmeleitenden Material (z.B. Kupfer, Aluminium). Seine Oberfläche besteht entweder aus einem schwarzen Anstrich oder aus einer so genannten „selektiv-arbeitenden“ Beschichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass sie in hohem Maß kurzwelliges Licht absorbiert. Die resultierende Wärmestrahlung wird in alle Richtungen vom Absorber abgestrahlt. Die Kollektorabdeckung - Spezialglas mit hoher Lichtdurchlässigkeit und großer Schlagfestigkeit (senkrecht zur Scheibe) - ist für Wärmestrahlung nicht (bzw. nur schwer) durchdringbar. Dieser Anteil der Strahlungsenergie bleibt im wärmegedämmten Kollektorgehäuse „gefangen“, so dass der einzige Weg, auf dem die Wärmeenergie den Kollektor verlassen kann, die Wärmeträgerflüssigkeit darstellt, die durch den Absorber fließt.

Bei den Kollektoren unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Bauarten: den Flachkollektor und den Vakuumröhren-Kollektor. Bei Flachkollektoren sind die Absorber zu größeren Einheiten verbunden und flächig in wärmegedämmte Kollektoren eingebaut. Bei Vakuumröhren-Kollektoren werden die Absorber einzeln in evakuierten Glasröhren angebracht, die bei der Montage zu größeren Kollektor-Einheiten verbunden werden.

Die Warmwasserspeicher von Solaranlagen sind in der Regel größer dimensioniert als Warmwasserspeicher, die aus Komfortgründen bei konventionellen gas- oder ölgefeuerten Anlagen eingesetzt werden. Um trübe Tage zu überbrücken, müssen die Speicher für Solaranlagen Warmwasser für mindestens zwei Tage vorhalten und haben damit auch für ein Einfamilienhaus ein Speichervolumen von mehr als 800 I.

Am Markt werden unterschiedliche Typen von Solar-Warmwasserspeicher angeboten (Schichtspeicher, Pufferspeicher mit Konvektionskamin, Tank-in-Tank-Speicher etc.). Charakteristisch für alle ist eine optimierte Geometrie und Anordnung der Zu- und Abflüsse. Sie stellt sicher, dass die Schichtung im Speicher möglichst wenig gestört wird und auch bei geringen Temperaturdifferenzen im Speicher bei einer Entnahme von Warmwasser stets das wärmste Wasser zuerst abgegeben wird.

Bei der heute üblichen Dimensionierung der Anlagen im Ein- und Zweifamilienhaus wird das Brauchwasser im Sommer weitgehend über die Solaranlage erwärmt (Jahresdeckungsgrad von 60 %). Die verbleibenden 40 % der für die Warmwasserbereitung benötigten Energie werden durch eine Zusatzheizung gedeckt, die entweder direkt im Speicher angebracht oder über einen weiteren Wärmetauscher mit dem Speicher verbunden ist.

Die Auslegungsberechnung für solarthermische Anlagen erfolgt üblicherweise mit Hilfe von EDV-Programmen und berücksichtigt sowohl standortspezifische (Ausrichtung, Neigung, Verschattung, Nutzung etc.) als auch anlagenspezifische Parameter (optischer Wirkungsgrad, Systemtemperaturen etc.). Bei einem mittleren jährlichen Sonnenenergieangebot in Norddeutschland von 1.000 kW/m2 a ergibt sich für eine „Standard-Anlage“ zur Brauchwassererwärmung (Systemwirkungsgrad 35 %) ein Energieertrag von etwa 350 kW/m2 a.

Als Faustformel für eine grobe Abschätzung der benötigten Kollektorfläche hat sich Ge nach Kollektortyp) bei Anlagen zur Brauchwassererwärmung die folgende Beziehung in der Praxis als verlässlich erwiesen:

1 Person ca. 1,0 bis 1,3 m2 Kollektorfläche

Für die solare Raumheizung sind größere Kollektorflächen und dementsprechend auch größere Speicher erforderlich, da sie die Wärme sowohl für das Brauchwasser als auch für das Heizungswasser speichern müssen.