Basiswissen Solarthermie

Solarthermie nutzt die Strahlungsenergie der Sonne direkt zur Wärmeerzeugung. Ein einfaches Beispiel aus dem Alltag erklärt diesen Effekt: Wenn ein schwarzer Gartenschlauch in der Sonne liegt, erwärmt sich die Oberfläche und zusätzlich auch das Wasser im Inneren. Das schwarze, matte Material absorbiert das Licht und leitet die Wärme nach innen weiter.

Wärmeerzeugung durch Sonnenstrahlung

Sonnenstrahlung
Die Wärme der Sonne man kann mit solarthermischen Anlagen nutzen.

Solarthermie nutzt die Strahlungsenergie der Sonne direkt zur Wärmeerzeugung. Ein einfaches Beispiel aus dem Alltag erklärt diesen Effekt: Wenn ein schwarzer Gartenschlauch in der Sonne liegt, erwärmt sich die Oberfläche und zusätzlich auch das Wasser im Inneren. Das liegt daran, dass das schwarze, matte Material das Licht absorbiert (aufnimmt) und die Wärme nach innen weiterleitet.
Thermische Solaranlagen nutzen das Licht der Sonne durch Solarkollektoren, zum Beispiel für die Brauchwasserbereitung und zur Unterstützung der Heizungsanlage.

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Technischer Aufbau

Schema einer thermischen Solaranlage
Kreisläufe einer komibierten Solaranlage mit Kollektor, Pufferspeicher und zuschaltbarem Heizkessel.

Brauchwassernutzung mit Solarthermie
Um die solare Wärme für die Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser nutzen zu können, wird ein Zweikreissystem aus Solarwärmekreis und Brauchwasserkreis angelegt. Für die Nachheizung wird gegebenenfalls noch ein einfacher Heizkreislauf angeschlossen.
Um den Solarwärmekreislauf der thermischen Anlage zu erzeugen, braucht man eine Solarkreispumpe. Für einen geringen Stromverbrauch sollte sie relativ klein dimensioniert und möglichst elektronisch regelbar sein. Ein Hinaufströmen des warmen Wassers zurück zu den Kollektoren wird durch eine Schwerkraftbremse verhindert.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung des Brauchwasserkreislaufes:
Im Trinkwasserspeicher wird die Wärme über einen Wärmetauscher direkt ins Trinkwasser abgegeben. Der Nachteil ist, dass bei geringem Verbrauch das Trinkwasser über mehrere Tage im Speicher steht und somit verkeimen kann. Darum sollte ein Durchlaufspeicher bevorzugt werden: Er nutzt die gespeicherte Wärme, um frisches Wasser über einen Wärmetauscher zu erwärmen.
Da in den Wintermonaten weniger solarer Ertrag zu erwarten ist, sollte man den Solarspeicher mit einer Nachheizung ausrüsten. Die effizienteste Möglichkeit hierzu ist ein Anschluss an die Heizungsanlage, der im Bedarfsfall über einen weiteren Wärmetauscher Wärme in den Solarspeicher abgibt.

Heizen mit Solarthermie
Mit einer kombinierten Anlage kann man die Solaranlage neben der Wasserbereitung auch zur Unterstützung der Heizung nutzen. Die Anlage braucht einen kombinierten Speicher, der sowohl an den Brauchwasserkreis als auch an den Heizkreis angeschlossen wird. Wenn die solare Wärme nicht oder nur zum Teil für Brauchwassernutzung verbraucht wird, wird der Überschuss an den Heizkreislauf weitergegeben. Der kombinierte Pufferspeicher gibt die Wärme je nach Bedarf entweder an den Wasser- oder Heizkreislauf ab. Alternativ kann der Tank-in-Tank-Speicher beide Kreisläufe zeitgleich bedienen, da er über einen zusätzlichen integrierten Trinkwasserspeicher verfügt.

Kühlen mit Solarthermie
Für die thermische Kühlung werden Entfeuchtungsanlagen oder Kältemaschinen mit solarer Wärme betrieben. Da sich die thermische Klimatisierung aber noch in der Entwicklungsphase befindet, wird sie derzeit nur für größere Gebäude, wie Kaufhäuser oder Bürokomplexe und kaum für private Haushalte verwendet.

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Kollektortypen

Vakuumröhrenkollektor
Der Vakuumröhren-kollektor ist der effektivste Kollektortyp. Für die Brauchwasserbereitung benötigt man etwa 1qm Kollektorfläche pro Hausbewohner.

Für die Planung einer thermischen Solaranlage sollte man sich zunächst über die verschiedenen Kollektortypen informieren. Vom Prinzip funktionieren alle Kollektoren gleich: Ein dunkles Blech absorbiert die Wärme der Sonnenstrahlen, die von einem frostfreien Wärmeträger, wie z.B. einem Wasser-Glykol-Gemisch in Kupferrohren aufgenommen wird. Zum Schutz gegen Witterung wird der Absorber durch Scheiben oder Röhren aus Glas oder Kunststoff und einen stabilen Rahmen gefasst.
Unterschiede der Kollektortypen finden sich vor allem in der Art der Wärmeisolierung, und das beeinflusst auch Wirkungsgrad, Preis und Gestaltungsmöglichkeiten:

Der Flachkollektor vermindert die Wärmeverluste durch Wärmedämmung auf der Unterseite und besitzt eine große Absorberfläche. Durch ihre glatte Oberfläche lassen sie sich optisch gut in oder auf der Dachoberfläche integrieren.
Eine spezielle Variante des Flachkollektors ist der Vakuumflachkollektor, in dem Unterdruck zur Wärmeisolation führt. Beim Vakuumflachkollektor ist zu beachten, dass er für den Druckausgleich regelmäßig nachevaluiert werden muss.

Der Vakuumröhrenkollektor besteht aus mehreren länglichen Absorberblechen, die sich in einem Vakuum in einzelnen Glasröhren befinden. Es gibt Vakuumröhrenkollektoren mit einem durchgehenden Wärmeträgerkreislauf oder mit dem "heat-pipe"-Prinzip: Hierbei verdampft und kondensiert eine Flüssigkeit abgeschlossen in jeder einzelnen Röhre und gibt ihre Wärme über einen Wärmetauscher an den Solarkreis ab. Mehrere Röhren werden zu einem Modul zusammengeschaltet und können bei Defekt einzeln ausgetauscht werden.
Wegen ihres größeren Herstellungsaufwandes sind diese Kollektoren zwar teurer als Flachkollektoren, weisen aber einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf und benötigen somit weniger Dachfläche.

Der Vollständigkeit halber sei noch der Kunststoffabsorber erwähnt, der zur Schwimmbeckenerwärmung eingesetzt wird. Das Beckenwasser selbst durchströmt die schwarzen Matten zum Erwärmen. Da die Beckentemperatur 30° nicht überschreitet, braucht der Absorber nicht gedämmt werden. Viele öffentliche Schwimmbäder heizen mit Solarthermie, da die Anschaffungskosten gering und die Unterhaltung wesentlich günstiger ist als mit fossilen Brennstoffen zu heizen.

Weitere Solarkollektorsysteme wie Speicherkollektoren, Solarrinnenkraftwerke oder Luftkollektoren werden aufgrund des milden Klimas in Deutschland nicht angewandt.

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Planung und Vorbereitung

Das Solardachkataster des Kreises Gütersloh

Dimensionierung
Grundlegend sollte die Anlage so dimensioniert werden, dass sie den Wärmebedarf des Haushalts in den Sommermonaten vollständig abdeckt. Es gelten folgende Faustformeln:
Für die Brauchwasserbereitung rechnet man mit einer Fläche von ca. 1,5m²  Flachkollektoren oder 1m² Vakuumröhrenkollektoren pro Person. Der Warmwasserspeicher sollte ca. 80 Liter pro Person fassen können. 
Möchte man eine kombinierte Anlage betreiben, braucht man etwa 1m² Kollektorfläche pro 10m² Wohnfläche und jeweils ca. 80 Liter Speichervolumen pro Kollektorquadratmeter.

Ausrichtung
Gute Erträge erzielt man im gesamten Bereich zwischen Südost und Südwest und mit einem Dachneigungswinkel zwischen 20° und 60°. Idealerweise liegt die Solaranlage in Richtung Süden und auf einer Dachneigung von 45°. Eine weniger gute Ausrichtung kann gegebenenfalls durch eine größere Kollektorfläche oder einen besseren Kollektortypen ausgeglichen werden.

Ob Ihr Gebäudedach für die Erzeugung von Solarwärme geeignet ist, können Sie mit dem Solarkataster des Kreises Gütersloh testen.

Statik
In der Regel kann die Dachkonstruktion eine zusätzliche Belastung dieser Größenordnung problemlos mittragen. Dennoch sollte ein Fachmann die Lasten abschätzen und gegebenenfalls eine zusätzliche statische Prüfung durchführen.

Genehmigung
Solarthermische Anlagen sind in aller Regel (wenn keine Änderung der statischen Unterkonstruktion vorgenommen wird)genehmigungsfrei zu installieren. Unabhängig davon sind im Einzelfall denkmal- oder landschaftsrechtliche bzw. geneindliche Gestaltungssatzungen zu beachten. 
Weitere Auskünfte erteilt das zuständige Bauamt Ihrer Stadt oder des Kreises.  

 

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Kosten und Nutzen

Wenn Sie eine Solaranlage für Ihr Haus planen, wird die Inanspruchnahme einer unabhängigen Energieberatung empfohlen. Der Berater führt auch eine produktunabhängige Kosten-Nutzen-Analyse durch und kann Angebote von Fachfirmen bewerten.

Kontaktdaten von unabhängigen Energieberater/innen finden Sie auf der Internetplattform ALTBAUNEU des Kreises (siehe Link unten auf der Seite).

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Fördermöglichkeiten

Die aktuellen überregionalen und regionalen Förderprogramme finden Sie auf der ALTBAUNEU-Internetplattform des Kreises Gütersloh.

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