IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/1998, Seite 58 ff.

Komponenten und Systeme von Solaranlagen

Dipl.-Ing. Matthias Hüttmann*

Solaranlagen zur Erwärmung von Brauchwasser, sog. solarthermische Anlagen, gehören in Deutschland mehr und mehr zur Normalität. So ist es nichts ungewöhnliches mehr, "Kollektoren" auf seinem Dach zu haben. Dennoch sind es nur wenige Prozent aller Bauenden, die ihr Warmwasser oder gar ihr Heizungswasser von der Sonne erwärmen lassen - noch wächst dieser Markt nicht so schnell, wie er sicherlich könnte.

Die nicht ganz erreichte Wirtschaftlichkeit ist neben der fehlenden Erfahrung vieler Fachbetriebe meist noch das größte Hindernis, mit dem diese nicht mehr ganz neue Technik zu kämpfen hat. Die Investition schreckt immer noch ab, wenngleich danach nahezu keine laufenden Kosten mehr entstehen. Doch was ist das wichtigste, was man über eine solche Anlage wissen sollte?

Bild 1: Prinzip der selektiven Beschichtung.

Kollektor

Das wesentlichste Bauteil einer solarthermischen Anlage ist der Kollektor. Mit ihm wird die von der Sonne eingestrahlte Energie eingefangen und in Wärme umgewandelt. Abgesehen vom Schwimmbadabsorber aus Kunststoff können alle Kollektoren gut mit dem Begriff Strahlenfalle umschrieben werden. Sowohl Flach- wie auch Röhrenkollektoren wandeln die einfallende Solarstrahlung in Wärmestrahlung um. Die Folge ist eine zunehmende Aufheizung des Kollektorinneren, was auch im Winter Temperaturen von über 80°C ermöglicht.

Um das Wasser-Glykolgemisch im Kollektor, genauer im Absorber, so stark zu erhitzen, muß dieser speziell beschichtet sein. Eine selektive Beschichtung wirkt für Wärmestrahlen wie ein Schwamm (Bild 1). Diese Beschichtungen werden konventionell galvanisch hergestellt, was jedoch wenig umweltfreundlich ist. Ein neueres Verfahren mittels Titanoxid verspricht dagegen höhere Wirkungsgrade und ist auch in der Herstellung umweltschonender.


Bild 2: Prinzipien der Heatpipe- (a) und der direktdurchströmten (b) Röhre.

Um durch verringerte Wärmeverluste höhere Gesamtwirkungsgrade und somit höhere Temperaturen bei geringerem Flächenbedarf zu erreichen, wurde die Vakuumröhre entwickelt. Sie hat den Vorteil, bei höheren Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen. In den Sommermonaten sind die Röhren dem Flachkollektor jedoch weniger überlegen. Auf dem Markt sind zum einen direktdurchströmte als auch sog. Heat-Pipe-Systeme erhältlich (Bild 2).

Vakuumröhren, bei denen die Röhre trocken angebunden ist, d.h. der Kondensator die die gewonnene Energie über einen gegossenen Alu-Wärmeblock an den Solarkreislauf weitergibt, sind zwar montagefreundlicher, jedoch nicht so leistungsstark wie andere Röhrensysteme. Weitere Kollektortypen sind u.a. der Speicher-Kollektor, eine Kombination von Kollektor und Speicher, oder auch der Luft-Kollektor, der zwar recht unbekannt, jedoch durch das momentane Fördersystem neben dem Schwimmbadabsorber sehr wirtschaftlich ist.

Speicher

Mit einem durchdachten Konzept können bei einem guten Solarspeicher die Wärmeverluste gegenüber konventionellen Speichern auf die Hälfte oder gar ein Drittel reduziert werden. Hochwertige Speicher erkennt man u.a. an folgenden Kriterien:

Eine wirklich gute Schichtung innerhalb des Speichers erreicht man jedoch erst durch spezielle Schichtenladesysteme, die das solarerwärmte Wasser in die Bereiche gleicher Temperatur des Speichers transportieren.

Generell sind Speicher in verschiedenen Materialausführungen erhältlich. Die teuerste Ausführung ist sicher der Edelstahlspeicher. Aber auch der Stahlspeicher mit Emaillierung erfüllt die Anforderungen. Bei Speichern mit Kunststoffbeschichtung muß auf die Temperaturbegrenzung besonders geachtet werden. Sind die Speicherwände gänzlich aus Kunststoff, muß zusätzlich die Druckbeständigkeit überprüft werden.

Bild 3: Brauchwassersolaranlage

Systeme

Neben dem gängigen solaren Brauchwassersystemen (Bild 3), bei denen das durch den Kollektor fließende Wasser-Glykolgemisch seine Wärme über einen Wärmetauscher an das Brauchwasser abgibt, gibt es mittlerweile die unterschiedlichsten Systeme zur kombinierten Erwärmung von Brauch- und Heizwasser.

Pufferspeicher dienen in der Regel der Heizungsunterstützung und werden heute häufig unter dem Begriff Kombispeicher vermarktet. Mit ihnen erreicht man einen höheren Nutzungsgrad der Solaranlage.

Die angebotenen Kombispeichersysteme unterscheiden sich im wesentlichen durch ihre Warmwasserbereitung. Gemeinsam ist allen, daß zur Brauchwassererwärmung das Durchlauferhitzerprinzip angewendet wird. Bei Kombispeichern mit sogenanntem Tank-in-Tank-System setzt die Übertragungsleistung des Wärmetauschers Grenzen, falls der Warmwasserbedarf den Speichervorrat übersteigt. Bei externen Plattenwärmetauschern wird eine geschichtete Entladung durch eine dynamische Pumpenregelung erreicht (Bild 4).

Bild 4: Heizungsunterstützung mit externem Wärmetauscher.

Tendenzen

Um dem Ziel, solarthermische Anlagen als selbstverständlichen Bestandteil eines Neubaus näher zu kommen, muß man die Solarenergie von der Kostendiskussion entkoppeln. Der volkswirtschaftliche Vorteil durch die Verringerung von Emissionen wie beispielsweise CO2 wiegt neben der Möglichkeit, mit Solarenergie und anderen erneuerbaren Energien Arbeitsplätze schaffen zu können, wesentlich schwerer. Die Solarenergie wird ihren Platz in einem zukünftigen Energiemix mit möglichst wenig Einsatz fossiler Primärenergie einnehmen. Als ein Teil eines Bausteins neben Energieeinsparung, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und anderen muß sie konsequent weiterverfolgt werden. Dies ist eine gesellschaftliche Aufgabe, der sich weder Staat, noch Bevölkerung entziehen dürfen.

*) Dipl.-Ing. Matthias Hüttmann: Freier Journalist und Mitarbeiter des gemeinnützigen solid-Zentrums, Fürth

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