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Solar-Thermie

Funktionsweise

Bei der Solarthermie wird die Solarenergie direkt in Wärme umgewandelt und vor Ort genutzt. Auch wenn angesichts der Diskussion um Atomkraftwerke die Photovoltaik häufig im Vordergrund der Energiediskussion steht, betonen Experten immer wieder die enorme Bedeutung der Solarthermie. Durch einen hohen Wirkungsgrad und ausgeklügelte Speichertechniken lassen sich hervorragende Ergebnisse erzielen.

In den Solarkollektoren erwärmt die Solarenergie den Wärmeträger. Über den Wärmetauscher im Speicher wird die Solarwärme an das Heizungswasser und/oder Brauchwasser abgegeben.

Solarthermieanlagen zur Raumheizung

Solarthermieanlagen können nicht nur zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Sie produzieren je nach Größe und Kollektorart so viel solare Wärme, dass eine Heizungsunterstützung sinnvoll ist. Bei Solarthermieanlagen als Heizung ergibt sich jedoch das Problem, dass der Bedarf im Winter am höchsten ist, wenn die Solarstrahlung gering ist. Deshalb wird eine Solarthermieanlage regelmäßig nur zur Unterstützung der Heizung eingesetzt. In Kombination mit einer Pelletheizung, Wärmepumpe oder einer modernen Brennwertheizung mit Gas oder öl steht auch im Winter genügend Wärme zur Verfügung.

Komponenten

Die Komponenten einer Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung unterscheiden sich nicht wesentlich von einer Anlage, die nur zur Warmwasserbereitung genutzt wird. Auch hier werden folgende Teile benötigt: Kollektoren, Rohrsystem, Pufferspeicher, Umwälzpumpe, Regelungssystem, Temperaturfühler, Anbindung an den herkömmlichen Heizkessel über Zu- und Abflüsse.

Auslegung

Bei der Auslegung der Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung ist die benötigte Kollektorfläche sowie die Größe des Pufferspeichers entscheidend. Die Kollektorfläche hängt von der gewählten Kollektorart, dem Warmwasserbedarf und der zu beheizenden Wohnfläche ab. Natürlich ist auch die Wärmedämmung des Hauses entscheidend. Die Zahl der Kollektoren richtet sich aber auch danach, wie viel Heizbedarf gedeckt werden soll. Geht man von durchschnittlich 25 bis 30 Prozent Heizungsunterstützung aus, so werden ca. 0,2 bis 0,3m² Kollektoren pro m² Wohnfläche benötigt. Der Pufferspeicher sollte ein Volumen von mindestens 400 bis 800 Litern aufweisen.

Fazit

Eine Solarthermieanlage zur kombinierten Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung kann rund 30 % des Heizbedarfs abdecken. Dabei ist die Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen für die Effizienz entscheidend.

Solarthermieanlagen für Warmwasser

Solarthermieanlagen können aber auch zur Warmwasserbereitung, zur Heizungsunterstützung genutzt werden. Die Nutzung zur Warmwasserbereitung ist besonders sinnvoll. Der Warmwasserbedarf ist Jahresverlauf relativ konstant, was eine entsprechende Installation erfordert.

Komponenten für eine Solarthermieanlage zur Warmwasserbereitung

Die Solarthermie soll Warmwasser jederzeit zur Verfügung stellen, nicht nur, wenn gerade die Sonne scheint. Es reicht also nicht, wie aus früheren Urlauben in südlichen Ländern bekannt, ein Reservoir auf dem Dach zu installieren. Dennoch ist der Aufbau der Anlage vergleichsweise einfach. Sie setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Kollektoren, in denen die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Solarkreislauf (Rohrsystem für die Wärmeträgerflüssigkeit von den Kollektoren zum Warmwasserspeicher und zurück). Warmwasserspeicher für den bivalenten Betrieb (Solarwärme und Zusatzwärme bei Bedarf). Einen Wärmetauscher sowie eine Umwälzpumpe, die die Wärmeträgerflüssigkeit pumpt. Solarregelung. Temperaturfühler (am Kollektor und am Speicher). Warm- und Kaltwasserzufluss. Ausdehnungsgefäß und Entlüfter. Nachheizung mit Regelung.

Auslegung der Solarthermieanlage

Für die Funktion der Solarthermieanlage ist die richtige Auslegung ein wesentlicher Punkt. Dazu muss zunächst der durchschnittliche Warmwasserbedarf ermittelt werden. Nach gängigen Richlinien zur solaren Trinkwassererwärmung wird mit 80 Litern pro Person und Tag gerechnet. In den Warmwasserbedarf muss unbedingt auch der Verbrauch etwa für Wasch- und Spülmaschinen mit berücksichtigt werden. Besser ist es daher, den Verbrauch zu messen, um auch Schwankungen und individuelle Bedürfnisse zu berücksichtigen. Normalerweise wird bei der Solarthermieanlage für Warmwasser mit rund 1,5 Quadratmeter Kollektorfläche pro Person kalkuliert. Die genaue Größe hängt auch von der gewählten Kollektorart ab. Für einen Vier-Personen-Haushalt ergeben sich damit circa 6 Quadratmeter Kollektorfläche. Allerdings kann es aber sinnvoll sein, sich Gedanken darüber zu machen, ob zum Beispiel Familienzuwachs geplant ist und die Anlage von Anfang an entsprechend größer ausgelegt wird.

Fazit

Die Solarthermie ermöglicht eine umweltfreundliche Wärmegewinnung aus der Sonnenenergie. Durch den Einsatz können die laufenden Kosten für die Energieversorgung gesenkt werden. Grob geschätzt braucht ein Vier-Personen-Haushalt 6 Quadratmeter Kollektorfläche und einen Warmwasserspeicher mit rund 400 Litern.

Solar Kühlung

Die Solarthermie kann außer zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung auch zur solaren Kühlung eingesetzt werden. Dabei werden entweder Adsorptions-, Absorptionskältemaschinen genutzt eingesetzt.

Solarthermie Ertrag

Als Solarertrag wird die Menge tatsächlich nutzbarer Wärmeenergie bezeichnet, die eine Solarthermie Anlage erzeugt. Der Solarthermie Ertrag ist geringer als die erzeugte Wärmemenge, weil Wärme nicht immer genutzt werden kann. Insbesondere Solarthermie Anlagen mit Heizunterstützung liefern im Sommer deutlich mehr Energie, als benötigt wird. Richtwerte Die Solarstrahlung in Deutschland liegt je nach Region zwischen 900 und 1.200 kWh pro Quadratmeter im Jahr. Die Verluste der gesamten Solarthermie Anlage liegen bei rund 50 %, sodass der gesamte Ertrag pro Jahr bei durchschnittlich 450 bis 600 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche liegt.

Einflussfaktoren für den Solarthermie Ertrag

Zunächst hängt der Solarertrag von der jährlichen Sonneneinstrahlung ab, die nicht überall in Deutschland gleich hoch ist. Besonders günstige Standorte liegen an der Ostsee und im Süden Deutschlands. Ebenfalls wichtig ist, dass Neigung und Ausrichtung des Dachs ungefähr den optimalen Werten entsprechen. Sind die Abweichungen nicht zu gravierend, ist eine Kompensation über eine geringfügig größere Kollektorfläche möglich. Selbstverständlich hat auch die Qualität der Anlage erheblichen Einfluss auf den Solarthermie Ertrag. Insbesondere der Wirkungsgrad der Kollektoren und die thermische Isolierung des Speichers wirken sich empfindlich aus.

Die Dimensionierung der Anlage muss passen

Vergleichsweise einfach lässt sich die für einen optimalen Solarertrag erforderliche Größe einer Solarthermie Anlage bestimmen, wenn sie ausschließlich der Warmwasserbereitung dient. Pro Person sollten etwa 1 bis 1,5 Quadratmeter Kollektorfläche vorhanden sein, der Warmwasserspeicher sollte etwa 80 Liter pro Person fassen. Wichtig ist, den Solarspeicher nicht zu klein zu wählen. Kann der Speicher die erzeugte Energie im Sommer nicht speichern, trägt die überschüssige Energie nicht zum Solarertrag bei. Den Speicher zu groß zu wählen, ist ebenfalls nachteilig, weil in Zeiten ohne ausreichenden Sonnenschein ein zu großes Wasservolumen durch externe Energiezufuhr warm gehalten werden muss. Komplizierter stellt sich die Situation für Anlagen mit Heizunterstützung dar. Eine größere Kollektorfläche erhöht den Ertrag während der gesamten Heizperiode, führt im Sommer aber zu einer überproduktion, die nicht zum Solarertrag beiträgt.

Ausblick

Mit einem durchschnittlichen Ertrag von 450 bis 600 kWh pro Quadratmeter kann eine Solarthermie Anlage einen solaren Deckungsgrad bei der Warmwasserbereitung von bis zu 50%, bei der Heizungsunterstützung von rund 30 % erzielen. Qualifizierte Fachbetriebe helfen Ihnen gerne dabei die Energiekosten zu senken.

Solarer Deckungsgrad

Der solare Deckungsgrad gibt an, welcher Anteil der gesamten benötigten Energie durch eine Solarthermie Anlage geliefert wird. Für Anlagen, die ausschließlich der Warmwasserbereitung dienen, ist ein Deckungsgrad von etwa 50 Prozent typisch, für Anlagen mit Heizunterstützung ein deutlich niedrigerer Deckungsgrad. Höhere Deckungsgrade sind technisch möglich, erweisen sich aber fast immer als unwirtschaftlich. Nutzungs- und Erzeugungsprofil von Solarwärme

Bei der Photovoltaik stellt sich das Problem in besonders deutlicher Form: Strom kann nur zu dem Zeitpunkt genutzt werden, zu dem er erzeugt wird. Die Wärme einer Solarthermie Anlage lässt sich einfacher Speichern als Strom, wodurch dieses Problem zwar entschärft, aber nicht vollständig beseitigt wird. Zeitliche Differenzen von einigen Stunden oder auch Tagen zwischen Wärmeerzeugung und ihrer Nutzung können durch Wärmespeicher überbrückt werden. Eine Solarthermie Anlage zur Warmwasserbereitung liefert im Sommer so auch nachts und an einzelnen Tagen ohne Sonnenschein Energie. Während dieser Zeit beträgt ihr solarer Deckungsgrad nahezu 100 Prozent. So unproblematisch der regelmäßige Wechsel zwischen Tag und Nacht ist, so problematisch ist hingegen der regelmäßige Wechsel zwischen Sommer und Winter.

Höhere solare Deckungsgrade rechnen sich nicht

Technisch ist dieses Problem lösbar, und das sogar auf zwei verschiedenen Wegen. Zunächst kann die Kollektorfläche so groß gewählt werden, dass selbst die geringe Wärmeausbeute im Winter ausreicht. (Natürlich nur, wenn entsprechende Flächen zur Verfügung stehen.) Das allerdings führt im Sommer zu einer immensen Überproduktion von Wärme. In anderen Worten: Ein Deckungsgrad von nahezu 100 Prozent ist nur um den Preis eines sehr niedrigen Nutzungsgrades zu erzielen. Eine derart überdimensionierte Anlage rechnet sich nicht. Die zweite Lösung bestünde in einem saisonalen Speicher, der Wärme für den gesamten Winter aufnehmen kann. Solche Speicher müssen natürlich sehr groß und sehr gut isoliert sein. Auch diese Lösung erweist sich als unwirtschaftlich, zudem fehlt meist der Platz für solche Speicher.

Anlagen mit Heizunterstützung

Das Nutzungsprofil ist hier ein anderes. Während der Warmwasserbedarf im ganzen Jahr ungefähr konstant ist, ist der Heizbedarf dann besonders hoch, wenn die Solarthermie Anlage wenig Wärme liefert. Daher ist der solare Deckungsgrad deutlich niedriger als bei Anlagen, die nur zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Zu beachten ist auch, dass der solare Deckungsgrad allein wenig aussagekräftig ist. Die für die Höhe der Heizkosten entscheidende Größe ist der Primärenergiebedarf. Es sollte stets darauf geachtet werden, vorrangig die Maßnahmen durchzuführen, mit denen dieser möglichst effizient gesenkt werden kann. Das kann die Installation einer Solarthermie Anlage sein, es kann aber auch eine Gebäudedämmung oder eine Modernisierung der Heizung sein.