Solarthermie: Aufbau und Funktionsweise

Die freie, wärmende Solarenergie lässt sich ganz einfach für das Heizen zu Hause nutzen. Alles, was es dafür braucht, ist eine Solarthermieanlage. Mit dem Solarthermie Aufbau wird die Wärme der Sonnenstrahlen absorbiert und kann anschließend als Heizungsunterstützung oder für die Warmwasser-Nutzung verwendet werden. Damit lassen sich einige Kosten einsparen.

Wesentliche Bestandteile einer Solarthermieanlage

Damit die Sonne die Heiz- und Warmwasserkosten senkt, braucht es im Aufbau der Solarthermieanlage drei wichtige Bestandteile. Zunächst einmal einen beziehungsweise mehrere Solarkollektoren, um die Sonnenwärme aufzunehmen. Für die anschließende Wärmespeicherung braucht es einen Wärmespeicher mit passendem Wärmetauscher. Zu guter Letzt kommt dann noch die Solarstation dazu, damit zwischen diesen beiden Stationen der Wärmeaustausch reibungslos funktioniert.

Aufbau eines Solarkollektors

Um die Wärme der Sonne einzufangen, benötigt es zunächst einen Solarkollektor. Diese unterscheiden sich jedoch von den PV-Modulen, denn sie erzeugen keinen Strom, sondern Wärme.

Wenn Sonnenlicht auf ein Medium trifft, wird ein Teil immer absorbiert und ein Teil reflektiert. Je dunkler dabei das Medium ist, desto mehr Licht wird absorbiert. Für die Solarthermiekollektoren wird aus diesem Grund ein dunkler Absorber eingebaut. Der besteht in der Regel aus Aluminium, da sich dieses Metall gut zur Wärmeleitung eignet. Um die Effizienz zu erhöhen, wird der Absorber mit einer Glasschicht abgedeckt. Dabei ist entscheidend, dass das Glas eine hohe Durchlässigkeit besitzt und der Absorptionsgrad niedrig ist. Dadurch wird die Reflexion der eingehenden Strahlen eingedämmt.

Solarthermie Aufbau eines Flachkollektors

Passend zu seinem Namen ist der Flachkollektor eine Platte, die aus mehreren Ebenen besteht. Als oberstes befindet sich das Solarglas, durch welches die Strahlen auf die zweite Schicht treffen. Bei der zweiten Schicht handelt es sich um den Absorber, der sich wiederum über den Rohren befindet. In den Rohren fließt die sogenannte Solarflüssigkeit. Ihre Funktion ist es, die Wärme von dem Solarkollektor zu dem Wärmespeicher zu transportieren. Zu guter Letzt gibt es noch die Dämmschicht, die den Wärmeverlust eingrenzen soll.

Besonderheit beim Aufbau eines Röhrenkollektor

Um noch mehr Sonnenlicht einzufangen, haben Röhrenkollektoren bei der Solarthermie eine Besonderheit im Aufbau. Der Absorber ist hier rundum mit Glas abgedichtet. Auf der Rückseite befindet sich ein reflektierendes Material, welches die eintreffenden Sonnenstrahlen in Richtung des Absorbers reflektiert. Durch diese Bauweise können Sonnenstrahlen effizienter eingefangen werden. Ebenfalls hilfreich ist der vakuumierte Raum zwischen dem Absorber und einer weiteren Glasschicht. Da im Vakuum Wärme nicht entweichen kann, wird dadurch der Wärmeverlust minimiert. Nachteil an den Röhrenkollektoren ist jedoch, dass sie preislich derzeit noch über dem Flachkollektor liegen.

Kennzahlen für Solarkollektoren

Trotz des Solarglases kann nicht verhindert werden, dass ein Teil der eingestrahlten Wärme verloren geht. Es wird also weniger Wärme aufgenommen, als die Sonne zur Verfügung stehlt. Um dies in Zahlen auszudrücken, gibt es den Konversionsfaktor oder auch Wirkungsgrad genannt. Der Faktor ist der Quotient aus aufgenommener Energie und eingestrahlter Energie. Das Ergebnis ist abhängig von den Glasbedingungen. Hohe Werte bedeuten hier, dass wenig Wärme verloren geht. Gute Kollektoren kommen hier auf Werte von ca. 0,8.

Ebenfalls unter Wirkungsgrad bekannt ist der k-Wert. Mittlerweile wird der k-Wert auch U-Wert genannt. Auch diese Kennzahl gibt den thermischen Verlust an. Diesmal jedoch im Hinblick auf Temperaturunterschiede. Dabei wird berechnet, wie viel Wärme pro m² Kollektorfläche und Kelvin Temperaturdifferenz verloren geht. Hier sind kleine Werte besonders gut. In der Regel kommen Röhrenkollektoren hier auf niedrigere Werte, als Flachkollektor. Damit die Solarthermieanlage möglichst wenig Wärme verliert, sind die Solarkollektoren mit einer Dämmschicht ausgestattet.

Funktion der Solarflüssigkeit in der Solarthermieanlage

Eine wichtige Funktion in einer Solarthermieanlage hat die Solarflüssigkeit. Ohne diese könnte die Wärme nicht weitertransportiert werden. Als wärmeleitender Stoff wird hier Wasser verwendet, der mit einem Frostschutzmittel versetzt wird. Häufig wird dabei Glykol verwendet. Jedoch hat dieser Stoff den Nachteil, dass er die Wärmeweiterleitung hemmt.

Notwendig ist das Frostschutzmittel aber insbesondere im Winter, damit die Anlage nicht kaputtgeht. Die Funktionsweise des Stoffes ist es, den Gefrierpunkt von Wasser zu senken und somit auch in den Wintermonaten die Zirkulation der Solarflüssigkeit zu garantieren. Deswegen sollte je nach Wohnlage der Anteil des Frostschutzmittels ein anderer sein, um für die eigene Anlage die optimalen Werte zu erhalten. Wer bei seiner Solarthermie auf ein Drain-Back-System setzt, kann in der Regel auf das Frostschutzmittel verzichten. Bei einer Wartung der Solarthermieanlage solltest du auch überprüfen, ob die Solarflüssigkeit noch gut ist. Diese muss ungefähr alle fünf bis zehn Jahren ausgetauscht werden.

Funktionsweise der Solarstation

Ebenfalls zum Aufbau der Solarthermie gehört eine Solarstation. Diese ist ein kompaktes System, das dazu dient, die Wärme zum Speicher zu transportieren. Die einzelnen Bestandteile dieser Station lassen sich allerdings auch einzeln in das System integrieren. Damit die Solarflüssigkeit von den Sonnenkollektoren zum Solar-Wärmespeicher gelangen kann, wird eine Pumpe verbaut. Um möglichst effizient zu bleiben und Strom zu sparen, kann ein Solarregler die Leistung der Pumpe regulieren. Damit wird verhindert, dass unnötig Solarflüssigkeit durch das Rohrsystem gepumpt wird. Anstelle der Regulierung der Leistung wird in vielen Systemen die Pumpe auch an- und ausgeschaltet. Dabei wird dann ein Temperaturunterschied zwischen dem Kollektor und dem Speicher festgelegt, der dazu dient, dass die Pumpe wieder angeht.

Ebenfalls zu einer Solarstation gehört eine Schwerkraftbremse oder auch Rückschlagklappe genannt. Dies ist eine metallische Klappe, die durch ihr Gewicht, das Rohr verschließt. Erst, wenn die Pumpe aktiv ist, öffnet sich die Klappe und lässt die Solarflüssigkeit zirkulieren. Dadurch wird verhindert, dass Wärme vom Speicher zu den Kollektoren geführt wird.

Spezielle Solarthermie-Pumpen

Ohne Pumpe fließt die aufgewärmte Solarflüssigkeit nicht in Richtung Wärmetauscher beziehungsweise dem Speicher. Hier wird wie auch bei Heizungen eine Umwälzpumpe verwendet. Die sorgt dafür, dass die Flüssigkeit von den Solarkollektoren zu den Wärmetauschern fließt und von da aus wieder zurück zu den Solarkollektoren, um dort neue Energie zu tanken. Jedoch unterscheiden sich die Solarpumpen von den Heizungspumpen. Die Solarpumpen sind resistent gegen Frostschutzmittel, zudem kommen sie mit sehr hohen Temperaturen zurecht und halten hohen Druck aus.

Wärmespeichern mit dem Wärmespeicher

Um die aufgenommene Wärme zu speichern, benötigt es einen Wärmespeicher. Wenn die Sonne scheint, wird die überschüssige Wärme gespeichert. Dadurch kann auch bei Dämmerung und Dunkelheit, die Sonnenwärme für die Heizung und warmes Wasser verwendet werden. Es gibt verschiedene Speicher, die sich in ihrer Funktionsweise unterscheiden. Mögliche Speicher für eine Solarthermieanlage sind:

• Trinkwasserspeicher
• Pufferspeicher
• Kombispeicher
• Schichtenspeicher
• Latentwärmespeicher

Aufbau Solarthermie zur Heizungsunterstützung

Häufig wird Solarthermie für Warmwasser verwendet, es kann allerdings auch zur Heizungsunterstützung verwendet werden. In dem Fall wird der Speicher mit dem anderen Heizungssystem verbunden. Dadurch kann, wenn es benötigt wird, das andere Heizungssystem das Heizungswasser erwärmen. Wird die Anlage zur Heizungsunterstützung angeschafft, sollte das in der Planung für die Solarthermie Anlage berücksichtigt werden, damit alle Anschlüsse gelegt werden.

Funktion der Wärmetauscher

Um die Wärme abzugeben, benötigt es noch einen Wärmetauscher. Das Funktionsprinzip hierbei ist jedoch simpel. Die warme Solarflüssigkeit wird durch Rohre zu kalten Wasser geführt. Wichtig ist dabei, dass sich die beiden Flüssigkeiten nicht berühren. Das warme Wasser wärmt dann das kalte Wasser auf. Unterschieden wird dann noch zwischen internen und externen Wärmetauschern. Interne werden, wie der Name schon sagt, in einem Speicher verbaut, während externe Wärmespeicher außen angebracht werden.

Unterschiede beim internen Wärmetauscher

Interne eigenen sich vor allem gut für kleinere Anlagen. Es gibt dabei zwei verschiedene Bauweisen. Zu einem die Glattrohr-Wärmetauscher und zum anderen die Rippenrohr-Wärmetauscher. Beide Varianten werden Spiralförmig verbaut.

Bei einem Glattrohr-Wärmetauscher wird durch die spiralförmige Anordnung eine große Fläche erzielt für den Austausch. Eine Alternative dazu wäre der Rippenrohr-Wärmetauscher, dieser ist ebenfalls spiralförmig angeordnet, hat jedoch durch die Rippenoptik, eine größere Außenfläche. Damit allerdings in der Anwendung auch eine geringere Temperatur und Druck. Für Standorte mit hohem Kalkgehalt ist die Glattrohr-Variante praktischer, da sich hier der Kalk weniger stark absetzt.

Effizienterer Wärmeaustausch mit externem Wärmetauscher

Für größere Solarthermieanlagen wird jedoch häufiger ein externer Wärmetauscher verwendet. Allerdings findet er auch seine Anwendung im Schichtenspeicher. Hier werden mehrere Wärmetauscher verbaut, um an die unterschiedlichen Schichten die benötigte Wärme abzugeben. Der Vorteil der externen Bauweise ist die effizientere Weise, Wärme auszutauschen. Da sowohl die zu erwärmende Flüssigkeit als auch die Solarflüssigkeit in ständiger Bewegung. Für den best möglichsten Wärmeaustausch sollten die beiden Flüssigkeiten in Gegenrichtung fließen. Auch hier steht auf der negativen Seite, der hohe Anschaffungspreis.