Solarthermie: Anschaffung & Montage

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Solarthermie: Anschaffung & Montage - Foto: janeb13 / pixabay.com

Nach der Entscheidung für eine solarthermische Anlage, gibt es noch einiges, das bezüglich der Anschaffung und Montage der Sonnenkollektoren bedacht werden sollte. Im Anschluss daran steht der Nutzung von Sonnenenergie zur Warmwasseraufbereitung für Nutz- und Heizungswasser nichts mehr im Wege.

Anschaffung und Montage der Solaranlage werfen bei vielen Interessenten eine Reihe von Fragen auf. Da gilt es, sich umfassend zu informieren, damit auch alles problemlos über die Bühne geht. Zum einen sollten Informationen zu den verschiedenen Kollektorarten eingeholt werden. Welche Form ist für Ihre Zwecke die effektivste? Ausschlaggebend für die weitere Planung ist sicherlich auch, welche Größe für solarthermische Anlagen erstrebenswert ist.

Unterschiedliche Kollektorarten

Bevor eine Solarthermieanlage gekauft wird, sollte die Entscheidung für eine Kollektorart fallen. Kommt in den jeweiligen Bedürfnissen eher ein Flach- oder ein Röhrenkollektor infrage oder fällt die Entscheidung doch gleich auf einen Hybridkollektor, der die Energieerzeugung der Photovoltaikanlage und die der solarthermischen Anlage vereint?

Flach- und Röhrenkollektor

An und für sich arbeiten die Kollektorarten Flachkollektor und Röhrenkollektor auf ähnliche Weise. Beide beinhalten einen Absorber, der durch die Sonneneinstrahlung erhitzt wird und dazu dient, die Sonnenstrahlung in Wärme umzusetzen und an ein Wärmeträgermedium zu übertragen. Die so entstandene Wärme überträgt sich dann auf die Flüssigkeit in den Kollektor-Rohren. Diese Flüssigkeit wird anschließend über externe Rohre in den oder die Speicher weitergeleitet.

Bei Flachkollektoren beträgt die gewonnene Energie bei gleicher Fläche weniger als bei den Röhrenkollektoren. Während die Flächenkollektoren für die Warmwassererzeugung völlig ausreichen, benötigt man dagegen Röhrenkollektoren, sofern auch über die Sonnenenergie geheizt werden soll. Röhrenkollektoren sind in jedem Fall ertragreicher.

Bei den Flachkollektoren ist die Rohrdämmung im Absorbergehäuse integriert. Hierdurch sind die Verluste bei der Übertragung der Absorberwärme größer. Dagegen befinden sich die Absorberstreifen bei den Vakuum-Röhrenkollektoren in luftleeren Glasröhren, weshalb die Verluste viel geringer sind.

Vorteile des Röhrenkollektors

Zu Buche schlägt besonders der 30% höhere Wirkungsgrad, als bei Flachkollektoren. Gerade bei niedrigeren Außentemperaturen oder wenig Sonnenstrahlung leisten Röhrenkollektoren mehr. So benötigen Röhrenkollektoren eine geringere Dachfläche für dieselbe Leistung. Die Kollektoren müssen, um in Deutschland rentabel zu sein, Erträge von mindestens 300kWh pro m² und Jahr leisten.

Vorteile des Flachkollektors

Gegenüber den Röhrenkollektoren macht sich besonders der günstigere Preis bemerkbar, da sie in der Anschaffung weitaus günstiger sind. Sollte die Dachfläche für die Kollektoren nicht ausreichend groß sein, dann gibt es die Möglichkeit die Fassaden zu nutzen.

Info: Im Idealfall sind die Kollektoren nach Süden ausgerichtet und weisen dabei eine Neigung von 25-45°C auf, um einen Ertrag von 100% zu ermöglichen. Bereits geringe Abweichungen können enorme Verluste nach sich ziehen.

Luftkollektoren

Luftkollektoren sind eine spezifische Form der Kollektorarten, die anstatt Wasser als Wärmeträger Luft verwendet. Noch ist die Energiegewinnung geringer als die der üblichen Kollektoren für Solarthermie: Sie erreicht Wirkungsgrade von 50-70%. Haken hierbei ist, dass die Luft im Gegensatz zu Wasser die Wärme nicht über längere Zeit speichern kann. Um die Wärme aus der Luft nutzbar zu machen, gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen kann die im Kollektor erwärmte Luft direkt mittels eines Ventilators in das Gebäude gelangen. Die andere Option ist die, dass stark erhitzte Luft die nicht benötigte Wärme an einen Speicher über einen Wärmetauscher abgibt. Abgekühlte Luft wird dann ebenfalls über einen Ventilator in das Gebäude transportiert.

Hybridkollektor

Neben den beschriebenen Kollektorarten gibt es auch die Möglichkeit einen Hybridkollektor zu verwenden, der die Vorteile der Strom sowie Wärmegewinnung gleichermaßen beinhaltet. Hybridkollektoren sparen Dachfläche und vereinen Photovoltaik und Solarthermie.

Verschiedene Montagemöglichkeiten

Sonnenkollektoren können auf vier verschiedene Arten montiert werden: Aufdachmontage, Indachmontage, Freiaufstellung und Fassadenmontage.

Aufdachmontage

Diese optisch weniger ansprechende Variante ist besonders preisgünstig. Auf dem Dach wird eine Trägerkonstruktion angebracht, auf welcher der Solarkollektor montiert wird.

Indachmontage

Diese Variante sieht äußerst ansprechend aus, da die Sonnenkollektoren ins Dach integriert werden. Allerdings ist die Indachmontage auch besonders aufwendig, vergleichbar mit dem Einsetzen eines Dachfensters. Muss das Dach jedoch sowieso neu gedeckt werden, kann in diesem Zuge diese Variante der Montage gewählt werden. Voraussetzung ist meist ein bestimmter Neigungswinkel des Daches.

Freiaufstellung

Verfügt das Haus über ein Flachdach oder soll die Anlage auf einer Freifläche stehen, wird die Freiaufstellung als Montageart gewählt. Hierfür wird eine Aufständerung angebracht, auf welcher die Solarkollektoren montiert werden. Da diese Konstruktion besondere Angriffsfläche für den Wind bietet, muss sie auch besonders fest montiert sein. Vor allem beim Flachdach muss gewährleistet sein, dass das Dach der schweren Aufständerung standhält. Ein Dachdecker sollte vor der Montage untersuchen, ob die Aufständerung auf dem Dach entweder durch Betongewichte stabilisiert werden sollte oder direkt in das Dach verschraubt werden kann. Mit der Freiaufstellung ist es möglich, einen optimalen Winkel einzustellen und sonst ungenutzte Flächen sinnvoll zu nutzen.

Fassadenmontage

Eine andere Möglichkeit ist, die Solarkollektoren an der Hausfassade anzubringen. Allerdings macht dies nur an der Südseite des Gebäudes Sinn. Um einen Neigungswinkel zu erreichen, kann eine Dreieckskonstruktion an der Hauswand angebracht werden, oder der Kollektor wird direkt an der Fassade angebracht.

Kriterien zur Planung und Montage der solarthermischen Anlage

Bei der Planung für die Installation einer solarthermischen Anlage sollten verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. Zu prüfen ist natürlich erst einmal, ob sich die Anschaffung der Anlage überhaupt lohnen würde. Für die Berechnung der benötigten Kollektorfläche für solarthermische Anlagen sollte man sich nach folgenden Angaben orientieren:

Standort und Ausrichtung

Der optimale Neigungswinkel der solarthermischen Anlage auf dem Dach bei einer Ausrichtung nach Süden beträgt in etwa 30-50°C. In diesem Fall werden die größten Erträge aus der Anlage gewonnen. Bei Abweichungen von diesem Idealwert bis hin zu 45°C oder geringen Abweichungen hinsichtlich der Himmelsrichtung sind keine weiteren Maßnahmen zur Leistungssteigerung notwendig. Allerdings sollte in diesem Fall die Kollektorfläche um rund 10-20% erweitert werden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Ansonsten ist mit Einbußen von ca. 5-10% zu rechnen.

Info: Bei größeren Solaranlagen, etwa auf gewerblichen Gebäuden sollte der Neigungswinkel 45°C betragen, um eine optimale Ganzjahresnutzung zu gewährleisten.

Beim Neubau eines Hauses sollten die Kriterien wie die Ausrichtung, die Neigung des Daches, die Dachfläche, die Rohrleitungen und die Isolierung des Hauses in die Planung miteinbezogen werden. Außerdem sollte das Dach nicht von Bäumen oder anderen Gebäuden verschattet werden, da sonst ebenfalls mit Einbußen zu rechnen ist.

Entscheidend um Energieverlusten entgegenzuwirken ist auch eine optimale Dämmung. Die Dämmstoffschicht sollte minimal 12 cm dick sein. Auch im Bereich der Anschlüsse und Übergänge ist eine gute Dämmung von großer Wichtigkeit. Eine Wärmebeständigkeit des Dämmmaterials bis 150 °C ist empfehlenswert. Dämmungen von Außenleitungen sollten UV-beständig und äußere Beschädigungen aushalten können (pickfest).

Berechnung der Kollektorfläche für den Warmwasser-Bedarf

Mittels der Solaranlage kann der Bedarf von warmem Trinkwasser etwa für die Dusche, fürs Kochen, Waschen oder Spülen mit bis zu 60% gedeckt werden. Für die Planung der solarthermischen Anlage dient als Ausgangspunkt für die Berechnung der benötigten Kollektoren der tatsächliche Wasserverbrauch eines Haushalts.

Faustregel: Warmwasserverbrauch

Um den Warmwasserbedarf zu decken, ist für jede Person im Haushalt bei Flachkollektoren eine Fläche von 1,5m² und bei Vakuumröhrenkollektoren eine Fläche von 1 m² notwendig. Die benötigte Größe des Speichers sollte mit rund 80 Liter pro Person berechnet werden. So werden auch sonnentrübe Tage überbrückt.

Bei der Planung der Solarthermie-Anlage bildet der Warmwasserverbrauch eines Haushaltes den Ausgangspunkt. Der aktuelle Verbrauch wird bei der Planung der Ablage berücksichtigt, denn es macht einen Unterschied, ob der Bedarf an Warmwasser niedrig mit ca. 20-30 Litern je Person und Tag, mittelmäßig mit 30-50 Litern pro Person und Tag oder mit 50-60 Liter je Person und Tag hoch einzuschätzen ist.

Der ideale Wert der Ausnutzung der solarthermischen Anlage zur Warmwasserbereitung liegt bei rund 70%. Um den Bedarf darüber hinaus abzudecken gilt es, Speicher zu nutzen und traditionelle Heizarten mit der solarthermischen Anlage zu kombinieren. Der Deckungsgrad der installierten Anlage sollte aber in jedem Fall ihren Verbrauch während des Sommers gewährleisten können.

Info: Zur Berechnung hinzuzählen sollten Sie auch Waschmaschine oder Spülmaschine mit Warmwasseranschluss. Gerechnet werden diese Geräte mit etwa ¼ bis ½ Liter des Verbrauchs einer Person.

Berechnung der Kollektorfläche für die Heizungsunterstützung

In Abhängigkeit von einer optimalen Gebäudedämmung kann eine Solaranlage Heizeinsparungen von 20 bis zu 80% erbringen. Vor allem in der Übergangszeit – denn im Sommer ist die Heizung nicht notwendig – machen sich die Sparpotentiale bemerkbar.

Faustregel: Heizungsunterstützung

Als Faustregel kann man festhalten, dass pro Person im Haushalt für die Heizungsunterstützung ca. 4m² Flachkollektoren oder 3m² Vakuumröhrenkollektoren notwendig sind.
Im Bereich der Heizmöglichkeiten über eine solarthermische Anlage gilt, dass die Effizienz der Anlage sich nach folgenden Gesichtspunkten bestimmten lässt: die zu beheizende Wohnfläche, der Warmwasserverbrauch (besonders effektiv ist beispielsweise die Fußbodenheizung), die jährliche Sonneneinstrahlung, Dachneigung und die Größe des Daches sowie das allgemeine Klima.

Wie groß sollte die Anlage sein?

Der Ertrag der Solarthermieanlage ist abhängig von der Intensität der Sonneneinstrahlung. Die Intensität ist zum Teil beeinflussbar, beispielsweise durch die Lage der Montage auf dem Dach oder der Fassade – durch verschiedene Techniken kann der optimale Winkel erreicht werden – oder die Qualität der Kollektoren. Es gibt aber auch Faktoren, die nicht zu beeinflussen sind, wie die mangelnde Lichtintensität und –dauer im Winter. Trotzdem ist es bei der Erwärmung des Trinkwassers zum Duschen oder Baden fast das ganze Jahr möglich, auf eine weitere Energiequelle zu verzichten.

Durchschnittlich benutzt eine erwachsene Person pro Tag rund 50 Liter warmes Wasser. Geht man von einer typischen vierköpfigen Familie aus, die in einem Einfamilienhaus lebt, so sollte die solarthermische Anlagen-Größe zwischen 3,2 und 6 Quadratmeter liegen und der Warmwasserspeicher zwischen 280 und 400 Liter fassen. Pro Kopf kann man mit etwa 1 bis 1,5 Quadratmeter an Flachkollektorfläche – bei Vakuumröhren sogar etwa 25 Prozent weniger – und einem Trinkwasserspeicher von circa 75 Litern rechnen. Zumindest im Sommer reicht schon diese recht kleine Anlagen-Größe aus, um den Bedarf vollständig durch Sonnenenergie zu decken.

Um eine Heizung in einem Einfamilienhaus autark mit Sonnenenergie zu betreiben, würde man allerdings selbst bei guter Sonneneinstrahlung eine solarthermische Anlagen-Größe von mindestens 50 Quadratmetern und ein Volumen des Warmwasserspeichers von mindestens 700 Litern benötigen. Da dies kaum zu realisieren ist, empfiehlt es sich, eine solarthermische Anlage nur zur kräftigen Unterstützung der Heizung zu nutzen.

Was tun, wenn die Dachfläche zu klein ist?

Sollte das Dach zu klein sein, um mit der montierbaren Anzahl der Kollektoren den Bedarf nicht ausreichend decken zu können, oder sollten Ausrichtung und Neigungswinkel des Daches nicht optimal sein, kann die Möglichkeit der transparenten Wärmedämmung über die Fassade genutzt werden. Über diese werden die dahinterliegenden Räume erwärmt. Durch die Technik der transparenten Wärmedämmung gelangt die Sonnenwärme ohne Kollektoren direkt in das Innere des Hauses.

Die Wärmedämmung dient vor allen Dingen der Einsparung von Heizkosten. Besonders auf Bausubstanzen wie Kalkstein oder Beton, die eine hohe Dichte aufweisen, ist der Wirkungsgrad der transparenten Wärmedämmung besonders hoch. So kann ein einziger m² Fläche mit Wärmedämmung an der Südfassade eines Hauses Einsparungen von Heizöl von bis zu 10 Liter im Jahr bedeuten. Um eine Überhitzung zu vermeiden, werden Rollos oder eine Fassadenbegrünung eingesetzt. Auch Bäume oder Gebäude können durch ihren Schattenwurf eine Überhitzung abwenden.


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