Dach Solarthermie

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Solarthermie – kostenlose Wärme frei Haus

Solarthermie Kollektoren © Manuela Fiebig, stock.adobe.com
Solarthermie Kollektoren © Manuela Fiebig, stock.adobe.com
Sonne steht für Wärme – was liegt da näher, diese Wärme direkt als Heizenergie zu nutzen? Mit so genannten solarthermischen Anlagen ist dies möglich. Technisch gesehen ist das Prinzip simpel: Ein Wärmeträger fließt durch die auf dem Dach installierten Solarkollektoren und erwärmt sich dabei. Anschließend gibt er die aufgenommene Energie an den Heizkreislauf ab.

Flach oder Röhre – das ist die Frage

In Deutschland werden zwei unterschiedliche Kollektorsysteme für die Solarthermie eingesetzt, die sich in ihrem Aufbau grundlegend voneinander unterscheiden:

  • Flachkollektoren
  • Röhrenkollektoren

Flachkollektoren bestehen aus einem Kollektorgehäuse, dass von einer Scheibe aus Schutzglas abgedeckt wird. Unter dem Glas befindet sich eine dunkle Absorberfläche, die sich durch die Sonne aufheizt und die Wärme an unter ihr liegende Kupferohre abgibt. Durch die Kupferrohre fließt der Wärmeträger – meist ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, manchmal auch reines Heizungswasser. Unter den Kupferrohren befindet sich eine Dämmung, damit die gesammelte Wärme nicht wieder nach außen verloren geht.

Solarthermie-Flachkollektoren: Aufbau
Solarthermie-Flachkollektoren: Aufbau

Röhrenkollektoren bestehen aus mehreren Glas-Vakuumröhren, die nebeneinander installiert sind. Durch diese Röhren fließt der Wärmeträger und wird durch die Sonne aufgeheizt. Dieser Effekt wird bei manchen Modellen durch Parabolspiegel unter den Röhren zusätzlich verstärkt. Sie lenken die Sonnenstrahlen mithilfe ihrer Biegung direkt in das Zentrum der Röhre – auch dann, wenn nur diffuses Licht vorhanden ist oder die Einstrahlung der Sonne sehr schräg erfolgt.

Solarthermie-Röhrenkollektoren: Aufbau
Solarthermie-Röhrenkollektoren: Aufbau

Durch die unterschiedliche Konstruktionsweise ergeben sich voneinander abweichende Vor- und Nachteile:

  • Flachkollektoren überzeugen durch einen niedrigeren Preis und haben daher die größere Verbreitung auf deutschen Dächern. Allerdings ist ihre Energieausbeute nicht so hoch wie bei Röhrenkollektoren. Das bedeutet, dass mehr Dachfläche für denselben Wärmegewinn benötigt wird. Für die Warmwasserbereitung ist dieser Effizienznachteil allerdings in der Regel unproblematisch.
  • Röhrenkollektoren sind teurer, ihr Wirkungsgrad ist allerdings um bis zu 30 Prozent höher als der von Flachkollektoren. Ein weiterer Vorteil ist, dass selbst bei diffusem oder schräg einfallendem Sonnenlicht noch hohe Wärmegewinne erzielt werden. Um dieselbe Wärmeleistung zu produzieren, benötigen Röhrenkollektoren im Vergleich zu Flachkollektoren bis zu 20 Prozent weniger Platz.
Solarthermie: Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren
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Nur warmes Wasser oder auch heizen?

Grundsätzlich gibt es für Solarthermieanlagen zwei Ausrichtungen:

  • Warmwasserbereitung
  • Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

Den größeren Spareffekt bei den Heizkosten bietet natürlich eine Anlage, die nicht nur warmes Brauchwasser produziert, sondern auch einen Teil der Heizwärme für die Räume liefert. Es ist allerdings zu bedenken, dass diese Anlage auch größere Investitionskosten erfordert. Um ausreichend Energie zu gewinnen, muss die Kollektorfläche größer sein. Welche Fläche notwendig ist, kann ein Fachbetrieb anhand der Größe des Hauses und der Ausrichtung des Daches errechnen. Röhrenkollektoren bieten hier durch ihre höhere Effizienz einen Vorteil und sind bei einer gewünschten Heizungsunterstützung eine gute Wahl.

Schema: Trinkwassererwärmung mit Solarthermie
Schema: Trinkwassererwärmung mit Solarthermie
Solarthermie zur Heizungsunterstuetzung
Solarthermie zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung

Der Speicher – das Herzstück der Heizanlage

Ob flach oder Röhre – die erzeugte Energie muss genutzt werden, um einen Spareffekt bei den Energiekosten bewirken zu können. Ist der Wärmeträger im Kollektor weit genug aufgeheizt, löst ein Sensor eine Pumpe aus. Über eine Leitung – zum Beispiel aus Kupfer oder Aluminium – gelangt der Wärmeträger dann zum Speicher. Hier gibt die Trägerflüssigkeit die Wärme über einen Wärmetauscher an den Speicher ab. Unterschiedliche Bauarten von Wärmespeichern sind gängig:

  • Reine Warmwasserspeicher: Trägt die Solaranlage nur zur Warmwasserbereitung bei und wird die Heizung bei der Raumwärmeerzeugung nicht unterstützt, reicht ein einfacher Trinkwasserspeicher aus. In diesem Fall ist das Wasser im Speicher das Brauchwasser für die verschiedenen Abnahmestellen wie Dusche oder Wasserhahn. Es wird direkt über den Wärmetauscher der Solaranlage erhitzt.
  • Kombispeicher mit innenliegendem Trinkwassertank: Soll die Anlage neben der Warmwasserbereitung auch den Heizkessel unterstützen, muss der Speicher zwei Funktionen übernehmen: Er muss das warme Brauchwasser bereitstellen und er muss als Pufferspeicher die Wärme der Solaranlage aufnehmen und zum Zeitpunkt des Bedarfs an den Heizkreislauf abgeben. Diese beiden Funktionen werden von Kombispeichern sichergestellt. Beim Tank-im-Tank-Prinzip ist im Inneren des Speichers ein kleinerer Speicher für Trinkwasser eingebaut. Der große Tankraum ist mit dem Heizungswasser gefüllt, das die Heizkörper im Haus speist. Diesem Wasser wird die Energie der Solaranlage zugeführt. Der kleinere Innentank wird durch das Heizungswasser erhitzt.
  • Kombispeicher mit Frischwasserstation: Eine andere Bauart der Kombispeicher integriert eine so genannte Frischwasserstation in den Pufferspeicher. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen weiteren Wärmetauscher, der durch den Tank geführt wird. Durch ihn fließt kaltes Leitungswasser, das sich im Pufferspeicher aufheizt und dann als warmes Brauchwasser zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird das warme Wasser immer frisch bereitet, wodurch zum Beispiel ein Legionellen-Befall nicht auftreten kann.

Da warmes Wasser leichter als kaltes ist, tritt bei jedem Speicher im Inneren eine Schichtung der Wärme auf. Oben ist das Wasser sehr heiß, nach unten hin nimmt die Temperatur ab. Die Wasserentnahme erfolgt daher im oberen Bereich. Bei einem Kombispeicher nach dem Tank-in-Tank-Prinzip ist der Frischwassertank aus demselben Grund im oberen Drittel des Speichers installiert.

Jede Menge Energie – der Kessel kann aus bleiben

Ist die Solarthermieanlage fachgerecht installiert, kann sie in den Sommermonaten den kompletten Wärmebedarf eines Hauses decken. Im Jahresdurchschnitt lassen sich rund 60 Prozent des Wärmebedarfs für warmes Wasser durch die Solaranlage erzielen. Auch bei der Heizungsunterstützung sind deutliche Spareffekte möglich: Eine Kollektorfläche von 10 bis 15 Quadratmetern kann bis zu 30 Prozent der für ein gut wärmegedämmtes Gebäude benötigten Wärme liefern.

Warmwasser Bereitung: Deckungsanteil durch Solarthermie
Warmwasser Bereitung: Deckungsanteil durch Solarthermie

Dank des Pufferspeichers erkennt die Heizanlage, ob genug Wärmeenergie vorhanden ist. Ist der Pufferspeicher durch die Sonnenenergie weit genug aufgeheizt, bleibt der Heizkessel aus. Erst wenn die Temperatur im Speicher sinkt und eine Lücke in der Wärmeversorgung zu entstehen droht, springt der Kessel an und liefert die fehlende Energie. Auf diese Weise hat die Sonnenwärme im Speicher Vorfahrt. Die Hauseigentümer sparen wertvollen Brennstoff, den sie ohne Solarthermieanlage teuer hätten bezahlen müssen.

Mit Solarthermie die gesetzlichen Vorgaben erfüllen

Die regenerative Erzeugung von Heizenergie ist – zumindest im Neubau – heute keine Kür mehr, sondern eine gesetzliche Pflicht: Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) verlangt von Bauherren, einen bestimmten Anteil ihrer Heizenergie aus erneuerbaren Quellen herzustellen. Eine Solarthermieanlage ist eine sehr einfache Möglichkeit, dieser Pflicht nachzukommen. Vorgeschrieben sind bei Häusern mit bis zu zwei Wohneinheiten mindestens 0,04 Quadratmeter Kollektorfläche pro Quadratmeter beheizter Wohnfläche. Bei einem Haus, das 100 Quadratmeter Wohnfläche aufweist, wäre die gesetzliche Vorgabe also mit einer mindestens vier Quadratmeter großen Solarthermieanlage erfüllt.

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