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Solarthermische Anlagen sind mittlerweile technisch ausgereift und
können bedenkenlos in das Heizungs- bzw. Warmwassersystem eines Hauses
integriert werden. Meistens werden sie heute noch für die
Warmwasserbereitung eingesetzt. Die solare Raumheizungsunterstützung
etabliert sich jedoch immer mehr, da die Installationskosten für die
Anlagen fallen und die Wirkungsgrade der Kollektoren sich verbessern.
Solare Deckungsrate einer Standard-
Solar- Anlage
Die
durch einen Kollektor erzielbare Nutzenergie hängt von mehreren Faktoren
ab. Wesentlichen Einfluß hat die insgesamt zur Verfügung stehende
Sonnenenergie, die abhängig ist von dem Grad der Bewölkung, der
Höhenlage über dem Meeresspiegel, der Tageslänge und dem Sonnenstand.
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Weiterhin spielen Kollektortyp sowie
Kollektorneigung und -ausrichtung eine wesentliche Rolle.
Da die solare Deckungsrate in
Deutschland nur 65% beträgt, ist es erforderlich eine konventionelle
Heizung und Warmwasserbereitung vorzusehen.
Eine solare Vollversorgung ist nur
dann möglich, wenn es gelingt, einen Überschuß an Wärme im Sommer zu
produzieren und diesen dann über mehrere Monate für das Winterhalbjahr
zu speichern. Dazu sind sehr große Speichertanks erforderlich.
Für ein Einfamilienhaus ist ein
Fassungsvermögen von min. 20.000 bis 30.000 Liter nötig. Diese Speicher
sind sehr kostenintensiv und müssen darüber hinaus auf Grund ihrer Größe
als Teil des Hauses mit eingeplant werden. Sie eignen sich praktisch nur
für Neubauten und sind aufgrund der hohen Kosten nur wenig attraktiv. |
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Allgemeine Beschreibung der
technischen Grundlagen
Eine
solarthermische Anlage besteht grundsätzlich aus:
Sonnenkollektoren, die die Sonnenenergie einfangen und an eine
Soleflüssigkeit abgeben, einem Speicher zur Überbrückung bei fehlender
Sonneneinstrahlung und einem geschlossenen Solekreislauf, der die im
Kollektor aufgenommene Wärme zum Speicher transportiert, einer Regelung,
die die Umwälzung der Sole bei entsprechenden Temperaturdifferenzen von
Kollektor und Speicher steuert.
Die Sole
wird durch die Sonnenstrahlung im Kollektor erwärmt und dann über den
Solekreislauf dem Speicher zugeführt. Hier gibt sie dann die vorhandene
Wärme an das Brauchwasser wieder ab.
Kollektoren
Kollektoren sind selektiv beschichtete, i.d.R. schwarze Absorberflächen,
die die Energie der auftretenden direkten und diffusen Sonnenstrahlung
nahezu vollständig in Wärme umwandeln und an ein Wärmeträgermedium
abgeben.
Flachkollektoren
Als
Sonnenkollektoren kommen überwiegend Flachkollektoren mit selektiver
Beschichtung und Einfachverglasung in Frage.
Sein im
Prinzip sehr einfacher Aufbau umfaßt einen metallenen Absorber, welcher
die eintreffende Strahlung an das in Röhrchen zirkulierende
Wärmeträgermedium weiterleitet.
Zur
Verringerung der Wärmeverluste an die Umgebung ist die Rückseite des
Absorbers wärmegedämmt und die Oberfläche wird mit einer ein- oder
zweischichtigen Glas- oder einer transparenten Kunststoffplatte
abgedeckt.
Dieser
Kollektor ist aufgrund seines einfachen Aufbaues der Preisgünstigste.
Mit einem Preis von ca. 700,- € für 2,5 m² ist er wesentlich günstiger
als die anderen Kollektoren.32 Jedoch ist die gelieferte Energie mit 400
kWh/m² auch relativ klein.
Um die
Wärmeverluste nach außen weiter zu minimieren werden die
Flachkollektoren auch als Vakuum- Flachkollektoren hergestellt. Hier
wird mit einer Vakuumpumpe zwischen Absorber und Außenhülle ein Vakuum
von 20 mbar hergestellt, das jährlich erneuert wird.
Die
Abdeckscheibe wird wegen des Unterdrucks im Kollektor durch
Abstandhalter abgestützt. Der umlaufende Rahmen und die Anschlüsse
müssen bei diesem Modell absolut dauerhaft dicht sein. |
Vakuum-
Röhrenkollektoren
Der zweite relativ verbreitete
Kollektortyp ist der Vakuum- Röhrenkollektor. Wie der Name vermuten läßt,
sind die Absorberflächen statt in einem Gehäuse in evakuierten
Glasröhren eingeschlossen. Der Vorteil ist hierbei, daß der Anteil des
Wärmeverlustes durch Konvektion kleiner ist und die Röhren dem
Sonnenstand optimal angepaßt werden können.
Die Wärmeabgabe an die
Kühlflüssigkeit erfolgt durch zwei verschiedene Systeme. Die Erste
Möglichkeit ist die direkte Durchströmung der Flüssigkeit durch den
Absorber.
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Ein anderes System ist das sogenannte
Heatpipe- Prinzip. Durch die Übertragung der Wärme an das Wärmerohr, in
dem Absorber, verdampft die darin befindliche Flüssigkeit. Der Dampf
steigt in den Kondensator, der im Doppelrohr- Wärmetauscher, in der
Spitze der Röhre liegt, auf. Im Wärmetauscher wird die Wärme an das
vorbeiströmende Wärmeträgermedium abgegeben.
Durch den Entzug der Wärme
kondensiert der Dampf. Die Flüssigkeit läuft dann wieder zurück in das
Wärmerohr, wo sich der Prozeß dann wiederholt.
Abbildung: Heatpipe Vakuum-
Röhrenkollektor
Der Nachteil des Heatpipe- Prinzips
ist, daß die Kollektoren ein Gefälle haben müssen, damit die
Wärmeträgerflüssigkeit durch die Dichteunterschiede zirkulieren kann.
Die Preise für diese Kollektoren liegen bei 750- 1250 €/m². Die
gelieferte Energie ist mit 500 kWh/m² größer als bei den
Flachkollektoren.*
* Recknagel Sprenger Schramek
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Absorberbeschichtungen
Der Absorber ist das Herz
eines Sonnenkollektors. Er wandelt das Sonnenlicht in Wärme um. So wurde
bei der Optimierung der Sonnenkollektoren vor allem die Absorber-
Beschichtung verändert.
Um das Sonnenlicht effektiv in
Wärme umzuwandeln, muß der Absorber eines Kollektors einerseits
möglichst viel kurzwelliges Sonnenlicht absorbieren und darf
andererseits nur so wenig wie möglich langwellige Infrarotstrahlung
emittieren. Dementsprechend sollte ein Kollektor einen hohen
Absorptions- und einen niedrigen Emissionskoeffizienten haben.
Dieses wird durch selektive
Schichten erreicht, die bisher aus Schwarzchrom und Nickel bestanden.
Diese Beschichtung erreicht einen Absorptionswirkungsgrad von 96% und
einen Emissionskoeffizient von 8- 12%.
Die galvanische Herstellung
der Beschichtung wurde vor 5 Jahren durch ein Aufdampfverfahren
abgelöst. Hierbei wird die Beschichtung im Hochvakuum aufgedampft.
Neben Aluminiumnitrid und
Metallkarbid ist insbesondere die sogenannte TiNOX- Schicht
(Titanoxidnitrid) bei dem neuen Verfahren bekannt geworden. Diese
Schichten erreichen mit dem Emissionskoeffizienten um 5% wesentlich
bessere Werte als die Schichten nach dem alten Verfahren.
Neben der größeren
Leistungsfähigkeit haben die neuen Schichten auch eine bessere Öko-
Bilanz. Während bei der Produktion von galvanischen Schichten mit
toxischen Stoffen umgegangen werden muß, kann TiNox- Material als
ungefährlich eingestuft werden. Zudem benötigt die im Vakuum
hergestellten Schichten nur einen Bruchteil der Herstellungsenergie, wie
die von galvanischen Schichten. Nur die Hälfte bis ein Zehntel der
Energie muß bei ihrer Herstellung eingesetzt werden.
Solarspeicher
Bei Solarspeichern
unterscheidet man zwischen zwei Typen. Bei einem Typ dient der
Solarspeicher nur der Bevorratung des erwärmten Warmwassers, bei dem
anderen Typ dient er auch als Pufferspeicher für die
Heizungsunterstützung.
Das Volumen des solaren
Brauchwasserspeichers sollte etwa das 1,5- 2,0 -fache des täglichen
Warmwasserverbrauchs umfassen, d.h. 80- 100 Liter pro Person.
Üblicherweise kommen
emaillierte Stahlspeicher zum Einsatz, wie man sie aus der
konventionellen Heizungstechnik kennt. Sie benötigen als
Korrosionsschutz eine Magnesium oder Fremdstromanode. Edelstahlspeicher
verfügen über eine längere Lebensdauer, sind aber um einiges teurer und
brauchen keine Anode.
Gute Solarspeicher haben, wie
übliche Warmwasserspeicher, eine schlanke, zylindrische Form, damit sich
im Speicher eine Temperaturschichtung bilden kann. Diese erlaubt eine
optimale Nutzung des erwärmten Trinkwassers im oberen Speicherbereich,
ohne daß der gesamte Speicherinhalt auf die gewünschte Temperatur
erwärmt werden muß. Eine unerwünschte Durchmischung des Speicherinhalts,
durch zufließendes Kaltwasser, wird durch eine spezielle
Rohrkonstruktion oder eine Prallplatte verhindert. Die Anordnung des
Solarkreis- Wärmetauschers im unteren, kälteren Speicherbereich bewirkt,
daß der Kollektor durch niedrige Einlauftemperaturen in einem
günstigeren Wirkungsbereich arbeitet.
Damit die Nachheizung nicht
ein unnötig großes Volumen nacherwärmen muß, ist der Ladekreis-
Wärmetauscher im oberen Teil des Speichers untergebracht.
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Solar-
Regelung
Meistens ist ein einfacher
Temperaturdifferenzregler für die Regelung einer kleinen Solaranlage zur
Warmwasserbereitung ausreichend. Der Regler stellt über zwei
Temperaturfühler fest, wann die Temperatur am Kollektoraustritt höher
ist als im Speicher auf Höhe des Solarkreis- Wärmetauschers und setzt
daraufhin die Solarkreis- Umwälzpumpe in Betrieb. Meist werden die
Solarregler so eingestellt, daß für den Pumpenstart eine
Temperaturdifferenz von etwa 5- 8°C zwischen Kollektor und Speicher
notwendig ist. Sinkt diese auf 2- 3°C ab, wird die Umwälzpumpe durch den
Solarregler wieder außer Betrieb genommen.
Montage /
Installation
Sonnenkollektoren werden
meistens auf Dächern in Südrichtung installiert. Die Dachkonstruktion
wird gewählt, um eine Verschattung der Flächen zu vermeiden. Kollektoren
sollten aus gestalterischen Gründen möglichst zusammengefaßt zu einem
Kollektorfeld, in formaler Beziehung zur sonstigen Dachfläche, eingebaut
werden.
„In Frage kommen:
Auf- Dach- Montage:
Hierbei werden Flach- und Röhrenkollektoren oberhalb der vorhandenen
Dachdeckung, in der Regel parallel zu dieser, auf Metallprofilen
befestigt. Die Profile werden an Haltewinkeln unterhalb der Dachdeckung
(oder auf Spezialdachpfannen selbst) stabil gegen Winddruck- und
sogkräfte befestigt. Die zusätzliche statische Last muß bei der
Dachkonstruktion berücksichtigt werden.
Der Anschluß der
Rohrleitungen, die durch das Dach eingeführt werden müssen, erfolgt
ebenfalls oberhalb der Dachabdeckung.
Der Vorteil besteht darin, daß,
insbesondere beim nachträglichen Einbau, die Dachhaut erhalten bleibt
und keine Anpaßprobleme entstehen. Formal wirken die aufgesetzten
Kollektoren allerdings eher störend als bei der In- Dach- Montage.
In- Dach- Montage: Bei der
dachintegrierten Montage in geneigten Dächern bilden die Kollektoren
gleichzeitig die Dachdeckung, wobei formal die Dachstruktur erhalten
bleibt.
Übliche Flachkollektoren
werden überwiegend mit einem fertigen Eindeckrahmen geliefert, der wie
ein Dachfenster auf die Dachlatten aufgelegt und an diesen befestigt
wird. Die Anschlüsse zwischen den einzelnen Kollektoren und zur
Dachdeckung hin müssen regensicher verblecht werden.
Die Kollektoranschlußleitungen
können unterhalb der Dachhaut im Zwischenraum der Dachsparren verlegt
werden.
Dachintegrierte Montage:
Hierbei werden die Kollektoren (Montage unter transparenten Acryl-
Dachpfannen oder -Wellplatten) unterhalb der Dachlatten verlegt.
Wegen der Beschattung durch
die Dachlatten und die geringere Transparenz der Abdeckung ist der
Wirkungsgrad natürlich geringer, wodurch die Kollektorfläche um
mindestens 30% größer ausgelegt werden muß.
Frei aufgestellte Montage: Auf
Flachdächern oder im Freien werden Kollektoren mit entsprechenden
Stützkonstruktionen in der erforderlichen Neigung aufgestellt. Dabei
sollte eine Durchdringung der Dachhaut möglichst vermieden werden
(Aufstellung z.B. auf Betonplatten).
Bei der freien Aufstellung
sind zusätzliche Lasten und Windkräfte zu berücksichtigen, ferner ist
auf kurze Verbindungen und eine gute Dämmung der Leitungen zu achten.“
Bei der Auswahl der
Rohrleitungen ist auf die Temperaturbeständigkeit des Materials zu
achten. Im Vorlauf können Temperaturen von bis zu 250°C erreicht werden,
die Rohre und die Isolierung beschädigen. |
