Eine Dachfläche muss nicht unbedingt exakt nach Süden ausgerichtet sein, um als Montagefläche für Sonnenkollektoren einer Solaranlage für die Warmwasserbereitung dienen zu können. Abweichungen aus der Südrichtung von bis zu 30° führen bei den in Deutschland üblichen Dachneigungen nur zu geringen Einbußen für die Solarthermie. 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
Richtig dimensionierte Solaranlagen für die Warmwasserbereitung 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. Währenddessen fließt zweiten „Kreis“ das Trinkwasser zu den Zapfstellen. In der Regel befindet sich im Solarspeicher einer Solaranlage für die Warmwasserbereitung noch ein zweiter Wärmetauscher, mit dem der Heizkessel das Trinkwasser nachheizt, wenn nicht genügend Sonne scheint.
Bei Einkreisanlagen wird das Trinkwasser dagegen direkt im Kollektor erwärmt (üblich in südlichen Ländern ohne Frostgefahr). Eine spezielle Art der Einkreisanlage ist die Schwerkraftanlage, die auch Thermosiphon genannt wird. 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. Solche Thermosiphonanlangen sind in südlichen Ländern weit verbreitet. In Deutschland scheitert der Aufbau einer solchen Anlage hingegen meist an der notwendigen Anordnung des Warmwasserspeichers über dem Kollektor.
Warmwasserspeicher und Wärmetauscher
Der Warmwasserspeicher einer Solaranlage für die Warmwasserbereitung 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. Typische Solarspeicher umfassen 300 bis 500 Liter Inhalt.
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. Kunststoffspeicher sind eine weitere Alternative.
Temperaturschichtung
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 außerdem 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. Der Speicher sollte zudem auf seiner ganzen Oberfläche eng anliegend mit einer mindestens 10 cm dicken Dämmung versehen sein. Besonders gute Solarspeicher mit der Energieeffizienzklasse A oder besser, sind aber mit wesentlichen dickeren Isolierungen ausgestattet oder enthalten Vakuumisolierungen. Eine weitere Senkung der Wärmeverluste wird erreicht, wenn die Anschlüsse nur an einer Stelle im kälteren Bodenbereich nach außen führen. Warme Anschlüsse müssen mit einem Siphon versehen sein – also einem kurzen Rohrstück, dass nach unten führt. Sonst führt die sogenannte Einrohrzirkulation im Anschlussrohr zu starken Wärmeverlusten. Auch so genannte Konvektionsbremsen in den Anschlüssen reduzieren die Wärmeverluste durch eine Einrohrzirkulation.
Der Solarkreislauf
Der Solarkreislauf dient zum Transport der Sonnenwärme vom Kollektor zum Warmwasserspeicher. Um dabei Wärmeverluste gering zu halten, sollten die Weglängen vom Kollektor zum Speicher möglichst kurz sein. Für Anlagen im Ein-/Zweifamilienhausbereich reichen dafür meist Kupferrohre mit einem Durchmesser von 15 mm bis 18 mm aus. Mit einer Dämmstärke von 30 mm sind solche Rohrleitungen ausreichend gedämmt. Bei Rohrdurchmessern über 30 mm sollte aber die Dämmung mindestens die Dicke des Rohrdurchmessers haben.
Die Dämmung muss hohen Temperaturen standhalten und im Außenbereich UV- und witterungsbeständig sein. Als Dämmmaterialien kommen deshalb zum Einsatz: Mineralwolle, Polyurethan-Rohrschalen, Schaumgummi.
Gängige Durchflussraten in kleinen Solaranlagen für die Warmwasserbereitung betragen 30 Liter bis 50 Liter pro Stunde und m² Kollektorfläche. Die Solarkreis-Umwälzpumpe muss diesen Durchfluss also garantieren können. Zum Einsatz kommen spezielle Solarpumpen. Früher benötigten Solarkreis-Umwälzpumpen eine elektrische Aufnahmeleistung zwischen 40 W und 80 W. Heute sind demgegenüber Hocheffizienzpumpen Stand der Technik, die mit 3 bis 25 W auskommen. 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 zu entleeren ist, werden vor und hinter der Pumpe Absperrschieber montiert.
Technische Anforderungen
Typische Betriebsdrücke von Solaranlagen für die Warmwasserbereitung 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 in einem solchen Fall 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 außerdem 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 deshalb aus Sicherheitsgründen ausreichend groß sein. Denn es sollte die gesamte Wärmeträgerflüssigkeit aus den Kollektoren aufnehmen können. Das Entlüftungsventil dient zum Entlüften des Solarkreislaufes nach dem Befüllen mit Wärmeträgerflüssigkeit. Es ist daher an der höchsten Stelle des Solarkreislaufes anzubringen.
Die Regelung
Meistens ist ein einfacher Temperaturdifferenzregler für die Regelung einer kleinen Solaranlage für die Warmwasserbereitung ausreichend. Dieser Regler stellt über zwei Temperaturfühler fest, wann die Temperatur am Kollektoraustritt höher ist als im Speicher auf Höhe des Solarkreis-Wärmetauschers. Daraufhin setzt er die Solarkreis-Umwälzpumpe in Betrieb. Meist werden die Solarregler so eingestellt, dass für den Pumpenstart eine Temperaturdifferenz von 5 bis 8 °C zwischen Kollektor und Speicher notwendig ist. Sinkt diese Temperaturdifferenz auf 2 °C bis 3 °C ab, nimmt der Solarregler die Solarkreis-Umwälzpumpe wieder außer Betrieb.
Vorausschauende Planung beim Hausbau
Sollten Sie ein Haus bauen oder umbauen, sich aber noch nicht für eine Solaranlage für die Warmwasserbereitung entscheiden können, denken Sie daran, dass Sie im Rahmen der Umbauarbeiten bereits Vorbereitungen für den späteren Einbau einer Solaranlage treffen können. Beispielsweise Führungen für zwei Kupferrohre mit jeweils 18 mm Durchmesser und ein fünf-adriges Elektrokabel vom Heizraum bis unters Dach. Das spart Ihnen später viel Arbeit und Geld.
Text mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V./ Überarbeitung SolarServer 2019
Aktuelle Meldungen zum Thema Solarthermie finden Sie unter diesem Link auf dem Solarserver.