Wissenswertes über thermische Solaranlagen

Solaranlagen
Eine Dachfläche muß nicht unbedingt exakt nach Süden ausgerichtet sein, um als Montagefläche für Sonnenkollektoren dienen zu können. Abweichungen aus der Südrichtung von bis zu 30° führen bei den in Deutschland üblichen Dachneigungen nur zu geringen Einbußen. Selbst reine Ost- oder Westorientierungen können durch eine entsprechend vergrößerte Kollektorfläche ausgeglichen werden. Der Neigungswinkel einer Dachfläche kann zwischen 20° und 60° betragen, wobei geringere Neigungswinkel die Energieausbeute der Solaranlage im Sommer begünstigen und steilere die Solarerträge im Winter. Bei Flachdächern bieten sich Aufständerungen an.

Kluge Dimensionierung: ein Muß
Einfaches Anlagenkonzept wählen
Warmwasserspeicher und Wärmetauscher
Der Solarkreislauf
Die Regelung
Vorausschauende Planung beim Hausbau
Kluge Dimensionierung: ein Muß

Richtig dimensionierte Solaranlagen bieten die beste Gewähr für einen zufriedenstellenden Betrieb. Voraussetzung dafür ist eine möglichst genaue Kenntnis des Warmwasserverbrauchs. Man sollte auch Möglichkeiten zur Senkung des Bedarfs bedenken. Bei diesen Fragen ist die Beratung durch einen Fachmann zu empfehlen. Als Anhaltspunkt bei der Dimensionierung einer kleinen Solaranlage ergibt sich bei einem mittleren Wasserverbrauch von 50 Litern pro Person und Tag (bei 45 °C) eine Kollektorfläche von 1,2 m² bis 1,5 m² pro Person.

Einfaches Anlagenkonzept wählen!
In Deutschland werden überwiegend Zweikreisanlagen mit Zwangsumlauf eingebaut. Dabei wird eine Wärmeträgerflüssigkeit von einer Pumpe in den Warmwasserspeicher transportiert, wo sie die Sonnenwärme über einen Wärmetauscher an das Trinkwasser im Speicher abgibt. Um Solaranlagen vor Frostschäden zu schützen, befindet sich im Solarkreislauf ein Wasser-Frostschutz-Gemisch. Im zweiten “Kreis” fließt das Trinkwasser zu den Zapfstellen. Bei Einkreisanlagen wird das Trinkwasser dagegen direkt im Kollektor erwärmt (üblich in südlichen Ländern ohne Frostgefahr).
Bei Thermosiphonanlagen entfallen Regelung und Solarkreis-Umwälzpumpe, da durch den Dichteunterschied der in Vor- und Rücklauf unterschiedlich warmen Wärmeträgerflüssigkeit eine Eigenzirkulation der Flüssigkeit zustande kommt. Meist scheitert der Aufbau einer solchen Anlage an der notwendigen Anordnung des Warmwasserspeichers über dem Kollektor.

Zweikreisanlage mit Zwangsumlauf

Warmwasserspeicher und Wärmetauscher nach oben

Der Warmwasserspeicher dient zur Bevorratung von Energie über strahlungsärmere Tage hinweg. Sein Volumen sollte etwa das 1,5- bis 2-fache des täglichen Warmwasserverbrauchs umfassen, das heißt 80 Liter bis 100 Liter pro Person.
Üblicherweise kommen emaillierte Stahlspeicher zum Einsatz, wie man sie aus der konventionellen Heizungstechnik kennt. Sie benötigen als Korrosionsschutz eine Magnesium- oder Fremdstromanode. Edelstahlspeicher verfügen über eine längere Lebensdauer, sind aber um einiges teurer.
Gute Solarspeicher haben eine schlanke, zylindrische Form, damit sich im Speicher eine Temperaturschichtung ausbilden kann. Dies erlaubt eine optimale Nutzung des erwärmten Trinkwassers im oberen Speicherbereich, ohne daß der gesamte Speicherinhalt auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden muß. Unerwünschte Durchmischung des Speicherinhaltes durch zufließendes Kaltwasser wird durch eine spezielle Rohrkonstruktion oder eine Prallpatte verhindert. Die Anordnung des Solarkreis-Wärmetauschers im unteren, kälteren Speicherbereich bewirkt, daß der Kollektor durch niedrigere Einlauftemperaturen in einem günstigeren Wirkungsgradbereich arbeitet.
Damit die Nachheizung nicht ein unnötig großes Volumen nacherwärmen muß, ist der Ladekreis-Wärmetauscher im oberen Teil des Speichers untergebracht.

Typen von Warmwasserspeichern mit zwei Wärmetauschern

Der Speicher sollte auf seiner ganzen Oberfläche eng anliegend und lückenlos mit einer mindestens 10 cm dicken Dämmung versehen sein. Eine weitere Senkung der Wärmeverluste wird erreicht, wenn die Anschlüsse nur an einer Stelle im kälteren Bodenbereich nach außen geführt werden (rechtes Bild).

Der Solarkreislauf
Der Solarkreislauf dient zum Transport der Sonnenwärme vom Kollektor zum Warmwasserspeicher. Um Wärmeverluste gering zu halten, sollten die Weglängen vom Kollektor zum Speicher möglichst kurz sein. Für Anlagen im Ein-/Zweifamilienhausbereich reichen meist Kupferrohre mit einem Durchmesser von 15 mm bis 18 mm aus, um einen optimalen Wärmetransport zu gewährleisten. Mit einer Dämmstärke von 30 mm sind die Rohrleitungen ausreichend gedämmt. Bei Rohrdurchmessern über 30 mm sollte die Dämmung mindestens die Dicke des Rohrdurchmessers haben.
Die Dämmung muß hohen Temperaturen standhalten und im Außenbereich UV- und witterungsbeständig sein. Als Dämmaterialien kommen zum Einsatz: Mineralwolle, Polyurethan-Rohrschalen, Schaumgummi.

Armaturen und Sicherheitseinrichtungen im Solarkreislauf

Gängige Durchflussraten in kleinen Solaranlagen betragen 30 Liter bis 50 Liter pro Stunde und m² Kollektorfläche. Die Solarkreis-Umwälzpumpe muß diesen Durchfluß garantieren können. Zum Einsatz kommen in der Regel konventionelle Heizungspumpen mit einer elektrischen Aufnahmeleistung zwischen 40 W und 80 W. Die Pumpe sollte immer im kälteren Rücklauf des Solarkreises eingebaut sein, um sie nicht unnötig den hohen Temperaturen im Vorlauf auszusetzen. Damit beim Auswechseln einer defekten Pumpe nicht das ganze System entleert werden muß, werden vor und hinter der Pumpe Absperrschieber montiert.
Typische Betriebsdrücke von Solaranlagen liegen bei etwa 4 bar. Sie können über ein Manometer kontrolliert werden. Das Sicherheitsventil sollte auf einen um etwa 0,3 bar höheren Ansprechdruck hin öffnen. Mit einem Auffangbehälter kann die Wärmeträgerflüssigkeit aufgefangen und dem Solarkreislauf über einen der Befüllhähne wieder zugeführt werden.
Die Thermometer in Vor- und Rücklauf dienen zur Betriebskontrolle der Anlage. Um bei mangelnder Einstrahlung oder in der Nacht einen Wärmeabzug aus dem Speicher über den kälteren Kollektor durch Schwerkraftumwälzung zu verhindern, wird im Rücklauf ein Rückschlagventil montiert.
Das Ausdehnungsgefäß hält den Druck in der Anlage stabil und nimmt die durch unterschiedliche Temperaturen bedingte Volumenänderungen der Wärmeträgerflüssigkeit auf. Das Volumen des Ausdehnungsgefäßes muß aus Sicherheitsgründen ausreichend groß sein. Es sollte die gesamte Wärmeträgerflüssigkeit aus den Kollektoren aufnehmen können. Das Entlüftungsventil dient zum Entlüften des Solarkreislaufes nach dem Befüllen mit Wärmeträgerflüssigkeit. Es ist an der höchsten Stelle des Solarkreislaufes anzubringen.

Die Regelung
Meistens ist ein einfacher Temperaturdifferenzregler für die Regelung einer kleinen Solaranlage zur Warmwasserbereitung ausreichend. Der Regler stellt über zwei Temperaturfühler fest, wann die Temperatur am Kollektoraustritt höher ist als im Speicher auf Höhe des Solarkreis-Wärmetauschers und setzt daraufhin die Solarkreis-Umwälzpumpe in Betrieb. Meist werden die Solarregler so eingestellt, daß für den Pumpenstart eine Temperaturdifferenz von etwa 5 °C bis 8 °C zwischen Kollektor und Speicher notwendig ist. Sinkt diese Temperaturdifferenz auf 2 °C bis 3 °C ab, wird die Solarkreis-Umwälzpumpe durch den Solarregler wieder außer Betrieb genommen.

Vorausschauende Planung beim Hausbau
Sollten Sie ein Haus bauen oder umbauen, sich aber noch nicht für eine Solaranlage entscheiden können, denken Sie daran, daß im Rahmen der Umbauarbeiten bereits Vorbereitungen für den späteren Einbau einer Solaranlage getroffen werden können (Führungen für zwei Kupferrohre 18 ´ 1 und ein fünf-adriges Elektrokabel vom Heizraum bis unters Dach). Das spart Ihnen später viel Arbeit und Geld. Mehr Tipps unter www.ikratos.de