Solarthermie

Die Strahlungsenergie der Sonne kann grundsätzlich auf zweierlei Arten für die Gebäudetechnik nutzbar gemacht werden: mittels Photovoltaik oder Solarthermie. Bei der Photovoltaik wird die Strahlungsenergie in universell nutzbaren Strom umgewandelt, während die Solarthermie Wärmeenergie erzeugt, die für viele Prozesse im Gebäude eingesetzt werden kann. Solarthermieanlagen sind technisch recht einfach und dabei sehr effizient, weswegen sich ein Einbau im Gebäude fast immer lohnt. Mit Solarthermie leisten Bauherr*innen außerdem einen wichtigen Beitrag zur Energiewende.

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Funktionsweise

Trifft das Sonnenlicht auf eine dunkle Fläche, die das Licht nicht reflektiert, sondern vorwiegend absorbiert, wird diese Fläche erwärmt. Diesen Effekt nutzt die Solarthermie: Herzstück einer jeden Solarthermieanlage ist der Solarkollektor, in dem die Sonnenstrahlen eingefangen werden. Die Sonnenenergie wird dabei auf der speziellen Beschichtung des Wärmeleitbleches (Absorber) direkt in Wärmeenergie umgewandelt. Die Strahlungswärme erhitzt eine zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit (z. B. Wasser, Luft oder Solarflüssigkeit) im Solarkreislauf, die dann mithilfe einer Pumpe in den Solar- bzw. Pufferspeicher transportiert wird. Die im Speicher bevorratete Wärmeenergie kann sowohl zur Warmwasserbereitung als auch Heizungsunterstützung genutzt werden.

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Warmwasserbereitung: Der Einsatz der Wärmeenergie aus der Sonne zur Warmwasserbereitung ist die älteste Nutzungsart. Dabei wird das kalte Trinkwasser entweder direkt oder über einen Pufferspeicher erwärmt. Auf diese Weise kann in unseren Breitengraden der jährliche Warmwasserbedarf eines durchschnittlichen Haushaltes zu siebzig Prozent mit Solarenergie abgedeckt werden.

Heizungsunterstützung: Solarkollektoren können meist genug Wärme liefern, sodass ein Heizungssystem im Gebäude unterstützt werden kann. Da der solare Ertrag im Winter jedoch nicht groß genug ist, wird stets eine weitere Wärmequelle (z. B. Brennwertheizung, Wärmepumpe oder Holzheizung) benötigt. Gekoppelt sind die beiden Systeme über einen bivalenten Pufferspeicher.

Warmwasserbereitung plus Heizungsunterstützung: Ist ausreichend Platz für Solarthermie-Kollektoren vorhanden, kann die gewonnene Wärmeenergie sowohl für die Warmwasserbereitung als auch für die Heizungsunterstützung genutzt werden. Auch hier funktioniert die Koppelung der Systeme über einen bivalenten Speicher, der idealerweise möglichst groß ausgelegt ist.

Kälteerzeugung: Ein Spezialfall ist die Kälteerzeugung mittels Absorptions- oder Adsorptionsgeräten. Sie funktionieren physikalisch ähnlich wie ein Kühlschrank oder eine umgekehrte Wärmepumpe, jedoch wird erfolgt der Verdampfungsprozess des Kältemittels durch die Sonneneinstrahlung. Besonders effektiv ist dieses System für den Sommer, wenn viel Sonnenenergie zur Verfügung steht.

Arten

Im Gebäudesektor kommen heutzutage vornehmlich Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren zum Einsatz. Darüber hinaus gibt es Luftkollektoren, Schwimmbadkollektoren sowie Großanlagen mit Parabolrinnenkollektoren oder Solartürmen.

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In Flachkollektoren treffen die Sonnenstrahlen auf eine wärmeabsorbierende (dunkle) Fläche, die mit dünnen Röhren durchzogen ist, in denen wiederum das Transportmedium zirkuliert. Diese Absorptionsfläche (Absorber) ist in einer Art Kasten untergebracht. Die durchschnittliche Arbeitstemperatur im Kollektor beträgt rund 80 °C. Damit die Wärme nicht entweichen kann, ist zum einen der Absorber selbst mit einer selektiven Beschichtung versehen, zum anderen ist das Kollektorgerät vorn mit einer Glasscheibe ausgestattet und hinten gut gedämmt. Es gibt außerdem Flachkollektoren, die statt der Dämmung mit einer Vakuumisolierung versehen sind. Die nutzbare jährliche Wärmeenergie eines Flachkollektors beträgt ca. 360 kWh/m².

Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus mehreren, nebeneinander angeordneten Röhren, in denen sich die Absorber befinden. In den Röhren herrscht ein Vakuum, sodass die durch den Absorber gewonnene Wärmeenergie – ähnlich wie bei einer Thermoskanne – nicht entweichen kann. Der Absorber besteht meist aus einem weiteren Rohr, das mit Kollektorflächen versehen ist und in dem das Transportmedium fließt. Vakuumröhrenkollektoren sind teurer als Flächenkollektoren, dafür meist rund dreißig Prozent effizienter.

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Ausrichtung und Effizienz

Die Solarkollektoren sind auf einer schattenfreien Dachfläche, mit einer Neigung von zwanzig bis sechzig Grad (ideal sind 45 Grad) zu installieren. Die solaren Erträge sind bei der Südausrichtung der Kollektoren am größten, aber auch eine südwestliche oder südöstliche Ausrichtung ist möglich. Wenn eine Montage lediglich gen Osten oder Westen möglich ist, müssen die Kollektorflächen vergrößert werden, damit ein vergleichbarer Energieeintrag erzielt werden kann.

Als grobe Faustregel für die Kollektorgrößen können angenommen 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

Bedeutung für die Energiewende und Förderung

Solarthermiesysteme sind wichtige Instrumente der Energiewende, da sich über sie mit relativ einfachen Mitteln Wärme aus der (unerschöpflichen) Sonneneinstrahlung gewinnen lässt. Lediglich für das Pumpen des Transportmittels wird Strom benötigt, der sich jedoch über eine zusätzliche Photovoltaikanlage ebenfalls aus der Sonne gewinnen lässt. Solarthermie ist deshalb umweltfreundlich, klimaschonend und vor allem unabhängig von fossilen Energieträgern.

Nach dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) müssen für die Wärmeversorgung von Neubauten anteilig Erneuerbare Energien eingesetzt werden, weshalb hier die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) greift. Bei Bestandsbauten kann für die Installation einer solarthermischen Anlage ein Investitionszuschuss aus dem Förderprogramm BEG beantragt werden. In beiden Fällen lohnt es sich, mit einem unabhängigen Energieberater Kontakt aufzunehmen.

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