08.05.2017 Lesedauer: min André Uhl
Das Prinzip einer Solarthermieanlage ist einfach: Sie verwandelt Sonnenenergie in Wärme. Dabei gibt es ja nach Art der Solarthermieanlage große Unterschiede hinsichtlich Bauart, Preis und Effizienz der einzelnen Komponenten. In den folgenden Texten erklären wir die Funktionsweise einer Solarthermieanlage und der einzelnen Teile.
Finden Sie heraus, ob sich eine Solarthermieanlage für Ihr Gebäude lohnt – und was Sie sonst noch für weniger Kosten und mehr Komfort tun können:
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Eine Solarthermieanlage besteht im Wesentlichen aus zwei Modulen oder Hauptkomponenten:
Kollektoren und Speicher sind über ein Rohrsystem miteinander verbunden. Darin befindet sich das Transportmittel der Wärme: die Solarflüssigkeit. In der Regel besteht sie aus einem Mix aus Wasser und Frostschutzmittel. Mit einer Solarpumpe wird die Flüssigkeit durch den Solarkreislauf bewegt. Bis hierhin ein ziemlich simpler Aufbau. Es gibt jedoch noch weitere wichtige Module.
Die zentrale Steuerungseinheit einer Solarthermieanlage wird als Solarregler bezeichnet. Wann immer im Speicher Ladekapazitäten frei werden, erkennt dies der Regler automatisch und setzt die Solarpumpe zum Wärmetransport von den Kollektoren zum Speicher in Gang. Zudem verfügen Solarthermieanlagen über ein oder mehrere Ausdehnungsgefäße, um Volumenschwankungen und Druckveränderungen bei unterschiedlichen Temperaturen auszugleichen. Durch diesen Aufbau werden Schäden am Rohrsystem oder anderen Anlageteilen vermieden.
Geht es nur um die Funktionsweise, gibt es grundsätzlich zwei Varianten von Solarthermie:
Beide Anlagentypen werden üblicherweise mit einem anderen Heizsystem kombiniert. Ihr Aufbau und die Grundvoraussetzungen sind zwar ähnlich, dennoch gibt es einige Unterschiede, die bei der Planung beachtet werden sollten.
Solaranlagen, die ausschließlich für Warmwasser dienen, werden meist mit Flachkollektoren betrieben. Solche Anlagen benötigen eine geringere Kollektorfläche sowie einen kleineren Speicher als Solarthermieanlagen für die Heizungsunterstützung. Aus diesen Gründen sind auch die Investitionskosten und der Planungsaufwand bei einer Anlage für Warmwasser geringer. Solarthermieanlagen für Warmwasser erreichen einen solaren Deckungsgrad von rund 60 Prozent. Das bedeutet: 60 Prozent der Energie zur Wassererwärmung kommt von der Sonne. Ihren größten Nutzen bringen Solarthermieanlagen für Warmwasser im Sommer.
Solarthermie für Heizungsunterstützung und Warmwasser hingegen macht sich vor allem im Frühjahr und im Herbst bezahlt – wenn die Anlage einen Großteil des Heizenergiebedarfs decken kann. Übers Jahr gerechnet erreichen solche Anlagen einen solaren Deckungsgrad von rund 30 Prozent. Meist werden bei ihnen die effizienteren Röhrenkollektoren verwendet. Außerdem wird ein deutlich größerer Solarspeicher benötigt. Deshalb sind Solarthermieanlagen für Heizungsunterstützung und Warmwasser teurer.
Definition: Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen eingesetzter und nutzbarer Energie. Oder als Frage formuliert: Wie viel der empfangenen Sonnenenergie kann von einer Solarthermieanlage in Wärmeleistung umgesetzt werden?
Wird über den Wirkungsgrad von Solarthermie gesprochen, geht es meist um zwei verschiedene Dinge:
Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors beträgt in der Regel rund 50 Prozent. Das heißt: Ein Kollektor kann die Hälfte der Sonnenenergie aufnehmen und in nutzbare Wärme umwandeln. Unterschiede zwischen einzelnen Kollektoren können Hausbesitzer*innen mit den Solar-Keymark-Kennzahlen prüfen.
Beim Wirkungsgrad einer Solarthermieanlage ist es etwas komplizierter. Das liegt vor allem an der Tatsache, dass eine Solarthermieanlage die meiste Energie im Sommer bereitstellt – genau dann, wenn Hausbesitzer am wenigsten Energie für Heizung und Warmwasser benötigen. Das Problem: Wenn Energie da ist, aber nicht genutzt werden kann, sinkt der Wirkungsgrad der Solarthermieanlage. Dies ist besonders im Sommer und besonders bei Anlagen zur Heizungsunterstützung der Fall. Entsprechend erreichen Solarthermieanlagen für Warmwasser maximal einen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent; Solarthermieanlagen für Heizung und Warmwasser kommen durchschnittlich auf 25 bis 30 Prozent.
Definition: Ein Solarkollektor sammelt die in den Sonnenstrahlen enthaltene Energie und wandelt sie in Wärme um. Dabei erhitzt sich das Trägermedium, mit dem die Wärme vom Kollektor zum Solarspeicher transportiert wird. Der Solarkollektor ist somit das zentrale Element einer Solarthermieanlage.
Solarkollektoren existieren in unterschiedlichen Ausführungen. Zwei Varianten sind am meisten verbreitet: Flachkollektoren und Röhrenkollektoren.
Der Flachkollektor ist die einfachere Variante. In einem rechteckigen Gehäuse befinden sich verschlungene Rohre, die eine Solarflüssigkeit enthalten. Über den Rohren liegt ein beschichtetes Absorberblech, das die Sonnenenergie gut aufnehmen kann. Meist besteht es aus Kupfer oder Aluminium. Das Absorberblech ist von oben durch ein besonders bruchfestes Glas geschützt. Wenn Sonnenlicht auf das Absorberblech trifft, entsteht Wärme. Diese erhitzt die Solarflüssigkeit in den Rohren. Dabei wird die erwärmte Flüssigkeit zum Solarspeicher transportiert; gleichzeitig fließt kalte Flüssigkeit vom Speicher zu den Kollektoren zurück.
Ein Vakuumröhrenkollektor besteht – wie es der Name schon sagt – aus einzelnen Glasröhren. Bei moderneren Systemen sind zwei konzentrische Glasröhren wie bei einer Isolierkanne verschmolzen; in dem Raum zwischen den Röhren befindet sich das Vakuum. Dadurch sind sie besonders gut isoliert und besitzen einen höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren. Die Absorber und Leitungen befinden sich auf oder innerhalb der inneren Röhre. Die Herstellung von Röhrenkollektoren ist aufwendiger und daher auch teurer.
Darüber hinaus gibt es noch weitere Kollektorarten, wie etwa Hybridkollektoren oder Luftkollektoren.
Unser Leitfaden zeigt Ihnen, worauf Sie bei Planung und Installation von Solarthermie achten sollten.
Zum Online-LeitfadenDefinition: Der Speicher einer Solarthermieanlage ist ein Vorratsbehälter zum Speichern der Sonnenwärme, die im Kollektor gesammelt wurde. Er wird auch Solarspeicher genannt. Es gibt Solarspeicher, die ausschließlich der Warmwasserbereitung dienen und Speicher, die die Raumheizung unterstützen.
Wenn die Sonne scheint, ist auch die Wärmeerzeugung kein Problem. Da dies aber nicht rund um die Uhr der Fall ist, besitzt jede Solarthermieanlage einen Solarspeicher. Er speichert die Wärme für ein paar Tage, so dass sie bei Bedarf genutzt werden kann. Ein Solarspeicher besitzt einen Wärmetauscher sowie Anschlüsse zum Solarkreislauf – das sind die Rohre, die den Speicher mit den Kollektoren verbinden. Hat sich die Trägerflüssigkeit in den Kollektoren erwärmt, wird sie zum Speicher transportiert. Ist sie abgekühlt, wird sie zurück zu den Kollektoren transportiert, wo sie sich erneut erwärmt. Es gibt verschiedene Varianten von Solarspeichern.
Wird die Solarthermie ausschließlich zur Warmwassererzeugung genutzt, kommt ein Trinkwasserspeicher zum Einsatz. Er enthält das Wasser, das zum Beispiel in Bad und Küche benötigt wird. Im Einfamilienhaus hat der Trinkwasserspeicher üblicherweise ein Fassungsvermögen von 300 bis 500 Litern. Bei einer korrekt dimensionierten Solarthermieanlage können damit etwa 60 Prozent des Warmwasserverbrauchs durch Sonnenenergie gedeckt werden.
Ein Pufferspeicher wird verwendet, wenn die Solarthermie auch zum Beheizen des Hauses genutzt werden soll. Ein solcher Speicher ist mit Heizwasser gefüllt und größer als ein Trinkwasserspeicher. In einem Einfamilienhaus enthält er zwischen 750 und 1.500 Liter. Pufferspeicher sind meist als Schichtenspeicher konzipiert.
Beliebt sind auch platzsparende Kombispeicher. Sie können alle Funktionen in einem Gerät integrieren: Sie sind Wärmespeicher für die Solarthermieanlage, Puffer für den Heizkessel und dienen zur Erwärmung des Trinkwassers. Kombispeicher gibt es drei Varianten:
Kaltes Wasser ist schwerer als warmes Wasser – diese Eigenschaft des Wassers macht das Prinzip des Schichtenspeichers aus. Kaltes und somit schweres Wasser sammelt sich unten im Speicher. Wärmeres und leichteres Wasser steigt nach oben. Der Vorteil dieser Speicherart ist: Wasser zum Heizen kann oben aus dem Speicher entnommen werden – wo es besonders heiß ist. Das kältere Wasser im unteren Teil kann hingegen leichter erwärmt werden. Dadurch ist mit dem Schichtenspeicher eine optimale Nutzung der Wärmeenergie bei jedem Wetter möglich.
Um den Schichteffekt zu verstärken, haben Schichtenspeicher eine besonders schlanke und längliche Form. Zudem wird das Wasser durch eine spezielle Anordnung der Wärmetauscher je nach Temperatur an der passenden Stelle im Speicher eingeschichtet.
Langzeitspeicher können die Wärme über einen Zeitraum von mehreren Monaten speichern. So ist es möglich, die Sommersonnenwärme bis in die Winterzeit hinein zu nutzen. Deshalb werden diese Speicher oft auch als saisonale Speicher bezeichnet. Je nach Bauweise bestehen Langzeitspeicher aus Stahl, Kunststoff oder Beton. Es gibt Sonnenhäuser, bei denen die sechs Meter hohen Speicher mitten im Gebäude aufgestellt werden. Sie haben eine außerordentlich starke Wärmedämmung von bis zu 30 Zentimetern. In anderen Fällen werden Langzeitspeicher unterirdisch platziert: als Erdspeicher oder Eisspeicher. Diese benötigen keine Dämmung.
Erdspeicher und Eisspeicher funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Zunächst wird die überschüssige Energie aus der Solarthermieanlage zum Langzeitspeicher transportiert. Bei Bedarf, also in der Regel in den Wintermonaten, wird diese Energie von einer Wärmepumpe wieder nutzbar gemacht. Erdspeicher arbeiten dabei mit Temperaturen zwischen 6 und 12 Grad Celsius. Bei Eisspeichern entzieht die Wärmepumpe dem Wasser im Speicher so lange Energie, bis dieses zu Eis gefriert. So wird auch die entstehende Kristallisationswärme genutzt.
„Wir haben einen 800 Liter großen Pufferspeicher. Bezogen auf unsere Kollektorgröße hätten wir auch einen etwas kleineren Speicher nehmen können. Aber es hat sich rausgestellt, dass diese Größe für uns gar nicht schlecht ist, weil wir so in den Sommermonaten die Energie gut speichern konnten. Wir hatten im letzten Sommer nur drei oder vier Tage, an denen sich der Solarkreis abgeschaltet hat, weil der Speicher voll war. Das heißt: Wenn es im Sommer nicht gerade drei Schlechtwettertage hintereinander gibt, können wir uns mit der Anlage fast autark versorgen.“
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Der Solarregler wird auch als Herzstück einer Solarthermieanlage bezeichnet. Er bestimmt, wann die Solarpumpe anspringt, die die Solarflüssigkeit von den Kollektoren zum Speicher und wieder zurück transportiert.
Ist die Temperatur im Kollektor höher als im Speicher, wird die Pumpe durch den Solarregler eingeschaltet. Die Solarflüssigkeit transportiert die Wärme in den Speicher. Dafür wird meist ein Temperaturunterschied von vier bis acht Grad als Einschaltbedingung gewählt. So wird vermieden, dass sich die Pumpe im Sekundentakt ein- und ausschaltet und schnell kaputt geht; normalerweise betragen die Intervalle einige Minuten.
Ist die Temperatur in den Kollektoren niedriger als im Speicher, wird die Solarpumpe durch den Solarregler angehalten. Auch wenn der Speicher keine Energie mehr aufnehmen kann, schaltet der Solarregler die Pumpe ab.
Je nach Konfiguration der Anlage können Solarregler in der Praxis sehr komplexe Aufgaben übernehmen – zum Beispiel die Regelung mehrerer Heizkreise. Zudem gibt es Solarregler, die über verschiedene Schnittstellen ein Auslesen der Daten ermöglichen – und somit ein einfaches Monitoring der Solarthermieanlage unterstützen.
Ein Wärmetauscher überträgt die Wärme von einem Medium auf ein anderes – im Falle einer Solarthermieanlage von der Solarflüssigkeit auf das Trinkwasser beziehungsweise das Heizungswasser. Und das funktioniert so: Im Wärmetauscher kommen warme Solarflüssigkeit und zu erwärmendes Wasser über eine Trennschicht in Kontakt. Diese Trennschicht leitet Temperaturen gut, ist aber undurchlässig für Flüssigkeiten. Auf diese Weise wird die Wärme vom wärmeren zum kälteren Medium übertragen. Die Bezeichnung „Wärmeübertrager“ wäre daher eigentlich passender.
Je nach Solaranlage und Speichertyp können Wärmetauscher entweder direkt im Solarspeicher integriert sein oder extern im Leitungssystem. Interne Wärmetauscher werden eher in kleineren Solarthermieanlagen zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Externe Varianten zeichnen sich durch eine höhere Wärmeübertragung aus. Sie werden in der Regel bei größeren Solarthermieanlagen genutzt – oder wenn die Anlage mehrere Speicher besitzt.
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Definition: Eine Solarkreispumpe sorgt dafür, dass die erwärmte Solarflüssigkeit von den Kollektoren zum Speicher befördert wird. Gleichzeitig transportiert sie umgekehrt die abgekühlte Solarflüssigkeit zurück zu den Kollektoren.
„In vielen Einfamilienhäusern gibt es einen Warmwasserspeicher, in dem das Wasser permanent auf einer Temperatur von 60 Grad Celsius gehalten wird. Wir wollten das anders machen und haben eine Frischwasserstation eingebaut. Die sitzt direkt am Pufferspeicher und funktioniert wie ein Durchlauferhitzer: Wenn wir den Hahn aufdrehen, läuft frisches Leitungswasser durch die Station. Es wird über einen Wärmetauscher vom heißen Wasser im Speicher erwärmt – und kommt direkt aus dem Wasserhahn. So haben wir immer frisches Wasser, keine Probleme mit Legionellen und keine Speicherverluste. Außerdem brauchen wir keinen zusätzlichen Verbrühungsschutz.“
Zum ErfahrungsberichtMit dem Trägermedium einer Solarthermieanlage wird die in den Kollektoren erzeugte Wärme zum Solarspeicher transportiert. In der Regel besteht dieses Medium aus der sogenannten Solarflüssigkeit. In selteneren Fällen wird als Trägermedium auch reines Wasser oder Luft verwendet.
Häufig wird als Trägermedium in einer Solarthermieanlage eine Solarflüssigkeit verwendet, die aus einer Mischung von Wasser und Propylenglycol besteht – das ist ein Frostschutzmittel. Dieses Gemisch hat einerseits einen niedrigeren Gefrierpunkt, andererseits einen höheren Siedepunkt als Wasser. Das bedeutet: Im Winter friert die Solarflüssigkeit nicht so schnell ein wie Wasser. Im Sommer kann sie bei großer Hitze nicht so schnell verdampfen. Allerdings hat der Mix aus Wasser und Frostschutzmittel nicht nur Vorteile. Je höher der Anteil an Propylenglycol ist, desto zähflüssiger wird das Gemisch – was wiederum die Wärmeübertragung erschwert.
Aus diesem Grund wird in manchen Fällen auch reines Wasser als Trägermedium für Solarthermie eingesetzt. Um Schäden bei Frost vorzubeugen, wird die Temperatur in den Solarkollektoren mit einem Sensor überwacht. Im Falle von Temperaturen um den Gefrierpunkt wird warmes Wasser in die Kollektoren geleitet. Deswegen steht hier ein besserer Wirkungsgrad des Trägermediums einem erhöhten Energieaufwand bei kalten Temperaturen gegenüber.
Bei Luftkollektoren wird als Trägermedium, wie der Name bereits sagt, Luft verwendet. Im Vergleich zu anderen Systemen wird eine größere Fläche beansprucht, denn Luft benötigt zur Wärmeübertragung ein größeres Volumen als Flüssigkeit. Besonders effizient lassen sich Luftkollektoren vor allem bei größeren Räumen wie zum Beispiel Schwimmbädern oder Sporthallen einsetzen. Auch bei Systemen mit Eisspeichern finden Luftkollektoren Anwendung.
Definition: Ein Ausdehnungsgefäß in einer Solarthermieanlage dient dazu, unterschiedliche Druckverhältnisse im Solarkreislauf auszugleichen. Das ist notwendig, weil sich die Solarflüssigkeit ausdehnt, sobald sie sich erwärmt. Ohne Ausdehnungsgefäße könnte die Heizanlage beschädigt werden.
Ausdehnungsgefäße kommen bei allen Heizungsanlagen zum Einsatz, die als hydraulische Systeme funktionieren. In Solarthermieanlagen werden sogenannte Membranausdehnungsgefäße verwendet. Bei dieser relativ komplexen Variante sind zwei Teile durch eine Membran voneinander getrennt. Während der eine Teil mit dem Solarkreislauf verbunden ist und sich bei Bedarf mit Solarflüssigkeit füllt, ist der andere Teil mit Stickstoff gefüllt. Wenn sich die Solarflüssigkeit bei der Erwärmung ausdehnt und Druck auf die Membran ausübt, wird der Stickstoff im anderen Teil der Membran komprimiert. Auf diese Weise erfolgt ein ständiger Druckausgleich innerhalb des geschlossenen Systems.
Solarthermie ist in der Regel nicht die einzige Heizquelle im Haus. Sie wird meist gemeinsam mit einer zweiten Heiztechnik eingesetzt. Nur so steht auch im Winter genug Heizwärme bereit – also zu einer Zeit, da der Wärmebedarf hoch und die Sonneneinstrahlung gering ist. Dabei ist grundsätzlich eine Kombination von Solarthermie mit allen Heizungsvarianten möglich: Öl-, Gas-, oder Pelletheizung, Wärmepumpe oder Fernwärme. Hier erklären wir Ihnen, wie die unterschiedlichen Kombinationen funktionieren.
Besonders weit verbreitet ist die Kombination aus Gasheizung und Solarthermie. Sowohl die Solaranlage als auch das Gasheizsystem erzeugen Wärme. Diese Wärme wird entweder sofort genutzt – oder, wenn Überschüsse vorhanden sind, in einen gemeinsamen Speicher geleitet. Dabei startet die Gasheizung immer nur dann, wenn die Solaranlage nicht genug Wärme erzeugt und der Speicher leer ist.
Bei der Kombination von Solarthermie mit einer Ölheizung zur reinen Warmwasserbereitung werden Heizelemente der Ölheizung durch den Trinkwasserspeicher hindurch geführt, um so das Wasser zu erwärmen. Geht es um die Kombination Öl und Solar zur Raumheizung, wird das gleiche Prinzip wie bei der Solar-Gas-Kombination angewendet: Beide Heizsysteme speisen Wärme in den Kombispeicher ein. Dabei springt die Ölheizung erst ein, wenn die Wärme der Solarthermieanlage nicht mehr ausreicht und der Speicher leer ist.
Die Kombination von Solarthermie und Pelletheizung ist besonders umweltfreundlich. Mit ihr kann ein Haus zu 100 Prozent mit Wärme aus regenerativen Energien versorgt werden. Da zu einer effizienten Pelletheizung auch ein ausreichend großer Pufferspeicher gehört, bietet sich die Kombination von Solarthermie und Pelletheizung sogar an. Das Prinzip ist das gleiche wie bei der Kombination von Solarthermie mit Gas oder Öl. Es gibt einen gemeinsamen Kombispeicher. Dieser wird zunächst von der Solarthermieanlage aufgeladen.
Bei der Kombination einer Solarheizung mit einer Wärmepumpe sind zwei Varianten möglich: eine direkte und eine indirekte Kombination. Bei der direkten Kombination speisen beide Systeme die erzeugte Wärme in einen gemeinsamen Speicher ein – ähnlich wie bei anderen kombinierten Heizanlagen. Bei der indirekten Variante hingegen erwärmt die Solarheizung das Erdreich oder den Speicher, aus dem die Wärmepumpe die Energie bezieht. So lassen sich höhere Erträge erzielen.
Die Kombination von Solarthermie und Photovoltaik wird auch als „Thermovoltaik“ oder „Photothermie“ bezeichnet. Auch hier gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder es werden zwei voneinander getrennte Anlagen für Photovoltaik und Solarthermie installiert – wie zum Beispiel bei den Praxistestern Thomas Funcke und Jan Rutz. Oder es werden sogenannte Hybridmodule verwendet. Das sind Solarkollektoren, die einen Teil Photovoltaik zur Stromerzeugung und einen Teil Solarthermie zur Wärmeerzeugung haben.
Besonders für den Neubau gilt: Die Nutzung von Solarthermie eignet sich optimal in Kombination mit dem Betrieb einer Fußbodenheizung. Das liegt vor allem an der relativ geringen Vorlauftemperatur, die eine Fußbodenheizung im Vergleich zu herkömmlichen Heizkörpern benötigt. Bei ausreichend groß dimensionierten Solaranlagen reichen die erzeugten Temperaturen in der Regel sogar aus, um auch in der Übergangszeit genügend Wärme für die Raumheizung zur Verfügung zu stellen. Eine Kombination von Solarthermie und Fußbodenheizung kann sich also auszahlen und sollte beim Neubau unbedingt in Erwägung gezogen und im Einzelfall von einer Fachkraft geprüft werden.
Manche Hausbesitzer*innen kombinieren ihre Solarthermieanlage mit einem vollelektronischen Durchlauferhitzer. Steht an Regentagen oder im Winter nicht genug Sonnenenergie zur Verfügung, übernimmt ein solcher Durchlauferhitzer die Nacherwärmung des solar vorgewärmten Trinkwassers. Dabei ist es wichtig, die Durchlauferhitzer möglichst nah an der Zapfstelle zu installieren, damit Leitungsverluste möglichst gering bleiben.
