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Komponenten
Eine thermische Solaranlage setzt sich wie folgt zusammen:
A. Sonnenkollektor: sammelt Sonnenlicht zur Umwandlung in Wärme
B. Zirkulationsleitung
C. Speicher: sammelt die Wärme, damit immer genügend zur Verfügung steht
D. Pumpe
E. Zusatzheizung
F. Zapfstelle für Warmwasser
Der Absorber – das zentrale Element einer Sonnenkollektoranlage – ist ein schwarz beschichteter, mit Kanälen durchzogener Metallkörper. Dieser nimmt die Energie des Sonnenlichts auf und wandelt sie in Wärme um. Die Glasabdeckung und eine rückseitige Wärmedämmung verhindern, dass die eingefangene Energie wieder verloren geht. Im Absorber zirkuliert ein Wasser-Glykolgemisch (Frostschutz), das die Wärme zum Wasserspeicher transportiert. Die Sonnenwärme wird über einen Wärmetauscher an den Speicher abgegeben und für die Erwärmung des Brauchwassers oder die Zentralheizung genutzt. In sonnenarmen Zeiten garantiert eine automatische Zusatzheizung den Wärmekomfort.
Da Sonnenenergieangebot und Wärmenachfrage zeitlich selten übereinstimmen, wird die Sonnenwärme gespeichert. Bei Solaranlagen für das Warmwasser wird anstelle des konventionellen Wassererwärmers (Boiler) ein grösserer, mit den nötigen Anschlüssen und Einbauten ausgerüsteter Solarspeichertank eingesetzt. Bei einer Anlage im Einfamilienhaus fasst dieser Speicher zum Beispiel 300 bis 500 Liter. Bei Solaranlagen zur Heizungsunterstützung wird ein etwas grösserer Speicher benötigt.
Die Regelung einer Solaranlage ist einfach. Das Regelgerät vergleicht die Temperatur im Kollektor mit derjenigen im Speicher. Ist diese im Kollektor wärmer als im Speicher, läuft die Umwälzpumpe: die Wärme kommt ins Haus. Sinkt die Kollektortemperatur unter die Speichertemperatur, schaltet die Pumpe aus. Gemessen wird die Speichertemperatur unten im Speicher, im kältesten Bereich. Dies erlaubt lange Betriebszeiten der Kollektoranlage. Spezielle Sicherheitsfunktionen schützen den Speicher und Kollektor vor Überhitzung. Bei ungenügender Wärmezufuhr von der Sonne schaltet die Steuerung automatisch auf die Zusatzheizung um.
Kollektortypen
Wahl des Kollektors: Neben der Exposition des Gebäudes bzw. der Dachfläche sind zwei Faktoren für die Eignung eines Objekts zur Sonnenenergienutzung massgebend:
- Wie wird die Wärme gebraucht wird – Benutzer-Profil?
- Welche Temperaturen werden benötigt?
Im Grundsatz gilt: Je stärker die zeitliche Übereinstimmung zwischen Sonnenenergieangebot und der Wärmenachfrage und je tiefer das Temperaturniveau der Wärmeabgabe, desto geeigneter ist ein Objekt. Die richtige Wahl des Kollektortyps ist massgebend für die Wirtschaftlichkeit.
- Ideal für Warmwasser von 30 °C bis 60 °C.
- Geeignet für Wassererwärmung und Heizungsunterstützung.
- Verglaste Flachkollektoren sind weit verbreitet bei Wohn-, Gewerbe- und Dienstleistungsgebäuden.
- Sie können in Schrägdächer und Fassaden integriert oder auf Flachdächern und am Boden aufgeständert werden.
- Es kann mit einer Lebensdauer von über 25 Jahren gerechnet werden.
- Jährlicher durchschnittlicher Energieertrag pro m2 Sonnenkollektor nach Anlagetyp und Standort (kWh/Jahr):
Anlagetyp Standort Mittelland Standort Alpenraum Kompakt-Solaranlagen zur Wassererwärmung 330 kWh bis 540 kWh 440 kWh bis 720 kWh Wasservorwärmung im Mehrfamilienhaus 420 kWh bis 590 kWh 550 kWh bis 740 kWh Wassererwärmung und Heizungsunterstützung 250 kWh bis 310 kWh 380 kWh bis 530 kWh
- Metallabsorber (selektiv beschichtet) oder Kunststoffabsorber
- Ideal für Warmwasser von 10 °C bis 40 °C über Aussentemperatur.
- Geeignet für Schwimmbadheizung und Warmwasser-Vorwärmung.
- Der Einsatz unverglaster Kollektoren beschränkt sich auf Anwendungen mit niedrigem Temperaturniveau. Da Verglasung und Wärmedämmung fehlen, ist der Wärmeverlust bei Anwendungen mit höheren Temperaturen gross, was den Nutzungsgrad verringert.
- Ein neuer Einsatzbereich besteht bei der Regeneration von Erdsonden
- Die Aufstellung erfolgt auf Flach- oder Schrägdächern. Ein Windschutz erhöht den Wirkungsgrad.
- Die Lebensdauer liegt bei rund 30 Jahren.
- Solaranlagen mit unverglasten Absorbern liefern je nach Auslegung jährlich 250 kWh/m2 bis 700 kWh/m2.
- Ideal für Heisswasser bis zu 100 °C.
- Geeignet für technische Prozesse sowie zur Wassererwärmung und Heizungsunterstützung.
- Bei Vakuumkollektoren steht der Absorber unter Vakuum in einem Glasrohr. Da das Vakuum eine sehr effiziente Wärmedämmung bildet, sind die Wärmeverluste auch bei hohen Temperaturen gering.
- Vakuumröhren-Kollektoren weisen den höchsten Jahreswirkungsgrad auf.
- Ideal bei suboptimaler Ausrichtung des Kollektorfeldes (z.B. Fassaden), da die Absorber innerhalb der Röhren nach der Sonne ausgerichtet werden können.
- In hagelgefährdeten Gebieten ist die Glasstärke zu beachten.
- Lebensdauer: 20 Jahre.
- Anlagen zur Wassererwärmung und Heizungsunterstützung liefern mit Vakuumröhren-Kollektoren den 1,2-fachen bis 1,4-fachen Ertrag gegenüber verglasten Flachkollektoren.
Besonderheiten
Erträge in Abhängigkeit von Neigungswinkel und Süd-Orientierung
Je nach Abweichung von den optimalen 30° Süd sind die Erträge etwas kleiner, aber auch bei nicht optimaler Ausrichtung sind noch gute Erträge möglich. Die Darstellung links zeigt, dass auch horizontal auf dem Dach liegende oder vertikal an Fassaden angebrachte Kollektoren noch gute Leistungen bringen (in Prozenten von der optimalen Ausrichtung).
Je nach Anwendungsart sind etwas unterschiedliche Expositionen optimal. Warmwasseranlagen sollen die steilerstehende Sommersonne voll ausnutzen und liefern daher auch eher flacher liegend gute Werte.
Heizungsunterstützende Anlagen sind optimalerweise auf die tieferliegende Sonne in den Übergangszeiten ausgerichtet, stehen daher etwas steiler und liefern sogar an der Fassade gute Wirkungsgrade.