Solarthermie
- Flachkollektor
Der Kollektor fängt die Sonnenwärme ein und erhitzt ein Wärmetransportmittel im Rohrsystem des Kollektors. Durch Zirkulation wird die Wärme zu einem Verbraucher (z.B. Boiler) gebracht. Dort wird dem Transportmittel Wärme entzogen und es fließt in den Kollektor zurück. Im Kollektor wird es erneut aufgeheizt.
Der Flachkollektor ist der am meisten genutzte Kollektortyp. Er besteht aus einem flachen, innen geschwärzten Metallkasten mit einer hagelsicheren Glasabdeckung. Die innere schwarze Oberfläche (der Absorber) absorbiert die gesamte einstrahlende Sonnenwärme und erhitzt das darunterliegende Rohrsystem. Die selektiv wirkende Absorberbeschichtung und die Isolierung des Kollektorkastens sorgen dafür, dass möglichst wenig Wärme nach außen verloren geht.
Neben Flachkollektoren werden zur Nutzung der Sonnenwärme auch Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Bei diesen liegt der Wärmekollektor in einem Vakuum (evakuierte Glasröhre). Durch die sehr gute Wärmeisolation des Vakuums geht nahezu keine Wärme verloren. Vakuumröhrenkollektoren sind ca. 20% leistungsfähiger, aber auch teurer als Flachkollektoren.
Für die Errichtung von Solarthermie-Anlagen sind grundsätzlich alle Dächer oder Fassaden oder Aufstellung im Freien geeignet.
Die Ausrichtung der Kollektoren und ihr Neigungswinkel bestimmen den Energieeintrag. Optimal sind Südausrichtung und 45° Neigungswinkel. Bei Nutzung für Warmwasser vermindert sich der Ertrag im Bereich 20° bis 50° Neigung und Ausrichtung Südost bis Südwest um nicht mehr als 10%. Die Neigung sollte mindestens 15o betragen, damit die Kollektoren durch den Regen automatisch gereinigt werden. Bei zusätzlicher Heizungsunterstützung spielen die Übergangs- und Wintermonate eine größere Rolle, die Neigung sollte wenigstens 30° betragen.
Zu Ausrichtung und Neigung der Kollektoren finden Sie genauere Informationen auch im Download-Bereich.
Anlage zur Warmwasserbereitung
- Warmwasserbereitung
In unseren Breiten werden als Wärmetransportmittel frostsichere Flüssigkeiten eingesetzt.
Mehrere Kollektoren werden über das Rohrsystem hintereinandergeschaltet.
Das Wärmetransportmittel nimmt die Wärme auf und bringt sie über einen Wärmetauscher in einen Brauchwasserspeicher. Das Wärmetransportmittel kühlt ab und fließt in einem zweiten Rohr zurück in den Kollektor und wird dort erneut aufgeheizt.
Das im Speicher erwärmte Wasser ist leichter als das kältere Wasser und steigt deshalb im Speicher nach oben. So entsteht im Speicher eine Schichtung:
das wärmste Wasser befindet sich oben (dort, wo Warmwasser entnommen wird),
das kälteste unten (dort, wo die Kaltwassereinspeisung stattfindet).
Die Schichtung hat den Vorteil, dass Warmwasser bereits dann zur Verfügung steht, wenn nur der obere Bereich des Speichers aufgeheizt ist. Es muss also nicht der gesamte Speicher erwärmt werden. Deshalb kann der Speicher auch mehr Wasser enthalten, als an einem Tag benötigt wird. So kann der Brauchwasserspeicher bei einem Überangebot an Wärme einen Vorrat für nachfolgende Schlechtwettertage aufnehmen.
Seit einigen Jahren wird zur Warmwasserbereitung ein mit Heizwasser gefüllte Pufferspeicher verwendet. Das Brauchwasser wird entweder in einem kleinem Brauchwassertank, im oberen Teil des Puffers vom heissen Pufferwasser erwärmt oder über ein Brauchwassersystem, welches das Wasser mit Pufferwärme im Durchlaufprinzip erwärmt. Da das Heizwasser nicht ausgetauscht wird, kann der Speicher nicht verkalken. Durch den kleinen Brauchwasservorrat ist die Legionellengefahr sehr gering.
Eine Wärme-Isolation sorgt dafür , dass der Speicher möglichst wenig Wärme verliert.
Wenn die Sonne nicht genügend Wärme liefert, dann wird der obere Bereich des Speichers über den oberen Wärmetauscher vom Heizkessel erwärmt. Ein einstellbares Regelsystem mit zugehörigen Temperaturfühlern sorgt für vollautomatischen Betrieb.
Im Speicher landen mindestens 50% der eingestrahlten Sonnenenergie. Die Technik ist weitgehend wartungsfrei, einfach und effektiv und besitzt eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren.
Die solare Deckung des Warmwasserbedarfs im Sommerhalbjahr ist bereits heute wirtschaftlich und schont die Heizung. Es ist ein schönes Gefühl, wenn im Sommer das Dusch- und Brauchwasser von der Sonne und nicht von der Heizung erwärmt wird.
Dieses ökologische Bewusstsein ist heute für viele Architekten, Heizungsbauer und BürgerInnen selbstverständlich.
Solarthermie Praxisbeispiel Warmwasser für 4 Personen
Das Diagramm zeigt anschaulich die Bedarfsdeckung im Jahresverlauf.
Solarthermieanlage für 4 Personen; d.h. Kollektorfläche 6 m2, Warmwasserspeicher 400 Liter
- täglicher Durchschnitts-Ertrag im Speicher in kWh (orange Balken)
- täglicher Schönwetter-Ertrag im Speicher in kWh (gelbe Balken)
- täglicher Bedarf für Warmwasser, 8 kWh (blaue Linie)
In der Praxis haben sich folgende Bedarfszahlen und Größen bewährt:
40 l Warmwasser mit 45°C pro Person/Tag – unter Berücksichtigung von Verlusten im Speicher und Warmwassersystem wird dafür eine Wärmeenergie von 2 kWh benötigt
1,5 m² Flachkollektor-Fläche pro Person
- 100 l Warmwasserspeicher pro Person – darin ist eine Reserve für Schlechtwettertage enthalten
Der Vergleich der blauen Energiebedarfslinie mit den Werten Durchschnitts-Ertrag zeigt:
Von April bis Sept wird der Energiebedarf vollständig und im März, Okt weitgehend gedeckt.
Schönwettertage schaffen eine Reserve für Schlechtwettertage. Bereits an einem schönen Märztag wird ein Wärmevorrat für den nachfolgenden Tag gebildet.
Energieersparnis und Kosten
Mit dieser Anlagenkonfiguration spart man fast 8 Monate lang, die zur Warmwasserbereitung benötigte Energie von 8 kWh pro Tag – das sind 240 Tage mal 8 = 1920 kWh. Die Heizung arbeitet im Sommer, wenn sie nur für Warmwasser arbeitet mit einem Wirkungsgrad von ca. 65 %. Die gesamte eingesparte Energie beträgt somit ca. 3000 kWh oder z.B. 300 l Heizöl.
Die beschriebene solarthermische Anlage kostet komplett zwischen 4000 und 5000 €. Wenn man die Kosten abzüglich Förderzuschuss mit der Brennstofferspanis verrechnet, dann amortisiert sich die Anlage bei einem Heizölpreis von 60 ct / l nach etwa 20 Jahren. Bei steigenden Brennstoffkosten, etwa jährlich 5%, amortisiert sich die Anlage bereits nach 14 Jahren.
Bei größeren Anlagen für ein Doppel- oder Mehrfamilienhaus sind die systembedingten Verluste und Investitionskosten pro Nutzer geringer. Solche Anlagen amortisieren sich in noch kürzerer Zeit.
Solarthermie für Warmwasser und zusätzliche Unterstützung der Raumheizung
Das Praxisbeispiel für Warmwasser zeigt, dass die Anlage keinen Energieüberschuss für eine zusätzliche Unterstützung der Raumheizung erwirtschaftet. Nur in den Monaten Mai bis August gibt es einen Wärmeüberschuss und in diesen Monaten wird die Heizung meist nicht benötigt.
Um auch die Raumheizung zu unterstützen benötigt man eine größere Kollektorfläche und einen größeren Speicher.
Die Größe richtet sich nach dem Gebäudeenergiebedarf. Eine übliche Größenordnung sind etwa 1 m2 Kollektorfläche und 60 l Pufferspeicher pro 10 m2 beheizte Wohnfläche.
Zur Unterstützung der Raumheizung wird ein mit Heizwasser gefüllter Pufferspeicher verwendet.
Bei diesem Speichertyp erfolgt die Brauchwassererwärmung entweder in einem kleinem Brauchwassertank, der im oberen Teil des Puffers liegt und dort vom heissen Pufferwasser erwärmt wird oder über ein Brauchwassersystem welches das Wasser mit Pufferwärme im Durchlaufprinzip erwärmt.
Der Heizungskreislauf selbst wird mit zusätzlichen Pumpen und Mischern zur Nutzung der Pufferwärme ausgestattet.
Für die solare Heizungsunterstützung sind Heizsysteme mit niedriger Vorlauftemperatur besonders gut geeignet.
Solare Kühlung
Ab- und Adsorptionskältemaschinen können mit Solarwärme angetrieben werden. Gegenüber herkömmlichen Klimaanlagen mit Kompressionskältemaschine kann gerade im Sommer der Bedarf an elektrischer Energie für die Klimatisierung stark reduziert werden.
Förderung von solarthermischen Anlagen
Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle fördert Solarthermieanlagen.
Siehe Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle www.bafa.de Energie > Erneuerbare Energien > Solarthermie
Potenzial der Solarthermie
Mit Solarthermie werden etwa 60% der für Brauchwasser benötigten Wärme gedeckt.
Im Privathaushalt sind das bei herkömmlichem Wärmeverbrauch von 3000 l Heizöl pro Jahr ca. 10% der Heizenergie.
Bei geringerem Wärmeverbrauch im Privathaushalt steigt der Anteil der Solarthermie, weil der Warmwasserverbrauch gleich bleibt. Bei einem Wärmeverbrauch von 1500 l Heizöl pro Jahr beträgt der Anteil der Solarthermie ca. 20% der der Heizenergie.
Wenn mit Solarthermie zusätzlich die Raumheizung unterstützt wird, dann steigt der Anteil in Abhängigkeit von der Kollektorfläche von 20 bis über 50%.
Mit solarer Kühlung kann der Bedarf an elektrischer Energie für die Klimatisierung i.a. um mehr als 50% reduziert werden. Die sommerlichen, durch Gebäudeklimatisierung verursachten Strom-Bedarfsspitzen werden entschärft.
