Solarkollektoren
Die Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme erfolgt auf dem Absorber.
Dieser besteht aus Metall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl) und ist mit einer dunklen, sogenannten „selektiven“ Beschichtung überzogen, um die Solarstrahlung optimal einzufangen. Diese Oberfläche bewirkt durch ihre besondere Struktur ein hohes Absorptionsvermögen im sichtbaren Bereich und gleichzeitig eine geringe Emission für die infraroten Wellen der Wärmestrahlung. Die erzeugte Wärme wird von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und durch am Absorberblech angebrachte Rohre abtransportiert.
Flachkollektoren
Der Flachkollektor ist die am weitesten verbreitete Bauform eines Sonnenkollektors.
Bei diesem liegt der Absorber in einem meist aus Aluminium gefertigtem Gehäuse. Zur Reduzierung der Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung ist das Gehäuse mit einer Abdeckung aus eisenarmem, vorgespanntem Sicherheitsglas verschlossen, welches zumeist innen leicht strukturiert ist. Dessen Lichtdurchlässigkeit ist dem solaren Spektrum der diffusen und direkten Strahlung angepasst. Zur Minderung der Verluste durch Wärmeleitung werden auf der Rückseite und an den Rändern des Gehäuses Wärmedämmungen angebracht.
Vakuumröhrenkollektoren
Beim sogenannten Thermoskannen-Röhrenkollektor sind zwei ineinander liegende Glasröhren miteinander verschmolzen; der Zwischenraum enthält das Vakuum. In der Innenröhre befindet sich ein ringförmiger Absorber mit direktdurchströmtem Absorberrohr.
Teilweise wird zusätzlich rückseitig ein ebener oder rinnenförmiger Reflektor angebracht, der die seitlich vorbeigehende Sonnenstrahlung auf den Absorber zurücklenkt.
Die im Kollektor auftretenden Verluste teilen sich auf in die optischen Verluste, die vor der Umwandlung der Strahlung in Wärme entstehen, und in die thermischen Verluste, welche die bereits umgewandelte Wärme vermindern.
Optische Verluste entstehen durch Reflexion der Solarstrahlung sowohl an der transparenten Abdeckung als auch am Absorber – unabhängig von der Umgebungstemperatur. Thermische Verluste werden durch Wärmeleitung, Wärmetransport (Konvektion) und Wärmestrahlung verursacht; sie sind umso höher, je größer der Temperaturunterschied zwischen Absorber und Umgebung ist.
Der optische Wirkungsgrad eines Vakuumröhrenkollektors ist aufgrund der Reflexionen an der Glasröhre niedriger als beim Flachkollektor.
Andererseits liegen die Stillstandstemperaturen des Vakuumröhrenkollektors aufgrund der guten Wärmeisolation über den Werten des Flachkollektors. Wichtig für die richtige Wahl des geeigneten Kollektortyps ist daher vor allem der geforderte Einsatztemperaturbereich.
Für die Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung werden sowohl Flachkollektoren als auch Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt.
Im überwiegenden Arbeitsbereich weisen beide ähnliche Wirkungsgrade auf. Bei höheren Temperaturunterschieden, etwa im Winter, sind die Wärmeverluste eines Vakuumröhrenkollektors geringer, so dass im Jahresmittel – bezogen auf die jeweilige Absorberfläche – ein um 30 % höherer Solarenergiegewinn als mit Flachkollektoren erwartet werden kann.
Wir empfehlen Ihnen diesbezüglich für Anlagen zur solaren Warmwasserbereitung (WWB) Flachkollektoren, für Anlagen zur solaren WWB und Heizungsunterstützung CPC-Vakuumröhrenkollektoren.
Tips zur Dimensionierung:
Flachkollektoren
Warmwasserbereitung: 1,5m² je Person + 1m²
WWB+ Heizungsunterstützung: 1/10 der beheizten Wohnfläche
CPC-Vakuumröhrenkollektoren
Warmwasserbereitung: 1,0m² je Person + 1m²
WWB+ Heizungsunterstützung: 1/15 der beheizten Wohnfläche
Speicher
Wegen seiner hohen Wärmekapazität ist Wasser ein ideales Speichermedium.
Daneben hat Wasser noch zwei weitere, sehr vorteilhafte Eigenschaften, die es ermöglichen, kaltes und warmes Wasser in einem Speicher getrennt aufzubewahren:
- Die mit der Temperatur abnehmende Dichte erlaubt es, Wasser unterschiedlicher Temperatur so zu schichten, dass sich heißes und kaltes Wasser nicht vermischen. So wiegt z. B. heißes Wasser mit 90 °C etwa 1,5 % weniger als kaltes Wasser bei 10 °C.
- Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Wasser erschwert einen Wärmeaustausch zwischen diesen wärmeren und kälteren Wasserschichten.
Solarspeicher (Warmwasserbereitung)
Merkmal dieses Speichers ist, dass das sauerstoffhaltige – und daher korrosive – Trinkwasser selbst als Speichermedium dient; daher kommen hierfür nur lebensmittelecht beschichtete, emaillierte Stahlspeicher oder Speicher aus Edelstahl in Frage. Die solar gewonnene Wärme wird über einen Wärmetauscher in den unteren Teil des Speichers eingebracht. Im oberen Speicherteil befindet sich ein weiterer Wärmeübertrager, über den der Bereitschaftsteil (etwa das obere Speicherdrittel) bei Bedarf durch eine konventionelle Nachheizung auf Gebrauchstemperatur gehalten werden kann. Dies garantiert die Versorgungssicherheit mit warmem Wasser auch bei schlechtem Wetter.
Tips zur Dimensionierung:
100l Speichervolumen je Person
Kombispeicher (WWB + Heizung)
In Kombispeichern dient das Wasser aus dem geschlossenen Heizkreislauf als Speichermedium; diese Speicher können daher aus gewöhnlichem Stahl gefertigt sein.
Im oberen Bereich befindet sich das Bereitschaftsvolumen für die Trinkwassererwärmung, im mittleren Bereich das für die Raumheizung. Der Solarwärmetauscher ist entweder in der Nähe des Speicherbodens angeordnet oder extern als Plattenwärmetauscher.
Kombispeicher dienen einerseits als Pufferspeicher für den Heizkessel; andererseits wird das Trinkwasser von diesen entweder im Durchlaufverfahren, in einem eingebauten Behälter oder über einen externen Gegenstrom-Wärmetauscher auf Solltemperatur gebracht.
Da hierbei das Speicherwasser in das Heizungssystem hydraulisch eingebunden ist, entfällt beim Kombispeicher der Wärmetauscher für die Nachheizung.
Tips zur Dimensionierung:
60-70l Speichervolumen je installiertem m² Kollekotrfläche
Solarstation
Die Solarstation ist mit einer Umwälzpumpe sowie allen Armaturen ausgestattet, wie sie auch in einer konventionellen Warmwasserheizung benötigt werden: Thermometer, Entlüfter, Sicherheitsventil, Manometer, Anschluss für Membranausdehnungsgefäß, Füll- und Entleerhähne, Absperrschieber, Durchflussmesser und Rückflussverhinderer.
Regelung
Der Solarregler sorgt für einen effizienten Wärmetransport vom Kollektor zum Speicher. Er vergleicht hierzu die Kollektortemperatur mit der Temperatur im unteren Speicherbereich.
Wird die eingestellte Temperaturdifferenz – je nach Anlage zwischen 5 und 10 °C – erreicht, schaltet die Umwälzpumpe ein. Bei einem Rückgang der Temperaturspreizung auf einige wenige Grad Celsius wird die Pumpe wieder abgeschaltet.
Darüberhinaus kann die Solarregelung, je nach Typ, eine Heizkreisrücklaufanhebung, eine Zweispeichersystem oder auch 2 Kollektorfelder regeln.
Warmwassermischer
Da bei guter Einstrahlung im Speicher Temperaturen bis zu 95 °C auftreten können – sofern die Speichertemperatur zur Verminderung von Kalkablagerungen nicht auf 60 bis 65 °C begrenzt ist – muss laut Heizungsanlagenverordnung zur Vermeidung von Verbrühungen beim Wasserzapfen dann ein thermostatischer Mischer zur Temperaturbegrenzung auf max. 60 °C in die Warmwasserleitung eingebaut werden.
Quellennachweis (Bilder & Text): lga-bw
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