Solarthermie

Solarenergie zählt zu den erneuerbaren Energien. Sie steht uns unbegrenzt zur Verfügung, einzig eingeschränkt durch Tageszeit und Wetter. Solarenergie ist emissionsfrei, kostenlos, vernichtet keine endlichen fossilen Brennstoffe und ist somit umweltfreundlich.

Mithilfe von Solaranlagen wird die Sonnenenergie in nutzbare Energie umgewandelt, mit der Heizungssysteme und Brauchwassererwärmung erheblich unterstützt werden können. Heutige Sonnenkollektoren arbeiten so effizient, dass ein hoher Anteil der Sonnenergie für die Warmwassererzeugung gewonnen wird. Dadurch können Energieverbrauch, CO2 Emissionen und nicht zuletzt Energiekosten gesenkt werden.

In den Sommermonaten kann das gesamte Warmwasser allein über die Solarthermie bereitgestellt werden. Im Winter wird das Wasser vorgewärmt, so dass weniger Energie aufgewendet werden muss, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.

Wird Solarthermie zur Heizungsunterstützung eingesetzt, sind in der Regel die Kollektorflächen größer als bei reiner Brauchwassererwärmung. Idealerweise lässt sich die Solarthermie mit anderen System kombinieren, zum Beispiel mit Wärmepumpen, Gasbrennwertsystemen und oder wasserführenden Kaminanlagen. Dadurch lassen sich sehr große Energieeinsparpotenziale nutzen und entsprechend niedrige Heizkosten realisieren.

Funktionsweise SolarthermieDetails

Der Grundgedanke der Solarthermie ist die Nutzung der Sonnenenergie für die Heizungsunterstützung und oder Brauchwassererwärmung. Thermische Solaranlagen werden auch als Sonnenkollektoranlage oder Solarheizung bezeichnet.

Eine Solarheizung besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

  • mehreren Solarkollektoren als Flach- oder Vakuumröhren
  • einem Solarspeicher als Pufferspeicher, Kombispeicher oder Schichtenspeicher für Warmwasser und Heizungswärme
  • Wärmetauscher, Umwälzpumpe, einem isolierten Rohrkreislauf und der elektronischen Regelung

Die Sonnenstrahlen treffen auf die Solarkollektoren auf dem Hausdach, durchdringen die Glasscheibe des Kollektors und treffen auf den Absorber. Der Absorber ist mit Kupferrohren verbunden, in denen ein Wasser-Frostschutzgemisch als Wärmeträgermedium dient. Die Stagnationstemperaturen können bis zu 200 °C im Flachkollektor und bis zu 350 °C in der Vakuumröhre, je nach Bauart, erreichen.

Mittels einer Umwälzpumpe wird das erwärmte Wärmeträgermedium in den unteren Wärmetauscher des Solarspeichers gepumpt. Die Wärme wird dann durch die Vorlaufleitung über einen Wärmetauscher an das Trinkwasser abgegeben oder an das Pufferwasser im Pufferspeicher. Das nun abgekühlte Wärmeträgermedium fließt in einer zweiten Leitung, dem Rücklauf, zum Kollektor zurück und wird dort wieder erhitzt.

Im Solarspeicher steigt das warme Wasser nach oben, so dass aufgrund seiner geringeren Dichte immer das wärmste Wasser die oberste Schicht im Speicher bildet, von welcher abgezapft wird.

Liegt die Kollektortemperatur über der Temperatur im unteren Bereich des Solarspeichers, setzt der Solarregler die Solarpumpe wieder in Gang. Die Temperaturen werden über entsprechende Fühler im Solarspeicher und den Kollektoren ermittelt und abgeglichen.

Durch die Solaranlage erfolgt in der Heizperiode eine Vorwärmung. Im Heizkessel heizt der oben liegende Wärmetauscher im Solarspeicher / Pufferspeicher das Brauchwasser automatisch nach.

Solarspeicherarten zur Heizungsunterstützung oder WarmwasserbereitungDetails

Eine Solarheizung benötigt einen Pufferspeicher als eine Art Zwischenspeicher, der die Heizwärme solange speichert, bis diese tatsächlich gebraucht wird. Der Pufferspeicher kann Sonnenwärme tagelang speichern. Er wird benötigt, weil nicht immer dann Wärme erzeugt wird, wenn sie auch gebraucht wird. So kann die in Sonnenstunden erzeugte Energie nachts oder an Regentagen genutzt werden.

Solarthermische Anlagen reichen in Deutschland als alleiniges Heizsystem nicht aus und müssen daher mit anderen Heizsystemen zu so genannten hybriden Heizungssystemen kombiniert werden. Moderne Pufferspeicher sind in der Regel mit entsprechenden Anschlüssen versehen, so dass vielfältige Kombinationsmöglichkeiten gegeben sind - zum Beispiel Gas-Brennwertheizung plus Solarthermie oder auch Wärmepumpen plus Gas-Brennwertheizung.

Auch alte Heizungsanlagen werden heutzutage mit einem Pufferspeicher kombiniert. Da Pufferspeicher sehr gut isoliert sind, können auf diese Art und Weise Temperaturschwankungen ausgeglichen werden.

Wird die Solarthermie auch zur Brauchwassererwärmung genutzt, müssen entweder zwei Puffertanks installiert werden oder ein entsprechend ausgelegter Kombispeicher. Für die Heiz- und Brauchwassererwärmung gibt es grundsätzlich  drei verschiedene Speicher, die in Frage kommen:

  • Ein Schichtenspeicher nutzt die physikalische Eigenschaft der natürlichen Schichtung von kaltem und warmem Wasser und ist damit der effizienteste Solarspeicher. Darüber hinaus ist das Trinkwasser vor Bakterien und Legionellen geschützt, da es im Vorbeifließen erwärmt wird.
  • Der Frischwasser-Pufferspeicher leitet erst bei Bedarf Trinkwasser in Rohren durch das heiße Heizungswasser um es zu erwärmen. Das Trinkwasser ist vor Bakterien und Legionellen geschützt.
  • Beim Kombispeicher als dritte Art eines Solarspeichers liegt der Trinkwassertank im Heizwassertank, ist also umhüllt vom heißen Heizungswasser. Deshalb  steht das Trinkwasser bis zur Entnahme im Tank, so dass sich Bakterien und Legionellen bilden können. Ein Kombispeicher kann nicht eingesetzt werden, wenn bereits ein normaler Heizungs-Pufferspeicher in Betrieb ist. Zum anderen kann die Raumhöhe ein begrenzender Faktor sein, denn Tanks für 1.000 Liter Fassungsvermögen sind bis zu 2,25 Meter hoch – da ist der eine oder andere Keller bereits überfordert. Aber es gibt individuelle Lösungen in allen Größen und Formen. Puffer können z. B. im Keller zusammengeschweißt werden.
    Wichtig: Einbringmaße beachten. Türbreiten betragen meistens 80 cm. Manchmal aber auch weniger.

Generell sind Solarspeicher zu empfehlen, die das Trinkwasser im Vorbeifließen erhitzen.

Die Solarkollektoren – Herzstück der SolarheizungDetails

Die Wahl des geeigneten Kollektors ist bei der Entscheidung für eine thermische Solaranlage besonders wichtig. Grundsätzlich gibt es derzeit drei Arten von Kollektoren:

Flachkollektoren und Röhrenkollektoren jeweils mit einer Flüssigkeit als Wärmeträger sowie Luftkollektoren mit Luft als Wärmeträger.

Flachkollektoren

Flachkollektoren werden am häufigsten verwendet. Eine schwarze Platte bestehend aus Kupfer oder Aluminium bildet den Absorber. An der Oberfläche wandelt der Absorber die Sonneneinstrahlung in Wärme um. Unter dem Absorber verlaufen Rohre, in denen sich ein flüssiges Wärmeträgermedium befindet, das erhitzt wird und über eine Pumpe zum Solarspeicher fließt, wo es seine Wärme an das Wasser abgibt. Flachkollektoren werden in solarthermischen Anlagen für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eingesetzt.

Flachkollektoren sind langlebig und dank des einfachen Aufbaus relativ kostengünstig. Im Gegensatz zu Röhrenkollektoren haben Flachkollektoren größere optische und thermische Verluste. Sie erzielen weniger Wärmeleistung und die maximale effektive Temperatur ist geringer.

Röhrenkollektoren

In einer luftleeren Röhre befindet sich der Absorber des Vakuumröhrenkollektors. Dadurch ist die Isolierung des Kollektors deutlich verbessert. Es geht weniger Wärme verloren, der Wirkungsgrad ist höher als der des Flachkollektors.

Die Investitionen für einen Röhrenkollektor liegen allerdings deutlich über denen für einen Flachkollektor. Der Röhrenkollektor ist jedoch auch für Raumheizungen und große Solarthermie-Anlagen und bei ungünstiger Dachausrichtung geeignet.

Im Vergleich zum Flachkollektor ist eine Indachmontage in der Regel bei einem Röhrenkollektor nicht möglich. Bei der Entscheidungsfindung, welcher Kollektor zum Einsatz kommt, müssen deshalb auch die entsprechenden Rahmenbedingungen wie zum Beispiel die Dachfläche und Dachausrichtung, etc. berücksichtigt werden.

Luftkollektoren

Luftkollektoren eignen sich für Gebäude mit Luftheizungssystemen wie Schwimmbäder oder Lagerhallen. Ein Luftkollektor nutzt die Sonnenstrahlung, um Luft zu erwärmen.

Ein Luftkollektor friert im Winter nicht ein und auch Rost ist nicht problematisch. Durch einfachere und günstigere Materialien sind die Investitionen vergleichsweise übersichtlich.

Luft transportiert und speichert  die entstandene Wärme nicht so gut wie flüssige Wärmeträgermedien. Deshalb werden Luftkollektoren in der Solarthermie selten eingesetzt. Darüber hinaus sind Ventilatoren zum Lufttransport notwendig, die mehr Strom benötigen als vergleichbare Umwälzpumpen bei Flach- und Röhrenkollektoren.

Planung, Umsetzung und Ausführung muss durch einen Fachbetrieb erfolgen. Die neutrale, herstellerunabhängige Energieberatung gewährt der Energieberater.

Einsatzbereiche SolarthermieDetails

Die höchsten Energiekosten eines Haushalts verursacht in der Regel die Heizung. Eine Solarheizung nutzt Sonnenwärme Heizung und Warmwasserbereitung. Der Heizungskessel muss entsprechend weniger arbeiten. Somit senkt die Solarthermie mit Heizungsunterstützung sowohl die Heizkosten als auch den Brennstoffverbrauch und vermindert den CO2-Ausstoß.

Solaranlagen zur Heizungsunterstützung

Soll die Solaranlage zur Heizungsunterstützung genutzt werden, müssen die Kollektorflächen entsprechend größer sein, als bei der reinen Brauchwassererwärmung. Kollektorflächen von 7 bis 15 Quadratmetern sind für Anlagen mit einem Solarspeicher 500 bis 1000 Litern üblich.

Jedoch bestehen auch hier wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten im Bereich der Heizungsunterstützung:

  • Wärmepumpe
  • Gasbrennwertheizung
  • Ölbrennwertheizung
  • Pelletheizung
  • Kaminanlage mit Wasserwärmetauscher

Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung

Eine solarthermische Anlage zur Warmwasserbereitung unterscheidet sich funktional  kaum von einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung. Grundsätzlich lässt sich die Solarthermie für die Brauchwassererwärmung mit vorhandenen Warmwassersystemen kombinieren.

Beispielhafte Kombinationsmöglichkeiten für die Brauchwassererwärmung:

  • Wärmepumpe
  • Warmwasserspeicher (Solarthermie Kombikessel)
  • Kamine, Öfen & Co.

Um gute Erträge für die Warmwasserbereitung durch die Solaranlage zu erhalten, reicht schon eine vergleichsweise kleine Kollektorfläche. Im Sommer lässt sich der Bedarf sogar ganz decken, im Winter trägt die Solarthermie für die Brauchwassererwärmung ihren Anteil bei.

Der solare Deckungsgrad als Kennziffer gibt an, zu welchem Teil der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung gedeckt werden kann. Für eine effiziente Anlage benötigt man grundsätzlich pro Person 1 - 1,3 Quadratmeter Flachkollektoren oder 0,8 - 1 Quadratmeter Vakuumröhrenkollektoren. Dazu braucht der Warmwasserspeicher ein Volumen von 60 bis 80 Litern pro Person. So steht auch an Tagen, an denen die Sonne nicht stark scheint, genug Warmwasser zur Verfügung.

Solarthermie-Kollektoren sollten das "Solar Keymark" - Siegel aufweisen. Dadurch wird die Einhaltung der DIN EN 12976 gewährleistet. Es ist darüber hinaus oft Basis für eine entsprechende Förderung.

Voraussetzungen zur effektiven Nutzung der SolarenergieDetails

Folgende Voraussetzungen sollten berücksichtigt werden, wenn Solarenergie sinnvoll und effizient genutzt werden soll:

Sonneneinstrahlung

Die Sonneneinstrahlung in einer Region ist die zentrale Größe neben der Leistungsfähigkeit einer Solaranlage. Der Landkreis Osnabrück führt ein Solardachkataster für den Landkreis Osnabrück. Dieses Kataster zeigt, inwieweit ein Gebäude für den Einsatz einer Solaranlage geeignet ist.

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Verschattung

Schattenwurf kann die Leistung einer Solaranlage erheblich beeinflussen. In der Planungsphase sollte nicht nur die Laufbahn der Sonne berücksichtigt werden, sondern auch die Entwicklung von Bäumen oder Bautätigkeiten an Gebäuden, die in Zukunft Schatten werfen.

Bei der Montage von Solarmodulen auf Flachdächern muss darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Reihen ausreicht, damit die Solarmodule keinen Schatten aufeinander werfen.

Dachausrichtung

Grundsätzlich sollten die Kollektoren nach Süden ausgerichtet sein, denn in der Mittagszeit ist die Sonneneinstrahlung am höchsten. Wenn aufgrund baulicher Gegebenheiten eine Südausrichtung nicht möglich ist, können die Kollektoren auch mehr in andere Himmelsrichtungen zeigen.

So verringert sich der Ertrag einer Solaranlage bei einer Abweichung von 30 Prozent nach West oder Ost nur um etwa 5 Prozent. Dächer in Richtung Süd-West oder Süd-Ost sind also ebenfalls für die Solarthermie geeignet, wobei eine westliche Ausrichtung vorzuziehen ist. Eine Dachausrichtung gen Norden eignet sich hingegen nicht für die Solarthermie.

Dachneigung

Neben der Ausrichtung des Daches ist auch die Dachneigung für den Ertrag einer Solarthermieanlage entscheidend.

Dachneigung Brauchwassererwärmung

Die Solarthermie für die Brauchwassererzeugung wird größtenteils im Sommer genutzt. Dann steht die Sonne so, dass bei einer Dachneigung von 30-50 Grad optimale Ergebnisse erzielt werden

Dachneigung Heizungsunterstützung

Zur Heizungsunterstützung wird die Solarthermie vor allem im Frühjahr und Herbst genutzt. Da in dieser Zeit die Sonne tiefer am Himmel steht, ist die Dachneigung der Solarheizung von rund 45 bis 70 Grad am günstigsten.

Sollte die Dachneigung keinen optimalen Ertrag garantieren, kann ein Ausgleich über eine entsprechend größere Kollektorenfläche erfolgen.

Dacharten

Grundsätzlich eignen sich Schräg-, Flach- und Pultdächer für die Solarthermie. Neben der Dachausrichtung und der Dachneigung muss auch die Tragfähigkeit der Dachkonstruktionen berücksichtigt werden.

Dacheindeckung

Aufdach-Montage

Bei der Aufdachlösung werden die Solarmodule mithilfe einer Metallkonstruktion befestigt. Die Deckung bleibt erhalten - ein Kostenvorteil bei Sanierungen, wenn das Dach nicht aus anderen Gründen gedeckt werden muss.

Indach-Montage

Bei der Indachlösung werden die Solarmodule in der Unterkonstruktion des Daches montiert. Dachziegel werden durch  Solarmodule ersetzt. Das Verfahren ist insgesamt aufwendiger und kostenintensiver als die Aufdachlösung. Die Indachlösung ist grundsätzlich bei allen Dacheindeckungen bis auf Reet- und Blechdächer möglich.

Vor- und Nachteile der SolarthermieDetails

Vorteile der Solarthermie:

  • Fördermöglichkeiten: Bund, Länder, Kommunen und KfW fördern z.B. Sanierungen, wenn Solarthermie sowohl die Brauchwassererwärmung  als auch die Heizungsunterstützung zum Ziel hat.
  • Kombinationsfähigkeit: In Kombination sind Solar- und Brennwert-Technik besonders effizient, da die Solarthermie die Heizungsanlage unterstützt.
  • Qualität: Hohe Qualität der Module und Techniken, Herstellergarantie auf einzelne Komponenten, gute Erträge auch nach langen Laufzeiten.
  • Wartungsarm: Die Betriebs- und Wartungskosten für Solaranlagen sind relativ gering.
  • Umweltschutz: Solarthermie ist sauber, geräusch- und emissionsfrei.
  • Recycling: Qualitativ anspruchsvolle Solaranlagen sind einfach recyclebar, da die eingesetzten Materialien umweltverträglich gewählt wurden.
  • Umweltfreundlich: Kein CO2 Ausstoß, keine Vernichtung fossiler Brennstoffe

Nachteile der Solarthermie:

  • Unregelmäßiger Ertrag: Der Ertrag der Solarthermie ist abhängig von der Sonneneinstrahlung.
  • Standortfrage: Schattenbildung durch hohe Nachbargebäude sowie Bäume kann die Nutzung beeinträchtigen.
  • Problem Bestandsimmobilien: Bei bestehenden Heizungsinstallationen muss eine Vorlauftemperatur von maximal 50 Grad sichergestellt werden, beispielsweise durch einen hydraulischen Abgleich.
  • Platzbedarf Solarspeicher: Der Solarspeicher benötigt Platz. Er sollte am besten auf dem Dachboden montiert werden, da so eine weitere Installation von Rohrleitungen entfällt.
Förderung der SolarthermieDetails

Wer eine Solarthermie -Anlage zur Unterstützung der Heizung installiert, kann von verschiedenen Stellen eine Förderung erhalten. Anlaufstellen für Solarthermie-Förderung sind zum Beispiel das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) und die KfW-Bankengruppe.

Solarthermie Förderung 2013 durch BAFA & KfW

Förderung durch die BAFA

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Solarthermie Förderung KfW

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