Solarthermie

Solaranlagen zur Warmwasserbereitung: Flachkollektor

Das Kernstück einer üblicherweise auf dem Dach oder der Fassade installierten thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Die am meisten genutzte Variante ist der sogenannte Flachkollektor. Dieser besteht aus einem beschichteten Absorber, der die einfallende Sonnenstrahlung aufnimmt (Absorption) und in Wärme umwandelt. Um die thermischen Verluste so gering wie möglich zu halten, wird der Absorber in einen wärmegedämmten Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) gelegt.

In dem Absorber befinden sich Röhren, die mit einer Wärmeträgerflüssigkeit (meistens ein Gemisch aus Wasser und ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel) gefüllt sind. Diese zirkuliert zwischen dem Kollektor und dem Warmwasserspeicher. Thermische Solaranlagen funktionieren mittels eines Solarreglers: Sobald die Temperatur am Kollektor höher ist als die im Speicher, schaltet die Regelung die Solarkreis-Umwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Warmwasserspeicher.

Wenn die Solaranlage keine oder zu wenig Nutzenergie liefert, gewährleistet die konventionelle Heizung über den Ladekreis, dass auch in diesem Fall genügend warmes Wasser zur Verfügung steht. Photovoltaikanlagen können problemlos in die Gebäudetechnik integriert werden. Eine moderne thermische Solaranlage hat mit etwa 20 Jahren eine höhere Lebensdauer als ein Heizkessel.

Solarthermie mit Vakuumröhrenkollektor

Neben den Flachkollektoren gibt es auch Vakuumröhrenkollektoren. Diese bestehen aus zwei konzentrisch ineinander gebauten Glasröhren, zwischen denen sich ein Vakuum befindet. Das Vakuum lässt die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichts zum Absorber zu, reduziert aber durch seine guten Wärmedämmeigenschaften (Prinzip Thermoskanne) den Wärmeverlust. In der inneren Röhre befindet sich eine Übertragungsflüssigkeit (üblicherweise ein Wasser-Glykol-Gemisch), die sich erwärmt und durch Pumpen angetrieben die Energie transportiert. Vakuumröhrenkollektoren sind etwa ein Fünftel leistungsfähiger als Flachkollektoren, sind aber auch zum Teil doppelt so teuer.

Solarthermie zur Trinkwassererwärmung

Der Trinkwasserspeicher ist mit zwei Wärmetauschern ausgestattet. Mit einer Pumpe, die sich in der Regel in der Solarstation befindet, wird die Solarflüssigkeit durch den unteren Wärmetauscher und den Kollektor befördert. Zumeist besteht die Solarflüssigkeit aus einem Frostschutzmittel. Die Pumpe arbeitet allerdings nur dann, wenn die Temperatur im Kollektor höher ist als im Speicher. Im Speicher befindet sich Trinkwasser, das unten einläuft, wenn oben warmes Wasser gezapft wird. Über den oberen Wärmetauscher kann man das Oberteil des Speichers mit einem Wärmeerzeuger (Heizkessel, Wärmepumpe) nachheizen.

Bei dieser Funktionsweise ist folgendes Problem zu berücksichtigen: Das Warmhalten von Trinkwasser ist hygienisch sehr bedenklich, denn es können sich im Speicher Bakterien (s. Legionellen im Kapitel Trinkwassererwärmung) verbreiten. Deshalb muss die Temperatur im oberen Teil des Speichers immer auf 55-60 °C gehalten werden. Dies erfolgt entweder durch die Kollektoranlage bei ausreichender Sonneneinstrahlung oder durch Zuschalten eines weiteren Wärmeerzeugers. Eine Anlage mit Solarschichtenlader und Frischwassermodul (s. nächstes Kapitel) schließt dieses Problem weitgehend aus.

Zur Dimensionierung einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung hat sich die folgende Faustformel bewährt: 1 m² (Röhrenkollektor) bis 1,5 m² Kollektorfläche (Flachkollektor) und 80-100 Liter Speichervolumen pro Person. Nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) sind im Neubau mindestens 4 m² Kollektorfläche pro 100 m² Wohnfläche erforderlich. Für die Nutzung der Sonnenenergie sind Dachflächen mit Neigungen zwischen 20 und 60 Grad geeignet, die nach Süden, Südosten oder Südwesten orientiert sind. Auch Flachdächer sind brauchbar. Jeder Quadratmeter Kollektor vermindert die Emissionen des Klimaschadstoffs Kohlendioxyd um mindestens 150 kg pro Jahr.

Kombinierte Solarthermie-Anlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung

Soll die Solaranlage zusätzlich noch Wärme zur Beheizung des Hauses beisteuern, wird die Anlage in der Regel mindestens doppelt so groß bemessen wie eine Anlage zur reinen Trinkwassererwärmung. In der Regel liegt die Kollektorfläche im Einfamilienhaus dann zwischen 10 und 15 m² und das Speichervolumen zwischen 500 und 1000 Liter.

Die Sonne speist ihre Wärme über einen Wärmetauscher in den Pufferspeicher ein, der mit Heizungswasser gefüllt ist. Um den Wärmetauscher sitzt ein nach unten offenes Gefäß, an dem oben ein Rohr angeschlossen ist. Das Rohr hat seitliche Öffnungen und ist auch oben offen. Die Sonne erhitzt nun zunächst die Wärme im Gefäß. Da heißes Wasser leichter ist als kaltes Wasser, strömt das erhitzte Wasser in der offenen Röhre nach oben. Sehr heißes Wasser steigt in der Röhre ganz nach oben, lauwarmes Wasser tritt seitlich aus. Die Sonnenwärme wird also immer dort eingespeichert, wo sie von der Temperatur her hingehört: Der Speicher ist oben heiß und wird nach unten hin immer kälter.

Für die Versorgung der Heizkörper wird im oberen Bereich des Speichers Heizungswasser entnommen, durch die Heizkörper gepumpt und unten wieder eingespeist. Die Trinkwassererwärmung erfolgt über den außen liegenden Wärmetauscher: Wird der Wasserhahn in der Dusche aufgedreht, fließt kaltes Leitungswasser auf der einen Seite am Wärmetauscher vorbei. Auf der anderen Seite startet die Umwälzpumpe und fördert heißes Heizungswasser auf der anderen Seite des Wärmetauschers vorbei. Das Duschwasser wird also erst dann erhitzt, wenn es benötigt wird und ist damit sehr hygienisch und weitgehend frei von Legionellen.

Das Oberteil des Speichers kann von einem Heizgerät (Heizkessel oder Wärmepumpe) nachgeheizt werden, wobei das Heizgerät direkt am Speicher oder neben dem Speicher aufgestellt sein kann.

Energieeinsparung durch Solarthermie

Die beiden beschriebenen Systeme leisten zur Energieeffizienz eines Hauses einen unterschiedlichen Beitrag. In der Regel deckt die Solaranlage etwa 60% (solare Deckungsrate) des Energiebedarfs ab, der für die Trinkwassererwärmung erforderlich ist. Die solare Deckungsrate darf nicht verwechselt werden mit der tatsächlichen Heizenergieeinsparung (Gaseinsparung), die bei dem gewählten Beispiel bei etwa 15% liegt. In den Sommermonaten entstehen leichte Überschüsse. Die Solaranlage schaltet sich dann ab.

Die Einsparung an Heizenergie hängt stark von folgenden Faktoren ab:

• Wärmeschutz des Hauses: Ein mangelhaft gedämmtes Haus hat in den Wintermonaten, wenn die solaren Gewinne gering sind, einen hohen Wärmebedarf. Eine Anlage mit 12 m² Fläche liefert dann vielleicht eine Heizenergieeinsparung von 10-15%. In einem gut gedämmten Haus kann die Einsparung dagegen bei bis zu 40% liegen.
• Trink-Warmwasserbedarf: Je höher dieser (in den Sommermonaten) ist, desto mehr Energie kann die Solaranlage beisteuern.
• Heizungsvorlauftemperatur: Je niedriger diese ist, desto mehr Nutzwärme kann die Solaranlage liefern. In der sonnenarmen Jahreszeit kann eine Solaranlage leicht 30-40 °C warmes Heizungswasser erzeugen, kaum aber Temperaturen von 60-70 °C. Flächenheizungen (Fußbodenheizungen) sind also vorteilhaft.

Die Kosten für Solaranlagen bewegen sich zwischen 5.000 (nur Trinkwassererwärmung) und 15.000 Euro (mit Heizungsunterstützung). Am besten installiert man eine solche Anlage im Rahmen einer Heizungssanierung, da dann ohnehin meist ein neuer Warmwasserspeicher installiert werden muss. Für Solaranlagen stehen attraktive Fördermittel vom Bundesamt für Wirtschaft (BAFA) und von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KFW) zur Verfügung.

Mangelhafte Solarthermie-Anlagen

Thermische Solaranlagen haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht, wie z.B. die Stiftung Warentest immer wieder feststellt. Dennoch zeigt die Praxis, dass es enorm viele Solarthermieanlagen gibt, die nicht oder nicht richtig funktionieren. Das Hauptproblem besteht darin, dass Anlagenbesitzer die Mängel oft nicht erkennen. So werden z.B. Wärmemengenzähler aus Kostengründen oft nicht eingebaut oder der Heizkessel läuft immer im Stand-By mit. Solaranlagen ohne Wärmemengenzähler sind wie Autos ohne Kilometerzähler!

Ursache für auftretende Fehlfunktionen sind mangelhafte Anlagenkomponenten und – vor allem – schwere Montagefehler. Hier einige Beispiele:

• Mangelhaft gedämmte Solarspeicher: Die folgende Abbildung (Mangelhaft gedämmter Solarspeicher) zeigt einen Solarspeicher, der von der Sonne komplett aufgeheizt wurde. Allerdings sind die Rohre, Rohranschlüsse und Blindstopfen so mangelhaft gedämmt, dass hohe Wärmeverluste entstehen. Der „Heiligenschein“ unter dem Speicher (s. Thermografie) zeigt, dass er nach unten nicht gedämmt ist! Dementsprechend hoch sind die Verluste. Während man mit einem gut gedämmten Speicher durchaus 3-4 Schlechtwettertage überbrücken kann, muss bei einem Speicher wie in der Abbildung bereits am nächsten Tag nachgeheizt werden.
• Unzureichend gedämmte Rohrleitungen oder ungeeignetes Dämmmaterial: In Solarkollektoren und den Solarleitungen entstehen bisweilen sehr hohe Temperaturen, bei denen die in der Heizungstechnik üblichen Rohrdämmungen schmelzen. Die Solarleitungen müssen mit hitzebeständigen Materialien gedämmt werden. Im Außenbereich muss das Material auch noch UV-beständig sein und vor Vogelfraß geschützt werden.
• Falscher Sitz der Temperatursensoren: Im Kollektor sitzt ein Temperatursensor, der dem Regler signalisiert, ob der Solarkollektor heißer als der Speicher ist. Manchmal sitzt dieser Sensor im ungedämmten Rohr (folgende Abbildung) und bekommt nicht mit, dass Sonnenwärme geliefert werden kann.
• Auskochen der Solarflüssigkeit: Wenn das Ausdehnungsgefäß, das Sicherheitsventil und der Druck in der Solarleitung nicht stimmen, kocht die Anlage im Hochsommer aus. Anschließend fehlt Frostschutzmittel, so dass die Anlage nicht mehr funktionieren kann.
• Wärmeverluste durch Fehlzirkulation: Befindet sich im Solarkreislauf keine Rückschlagklappe oder ist diese verschmutzt, kommt nachts eine Gegenströmung im Solarkreis zustande, durch die Wärme aus dem Speicher zurück in den Kollektor transportiert wird. Kontrolle: Die Rohrleitungen zum Dach sollten nachts kalt sein.