Solarenergie:Warmwasser und
Heizung durch Solarkollektoren

Bau einer Solaranlage: Hier ein kleines Anschauungsbeispiel in Text und Bildern.

Auf dem Dach eines Hauses in den österreichischen Alpen befinden sich 20 Quadratmeter Solarkollektoren; 4 Kollektorfelder mit einer Breite von 5 Metern und einer Höhe von 1 m (mehr Breite als Höhe wegen Mimimierung der Sturmrisiken).

rechts: das Dach mit zwei der Solarkollektoren.

Die Solaranlage (Teufel + Schwarz, Going) dient zur Brauchwassererwärmung und zum Beheizen des Hauses. Das Haus liegt in knapp 1000m Höhe, was zur Folge hat, dass auch bei Wetterlagen mit Talnebel etc. dort oben noch die Sonne scheint; aber auch in anderen Regionen wie z.B. in Norddeutschland dürfte man ähnliche Effekte zumindest mit einer grösseren, z.B. doppelten Fläche an Solarkollektoren (also 40m²) und evtl. mehr Speichervolumen erzielen.

Funktionsweise: In 20 qm Flächen-Solarkollektoren wird durch die Sonnenstrahlung nicht direkt das Brauchwasser sondern zunächst ein Glykol-Wasser-Gemisch erwärmt. (Grund: die Anlage soll ja vor allem auch im Winter Wärme liefern und in den Nächten frostsicher sein).

Pro Quadratmeter trifft bei Sonneneinstrahlung eine Wärmeenergie von 1000 Watt (im Winter kann man pauschal ca. 300 Watt ansetzen) auf die Solarkollektoren. Der Wirkungsgrad von heisswasser-Sonnenkollektoren ist mit 65-90 % erheblich grösser als der von elekrischen-, also Photovoltaikmodulen, so dass pro qm locker 400-700 Watt an Wärmeenergie von der solaren Kühlflüssigkeit aufgenommen werden können.
Allerdings sinkt der Wirkungsgrad eines Solarkollektors mit der Differenz zur Aussentemperatur. Wenn die Differenz mehr als 50K bzw. 50°C ist, sinkt insbesondere bei schlechter Isolierung des Kollektors, aber auch fast unabänderbar durch thermische Rück- bzw. Abstrahlung der Wirkungsgrad auf 50% und weniger.

Der Kreislauf mit dem Wasser - Glykolgemisch wird bei Überschreiten einer einstellbaren Temperaturdifferenz (dazu dient ein sogenannter Solarregler - mehr dazu: hier klicken) per elektrischer Pumpe in Gang gesetzt. Diese Solarpumpe ist meist eine ganz gewöhnliche Heizungspumpe, wie man sie auch von jeder Ölheizung kennt. Die Solarflüssigkeit wird in einen Wärmetauscher geleitet, der den Solarspeicher - genauer: den Schichtspeicher aufheizt.

Schichtspeicher (Bild rechts), Prinzip: Der Trick bei einem Schichtspeicher besteht darin, dass sich oben das heisseste Wasser und unten das kälteste Wasser sammelt. Das hat zur Folge, dass in den Solarkollektor nicht, wie sonst üblich, mehr oder minder schon bereits stark erwärmtes Wasser gelangt, sondern gezielt immer nur das allerkälteste Wasser des gesamten Systems, was den Wirkungsgrad der Kollektoren (bzw. die dort absorbierte Wärmemenge) verbessert. Besonders im Winter kann man dadurch (zusammen mit den gut isolierten Vakuum-Kollektoren) bereits dann schon zumindest etwaige kalte Bereiche des Schichtspeichers schon erwärmen, erwärmen, wo hingegen Systeme ohne Schichtspeicher eine unnötig höhere Vorlauftemperatur haben.



Auch im Winter sollte selbst bei Minusgraden problemlos - zumindest, wenn die Sonne scheint - eine Vorlauftemperatur von 40 Grad und mehr erreicht werden, so dass diese Temperatur sowohl für Badewasser als auch für Fussbodenheizungen vollkommen ausreicht. Allerdings kommt es nicht nur auf die Temperatur an, sondern auch sehr auf die Menge des erwärmten Wassers; jedes Solarsystem kann man durch Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit auf sehr hohe Temperaturen bringen, so dass der Laie dann denkt, er hat eine besonders gute Solaranlage, weil seine 70 Grad statt wie beim Nachbarn nur 50 Grad liefert. Nur: 10 liter Wasser mit 70° enthalten eben sehr viel weniger Energie als 50 l mit 40° ! (genauer: 10 l Wasser, die man auf 70°C erwärmt, enthalten bei z.B. 20° Anfangstemperatur nur ca. die Hälfte von 50l mit 40°, ergibt sich aus Temperaturdifferenz mal Volumen).

Wenn Brauchwasser entnommen wird, erwärmt ein Wärmetauscher im Schichtspeicher das durchströmende kalte Leitungswasser. Damit es stets eine gleichbleibende Temperatur hat, wird es noch in einem mechanischen, vollautomatisch arbeitenden Mischer mit kaltem Wasser vermischt (Bild rechts).

Da das (Brauch-)Wasser erst unmittelbar vor dem Gebrauch erwärmt wird, hat man durch die Verwendung des Wärmetauschers im Schichtspeicher selbst bei niedrigen Temperaturen von 30-40 Grad keinerlei Probleme mit Legionellen oder anderen Krankheitserregern. Letztere können sich immer dann vermehren, wenn Wasser (und zwar das Brauchwasser, nicht die etwaige Wasser-Glykolmischung im Wärmespeicher vor dem Wärmetauscher, denn da ist´s wegen der Trennung der Kreisläufe egal) tagelang lauwarm gehalten wird, wie es bei manchen Solarsystemen z.B. im Winter vorkommen kann - oder in Schwimmbädern etc..


Links: die in den Schichtspeicher von der Seite eingeschraubte Heizpatrone (Heizstab) der Zusatzheizung, falls der Speicher in länger anhaltenden dunklen Zeiten einmal zu sehr abkühlt.
Wie gross der solare Deckungsgrad dann wirklich in der Praxis ist, wird sich demnächst herausstellen, mehr dazu z.B. auch hier: Gedanken zum Bau einer Solaranlage / Deckungsgrad: www.kaminfeuerfan.de/dimension.html



Primär dient die Solaranlage der Brauchwassererwärmung. Das besondere "Zuckerl": Jeglicher Überschuss des Systems geht jedoch in einen speziellen niedertemperatur-Aluminium-Flächenheizkörper, der mit bis zu 4 kW das Innere des Hauses erwärmt, so dass zu zwei Drittel bis Dreiviertel des Jahres nicht oder kaum noch zusätzlich geheizt werden muss.

Das das Haus zuvor perfekt mit einer 20cm Styroporisolierung wärmegedämmt wurde, dient die Steinmasse der Wände und des Untergrundes dabei als grosser Wärmespeicher.

Perfektionieren kann man das Ganze noch dadurch, dass man zwei oder mehr Photovoltaik-Solarmodule (also elektrische statt thermische Kollektoren) mit je 50 Watt zusätzlich auf das Dach montiert (die ggfs. über einen Wechselrichter ins Netz eingespeist werden). Denn diese Solarmodule liefern den Strom passenderweise ja gerade dann, wenn die Solarpumpen zur Umwälzung wegen der Sonneneinstrahlung am meisten laufen müssen. Dann kostet noch nicht einmal der (ohnehin nur geringe Stromverbrauch) der Solarpumpen etwas und die Brauchwasserwärmung und Heizung ist dann komplett kostenlos. (...gut, man muss dafür natürlich finanziell erst mal in Vorlage treteten aber gerade durch die drastisch steigenden Energiekosten ist die Amortisierungsdauer vieler Anlagen in Zukunft oft kürzer als bei Baubeginn vermutet).

Montage

Die Montage der vier Solarkollektoren mit einer Fläche von insgesamt 20 Quadratmetern erfolgte mittels eines Kranwagens, der die Kollektoren (Gewicht: 130 kg pro Stück) auf das Dach hievte:

Die Solarkollektoren sind zur Winteroptimierung mit 60 Grad aufgeständert. Dazu dienen Aluminiumschienen.