Ausführungen und Leistungsfähigkeit moderner Sonnenkollektoren

Teil 2: Röhrenkollektoren

Dipl.-Ing. Frank Sprenger*

Thermische Solaranlagen werden vorwiegend zur Trinkwassererwärmung eingesetzt, aber der Anteil zur Heizungsunterstützung nimmt zu. Für beide Anwendungsgebiete kommen sowohl Flach- als auch Röhrenkollektoren zum Einsatz, die sich beide in Deutschland durchgesetzt haben. Nachdem in Ausgabe 9/2002 der Kollektor mit der größeren Marktdurchdringung vorgestellt wurde - der Flachkollektor - beschreibt der Autor an dieser Stelle den leistungsfähigeren von beiden, den Röhrenkollektor.

Aufbau von Röhrenkollektoren

Im Gegensatz zu den Flachkollektoren ist der Absorber in Röhrenkollektoren nicht großflächig in einem Gehäuse angeordnet, sondern als Blechstreifen in planer oder gewölbter Form in einem Glaszylinder integriert. Der Glaszylinder ist auf beiden Seiten hermetisch geschlossen und dauerhaft auf einen Druck bis zu 10-8 bar evakuiert. Zur Unterstützung des Evakuierungsprozesses sowie zur Stabilisierung des späteren Vakuums befindet sich in dem Röhrenkollektor oftmals ein sogenannter Getter. Das Bauteil setzt beim Evakuierungsprozess kurzfristig Wasserstoff frei, wodurch vor der Evakuierung auf den endgültigen Unterdruck Luftanteile ausgetrieben werden. Anschließend besitzt der Getter eine gasbindende Eigenschaft und wirkt dadurch wie eine chemische Vakuumpumpe, wodurch eine Verbesserung des Vakuums sowie der Langzeitbeständigkeit erreicht wird.

Aufgrund des Vakuums zeichnen sich Röhrenkollektoren - vergleichbar mit Thermoskannen - durch besonders geringe Wärmeverluste aus. So werden Wärmeverluste durch Konvektion vollständig verhindert und Verluste durch Wärmeleitung erheblich reduziert. Lediglich auf die Strahlungsverluste hat das Vakuum keinen Einfluss.

Bild 1: Direkt und indirekt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren unterscheiden sich ausschließlich durch den Wärmetransport innerhalb der Röhre. Bei direkt durchströmten Röhren wird dieser über das Wärmeträgermedium des Solarkreislaufes über ein Koaxialrohr realisiert. Indirekt durchströmte Röhren besitzen hierzu einen eigenen getrennten Wärmekreislauf, der auf Dampfbasis beruht.

Die Gestaltung dieses Kollektorentyps als Zylinder resultiert aus den Druckkräften, die aufgrund des Vakuums durch den Atmosphärendruck von außen auf die Kollektoren wirken. Diese können von der Röhrenform besonders gut aufgenommen werden. Die Glasröhre besteht wie die Glasabdeckung von Flachkollektoren üblicherweise aus Sicherheitsglas mit niedrigem Eisenanteil zur Erhöhung der Transmission. Auch der Absorber und dessen Beschichtung unterscheiden sich bis auf die Formgebung nicht wesentlich von denen in Flachkollektoren.

Aufgrund der in einer Kollektorröhre im Vergleich zu einem Flachkollektor erheblich geringeren Absorberfläche besteht ein Röhrenkollektor meist aus einer Einheit von mehreren miteinander gekoppelten Einzelröhren. Diese sind an einem Ende mit einem Verteiler verbunden, der Vor- und Rücklaufleitung beinhaltet. Hierfür ist grundsätzlich eine vakuumfeste Metall-Glasverbindung notwendig. Bezüglich des Wärmetransportes innerhalb der Kollektorröhre und der Wärmeübergabe an den Verteiler existieren derzeit verschiedene Prinzipien. Es wird zwischen direkt und indirekt durchströmten Röhrenkollektoren unterschieden.

Direkt durchströmte Röhrenkollektoren

In direkt durchströmten Röhrenkollektoren wird das Wärmeträgermedium aus dem Solarkreislauf unmittelbar durch die Kollektorröhre geführt. Zu diesem Zweck ist mittig unter dem Absorberblech ein Rohrsystem angebracht, welches das Wärmeträgermedium durch die gesamte Röhrenlänge leitet. Das Rohrsystem ist hierfür entweder als U-förmige Schlaufe oder als Koaxialrohr, also einem Rohr-in-Rohr-System, ausgebildet (Bild 1). Dabei ist die Anbindung der Rohrleitung an das Verteilersystem drehbar gelagert, sodass die Kollektorröhren entsprechend den Einstrahlungsverhältnissen ausgerichtet werden können. Das Funktionsprinzip lässt aufgrund der pumpenabhängigen Zwangsdurchströmung der Röhren sowohl die senkrechte als auch die waagerechte Positionierung des Röhrenkollektors zu.

Bild 2: Nach Austritt aus der Kollektorröhre weitet sich der Durchmesser des Wärmerohrs etwas auf. In diesem Bereich kondensiert der im Wärmerohr befindliche Dampf und gibt seine Wärme bei trockener Anbindung über eine entsprechend leitende Verbindung an das Wärmeträgerrohr des Verteilsystems ab.

Indirekt durchströmte Röhrenkollektoren

Indirekt durchströmte Röhrenkollektoren, die auch als Heat-Pipe-Röhrenkollektoren bezeichnet werden, besitzen einen eigenen hydraulisch vom Solarsystem getrennten Wärmekreislauf. Dieser befindet sich in einem geschlossenen Rohr, dem so genannten Wärmerohr oder Heat-Pipe, welches im Vergleich mit direkt durchströmten Röhrenkollektoren anstelle des Rohrsystems in der Mitte unter dem Absorber über die gesamte Länge des Kollektors verläuft (Bild 2). Als Medium im Wärmerohr kommt eine leicht verdampfende Flüssigkeit zum Einsatz. Hierfür wir meist Alkohol oder im Unterdruck eingefülltes Wasser verwendet.

Der dadurch im Wärmerohr schon bei ca. 25°C entstehende Dampf steigt nach oben zum Verteiler hin auf. Am oberen Ende nach Austritt aus der Kollektorröhre besitzt das Wärmerohr einen etwas größeren Durchmesser. In diesem Bereich kondensiert der Dampf. Die dabei frei werdende Wärme wird an das im Verteiler vorbeiströmende Wärmeträgermedium des Solarkreislaufes übertragen. Das Kondensat fließt nach diesem Vorgang im Wärmerohr wieder nach unten ab, um dort in diesem Kreisprozess erneut zu verdampfen.

Da das System aufgrund der Funktionsweise nur eine geringe Masse besitzt, reagiert es besonders schnell auf sich verändernde solare Einstrahlungsbedingungen. Allerdings ist für einen einwandfreien Betrieb der Technik bei der Positionierung der Röhrenkollektoren ein Neigungswinkel von mindestens 25° einzuhalten. Dies erklärt sich aus dem beschriebenen internen Wärmetransport durch Verdampfung und anschließender Kondensation, der eine Art Schwerkraftzirkulation darstellt und deshalb eine Höhendifferenz zwischen Kondensations- und Verdampfungsort erfordert.

Die Wärmeübergabe vom Wärmerohr an das im Verteiler strömende Wärmeträgermedium des Solarkreislaufs ist über eine nasse oder eine trockene Anbindung möglich. Bei der nassen Anbindung ragt das Wärmerohr in das Verteilerrohr hinein, wo es unmittelbar vom Wärmeträgermedium umgeben ist. Die trockene Anbindung wird über eine wärmeleitende Verbindung zwischen Wärmerohr und dem Verteilerrohr realisiert. Letztere Variante bietet den Vorteil, dass die einzelnen Röhren ausgetauscht werden können, ohne den Solarkreislauf entleeren zu müssen.

Bild 3: Am Energieertrag lässt sich ablesen, dass Vakuumröhrenkollektoren im Vergleich zu Flachkollektoren im Durchschnitt eine größere Leistungsstärke besitzen, was allerdings auch mit wesentlich höheren Kollektorkosten bezahlt werden muss.

Schlussbetrachtung

Der auf den ersten Eindruck als Maßstab wirkende und oftmals angegebene optische Wirkungsgrad liegt in der Regel bei Vakuumröhrenkollektoren im Vergleich zu Flachkollektoren erheblich niedriger (Bild 3). Dieser Sachverhalt ergibt sich aus der Tatsache, dass bei der Berechnung des Wertes tatsächlich nur optische Verluste berücksichtigt werden und zum anderen die Absorberfläche ins Verhältnis mit der Aperturfläche - Lichteintrittsfläche, durch die die Sonnenstrahlung in den Kollektor gelangt - gesetzt wird. Da das Flächenverhältnis bei Vakuumröhrenkollektoren aufgrund der zylindrischen Bauform etwas ungünstiger ausfällt, ergibt sich dabei auch ein geringerer optischer Wirkungsgrad.

Die bei dieser Betrachtung fehlenden thermischen Verluste kommen in der Angabe des Wärmeverlustkoeffizienten, der auch als k-Wert bezeichnet wird, zum Ausdruck. Dieser wiederum fällt bei Röhrenkollektoren infolge des Vakuums weitaus vorteilhafter aus. Der Zusammenhang lässt erkennen, dass der optische Wirkungsgrad sowie der Wärmeverlustkoeffizient sehr wohl als Vergleichsinstrumente baugleicher Sonnenkollektoren herangezogen werden können, jedoch jeder für sich betrachtet als allgemeine Bewertungskriterien wenig Aussagekraft besitzen. Zu diesem Zweck sind die beiden Kennwerte zumindest in Kombination zu sehen oder aber es ist auf eine andere Größe zurückzugreifen. Diesbezüglich bietet sich die Angabe von Energieertragswerten an. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass diese als Basis von identischen Randbedingungen ausgehen. Ein Vergleich entsprechender Angaben lässt erkennen, dass Vakuumröhrenkollektoren eine größere Leistungsfähigkeit besitzen, was einer realen Beurteilung sehr viel gerechter wird.

Die größere Wärmeausbeute bei Vakuumröhrenkollektoren ist jedoch mit wesentlich höheren Investitionskosten verbunden. Der gleiche Wärmeertrag ist auch mit einer entsprechend größeren Flachkollektorfläche zu erreichen, was sich auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis günstiger auswirken würde. Grundsätzlich erscheint aber die ausschließliche Bewertung von Sonnenkollektoren nach deren Leistungsdaten als unzureichend. Da Sonnenkollektoren wie kein anderes Bauteil einer Heizungsanlage uneingeschränkt den Umweltbedingungen ausgesetzt sind, kommt hier der dauerhaft zuverlässigen Arbeitsweise mit gleichbleibenden Betriebsdaten eine sehr viel größere Bedeutung zu. Dies betrifft vom Materialeinsatz bis hin zur Kollektorabdichtung alle Bauformen. Viele Kollektortypen haben ihre Alterungsbeständigkeit bereits in der Praxis bewiesen.

Bild 4: Röhrenkollektoren beeindrucken oft, wie hier an der Fassade eines Schwimmbades montiert, durch ihre besondere Ästhetik.

Bedingt durch den Umstand, dass Sonnenkollektoren deutlich sichtbar auf der Außenseite der Gebäudehülle montiert werden, resultiert auch der hohe Imagewert der Technik. Dieser führt zu einer besonderen Bedeutung des Designs, das wesentlich zur Kaufentscheidung beiträgt. So besitzen z.B. Vakuumröhrenkollektoren eine spezielle Ästhetik, können jedoch nicht so einfach wie Flachkollektoren in das Dach integriert werden (Bilder 4 und 5). Auch Unterschiede in den Betriebsbedingungen können letztlich die entscheidende Rolle spielen.

Bild 5: Flachkollektoren lassen sich im Gegensatz zu Röhrenkollektoren mit entsprechenden Wannen harmonisch in das Dach integrieren.

Mit Vakuumröhrenkollektoren sind beispielsweise höhere Temperaturen als mit Flachkollektoren erreichbar, die für bestimmte Anwendungen wichtig sein können. Die Eigenschaft, dass Vakuumröhrenkollektoren bei geringeren Einstrahlungswerten mehr Wärme liefern als Flachkollektoren, wirkt sich zudem positiv auf den Einsatz zur Heizungsunterstützung aus. Für die Mehrheit der Anwendungsfälle zählt jedoch derzeit noch die ausschließliche Trinkwassererwärmung. Aus diesen unterschiedlichen Eigenschaften und Preisverhältnissen resultieren für verglaste Kollektoren Marktanteile, die sich bei Röhrenkollektoren im Bereich zwischen 15 bis 17 Prozent und bei Flachkollektoren zwischen 83 und 85 Prozent bewegen.

*) Dipl.-Ing. Frank Sprenger, Technische Public Relations, Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH, Wetzlar

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