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Solarthermie

In Solarthermieanlagen wird die Wärmeenergie der Sonnenstrahlen mittels spezieller Kollektoren für die Warmwasserbereitung oder die Heizung nutzbar gemacht. Das lohnt sich besonders, wenn die damit gewonnene Energie im eigenen Gebäude genutzt wird. Wichtig für die Wirtschaftlichkeit einer Solarthermieanlage sind die Art der Kollektoren sowie die baulichen Rahmenbedingungen. Solarthermieanlagen werden üblicherweise durch spezielle Programme gefördert, da sie regenerative Energie erzeugen und nahezu emissionsfrei arbeiten.

Bild: Michaela Boguhn, Berlin

Solarthermieanlage an der Balkonbrüstung

Bild: Michaela Boguhn, Berlin

Solarthermienlage an der Fassade eines Schulbaus

Bild: Michaela Boguhn, Berlin

Ebenso wie Photovoltaikmodule befinden sich Solarkollektoren meist auf dem Dach, auch die Integration in die Fassade ist möglich. Die darüber gewonnene Wärmeenergie wird an den Solarkreislauf abgegeben, in dem die Solarflüssigkeit – eine Kühlflüssigkeit, etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Öl – zirkuliert. Die Solarflüssigkeit transportiert die solare Wärme zu einem Pufferspeicher, gibt sie dort ab und wird danach (mit geringerer Temperatur) wieder zum Kollektor zurückgepumpt. Damit Solarthermieanlagen effizient arbeiten, müssen Kollektoren, Wärmetauscher bzw. -speicher, Leitungen, Strömungsgeschwindigkeit und Pumpe optimal aufeinander abgestimmt sein.

Arten von Solarkollektoren

Im Prinzip gibt es zwei Arten von Solarkollektoren, die für den Gebäudebetrieb interessant sind: In Flachkollektoren, der einfacheren Bauform, liegen Rohrleitungen mäandrierend zwischen beschichteten Platten, den sogenannten Flachabsorbern, wodurch die Rohre indirekt erwärmt werden. In Vakuum-Röhrenkollektoren sind die Rohre selbst beschichtet und bilden so also selbst den Absorber, der in eine unter Vakuum gesetzte (evakuierte) Glasröhre eingebaut ist, ähnlich dem Prinzip einer Thermoskanne. Röhrenkollektoren sind in der Produktion aufwendiger und deshalb teurer als Flachkollektoren, haben dafür aber einen höheren Wirkungsgrad.

Die Kollektoren sind das wichtigste Bauteil einer Solarthermieanlage, da sie die Wärmestrahlung der Sonne nutzbar machen. Damit die Kollektoren viel Wärme gewinnen können, müssen sie optimal zur Sonne ausgerichtet sein, idealerweise nach Süden, aber auch die Ausrichtung nach Osten oder Westen ist möglich, wenn auch mit Einbußen von 10 bis 25 Prozent. Da sich der Stand der Sonne ständig verändert, sollte die Neigung etwa 30 Grad betragen. Außerdem darf kein Schatten auf die Kollektoren fallen, etwa durch benachbarte Gebäude, Bäume oder Berge. Daher ist es meistens sinnvoll, eine Verschattungsanalyse durchzuführen.

Vor- und Nachteile der Solarthermie

Solarthermieanlagen unterstützen beim Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energieträger und tragen deshalb zum Klimaschutz bei. Die Kollektorflächen sollten nicht zu klein, aber auch nicht zu groß sein, um nicht mehr Wärme zu produzieren, als tatsächlich verbraucht wird. Wird eine Warmwassermenge von mindestens 40 m³ pro Jahr benötigt oder ist die Heizung eingebunden, lohnt sich die Anschaffung einer Solarthermieanlage. Sie sind langlebig und wartungsarm, lediglich für den Betrieb der Pumpen wird Strom benötigt, der idealerweise ebenfalls regenerativ erzeugt sein sollte.

Als grobe Faustregel für die Kollektorgrößen können angekommen werden:

Warmwasserbereitung mit Flachkollektor: 1,2 – 1,5 m² pro Person
Warmwasserbereitung mit Röhrenkollektor: 0,8 – 1,0 m² pro Person
Heizungsunterstützung mit Flachkollektor: 0,8 – 1,1 m² pro 10 m² Wohnfläche
Heizungsunterstützung mit Röhrenkollektor: 0,5 – 0,8 m² pro 10 m² Wohnfläche

Die Sonneneinstrahlung im Winter reicht in unseren Breitengraden üblicherweise nicht aus, um eine Gebäudeheizung vollständig mit Solarthermie zu betreiben. Diese kann die Heizung also nur unterstützen, zusammen mit weiteren Wärmeerzeugern, zum Beispiel einer Wärmepumpe. Bei der Planung muss außerdem beachtet werden, dass zwischen Kollektor und Speicher Rohre installiert werden müssen.

Strömungsgeschwindigkeit und Solarpumpe
Die Strömungsgeschwindigkeit kann entweder möglichst gering, möglichst hoch oder dynamisch angepasst gewählt werden. Jedes Prinzip hat Vor- und Nachteile:

High-Flow: Solarthermieanlagen mit einem High-Flow-System arbeiten mit einem hohen Volumenstrom von 30 bis 50 Litern pro Quadratmeter Kollektorfläche je Stunde. Durch die rasche Umwälzung der Solarflüssigkeit und den schnellen Abtransport der Solarwärme lassen sich im Kollektor Temperaturspitzen und damit Wärmeverluste und Überhitzungen vermeiden. Der Wirkungsgrad des Kollektors kann damit höher sein, gleichzeitig steigt jedoch auch der Stromverbrauch der Umwälzpumpe.
Low-Flow: Durch die geringere Durchflussmenge von 10 bis 25 Litern pro Stunde und Quadratmeter Kollektorfläche nimmt die Solarflüssigkeit im Kollektor mehr Wärme auf und arbeitet deshalb auf einem hohen Temperaturniveau bzw. mit einer höheren Temperaturspreizung. Die Bauteile der Kollektoren müssen also auf die hohen Temperaturen ausgelegt sein. Ein für ein Low-Flow-System notwendiger Schichtenspeicher kann damit in relativ kurzer Zeit geladen werden. Low-Flow-Systeme benötigen kleinere Rohrquerschnitte und geringere Pumpenleistungen.
Matched-Flow: Eine Kombination aus High- und Low-Flow-Anlagen stellen Matched-Flow-Anlagen dar. Dabei sorgt eine drehzahlgesteuerte Solarpumpe für eine an die jeweilige Kollektortemperatur angepasste Betriebsweise. Um das Wasser im Wärmespeicher rasch zu erwärmen, ist die Strömungsgeschwindigkeit der Solarflüssigkeit zunächst gering, bis das gewünschte Temperaturniveau erreicht ist. Anschließend wird der Volumenstrom erhöht.

Bei vielen Systemen genügt es, dass sich die Pumpe einschaltet, sobald die Temperatur im Kollektor höher ist als die Temperatur im Speicher, und sich wieder ausschaltet, wenn solare Wärme nachgeladen werden muss. Gesteuert wird das System vom Solarregler, der die Temperatur an verschiedenen Punkten im Solarkreislauf überprüft. Low-Flow- und Matched-Flow-Anlagen müssen mit einem Schichtenspeicher kombiniert werden.

Wärmespeicher
Da solare Wärme nicht immer dann gewonnen werden kann, wenn sie tatsächlich gebraucht wird, ist es notwendig, einen Speicher im System vorzusehen, damit die Wärme vorgehalten und zeitversetzt wieder abgegeben werden kann. Die Wärme aus den Solarthermie-Kollektoren wird über den Solarkreislauf dem Wärme- bzw. Pufferspeicher zugeführt und dort über einen Wärmetauscher an das Speichermedium abgegeben. In einem Einfamilienhaus genügt mitunter bereits ein 300-Liter-Speicher zur Warmwasserbereitung. Sinnvoller sind aber oftmals größere Speicher mit 1.000 Litern Fassungsvolumen.

Es gibt verschiedene Speichertypen, die je nach Bedarf zum Einsatz kommen:

Im Schichtenspeicher funktioniert nach dem Prinzip der Schichtung. Dadurch kann das Wasser je nach Bedarf aus den verschiedenen Schichten entnommen werden.
Kombispeicher kommen bei Warmwasserbereitung und zusätzlicher Heizungsunterstützung zum Einsatz.

Kühlung mit Solarthermie
Es klingt paradox, aber mit Solarthermie lässt sich auch kühlen, nämlich über Adsorptions- oder Absorptionskältemaschinen. Dort wird der üblicherweise mit Strom betriebene Kompressor durch einen thermischen Verdichter ersetzt (siehe Fachwissen zum Thema). Dieses Verfahren zur Kühlung ist besonders deshalb interessant, da im Sommer, wenn der solare Gewinn sehr hoch ist, auch viel Energie zur Raumkühlung benötigt wird. Die Solarthermieanlage kann hier also einen wichtigen Beitrag zur emissionsfreien Klimatisierung leisten.

Autarke Wärmeversorgung mit Solarthermie
Die Energieautarkie ist wie bei fast jedem System vor allem eine Frage der Dimensionierung. So auch bei der Solarthermie, mit der ein sogenanntes „Sonnenhaus“ umsetzbar ist. Allerdings bedarf es dazu großer Kollektorflächen sowie eines großen Pufferspeichers, der nicht selten rund 10.000 Liter fasst und somit auch die Gebäudeplanung entscheidend beeinflusst. Der Speicher muss so groß sein, dass die im Sommer gewonnene Energie im Winter genutzt werden kann. Zusätzlich ist es dabei notwendig, den Verbrauch bzw. die Wärmeverluste zu minimieren. Das Gebäude muss also sehr gut gedämmt sein und hat idealerweise eine intelligente Gebäudetechnik, die die Energieströme bedarfsgerecht steuert.