Aus Sonnenlicht wird Wärme

Durch die hohen Preise für Gas und Öl wird es für Haushalte und Firmen immer interessanter, Solarwärme zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung einzusetzen. Mehr denn je sind Fachhandwerker gefordert, für ganz unterschiedliche Bedürfnisse das passende Anlagenkonzept zu wählen. Auf dem Markt findet sich eine breite Palette an Solarkollektoren und -systemen für nahezu jede Einbausituation.

Trend zu Aluminium-Absorbern
Typische Gehäusematerialien bei Flachkollektoren sind Aluminium, Stahlblech, Kunststoff und selten auch Holz. Buderus setzt beim Flachkollektor „Logasol SKT 1.0“ auf ein Gehäuse aus fiberglasverstärktem Kunststoff, das 30% weniger wiegt als Aluminium und Handwerkern damit die Montage erleichtern soll. Die Roth Werke haben sich beim „Heliostar 252 S4“ für eine Polycarbonat-Wannenkonstruktion entschieden. Die abgerundeten Ecken verringern zudem das Verletzungsrisiko beim Einbau.
Das Herzstück eines Flachkollektors, der Absorber, besteht aus hochselektiv beschichtetem Kupfer- oder Aluminiumblech. Aufgrund der stark schwankenden Kupferpreise werden fast nur noch kostengüns­tige Vollflächenabsorber aus Aluminium angeboten. Die Rohrregister bestehen aber meist weiterhin aus Kupfer. Bei Mäanderabsorbern sind die Röhren mit Solarflüssigkeit serpentinenartig verlegt, bei Harfenabsorbern verlaufen sie in Parallelen. Hersteller wie beispielsweise ­Buderus, ­Solarfocus, Siko Solar und Wagner & Co. bieten auch Doppelharfen- und Doppelmäanderabsorber an und werben dafür mit geringeren Druckverlusten. Beim Flachkollektor „­Logasol SKS 4.0“ von ­Buderus sorgt eine Edelgasfüllung zwischen Glasabdeckung und Absorberschicht für eine verbesserte Effizienz.

Mehr Leistung durch isolierendes Vakuum
Vakuumröhrenkollektoren können durch die isolierende Bauweise bis zu 30% mehr Leistung als Flachkollektoren bringen. Mehrere evakuierte Glasröhren sind bei dieser Kollektorart über einen Sammler mit dem Kollektorkreislauf verbunden sind. Trotz der höheren Effizienz liegt der Marktanteil von Röhrenkollektoren in Deutschland wegen der höheren Investitionskosten bei lediglich knapp 10%.
Direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus einer Glasröhre mit innen liegender Absorberfläche aus Aluminium und einem Kupfer, das den Wärmeträger enthält. Durch Drehung der Röhren lässt sich für die Absorberflächen ein optimaler Einstrahlwinkel einstellen. Sydney-Vakuumröhrenkollektoren besitzen dagegen eine doppelwandige Glasröhre mit innen verlaufendem Rohrregister und funktionieren nach dem Thermoskannen-Prinzip. Hersteller sind unter anderem Consolar, Ritter und Solvis.
Eine weitere Bauvariante sind Vakuumröhrenkollektoren mit Heat-Pipe. Hier befindet sich in der Glasröhre ein abgeschlossenes Wärmerohr, das mit einer schon bei geringen Temperaturen verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Wirkt Sonnenwärme ein, wandert der entstandene Dampf zum kühleren oberen Ende des Rohrs. Er kondensiert dort und gibt seine Wärme in sogenannter trockener Anbindung an das Sammlerrohr ab. Nach diesem Prinzip arbeiten beispielsweise die Kollektoren „­Vitosol 200-T“ und „300-T“ von ­Viessmann.

Low-Flow-Anlagen immer beliebter
Damit Solaranlagen effizient arbeiten, müssen Kollektoren und Speicher über den Solarkreislauf aufeinander abgestimmt werden. High-Flow-Solarthermieanlagen arbeiten mit einem hohen Volumenstrom von 30 bis 50 l/(m² · h). Durch die rasche Umwälzung der Solarflüssigkeit und den schnellen Abtransport der Solarwärme lassen sich beim Kollektor Temperaturspitzen und damit Wärmeverluste vermeiden. Sein Wirkungsgrad ist damit höher, gleichzeitig steigt jedoch der Stromverbrauch der Solarpumpe. Auch das Wasser im Speicher erwärmt sich im High-Flow-Betrieb langsamer.
Low-Flow-Anlagen vermeiden diesen Nachteil. Die geringere Durchflussmenge von 10 bis 25 l/(m² · h) führt dazu, dass im Kollektorvorlauf höhere Temperaturen herrschen. In Kombination mit einem Schichtenspeicher steht rasch warmes Wasser zur Verfügung und die Stillstandszeiten aufgrund drohender Überhitzung im Sommer verringern sich. Zwar liegen die Kosten für einen Schichtenspeicher höher als für einen einfachen Solarspeicher, zugleich werden bei Low-Flow-Systemen jedoch kleinere Rohrquerschnitte und geringere Pumpenleistungen benötigt.
Während Solarwärme-Großanlagen meist als Low-Flow-Systeme konzipiert sind, werden kleinere Solaranlagen meist noch im High-Flow-Betrieb gefahren. Auch hier geht der Trend zu Low-Flow-Konzepten.
Eine Kombination aus High- und Low-Flow-Anlagen sind Matched-Flow-Anlagen. Dabei sorgt eine drehzahlgesteuerte Kollektorkreispumpe für eine an die jeweilige Kollektortemperatur angepasste Betriebsweise. Für diese Betriebsweise ist ebenfalls ein Schichtenspeicher nötig.

Leere Kollektoren sorgen für ­Sicherheit
Wegen der Frostgefahr sind in Deutschland zweikreisige Anlagen üblich, bei denen Kollektorflüssigkeit und Speicherwasser voneinander getrennt sind. Als Frostschutz zirkuliert im Kollektorkreislauf in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, das aber die Wärmeleitfähigkeit der Solarflüssigkeit herabsetzt und bei Überalterung der Anlage schaden kann.
Eine Alternative sind Drain-Back-Solaranlagen. Bei diesen Anlagenkonzepten wird die Solarflüssigkeit im Solarkreis bei zu geringen Temperaturen und abgeschalteter Pumpe automatisch in einen Behälter entleert. Der Solarkreislauf kann deshalb auch ausschließlich mit Wasser ohne Frostschutz betrieben werden. Soll die Solaranlage wieder in Betrieb gehen, wird das Wasser aus dem Auffangbehälter wieder in den Kollektorkreis gepumpt. Voraussetzung ist ein stetiges Gefälle, damit beim Entleeren kein Wasser zurückbleibt.
Vorteile bieten Drain-Back-Systeme außerdem im Hochsommer bei gefülltem Wärmespeicher und drohender Überhitzung der Kollektoren mit thermischer Stagnation (Stillstand). Auch in diesen Fällen läuft die Anlage ganz einfach leer. Durch das drucklose System können Anlagenteile wie Ausdehnungsgefäß, Überdruckventil, Manometer und Wärmetauscher entfallen.
Ähnlich wie eine Drain-Back-Anlage funktioniert das „Aqua-System“ von ­Paradigma. Es arbeitet mit Vakuumröhrenkollektoren, durch die das Heizungswasser direkt strömt. Um Frostschäden auszuschließen, führt die Solarpumpe bei Minustemperaturen warmes Wasser aus dem Speicher durch den Solarkreislauf. Diese Funktion mindert den Solarertrag zwar um bis zu 4%, wird laut Hersteller aber durch die Vorteile von Wasser als Solarflüssigkeit mehr als ausgeglichen.

Große Potenziale für Solarthermie
Bereits jedes zehnte Gebäude in Deutschland ist inzwischen mit Solarkollektoren ausgerüstet. Doch damit ist das Potenzial der Sonnenwärme noch lange nicht ausgereizt. Nach einer Studie von Vaillant wollen mehr als die Hälfte der Bundesbürger ihren Haushalt künftig gerne mit Solarwärme heizen.

Autorin: Almut Bruschke-Reimer, freie Journalistin