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Solaranlagen sind im Grunde genommen alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Im Folgenden möchten wir Ihnen gerne die Funktion von Solarthermie-Anlagen erklären und einige Varianten von thermischen Solar-Systemen vorstellen.

1. Wie die Solarthermieanlage funktioniert

Die Funktion der Solarthermie möchten wir gerne anhand der nebenstehenden Grafik erklären.

aufbau-solaranlage1. Innerhalb der Solarkollektoren, die man auf dem Dach sehen kann, befindet sich eine kalte Trägerflüssigkeit (hier blau dargestellt). Durch die Sonnenenergie wird diese Flüssigkeit im Kollektor richtig heiß und von der Pumpe weiterbefördert, bis sie zum Wärmetauscher gelangt (rot dargestellt).

2. Der Wärmetauscher ist im Grunde eine Art Heizspirale, durch die, die solar erwärmte Trägerflüssigkeit geleitet wird. Er befindet sich innerhalb des Wasserspeichers. Der Wärmetauscher sorgt dafür, dass die Wärme der nun erhitzten Wärmeträgerflüssigkeit auf das Trinkwasser im Speicher oder das Heizungssystem übertragen wird. Die Trägerflüssigkeit kommt niemals mit dem zu erwärmenden Wasser in direkte Berührung oder Vermischung, sondern sie wird durch eine Heißwasser-Spirale geleitet, welche den Speicher durchquert. Mittlerweile gibt es aber auch schon Systeme von einigen Herstellern, bei denen es keine zirkulierende Trägerflüssigkeit mehr gibt, sondern das zu erwärmende Wasser direkt in den Kollektoren erhitzt wird.

3. Der Solarspeicher übernimmt hier die Aufgabe einer Thermoskanne – hält also die erzeugte Wärme auf lange Zeit im Behälter. Eine üblicherweise angestrebte Temperatur innerhalb des Solarspeichers sind 50°C. Sobald die Temperatur erreicht wurde, schaltet sich die Pumpe (auch Umwälzpumpe genannt) ab. Nun wird warmes Wasser, beispielsweise zum Duschen oder um die Heizung zu betreiben, entnommen. Aber selbst wenn dies nicht der Fall sein sollte, dann kühlt der Speicher in den folgenden Stunden dennoch leicht ab. Sobald eine bestimmte Minimaltemperatur erreicht wurde (zum Beispiel 45°C), springt die Pumpe wieder an und die solar erwärmte Trägerflüssigkeit wird durch den Wärmetauscher geführt.

4. Reicht die Sonnenwärme nicht aus, wird im oberen Teil des Behälters das Wasser durch einen weiteren Wärmetauscher (der an das herkömmliche Heizsystem des Hauses angeschlossen ist) auf die nötige Temperatur gebracht. Wird es tatsächlich mal zu heiß im Speicher, so sorgt ein Überdruckventil für die nötige Sicherheit.

5. Sobald der Wärmeträgerflüssigkeit die Energie entzogen wurde, wird es wieder nach oben gepumpt und der Kreislauf beginnt von Neuem.

2. Varianten der Solarthermie

Bitte beachten Sie, dass immer neue Systeme auf dem Markt erscheinen und alte Solar-Systeme verbessert werden. Deshalb ist es möglich, dass die genannten Varianten nicht vollständig sind. Welches Solar-System im Endeffekt verwendet wird, ist individuell mit dem Fachmann abzuklären. Die folgende Auflistung ist also nicht dazu gedacht, dass Sie selber die komplette Planung einer Anlage übernehmen sollen, sondern Sie mit einem soliden Wissen zum Thema "Solarthermie" auszustatten, was bei dem Gespräch mit der Fachfirma immer eine Hilfe ist.

2.1. Solar Warmwasser erzeugen - High-Flow-System

Bei einer Durchflussmenge von ca. 30 bis 50 Litern pro Stunde durch die Kollektoren spricht man von einer High-Flow-Anlage. Bei dieser Fließgeschwindigkeit des Wärmeträgers (Flüssigkeit, die die Wärme aufnimmt und nachher das Wasser der Heizung erwärmt) wird dieser bei einer Einstrahlung von 800-1000 W/m² um ca. 10°C erwärmt.

Ist der Speicher also 20°C warm kommt der Wärmeträger mit 30° zurück. Ist der ganze Speicher dann schon auf 30°C gestiegen, dann kommt der Wärmeträger mit 40°C zurück und so weiter. Die Temperatur bei dieser Art der Solar-Warmwasser-Erzeugung steigt bei Sonneneinstrahlung also langsam und gleichmäßig.

2.2. Standard mit niedrigem Durchfluss - Low-Flow-System

Die Durchflussmenge durch den Kollektor wird auf 15 bis 20 Litern pro Quadratmeter (m²) reduziert, so dass der Wärmeträger stärker erwärmt wird (bleibt eben länger der Sonnenwärme ausgesetzt). Eine Erhöhung von 20 bis 30°C ist vorgesehen. Damit sich das nun heiße Wasser nicht mit dem kalten Wasser im Speicher vermischt, muss es schnell im Speicher nach oben gelangen, was durch externe Wärmetauscher und Schichtenspeicher ermöglicht wird.

Vorteile: Die gewünschte "hohe" Temperatur wird schneller erreicht.
Nachteile: Höhere Kosten durch Schichtenspeicher und externen Wärmetauscher.

2.3. Anlagen mit drehzahlgeregelter Pumpe - Matched flow

Die Pumpe der Solaranlage wird anhand der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher gesteuert, passt sich also der jeweiligen Sonneneinstrahlung an.

Vorteile: Die gewünschte Solltemperatur wird früher erreicht; die Pumpe taktet weniger beziehungsweise erst nach Bedarf.
Nachteile: Wie bei dem vorigen Solar-System sind wieder externe Wärmetauscher und ein Schichtenspeicher nötig - also höhere Kosten.

2.4. Solarthermieanlage mit photovoltaischer Pumpe

Die Pumpe wird über die Photovoltaikanlage mit Solarstrom versorgt, wenn die Sonne scheint.

Vorteil: Die Anlage kann in Außenbereichen ohne Strom verwendet werden; unter Umständen kann auf den Regler verzichtet werden.
Nachteil: Hohe Kosten für die Solarzellen (bis 500,00 EUR); es muss eine Gleichstrompumpe verwendet werden, welche teurer ist und anfälliger ist.

2.5. Solar-Warmwasser als Schwerkraftanlage

Bei dieser solaren Warmwasser-Gewinnung wird auf eine Pumpe verzichtet. Das erwärmte Wasser steigt automatisch in den Leitungen auf und gelangt zu dem über dem Kollektor liegenden Speicher (z. B. auf dem Dach). Das kalte Wasser im Speicher sinkt ab und gelangt so automatisch zum Kollektor, um dort wieder erwärmt zu werden.

2.6. Drain-Back-Anlagen

drain-back-anlageWenn die Pumpe nicht eingeschaltet ist wird bei diesem System der Kollektor vollständig entleert. Der Wärmeträger befindet sich hier in einem zusätzlichen Auffangbehälter.

Vorteile: Es besteht keine Frostgefahr bei dieser Variante, so dass als Wärmeträger auch Wasser eingesetzt werden kann. Es kann nicht zur Dampfbildung kommen.
Nachteile: Bei diesem System werden stärkere Pumpen gebraucht - damit also auch meist lautere. Kollektoren und Zuleitung müssen genau verlegt werden (mit Gefälle), damit beim Füllen alle Luft aus den Kollektoren gedrückt wird und beim Entleeren kein Wasser zurückbleibt, da es sonst doch Frostschäden oder Einbußen bei der Erwärmung auftreten.

2.7. Externe Wärmetauscher

externe-waermetauscher-anlageBei kleineren solarthermischen Systemen werden normalerweise die internen Wärmetauscher verwendet, welche als Heizschlange im Speicher selber vorhanden sind. Der externe Wärmetauscher ermöglicht eine bessere Übertragung der Wärmeleistung. Die folgende Zeichnung zeigt die Anordnung des Tauschers.

Vorteile: Im Speicher kann das erwärmte Wasser direkt nach oben geschichtet werden und es können größere Wärmeleistungen übertragen werden, weshalb sich das System für große Anlagen vorteilhaft verwenden lässt. Bei Verwendung mehrerer Speicher wird nur ein Wärmetauscher benötigt.
Nachteile: Höhere Anschaffungskosten aufgrund zweiter Pumpe

3. Weitere Möglichkeiten der Solarthermie

3.1. Verwendung mehrerer Solarspeicher

zwei-speicher-solaranlageDie nebenstehende Grafik zeigt die Verwendung von mehreren Speichern.

Vorteile: Wenn aus Platzgründen (Raumhöhe, Türbreite) ein einzelner großer Speicher nicht verwendet werden kann, besteht hier die Möglichkeit zwei kleinere zu benutzen. Mehrere Speicher sind oft günstiger in der Anschaffung und Montage, als ein einzelner großer Speicher.

3.2. Nachrüstung bei vorhandenen Systemen

nachrstung-solaranlageBei der Nachrüstung einer vorhandenen Anlage kann entweder der möglicherweise bereits vorhandene Speicher gegen einen Solarspeicher ersetzt werden, oder der neue zusätzliche solarthermische Speicher wird mit dem alten in Reihe geschaltet, wie unten auf der Zeichnung zu erkennen ist. Das Wasser wird jeweils im unteren Bereich der Speicher durch einen Wärmetauscher erwärmt.

3.3. Thermische Solaranlagen mit Schichtenspeichern

schichtenspeicherDieses System spart ca. 10% Energie im Gegensatz zu Standardanlagen. Dies wird dadurch erreicht, dass bei der Beladung des Speichers eine Durchmischung der verschiedenen Temperaturbereiche im Speicher vermieden wird.

Vorteile: Die Solltemperatur im oberen Speicherbereich wird schnell erreicht. Die Nachbeheizung des Wassers wird bei dieser Art thermischer Solaranlage stark vermindert. Da im Kollektorkreis normalerweise der Durchfluss reduziert ist, werden geringere Rohrquerschnitte benötigt, was Kosten spart und Wärmeverlust reduziert.
Nachteile: Sorgfältige Planung der Komponenten und des Durchflusses muss gewährleistet sein. Es wird ein externer Wärmetauscher und oft eine zusätzliche Pumpe benötigt -> zusätzliche Kosten.

3.4. Solarthermieanlagen mit Kombispeichern

kombispeicher-solaranlageKombispeicher dienen dazu, bei großen Speichern das Trinkwasservolumen klein zu halten.

Vorteil: Man spart sich die thermische Desinfektion des Trinkwassers, da das Trinkwasservolumen klein gehalten wird.
Nachteil: Es ist ein leistungsfähiger Wärmetauscher nötig, welcher die Anlage etwas teurer werden lässt.

3.5. Solarthermie-Anlagen mit Zirkulationsleitung

zirkulationsleitung-solaranlageBei langen Leitungen zwischen Speicher und Entnahmestelle kommt es schnell vor, dass das Wasser schon wieder abgekühlt ist und es lange dauert, bis wirklich warmes Wasser entnommen werden kann. In diesem Fall empfiehlt sich eine eine thermische Solaranlage mit Zikulationsleitung, in welcher das Wasser in einem Kreislauf immer wieder umgewälzt wird und so die Temperatur in der kompletten Leitung erhalten bleibt.

Vorteil: An den Zapfstellen kann ohne groß zu warten warmes Wasser entnommen werden.
Nachteile: Die Temperaturschichtung im Speicher wird gestört - dadurch kommt es zum Energieverlust. Man benötigt eine zusätzliche Pumpe um die Zirkulation in Gang zu halten - somit elektrischen Strom! In langen Leitungen entstehen immer Wärmeverluste - man sollte hier besonders auf gute Isolierung achten!

3.6. Thermische Solaranlagen mit Nachheizung

nachheizungHier bringt eine Durchlauferhitzer das bereits vorgewärmte Wasser auf die Solltemperatur. Man muss jedoch ein Gerät haben, was die Leistung entsprechend genau anpassen kann. Dieses System spart somit an Energie bei dem Durchlauferhitzer, da das Wasser bereits vorgewärmt ist!

Contact Person Autor des Artikels: Jascha Schmitz - Redakteur der Umweltportale: Solaranlagen-portal.de | Ihr-BHKW.de | Ihre-Waermepumpe.de | klaeranlagen-vergleich.de