Solarthermische Systeme
Die Voraussetzungen für die Nutzung von Solarenergie zur Warmwasserbereitung in Deutschland sind günstig, da zumindest im Sommerhalbjahr der Energiebedarf damit fast vollständig gedeckt werden kann. Solaranlagen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, sind technisch ausgereift und zuverlässig im Betrieb.
Der Kollektor
Das Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. In Deutschland kommen auf Grund des hohen Anteils an diffuser Sonnenstrahlung in erster Linie Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren zum Einsatz. Sie decken Temperaturbereiche von 150 bis 250 °C ab.
Das Prinzip
Man nutzt das allgemein bekannte physikalische Prinzip, nach dem sich dunkle Flächen, die der Solarstrahlung ausgesetzt sind, besonders stark aufheizen. Deshalb sind in Solarkollektoren immer schwarz gefärbte Elemente, sogenannte Absorber, zu finden.
HTWK
Absorber
Die einfachste technische Ausführung besteht aus einer schwarzen Kunststoffmatte, in der ein Wärmeträgermedium fließt. Diese Matten, die im einfachsten Fall aus einer Vielzahl dünnwandiger Schläuche bestehen, sind nicht abgedeckt und erreichen deshalb auch keine größeren Temperaturen. Solche einfachen Anlagen werden z.B. zur Erwärmung des Badewassers in Freibädern genutzt. Sie sind kostengünstiger als fossil gefeuerte Heizkessel. Da der Kunststoff unempfindlich gegen Witterungseinflüsse ist und kein hohes Temperaturniveau gehalten werden muss, können sie ohne eine weitere Einhausung großflächig verlegt werden.
Flachkollektoren
Technisch ausgefeilter sind Flachkollektoren. Das Gehäuse von Flachkollektoren besteht aus einem Kollektorrahmen mit Glasabdeckung, einer Rückwand und der Wärmedämmung. Um die Wärmeverluste zu verringern, ist der metallene Absorber gut isoliert. Auf der Seite wo die Sonnenstrahlen auftreffen, ist er mit einer Spezialglasscheibe abgedeckt. Auf der Rückseite ist eine gute Dämmschicht aufgebracht. Verluste durch Abstrahlung schon eingefangener Sonnenenergie lassen sich durch Aufbringen von schwarzem Solarlack oder anderen Schichten wirksam verhindern. Durch diese Maßnahmen lassen sich selbst bei geringen Außentemperaturen höhere Werte als mit den einfachen Absorbern erreichen. Als Absorbermaterialien werden aufgrund ihrer sehr guten Wärmeleitfähigkeit vorwiegend Aluminium und Kupfer eingesetzt.
Für die Brauchwassererwärmung haben sich diese Kollektoren weit verbreitet bewährt. Die Einzelkollektoren weisen eine Fläche von 2 bis 6 m² auf und werden zu mehreren Modulen verbunden. Ein normales Einfamilienhaus kommt mit einer Fläche von 6 m² aus und deckt damit ca. 60 % seines jährlichen Warmwasserbedarfs ab. Optimal ist im Allgemeinen eine Südausrichtung der Kollektoren mit einer 50 %-Neigung.
Vakuumröhrenkollektoren
Höhere Wirkungsgrade von bis zu 30 % gegenüber Flachkollektoren erreichen die kostenaufwendigeren Vakuumröhrenkollektoren. Bei ihnen befindet sich der selektiv beschichtete Absorber in einer luftleeren Glasröhre. Dadurch ist kein Wärmeverlust über das Medium Luft möglich. Das Wirkprinzip ähnelt dem der uns bekannten Thermoskanne.
Diese Kollektoren können auch im Winter Wärme liefern, wenn bei Flachkollektoren infolge der Wärmeverluste der solare Gewinn verloren geht. Sie eignen sich deshalb besonders gut zur Heizung von Gebäuden und zur Bereitstellung von Prozesswärme.
Abgeleitet wird die Wärme über ein Röhrensystem in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) von einer Umlaufpumpe angetrieben in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Die Steuerung der Zirkulationspumpe erfolgt über einen Solarregler. Sobald die Temperatur am Kollektor die Temperatur im Speicher um eine eingestellte Temperaturdifferenz übersteigt, schaltet der Regler die Zirkulationspumpe ein.
Für das richtige Funktionieren einer Solarkollektoranlage ist weiterhin ein Wärmespeicher erforderlich. Dieser sichert die Warmwasserversorgung, wenn nur unzureichende Sonnenenergie wie in den Nachtstunden und an bewölkten Tagen zur Verfügung steht. Er nimmt die vom Sonnenkollektor gelieferte Wärme auf und gibt sie nur ab wenn sie benötigt wird. Im Einfamilienhaus kommen meist bivalente Speicher zum Einsatz. Sie haben zwei Wärmetauscher für die Beladung des Speichers. Einen im unteren Bereich für die Überführung der Solarwärme sowie einen im oberen Bereich zur Nachheizung mit der konventionellen Heizungsanlage. Durch den einfachen Aufbau sind sie kostengünstig und werden in Standardlösungen überwiegend eingesetzt. Das Speichervolumen beträgt mindestens 350 Liter. Wird der Sonnenkollektor auch zur Raumheizung eingesetzt, so werden größere Speichervolumen von rund 70 Litern je Quadratmeter Kollektorfläche benötigt. Diese können dann für einige Tage das Angebot vorhandener Energie und den Wärmebedarf ausgleichen. Ein Ausgleich zwischen Sommer und Winter ist damit allerdings nicht möglich.
Die konventionelle Heizung gewährleistet über einen Ladekreis, so dass auch dann ausreichend warmes Wasser zur Verfügung steht, wenn die Solaranlage keine oder zu wenig Nutzenergie liefert.
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