Solarkollektoren
Schon im Frühling können Solarkollektoren oft die gesamte Heizung sowie die Warmwasserbereitstellung vollständig und CO2 neutral übernehmen.
Heizkosten sparen, die Umwelt schützen, und gleichzeitig unabhängig von großen Brennstofflieferanten werden. Das klingt für viele noch wie eine Eierlegende-Woll-Milch-Sau. Doch wer die kostenlose Sonne auf dem Dach nutzt, der kann tatsächlich auf lange Frist:
- CO2 frei heizen und damit die Umwelt schützen,
- Heizkosten sparen und
- Unabhängig von fossilen Brennstoffen wie Öl, Gas und Kohle werden.
Alternativen zu Solarkollektoren
Anstatt das Dach vollständig mit einer Solaranlage vollzubauen, sollten zuerst die Alternativen zumindest bedacht werden. Immerhin ist die Dachfläche ja nicht unendlich groß, und vor allem der nach Süden gerichtete Bereich mitunter sehr begehrt und begrenzt. Eine Alternative die den Wohnraum aufwertet, ist der Einbau von großen Dachfenstern. Diese bringen Licht in die unter dem Dach liegenden Wohn- und Arbeitsräume, und helfen so das Raumklima zu verbessern. Darüber hinaus wirken auch Fenster wie ein einfacher Sonnenkollektor. Sonnenlicht das normalerweise vom Dach reflektiert werden würde kann durch das Dachfenster in den Raum hinein. Dieser wird erwärmt, ohne dass eine klassische Heizung im Keller dazu nötig wäre. Zu beachten ist das gerade günstige Dachfenster in der Nacht eventuell auch schlechter isoliert sind als das restliche Dach und daher das Haus schneller auskühlt. Teure Isolierende Rollläden können hier Abhilfe schaffen. In vielen Fällen sind Dachfenster daher auch nur eine gute Ergänzung zu Solaranlagen.
Weniger häufig trifft man eine ganz andere Art der Dachgestaltung an. Begrünte Dächer die die Sonnenenergie in Pflanzenmasse umsetzen finden sich zwar vor allem auf Flachdächern, aber nicht nur. Da die Ernte dieser Pflanzen aber sehr aufwendig ist und meist nicht durchgeführt wird, wird diese Variante des grünen Dachs meist nicht aus Gründen der Energiegewinnung verwendet. Nur wenn man seinen eigenen CO2 Ausstoß kompensieren möchte kann dies eine Möglichkeit sein.
Grundlagen der Sonnennutzung
Grob gerundet gibt es in Deutschland eine Sonneneinstrahlung von 1000 W je Quadratmeter. Diese teilt sich in diffuse und direkte Sonneneinstrahlung auf. Während in südlichen Ländern die direkte Sonneneinstrahlung vorherrscht gibt es in Mitteleuropa auch große Anteile an diffuser Strahlung. Diese ist sogar auf Norddächern anzutreffen. Dennoch gibt es dabei zu beachten das oft durch Wolken, verschieden Tageszeiten und Verschattungen deutlich weniger Einstrahlung auf die Erde trifft. Die Einstrahlung ist außerdem von der genauen Lage auch innerhalb von Deutschland abhängig. Je südlicher, desto mehr Sonneneinstrahlung ist zu erwarten Bayern bietet so viel bessere Voraussetzungen als etwa Hamburg. Spezielle Sonneneinstrahlungskarten geben genaue Auskunft für jede Region.
Zur ungefähren Orientierung können 1000 kWh Einstrahlung in Form von Sonnenenergie je Quadratmeter Boden und Jahr angenommen werden. Umgerechnet in Heizöl entspricht dies ungefähr 100 Liter. Dem aufmerksamen Leser wird schon aufgefallen sein, dass hier von ebenem Boden die Rede ist. Wenn die Solaranlage in Richtung Sonne geneigt wird, und im Idealfall auch mit ihr gedreht wird, dann kann deutlich mehr Sonnenenergie eingefangen werden.
Diese Sonnenenergie erwärmt Körper auf dem Boden. Je nach Konsistenz des Körpers wird aber jedoch wieder mehr oder weniger Sonnenenergie zurückgestrahlt, reflektiert. Ein theoretischer schwarzer Körper könnte jegliches Sonnenlicht aufnehmen. Dies erklärt auch warum viele zur Sonnennutzung ausgelegten Anlagen möglichst schwarz sind.
Solarkollektor - Photovoltaikanlage
Unter Solarkollektoren werden Module verstanden, die Sonnenenergie zur Erhitzung von Wasser verwenden. Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Da dieser Prozess jedoch sehr aufwendig ist kann derzeit in kommerziellen Anlagen nur etwa ein Wirkungsgrad von 14 % erreicht werden. Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren ist deutlich höher, so das hier auch mehr als 500 kWh Wärmeertrag je Quadratmeter Sonnenkollektor für optimal ausgerichtete Sonnenkollektoren möglich sind. Soweit die Ausnutzung einer thermischen Solaranlage mit Solarkollektoren durch Wärmekonsumenten im Haus gegeben ist, ist die Wirtschaftlichkeit für das eigene Haus deutlich höher als die Anschaffung einer Photovoltaikanlage. Erst danach sollte über die Anschaffung einer solchen nachgedacht werden.
Verschiedene Formen von Solarkollektoren
Absorber sind in der Fachwelt Sonnenkollektoren, die einen ganz einfachen Aufbau haben. Im Wesentlichen wandeln Sie Sonnenenergie (Sonnenstrahlung) in Wärme um. Wer eine Solaranlage im Eigenbau bauen möchte wird daher auch am ehesten einen Absorber bauen. Bekannt ist er zum Beispiel aus dem eignen Garten. Wenn hier ein Gartenschlauch in der Sonne liegt erwärmt sich dieser, und das gesamte Wasser im Inneren. Einer angenehm warmen Dusche oder Wasserschlacht mit Gartenwasser steht nichts mehr im Wege. Solarduschen, die aus einem schwarzen Plastikbeutel bestehen und im Expeditionshandel verfügbar sind, verwenden ebenfalls dieses einfache Sonnenabsorberprinzip.
Flachkollektoren besitzen im Zentrum zwar auch wieder einen Absorber, bieten außen herum aber durch spezielle Glasscheiben (geeigneter Transmission und Reflexionsgrad) und Isolierungen die Möglichkeit Wärmeverluste zu reduzieren. Mit ihnen kann die Wärmeaufnahme gegenüber einem reinen Absorber erhöht werden. Ein Vergleichstest zeigt das Vakuumkollektoren, bzw. Vakuumröhrenkollektoren diese Eigenschaften perfektionieren. Vakuum verhindert den Wärmetransport (Die Wärmeleitung) nach außen und reduziert dadurch Wärmeverluste auf ein Minimum. Vor allem im Winter wenn nur geringe Außentemperaturen vorherrschen zeichnet sich diese Art von Kollektoren gegenüber anderen aus. Tests zeigen aber auch, dass diese Vakuumkollektoren deutlich teurer sind als etwa die günstigen Flachkollektoren. Es lohnt sich also im Vorfeld eine kurze Wirtschaftlichkeitsanalyse durchzuführen.
Aufbau einer Heizung mit Solarkollektor
Im Prinzip ist eine Heizung mit Solarkollektor immer um einen Heizungspufferspeicher herum aufgebaut. Der Pufferspeicher bietet zum einen die Möglichkeit die Sonnenenergie in Form von warmem Wasser zu speichern. Zum anderen sorgt er auch für die passende Wärmeverteilung. Die Schichtung die Wasser aufgrund seiner Anomalie mit sich bringt bildet sich auch in diesem (Standardmäßig 1000 Liter) Wärmespeicher aus. Dadurch kann wenn heißes Wasser zum Duschen benötigt wird dieses von ganz oben im Pufferspeicher entnommen werden. Wenn weniger warmes Wasser etwa für die Fußbodenheizung benötigt wird, kann dieses auch aus der Mitte des Wärmespeichers geholt werden. Im Pufferspeicher befindet sich normales Wasser. Daher ist ein Wärmetauscher zur Solaranlage in der spezielles, frostsicheres, Wärmeträgermedium fließt notwendig.
Als grober Anhaltswert für die Dimensionierung des Pufferspeichers zu einer geplanten thermischen Solaranlage gelten 50 l je Quadratmeter Kollektorfläche. Dabei findet aber noch kein Jahreszeitlicher Ausgleich statt, sondern nur ein tageszeitlicher (Nachtstunden!). Bestenfalls ist ein Wärmeausgleich über einige bewölkte und regnerische Tage hinweg möglich. Die Erhitzung von Warmwasser geschieht am besten mittels eines Durchlauferhitzers.
Einflüsse auf den Wirkungsgrad
Ein Solarkollektor mit integriertem Pufferspeicher ist zwar nicht mehr Stand der Technik, demonstriert aber sehr gut das man selbst an unerwarteten Plätzen Pufferspeicher finden kann. Besser sind natürlich größere gut isolierte Speicher im Haus, die noch dazu auch für andere Wärmeerzeuger geeignet sind.
Optimaler weise sollten Solarkollektoren einen möglichst hohen Wirkungsgrad, beziehungsweise über das Jahr gesehen Nutzungsgrad haben. Man spricht hier auch von Solarem Deckungsgrad, also dem Anteil den die Solaranlage an der gesamten in einem Gebäude benötigten Wärme bereitstellen kann. Der Wirkungsgrad kann im Wesentlichen durch zwei wesentliche Stellschrauben beeinflusst werden. Zum einen Maßnahmen am Solarkollektor selber, und zum anderen durch Veränderungen an der Peripherie, vor allem an Pufferspeicher und Regelung.
An der Solaranlage selbst zeigen Praxistests, das Verschmutzungen durch Vogelkot und jeglicher Art von Staub, Sand und Salzen etc. auftreten. Diese Verschmutzungen verhindern, dass die Sonnenenergie in den Kollektor kommen kann, und verringern dadurch die Solare Ausbeute. Für die meisten Verschmutzungen reicht aber regelmäßiger Regen zur Reinigung. Besonders kritisch sind Verschmutzungen bei Photovoltaikanlagen, und in südlichen Ländern, in denen lange Trockenperioden auftreten können.
An der Solaranlage selbst kann darüber der Wirkungsgrad durch eine Ausrichtung zur Sonne hin verbessert werden. Hier sind der Neigungswinkel sowie der Azimutwinkel, der die Drehung vom direkten Süden weg darstellt entscheidend. Optimal orientierte Anlagen werden der Sonne nachgeführt. Dies ist aber bei Solaranlagen auf dem Hausdach sehr aufwendig, und nicht üblich. Der Neigungswinkel sollte in Deutschland im Normalfall zwischen 30 und 60 Grad betragen. Je nach Auslegung der Anlage kann somit eine Volldeckung im Sommer erreicht werden (eher bei 30°) oder aber ein größerer Wärmeertrag im Winter erreicht (tendenziell 60°) und gleichzeitig eine Überhitzung im Sommer vermieden werden.
Neben Maßnahmen am Solarkollektor selbst können Maßnahmen an Pufferspeicher und Regelung dabei helfen den Wirkungsgrad zu steigern. Eine optimale Regelung der Differenz zwischen Vor und Rücklauftemperatur sind hier beispielsweise entscheidend. Wenn die Vorlauftemperatur gering gehalten werden kann können Verluste durch Wärmeleitung und Wärmeabstrahlung beispielsweise reduziert werden. Durch eine optimale Auslegung und Regelung des Pufferspeichers ist es auch möglich an schlechteren Tagen oder in späteren Abendstunden Wärmeerträge auf kleinem Temperaturniveau, etwa für die Fußbodenheizung zu erzielen.
Auslegung
Beim Testlauf ist es meist schon zu spät, und eine Änderung an der Auslegung von Solaranlagen sind nur noch mit großem Aufwand Änderungen möglich. Deshalb sollte eine Solaranlage sorgfältig geplant werden. Hierbei können Experten, zum Beispiel Energieberater helfen.
Üblicherweise werden für die Größe von Flachkollektoren bei einer Auslegung für Warmwasserbedarf und Heizungsunterstützung 1 Quadratmeter Kollektorfläche pro 10 Quadratmeter Nutzfläche berechnet - die Hälfte bei Vakuumkollektoren. Für Anlagen die zur Deckung des Warmwasserbedarfs ausgelegt werden sollen, rechnet man in etwa 1-1,5 Quadratmeter pro Person.
Je nach Wärmeisolierungsstandard des Hauses können diese Werte auch deutlich davon abweichen. Anzuraten ist auch sich über die Dämmung des Hauses in diesem Fall noch einmal Gedanken zu machen. Eventuell kann nämlich eine bessere Isolierung einen größeren ökologischen und wirtschaftlichen Effekt erzielen als ein Solarkollektor auf dem Dach!
Fazit und Ausblick
Solarkollektoren sind eine umweltfreundliche Variante das eigene Haus - die eigene Wohnung mit Wärme zu versorgen. Dabei kann der Bedarf an Trinkwasser für Dusche, Waschbecken und Spül- sowie Waschmaschine meist vollständig gedeckt werden. Die Heizung kann wenigstens im Sommer vollständig abgeschaltet werden, und erzeugt so keine Stand-by-Verluste. Im Winter, in dem normalerweise durch geringere Sonneneinstrahlung weniger Wärme von der Solaranlage produziert wird, wird der Solarkollektor bestenfalls noch als zu-Heizung verwendet. Gute und große Solarkollektoren können aber nur in den Übergangszeiten, Frühling und Herbst, tatsächlich etwas ausrichten. In der Fachsprache spricht man von monovalentem beziehungsweise bivalentem Betrieb.
Um Tagesschwankungen im Sonnenangebot und in der Wärmenachfrage auszugleichen ist ein Pufferspeicher unumgänglich. Allerdings ist derzeit noch kein technisch-wirtschaftlicher jährlicher Ausgleich möglich. Entwicklungen gehen hier in Richtung von Latentwärmespeichern.
Es ist darüber hinaus anzumerken, dass eine Heizung die nur mit relativ geringen Vorlauftemperaturen arbeitet (Wie bei Solarkollektoren, vor allem Flachbettkollektoren und bei schwacher Sonneneinstrahlung), eine große Heizungsfläche benötigt. Hier sind folglich eventuell weitere bauliche Anpassungen nötig. Besonders gut eignen sich nicht Heizungskörper (solange Sie nicht sehr groß dimensioniert sind) sondern Fußbodenheizungen die die gesamte Bodenfläche verwenden. Auch Wand- und Deckenheizungen, die darüber hinaus zur Kühlung eingesetzt werden, sind für die Kombination mit Solarkollektoren geeignet.
Zum Weiterlesen
Ihnen reichen die Informationen zum Thema Pufferspeicher der eigenen Wohnung oder des eigenen Hauses auf dieser Webseite noch nicht aus? Gute Informationen gibt es auch auf den folgenden Seiten:
- Wüstenbaum.de - Latentwärmespeicher - Ein Ausführlicher Bericht zu Latentwärmespeichern - sehr effiziente Speicher die dabei helfen können den Energiebedarf für die Heizung durch Energieeffizienz zu senken.
- Energieeffizienz sollte auf jeden Fall mit einer guten Heizung mit einer Solaranlage einher gehen.
Das Copyright für das Foto von Solarkollektoren im Frühling liegt bei Dr. Klaus-Uwe Gerhardt, das für das Foto eines Sonnenkollektors mit integriertem Pufferspeicher liegt bei Dieter Schütz - Pixelio.de.
