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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 und speichert die Wärme
D. Pumpe
E. Zusatzheizung
F. Entnahmestelle 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 Energie wieder verloren geht. Im Absorber zirkuliert meist 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.
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 Anlagen im Einfamilienhaus fasst dieser Speicher ungefähr 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 sie im Kollektor höher als im Speicher, läuft die Solarpumpe an: die Wärme wird in den Speicher transportiert. Sinkt die Kollektortemperatur unter die Speichertemperatur, schaltet die Pumpe ab. Gemessen wird die Speichertemperatur im kältesten Bereich unten im Speicher. Dies erlaubt lange Betriebszeiten der Kollektoranlage. 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 Ausrichtung der Dachfläche sind zwei Faktoren für die Eignung eines Gebäudes zur Nutzung der Solarwärme massgebend:
- Wie wird die Wärme gebraucht wird, wie sieht das Benutzer-Profil aus?
- 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 ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit der Anlage.
- 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 installiert 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 weiterer Einsatzbereich besteht bei der Regeneration von Erdsonden und Eisspeichern auch in Kombination mit Photovoltaikmodulen (PVT)
- 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° Neigung Süd-Ausrichtung 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 Erträge bringen (in Prozenten von der optimalen Ausrichtung).
Je nach Anwendung eignet sich eine andere Neigung der Kollektoren. Bei Warmwasseranlagen wird vor allem die Sommersonne genutzt. Diese Kollektoren können etwas flacher liegen, da im Sommer die Sonne hoch am Himmel steht.
Heizungsunterstützende Anlagen sind optimalerweise auf die tieferliegende Sonne in den Übergangszeiten ausgerichtet, stehen daher etwas steiler und liefern sogar an der Fassade gute Wirkungsgrade.