Solarkollektortypen

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Ein zentrales Bauteil jeder Solaranlage ist der sogenannte Solarkollektor. In den Kollektoren wird die einfallende Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt. Im Wesentlichen wird durch die Sonnenstrahlung ein Wärmeträger (z.B. Solarflüssigkeit) im Kollektor erhitzt. Dieser Wärmeträger zirkuliert im Solarkreis und stellt die Wärme der Warmwasserbereitung und / oder dem Heizungssystem zur Verfügung (siehe dazu: Solartechnik). Für die richtige Auswahl eines Kollektors sind grundsätzlich Kriterien wie Temperaturbereich, Standort, Platzangebot, Witterungsverhältnisse und die Kosten ausschlaggebend.

Die gebräuchlichsten Kollektortypen sind dabei:

• Flachkollektoren
• Vakuumröhrenkollektoren

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Flachkollektoren sind die in Deutschland am häufigsten eingebaute Kollektorart. Sie werden auf Hausdächern als Indach- oder Aufdachlösung installiert, können aber auch an der Fassade montiert oder frei aufgestellt werden. Flachkollektoren sind preiswerter als Röhrenkollektoren und werden für die Warmwasserbereitung, Schwimmbaderwärmung und zur Unterstützung der Raumheizung eingesetzt. Standardkollektoren besitzen eine Bruttokollektorfläche (Außenmaße) von ca. 2 bis 2,5 m².

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Ein Flachkollektor besteht aus einer Abdeckplatte (auch „Solarglas“ genannt), dem Absorber und dem Kollektorgehäuse mit Wärmedämmung. Die Abdeckplatte soll die Sonnenstrahlen gut durchlassen, aber die Wärmerückstrahlung des Absorbers und Wärmeverluste durch Konvektion möglichst verhindern. Der Absorber bildet das Kernstück des Kollektors. Hier werden die Sonnenstrahlen aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Das Gehäuse bildet den Rahmen des Kollektors und ist mit einer guten Wärmedämmung versehen, um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Die Qualität des Rahmens ist für eine langjährige Funktionssicherheit des Kollektors von großer Bedeutung.

Die Sonnenstrahlen durchdringen das Sicherheitsglas des Kollektors, treffen auf die Absorberfläche und werden hier in Wärme umgewandelt. Eine selektive Beschichtung des Absorbers sorgt dafür, dass möglichst viel Wärme aufgenommen (hohes Absorptionsvermögen) und möglichst wenig Wärme abgestrahlt wird (geringer Emissionsgrad). Am bzw. im Absorber sind Rohre oder Kanäle untergebracht (meistens aus Kupfer), die von der Solarflüssigkeit durchflossen werden. Diese nimmt die Wärme auf und transportiert sie durch den Solarkreislauf zum Speicher oder Wärmetauscher. Der wichtigste Teil des Kollektors ist also der Absorber, denn hier findet die Energieumwandlung und Wärmeübertragung statt. Gute Absorber zeichnen sich vor allem durch eine geringe Aufheizzeit, Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Wärmeübertragung aus.

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Röhrenkollektoren stellen bei der Nutzung von Solarthermie eine Alternative zu den weitverbreiteten Flachkollektoren dar. Letztere sind vor allem aus dem Grund weiter verbreitet, weil sie in der Anschaffung deutlich preiswerter sind als Röhrenkollektoren, die gemeinhin auch als Vakuumröhrenkollektoren bezeichnet werden. Dafür bieten Röhrenkollektoren aber auch einen deutlich höheren Wirkungsgrad als die Flachkollektoren. Größtes Einsatzgebiet ist die kombinierte Warmwasser- und Heizungsunterstützung in Ein- und Mehrfamilienhäusern.

Der Kollektor besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Glasröhren (5 - 30 Stück), die auf einen Rahmen montiert sind. Die Röhren werden aus einem speziellen Glas mit Wandstärken von 1,5 bis 3 mm gefertigt. Gegenüber dem Solarglas für Flachkollektoren besitzt dieses Glas eine höhere mechanische und thermische Stabilität. Im Inneren der Glasröhre befindet sich der Absorber. Die Vor- und Rücklaufleitungen befinden sich an einem Sammelkasten. Hinsichtlich ihrer Bauform unterscheidet man zwischen direkt und indirekt durchströmten Vakuumröhren („Heat-Pipe-Prinzip“).

Das Umwandeln von Sonnenlicht in Wärme am Absorber ist im Flachkollektor und im Vakuumröhrenkollektor grundsätzlich gleich. Anders als beim Flachkollektor ist bei Röhrenkollektoren der Absorber nicht der Luft ausgesetzt sondern befindet sich stattdessen in einem luftleeren Raum, dem Vakuum. Das Vakuum innerhalb der Röhre verhindert jede Luftströmung und unterbindet damit, ähnlich wie bei einer Thermoskanne, die Wärmeverluste. Trotz der hohen Absorbertemperaturen bleibt das Glasrohr außen kalt. Wegen der geringen Wärmeverluste bei hohen Temperaturen und Temperaturdifferenzen sind diese Kollektoren besonders für den Einsatz zur Gebäudeheizung oder zur solaren Klimatisierung bzw. Kälteerzeugung geeignet.

Um einen optimalen Ertrag mit der Solaranlage zu erzielen, sollten die Kollektoren nach Süden ausgerichtet sein. Denn über den Tag verteilt ist die Sonneneinstrahlung in den Mittagsstunden am höchsten. Baulich ist eine Dachmontage in südlicher Himmelsrichtung jedoch nicht immer möglich. Dies ist weniger gravierend, da sich bei einer Abweichung von 30 Prozent nach West oder Ost der Ertrag nur um etwa 5 Prozent verringert. Dächer mit einer Ausrichtung nach Süd-Westen oder Süd-Osten sind für eine Solarheizung deshalb ebenfalls gut geeignet Der Westen erwirtschaftet geringfügig höhere Erträge als der Osten und ist deshalb vorzuziehen, wenn eine Ausrichtung nach Süden nicht möglich ist. Dächer, die nach Norden zeigen, sind für Solaranlagen eher nicht geeignet. Da die Sonneneinstrahlung in Deutschland unterschiedlich ist, variieren die Erträge nach Region. Im Süden Deutschlands ist die Sonneneinstrahlung grundsätzlich höher als in den nördlichen Gebieten. Eine Abweichung von der optimalen Dachausrichtung ist daher in Süddeutschland nicht so gravierend wie in den nördlichen Bundesländern. Neben den regionalen Unterschieden sollte vor einer Dachmontage auch überprüft werden, ob die Dachfläche für die Solaranlage zu keiner Tageszeit im Schatten liegt. Umstehende Bäume, Nachbarhäuser, Dachfenster, Schornsteine oder Satellitenschüsseln können je nach Stand der Sonne Schatten auf das Dach werfen.

Neben der Dachausrichtung hat die Dachneigung einen erheblichen Einfluss auf den Ertrag einer Solaranlage. Im optimalen Fall treffen die Sonnen­strahlen im rechten Winkel auf die Kollektoren. Allerdings ändert sich der Neigungs­winkel je nach Jahreszeit, da die Sonne höher oder tiefer am Himmel steht. In Deutschland ist neben der direkten Sonnenstrahlung auch ein hoher Anteil an diffuser Strahlung vorhanden. Aufgrund dessen sind auch Dächer mit einer Abweichung von der optimalen Dachneigung noch für die Solarheizung geeignet. Grundsätzlich ist es bei ausreichender Größe der Dachfläche möglich, einen geringeren Ertrag durch eine entsprechend größere Kollektorfläche auszugleichen. Denn bei Schrägdächern ist die Dachneigung vorgegeben und nicht beeinflussbar. Neigungswinkel von weniger als 15 Grad sind (ohne Aufständerung) eher nicht für eine Solaranlage geeignet.

Wichtig bei der Bestimmung der optimalen Dachneigung ist, welches System auf dem Dach installiert werden soll. Da eine Solaranlage zur Trinkwasser­erwärmung größtenteils im Sommer genutzt wird, ist ein geringerer Neigungswinkel von rund 30 bis 50 Grad durch den hohen Sonnenstand optimal. Solaranlagen zur Heizungsunter­stützung werden oft in den Übergangs­monaten im Frühjahr und Herbst genutzt, wenn die Sonne tiefer am Himmel steht. Daher ist bei dieser Form der Solarheizung eine Neigung von rund 45 bis 70 Grad ideal. Ein zu hoher Ertrag im Sommer kann aufgrund mangelnden Wärmebedarfes ohnehin nur zu geringen Teilen genutzt werden und es kann zur Stagnation kommen.

Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf die Montage von Flachkollektoren, da dies die am häufigsten installierte Bauart ist. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Montageanleitung des jeweiligen Kollektorherstellers zu beachten ist. Je nach baulichen Gegebenheiten können Solarkollektoren auf drei verschiedene Arten montiert werden:

• Aufdachmontage
• Indachmontage
• Flachdachaufstellung

Siehe dazu auch: Dächer

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Bei der Aufdachmontage werden die Kollektoren über der Dacheindeckung mit Hilfe von besonderen Haltern und Schienen befestigt. Diese, nach den gängigen Dachziegeltypen erhältlichen Dachklammern, werden am Dachsparren oder auf einer daran angebrachten Dachlatte befestigt. Die Dachklammern sind so geformt, dass sie unterhalb des Dachziegels nach außen reichen und somit die Dacheindeckung nach Beendigung der Montage geschlossen bleibt. An den Klammer wird entweder der Kollektor oder, vor allem bei mehreren Kollektoren, eine Montageschiene zur Kollektorbefestigung angebracht. Mit unterschiedlichen Halteblechen und/oder Klemmvorrichtungen werden die einzelnen Kollektoren meist zusätzlich noch sturmsicher fixiert. Um eine vollständige Entlüftung zu erreichen, muss das gesamte Kollektorfeld eine leichte Schrägstellung zur Anschlussseite hin besitzen. Der Anschluss der Kollektoren an das Heizungssystem kann zum Beispiel mit zwei wärmegedämmten Edelstahl-Wellrohrschläuchen erfolgen, die durch Lüfterziegel in das Dachinnere geführt werden.

Siehe dazu auch: Dachkonstruktion

Für die Aufdachmontage gilt folgendes:

• Häufigste Montageart bei Altbauten und generell bei Dachneigungen von 25° - 45°
• Schnelle und kostengünstige Montage
• Anschlussverrohrung oberhalb der Dachhaut
• Etwas höhere Wärmeverluste als bei Indachmontage möglich

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Bei der Indachmontage werden die Kollektoren anstelle der Dachziegel direkt auf die Dachlattung montiert und mit speziellen Blechen oder Rahmen in einer Ebene mit den Dachziegeln in das Dach eingebunden. Besondere Merkmale der Indachmontage sind:

• Kollektoren können nur vertikal eingebaut werden
• Dachneigung muss > 25° betragen
• Im Bereich der Kollektoren werden keine Dachziegel benötigt, optisch sehr ansprechend
• Montageaufwand ist größer, da die Kollektoren von allen Seiten regensicher in das Dach eingebaut werden müssen

Bei der Flachdachaufstellung werden die Kollektoren meist mit Hilfe entsprechender Stützkonstruktion auf das Flachdach oder andere ebene Flächen gestellt. Da das Gestell zur Kollektoraufnahme verstellbar ist, können verschiedene Aufstellwinkel gewählt und der optimale Kollektorneigungswinkel von 45° eingestellt werden. Wenn mehrere Kollektoren hintereinander aufgestellt werden, ist auf ausreichenden Abstand zu achten, damit es nicht zu gegenseitiger Beschattung kommt. Die Dachhaut kann bei dieser Montageart meist unverändert bleiben, da die Befestigung der Kollektoren mit Hilfe von Auflagerfüßen, zum Beispiel Betonplatten oder mit Kies gefüllte Wannen) vorgenommen wird. Besondere Merkmale der Flachdachaufstellung sind:

• Für die Zusatzdachlasten (Kollektoren, Stützkonstruktion, Gewichte) ist ein statischer Nachweis erforderlich
• Neigungswinkel und Orientierung zur Sonne sind optimal einstellbar
• Geringer Montageaufwand, allerdings besondere Sturmsicherung erforderlich
• Höhere Wärmeverluste als bei Indachmontage
• Wenn Dachdurchbrüche erforderlich sind, ist auf sorgfältige Abdichtung zu achten

Siehe dazu auch: Flachdach

Beispiel: Solarplatten an einer Hausfassade

Ist die Dachfläche eines Gebäudes für die Montage von Kollektoren ungeeignet (z.B durch mangelnde Größe oder ungünstige Ausrichtung) können die Kollektoren auch an, genauer eher in der Hausfassade angebracht werden. Idealerweise bieten sich dabei Fassaden an, welche nach Südwesten, Süden oder Südosten ausgerichtet sind Die Konstruktion, welche die Solarkollektoren an der Gebäudewand trägt, bietet einen Witterungsschutz durch das Gehäuse des Kollektors und kann als optisches Gestaltungselement betrachtet werden.

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