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Systembauteile solarthermischer Anlagen

Gewinnung, Übertragung und Speicherung der Wärmemenergie der Sonne

Solarthermischen Anlagen bestehen aus mehreren Systembauteilen: Die Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser kann mittels verschiedener Kollektortypen aus der Sonneneinstrahlung gewonnen werden. Ziel ist dabei die Übertragung der Wärmeenergie an ein Übergabemedium wie beispielsweise ein Glykol Wassergemisch. Die Wärmeenergie wird an einen Speicher übermittelt und für die Bereitstellung von Warmwasser oder Heizungswärme genutzt.

  • Projekt 090: Flachkollektoren für solare Heizungsunterstützung

    Projekt 090: Flachkollektoren für solare Heizungsunterstützung

  • Projekt 067: Vakuum Röhrenkollektoren für solare Warmwasserbereitung

    Projekt 067: Vakuum Röhrenkollektoren für solare Warmwasserbereitung

Auswahl und Planung der Anlage

Für die Übertragung der Sonneneinstrahlung auf das Übergabemedium sind zwei Kollektortypen gebräuchlich: Der Flachkollektor und der Vakuum Röhrenkollektor. Darüber hinaus gibt es noch einige, andere Sonnenkollektoren. Im Prinzip ist bereits eine schwarze, mit Wasser gefüllte Tonne, die in der Sonne steht, ein Sonnenkollektor.
Bei der Planung der Anlage ist zunächst zu entscheiden, ob die Anlage für Heizungsunterstützung und Warmwasser oder nur für Warmwasser ausgelegt wird. Neben dem zur Verfügung stehenden Budget, ist der Installationsort der Kollektoren zu untersuchen. Dabei sind die Größe der Dachfläche, Dachneigung, Himmelsrichtung, Verschattung und natürlich die geograpische Lage einzuberechnen und zu berücksichtigen.

Das Architekturbüro Rehmert arbeitet mit GetSolar, einer Software zur Simulation einer solarthermischen Anlage, unter Berücksichtung diverser Einflußfaktoren. Ziel dabei ist es, Kosten und Nutzen verschiedener Varianten zu untersuchen.

Flachkollektoren

Weit verbreitet, bewährt und günstig sind Flachkollektoren. Bei den meisten Modellen trifft die Sonneneinstrahlung auf eine Scheibe. Hinter dieser Scheibe befinden sich mit einem Übergabemedium gefüllte Kupferrohre (Absorber), welche die Wärmeenergie der Sonne absorbieren. Das Gehäuse des Kollektors sollte gut gedämmt werden, um Wärmeverluste zu minimieren.

Vakuum Röhren Kollektoren

Etwas teurer, aber auch effizienter sind Vakuum Röhren Kollektoren. Bei modernen Anlagen werden dabei zwei Glasröhren, nach dem „Heat Pipe“ Prinzip verschmolzen. Als Absorber wird ein Metallfilm auf der Oberfläche der inneren Röhre aufgedampft. Das entspricht dem Prinzip der Thermoskanne. Bei dieser „Kanne“ wird die Wärmeenergie durch ein wasserführendes Rohr, welches in den Zwischenraum ragt, abtransportiert. 

Absorber

Für die Aufnahme der Energie aus der Sonneneinstrahlung ist der Absorber zuständig. Dieser kann ganz einfach, die schwarze Oberfläche einer Tonne sein, eine Glasscheibe mit angelöteten Kupferrohren oder Vakuum Röhren. Darüber hinaus gibt es einige technische Weiterentwicklungen, wie beispielsweise den „Dachpfannenabsorber“. Dieser überträgt die Strahlung durch einen doppelwandigen Aluminium Absorber, in Dachpfannenoptik an ein Solegemisch. Eine interessante Variante bei Baudenkmälern, die keine optische Veränderung der Dachfläche zulassen.

Übergabemedium

Der Absorber überträgt die Energie auf ein Übergabemedium, beispielsweise ein Wasser-Glykol Gemisch. Das Wasser speichert die Energie, das Glycol verhindert das Einfrieren im Winter. Das Gemisch wird an einen Speicher weitergeleitet, der es den gewünschten Nutzungen zuführt.

Solarspeicher: Pufferspeicher, bivalenter Schichtenspeicher, Kombispeicher, Langzeitspeicher

Wenn Heizungswärme gespeichert werden soll ist die Frage nach dem Speicher genauer zu betrachten.
Entgegen der teuren lokalen Speicherung von Strom und nicht absehbarer Umlagen auf den Strompreis für den Neuausbau der Netze, ist ein Solarspeicher unschlagbar günstig. Allerdings muss er direkt bezahlt werden und wird nicht auf steigende Strompreise umgerechnet. Somit ist er ein stark unterschätztes Bauteil, wenn es darum geht, Energie für den Endverbraucher lokal zu speichern und zur Verfügung zu stellen.
Es bedarf teilweise eines Umdenkens bei der Auswahl und Auslegung von Speichern. Hier sollten zusätzliche Investitionen in mehr bzw. besseres Speichervolumen durch eine Solarsimulation auf Kosten und Nutzen hin überprüft werden. Bei einer geplanten Heizungsunterstützung steigert eine möglichst langfristige Speicherung von Wärmeenergie, gerade in der Übergangszeit im Herbst und Frühling, die solare Deckungsrate (Anteil der Solarthermie am Heizwärmebedarf).

Pufferspeicher

Der Solarwärmespeicher (Pufferspeicher) ist eine einfache und dezentrale Antwort auf die Frage, wie Wärmeenergie gespeichert werden kann. Die Wärmeenergie kommt, auf kurzem Weg in den Speicher. Die Verbrauchsstellen der Wärmeabgabe sind ebenfals in unmittelbarer Nähe des Speichers. Für Anlagen die nur der Bereitstellung von Warmwasser dienen, reicht ein kleinerer Pufferspeicher. Sein Volumen wird nach dem vorraussichtlichen Verbrauch der Nutzer berechnet.

Bivalenter Schichtenspeicher

Besonders effizient geht ein bivalenter Schichtenspeicher mit der eingelagerten Wärmeenergie um. Es ist in der Lage die Wärme nach Temperatur zu schichten. Die Abgabe erfolgt, nach Bedarf aus verschiedenen Höhen und somit unterschiedlichen Temperaturen. Für eine Fußbodenheizung mit 35° Vorlauftemperatur kann also Wasser aus einer „leicht erwärmten Schicht“ entnommen werden. Dies funktioniert dann auch bei geringer Intensität der Sonneneinstrahlung in den Übergangszeiten Herbst und Frühling. An einen Schichtenspeicher können übrigens kostengünstige Pufferspeicher angehängt werden, um das Speichervolumen zu vergrößern,

Kombispeicher

Relativ kostengünstig sind sogenannte Kombispeicher für Warmwasser und Heizungsunterstützung.
Hier ist allerdings zu beachten, das oft nur wenig Speicher für Heizungswasser zur Verfügung steht und dem entsprechend nur eine eher niedrige, solare Deckungsrate erreicht wird.

Langzeitspeicher

Große Wasserspeicher, z.B. ein Treppenhauskern aus runden Betonfertigteilen, können die Wärmeenergie sogar über Monate speichern. Eine weitere Möglichkeit ist der sogenannte E-Tank. Hier wird in einem seitlich gedämmten Bereich, z.B. unter der Sohle eines Neubaus, das Erdreich über wasserführende Rohre mit solarer Wärmeenergie aufgeladen. In der kalten Jahreszeit kann die gespeicherte „Erdwärme“ zur Beheizung des Gebäudes verwendet werden.


Weitere Informationen zu Solarthermischen Anlagen, Kostenbeispielen und Fördermöglichkeiten finden Sie in unserem Artikel Solarthermische Anlagen.