Solarthermische Anlagen

Pauschal sollte es möglich sein, 60% des Warmwasser-Bedarfs über aktive Solarenergie, d.h. mit ST-Anlagen, zu decken. Im Folgenden soll diese Technik näher erklärt werden. Unter dem Begriff Solarthermie wird die Nutzung der Solarwärme für Bereiche wie

• solare Schwimmbadbeheizung mit Solarabsorbern
• solare Prozesswärme
• solarthermische Stromerzeugung
• solare Brauchwassererwärmung
• solare Niedertemperaturwärme für Raumheizung
• passive Solarenergienutzung

verstanden. Solarthermische Anlagen sind aktive Solarenergienutzung. Für die meisten Anwendungen ist die solare Brauchwassererwärmung evtl. mit Raumheizungsunterstützung von Bedeutung.

Wirkungsweise

Solarthermie ist die Umwandlung von kurzwelliger Solarstrahlung in Wärme. Dabei werden die Verhältnisse von aufgenommener zu einfallender Strahlung als Absorption a, von reflektierender zu einfallender Strahlung als Reflexion r und von durchgelassener zu einfallender Strahlung als Transmission t bezeichnet. Hinzu kommt das Emissionsvermögen e, das angibt, wieviel (Wärme-)Strahlung ein Körper bei gegebener Temperatur emittiert im Vergleich zum ideal schwarzen Körper. Die optischen Eigenschaften des Absorbers (ideal: r = 0, a = 1 für kurzwellige Strahlung, langwellig r = 1, e = 0) und der Abdeckung (ideal: r = 0, t = 1, a = 0) bestimmen die optischen Verluste; der optische Wirkungsgrad oder Konversionsfaktor ist h0 = a_t Die thermischen Verluste setzen sich aus Wärmestrahlungsverlusten (beim Kollektor Wände, Scheibe) und Konvektionsverlusten (durch Luft- oder Wasserströmung und Temperaturunterschied zur Umgebung) zusammen. Durch selektive Beschichtung des Absorbers (z.B. Schwarzchrom, Titanoxidnitrid) werden die idealen Eigenschaften des Absorbers nahezu erreicht und die Wärmeabstrahlung verringert

Kollektoren/Systeme

Für die solare Wassererwärmung gibt es Systeme mit Naturumlauf (Schwerkraftanlage) und Systeme mit Zwangsumlauf. In mediterranen Ländern wird die solare Wassererwärmung mit Schwerkraftsystem häufig angewandt, diese Anlagen sind billig und einfach zu installieren und zu warten. Indirekte Systeme mit Wärmeträgermedium und Zwangsumlauf sind aufwendiger und teurer, sind aber durch Pumpe und Regelung komfortabler und nicht so frostgefährdet. Diese Systeme werden in Mittel- und Nordeuropa vorwiegend eingesetzt..

Solarkollektoren

Es wird unterschieden zwischen:

• Speicherkollektoren
• Flachkollektoren
• Vakuumkollektoren
• konzentrierende Kollektoren

Speicherkollektoren sind eine neue Entwicklung, sie werden an dieser Stelle wie auch Luftkollektoren und konzentrierende Kollektoren nicht weiter behandelt. Als System wird in der Regel eine indirekte Anlage mit Zwangsumlauf und Flachkollektor oder Vakuumröhrenkollektor vorgesehen.

Flachkollektor/Vakuumkollektoren (Flüssigkeitskollektoren)

Flachkollektoren sind zur Brauchwassererwärmung am meisten verbreitet.
Der Flachkollektor setzt sich zusammen aus

• transparente Abdeckung (z.B. Einfachglas, Solarsicherheitsglas)
• Absorber (schwarz oder selektiv, aus z.B. Cu, Al)
• Wärmedämmung (z.B. Mineralwolle, Glaswolle)
• Gehäuse (z.B. Al, verzinktes Stahlblech).

Eine Sonderform des Flachkollektors ist der Vakuum-Flachkollektor. Bei ihm wird der Zwischenraum zwischen Absorber und Abdeckung evakuiert. Dadurch werden Wärmeverluste minimiert und es kann eine höhere Temperatur erreicht werden. Wegen Problemen bei der Festig- bzw. Dichtigkeit wird statt eines Vakuum-Flachkollektors meist ein Vakuum-Röhrenkollektor verwendet. Bei einem Vakuum-Röhrenkollektor wird ein Vakuum in Glasröhren hergestellt. Vakuumkollektoren weisen geringe Verluste und hohe flächenbezogene Energieerträge auf. Nachteilig sind die höheren Kollektorpreise. Das Einsatzgebiet von Vakuumkollektoren liegt im Bereich der Brauchwassererwärmung bei wenig nutzbarer Fläche oder bei ST-Anlagen mit Heizungsunterstützung.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Kollektoren wird durch die optischen und thermischen Verluste, die Temperaturdifferenz vom Absorber zur Außenluft und durch die Einstrahlung bestimmt. Dadurch ergeben sich für einen Kollektor unterschiedliche Wirkungsgradkurven. Abzüglich der immer gleichen (materialabhängigen) optischen Verluste ergibt sich der max. mögliche Wirkungsrad eines Kollektors. Die thermischen Verluste steigen mit der Temperaturdifferenz und damit fällt der Wirkungsgrad. Je nach Einstrahlung ergibt sich damit eine eigene Wirkungsgradkurve, die in der Stillstandstemperatur endet.

ST-Anlage

Eine solarthermische Anlage (ST-Anlage) zur Brauchwassererwärmung evtl. mit Raumheizungsunterstützung mit Zwangsumlauf beinhaltet Kollektor, Rohrleitung, Regelung, Pumpe, Speicher, Wärmeträgermedium (Wasser mit Frostschutzmittel), Befestigungsmöglichkeit sowie Kleinst- und Installationsmaterialien.
Die Funktionsweise im Speicher ist weiter oben beschrieben. Im Kollektor wird das Wärmeübertragungsmedium erwärmt; mittels Temperaturfühler, Regelung und Pumpe wird die Wärme zum Speicher transportiert.
Der Jahresnutzungsgrad (= mittlerer Wirkungsgrad) `h für solare Warmwasseranlagen ist: `h = 0,35 (je nach Anlagentyp u. Warmwasserbedarf)

Speicher

Ein Speicher ist für eine ST-Anlage notwendig, da die solare Wärme gespeichert zur Verfügung gestellt werden soll (nicht nur wenn die Sonne scheint). Die für den Gebäudebereich in Frage kommenden Systeme sollen kurz vorgestellt werden. Es sind Wasser-Niedertemperaturspeicher. Der üblicherweise eingesetzte solare Warmwasserspeicher beinhaltet einen Wärmetauscher für den Kollektorkreislauf und einen Wärmetauscher für den Nachheizungskreislauf sowie Kaltwasserzulauf und Warmwasserablauf. Dieser Druckspeicher wird außen isoliert um Wärmeverluste zu mindern. Das Prinzip beruht auf der Temperaturschichtung von Wasser: Schweres kaltes Wasser befindet sich unten und wird dort nachgefüllt, warmes Wasser steigt nach oben und wird dort abgenommen. Der Wärmetauscher des Kollektorkreislaufs befindet sich unten im Speicher, das vom Kollektor erwärmte Trägermedium gibt die Wärme an das unten befindliche kalte Wasser ab, die Wärme geht nach oben und kann dort abgenommen werden. Sollte die damit erreichte Wassertemperatur nicht ausreichen, wird durch den oben befindlichen Wärmetauscher per Regelung über die Heizung nachgeheizt. Als Variante gibt es den Schichtenspeicher (Thermosiphonspeicher), bei dem der Wärmetauscher des Kollektorkreislaufs ein Wärmeleitrohr mit Austrittsöffnungen umschließt, aus dem das erwärmte Wasser je nach Temperatur in die Schicht mit der dazugehörigen Temperatur austritt (das Prinzip gibt es in unterschiedlichen Varianten).
Noch eine andere Ausführungsvariante ist die mit der in den solaren Warmwasserspeicher eingebauten Brennwerttherme. Dieses System ersetzt eine herkömmliche Heizzentrale vollständig.

Montagearten

Behandelt werden hier nur Systeme zur Brauchwassererwärmung oder zusätzlich mit Raumheizungsunterstützung. Hierbei werden nur Anlagen mit Flach- bzw. Vakuumkollektoren berücksichtigt. Hier ein Überblick für Kollektoraufbauten:

• Aufdachsysteme (Schrägdach bzw. Flachdach)
• Indachsysteme (Dachintegration)
• Fassadensysteme
• Fassadenelemente (Wandmontage)

Für ein normales Gebäude kann ein Schräg-Aufdachsystem oder eine dachintegrierte Lösung verwendet werden. Eventuell kann an der Südfassade der Häuser zur Verschattung der Fenster ein angewinkeltes Fassadensystem angebracht werden.

Kosten

Die Kosten für eine ST-Anlage sind je nach Hersteller und Kollektor unterschiedlich hoch. Die Montageart spielt bei ST-Anlagen keine große Rolle, hier gibt es für alle Befestigungsarten ausgereifte Lösungen. Bei den Kosten für ein dachintegriertes System kann das eingesparte Ziegeldach herausgerechnet werden. Weiterhin entfällt bei Einsatz eines solaren Warmwasserspeichers die Anschaffung eines Warmwasserspeichers für konventionelle WW-Versorgung. Bei der Solar-Brennwertzentrale ist zusätzlich noch die konventionelle Gastherme herauszurechnen.

Zukunft

Auch in nächster Zukunft wird der Flachkollektor am häufigsten eingesetzt werden. Die Systeme sind ausgereift und unter günstigen Rahmenbedingungen (Förderung, NEH) wirtschaftlich zu betreiben. Vakuumkollektoren haben aufgrund von Preisverfall und niedrigeren Montagezeiten einen starken Zuwachs erhalten. Nachteilig ist nach wie vor der höhere Reparatur- und Wartungsaufwand gegenüber Flachkollektoren. Die Kosten werden auf Grund des stärker werdenden Wettbewerbs und höherer Stückzahlen heruntergehen. Bei den ST-Anlagen ist aber kein so starker Preisverfall wie bei den PV-Anlagen zu erwarten. In Zukunft könnten ST-Anlagen eine für jedes Haus normale technische Einrichtung darstellen. Der Anspruch der Architekten und Bauherren an eine einheitliche Optik für PV- und ST-Anlagen wird schon von einigen Herstellern von Solaranlagen erfüllt.