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Solarthermie: Solarwärme zum Heizen

Solarthermie beschreibt die umweltfreundliche Nutzung der Sonnenenergie zur Wärmeerzeugung

Bei der Solarthermie wird die Solarenergie direkt in Wärme umgewandelt und vor Ort genutzt. Solarthermie lässt sich so zur Heizungsunterstützung oder Unterstützung der Warmwasserbereitung einsetzen. In speziell konzipierten Neubauten lässt sich durch Solarthermie auch die Wärmebereitstellung komplett durch Solarenergie erzeugen. So reduziert Solarthermie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen maßgeblich und ist eine wichtige erneuerbare Energiequelle im Zuge der Energiewende.

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Nutzung von Solarthermie

Typische Solarwärmeanlage für ein Einfamilienhaus für die Heiz- und Brauchwasserbereitung mit 4 Kollektoren. (Foto: energie-experten.org)
Typische Solarwärmeanlage für ein Einfamilienhaus für die Heiz- und Brauchwasserbereitung mit 4 Kollektoren. (Foto: energie-experten.org)

Solarthermiekollektoren absorbieren die Sonnenwärme und leiten diese über einen Flüssigkeitskreislauf in einen Wärmespeicher. Im Inneren eines Solarthermiekollektors herrschen je nach Bauart bis zu mehreren 100 Grad Celsius. Eine Glasabdeckung verhindert dabei, dass die aufgenommene Wärme wieder in die Umgebungsluft abgestrahlt wird.

Für eine maximale Energieausbeute sollte der Solarthermiekollektor im 90-Grad-Winkel zur Sonne aufgestellt werden und nach Süden ausgerichtet sein. Lässt die Sonnenstrahlung nach, so ersetzen andere Wärmeerzeuger den Solarthermieanteil. Je nach Ausrichtung, Größe und technischer Einbindung kann Solarthermie einen Beitrag zur Heizwärmeerzeugung von rund 60% erbringen.

Arten von Solarthermiekollektoren

Das von einem Röhrenkollektor erwärmte Wasser wird in einem Pufferspeicher zwischengespeichert (Foto: energie-experten.org)
Das von einem Röhrenkollektor erwärmte Wasser wird in einem Pufferspeicher zwischengespeichert (Foto: energie-experten.org)

In Wohngebäuden werden heute in der Regel Flachkollektoren und Röhrenkollektoren verwendet.

Flachkollektoren zeichnen sich durch einen flächigen Absorber aus. Damit möglichst wenig Wärme verloren geht, ist der Flachkollektor auf der Unterseite wärmegedämmt und oben mit einer Glasscheibe abgedeckt. Der Absorber selbst besitzt eine selektive Beschichtung.

Beim Vakuumröhrenkollektor liegt der Absorber im Inneren zweier Glasröhren, zwischen denen ein Vakuum herrscht. Das Vakuum im Röhrenkollektor verhindert, dass die gesammelte Sonnenwärme wieder an die vorbeiströmende Luft abgegeben wird. Die meisten Röhrenkollektoren sind mit einem Parabolspiegel ausgestattet (CPC-Technologie), der die Sonnenstrahlung auf den Kollektor lenkt. Ein Vakuumröhrenkollektor besteht jeweils aus mehreren solcher Röhren und kann auch bei bewölktem Himmel oder ungünstigeren Aufstellbedingungen noch mehr Wärme einsammeln als ein Flachkollektor.

Funktion einer Solarthermieanlage

Wie funktioniert Solarthermie? (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)
Wie funktioniert Solarthermie? (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)

Die über Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren aufgenommene Solarthermie wird dann über ein Rohrsystem, in dem eine Solarflüssigkeit bestehend aus Wasser versetzt mit einem Frostschutzmittel zirkuliert, an das Wasser eines Wärmespeichers abgegeben. Hierbei unterscheidet man Brauchwasserspeicher und Pufferspeicher und Sonderformen wie Kombispeicher und Schichtenspeicher.

Die Zirkulation der Solarthermie wird von einer Solarpumpe angetrieben, die das kühle Medium auch wieder zurück in den Solarthermiekollektor führt. Eine Solarthermieregelung steuert in diesem Kreislauf, wann die Umwälzpumpe in Betrieb geht. Sensoren melden dabei die Temperaturen von verschiedenen Punkten der Solarthermieanlage an den Solarregler. Sobald die Temperatur am Solarthermiekollektor höher ist als im Wärmespeicher, wird die Solarflüssigkeit in den Kreislauf gepumpt. Ist die Temperatur geringer, so schaltet sich die Umwälzpumpe im Solarthermiekreislauf wieder ab. Wird dann Wärme benötigt, übernimmt eine weitere Heizung die Wärmeerzeugung für die Heizung und die Warmwasserbereitung.

Kennwerte für den Solarthermie-Ertrag

Den tatsächlich nutzbaren Teil der insgesamt solar erzeugten Wärme nennt man Ertrag oder Solarertrag. Aufgrund der bautechnischen Unterschiede zwischen den einzelnen Kollektortypen kann man jedem Kollektor einen systemspezifischen Ertrag zuschreiben, der dann Kollektorertrag oder Systemertrag genannt wird.

Der Systemertrag ist dabei grundsätzlich abhängig von der sogenannten Globalstrahlung (auch globale Solarstrahlung genannt). Das ist die Menge an Sonnenenergie, die auf die Oberfläche der Erde auftrifft. In Deutschland trifft eine jährliche Globalstrahlung zwischen 950 und 1.250 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter (m2) auf eine waagerechte Fläche. Wegen systembedingter Energieverluste gilt für Solarthermie-Kollektoren jedoch nicht die eben bezifferte Globalstrahlung als Richtwert für den jährlichen Ertrag, sondern ein Wert zwischen 450 und 600 kW/m2.

Je mehr Sonnenstrahlung auf den Kollektor trifft, desto höher ist der Solarthermie-Ertrag. Für Deutschland gilt: Die Solarstrahlung ist im Norden (Ostsee) und im Süden höher als im Rest der Republik. Zudem gilt: Je optimaler die Kollektorfläche gen Sonne ausgerichtet ist, desto mehr solarthermische Wärme kann erzeugt werden. Dachausrichtung, Dachneigungswinkel und Verschattung beeinflussen, wie viele Sonnenstrahlen über den Tag und übers Jahr auf den Kollektor treffen.

Der Energieaufwand für die Warmwasserbereitstellung kann von Mai bis Oktober über den Solarertrag einer Solarthermie-Anlage nahezu komplett abgedeckt werden. (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)
Der Energieaufwand für die Warmwasserbereitstellung kann von Mai bis Oktober über den Solarertrag einer Solarthermie-Anlage nahezu komplett abgedeckt werden. (Grafik: Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH), Köln)

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"Solarthermie: Solarwärme zum Heizen" wurde am 26.08.2012 verfasst und am 05.12.2016 das letzte Mal aktualisiert.