Letzte Aktualisierung: 16.10.2024

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Solarthermie: Solarwärme zum Heizen

Bei der Solarthermie wird die Solarenergiedirekt 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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Typische Solarwärmeanlage für ein Einfamilienhaus für die Brauchwasserbereitung mit 2 Kollektoren. (Foto: energie-experten.org)

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Nutzung von Solarthermie

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.

Tabelle: Überschlägige Auslegung einer Solarthermie-Anlage für ein Einfamilienhaus mit 4 Personen
Parameter Solar für Heizung und Warmwasser Nur Warmwasser
Kollektor-Neigung 50 - 70° 35 - 50°
Abweichung Süd bis zu 45°C bis zu 60°
Kollektorfläche pro Person 2,5 - 4 m2 1,2 - 1,8 m2
Pufferspeicher-Größe 60 - 80 Liter pro m2 Kollektorfläche 40 - 50 Liter pro m2 Kollektorfläche
Solare Deckungsrate 20 - 25 % 50 - 65 %

Experten-Wissen: Die zunehmende Konkurrenz um Flächen ist eine der größten Herausforderungen der Energiewende. Die Solarthermie kann hier punkten. Die Flächeneffizienz von Solarthermie liegt um den Faktor 3 bis 4 über der Photovoltaik und um den Faktor 30 bis 50 über dem Energiepflanzenanbau und ermöglicht einen Wärmeertrag von rund 2 GWh pro Hektar Landfläche und Jahr.

Arten von Solarthermiekollektoren

Solarthermie wird in einen thermischen Sonnenkollektor absorbiert und über ein Wärmeträgermedium an ein Anwendungssystem weitergeleitet. Zusammen mit anderen notwendigen Komponenten bilden diese Absorber die thermische Solaranlage. 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

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.

Planung und Auslegung von Solarthermie-Anlagen

Die Auslegung der Solarthermie-Anlage muss von Fall zu Fall genau errechnet werden, um eine Unter- oder Überdimensionierung zu vermeiden. Das Dach sollte optimalerweise nach Süden ausgerichtet sein. Die Dachneigung sollte bei 25° bis 60° liegen. Eine steile Aufstellung ist bei einer heizungsunterstützenden Anlage von Vorteil, da in den Winter- und Übergangsmonaten die Sonne tiefer steht. So kann auch dann eine höhere solarthermische Deckungsrate erreicht werden.

Faustregeln zur Planung einer Anlage zur Warmwassererwärmung

  • Kollektorfläche pro Person ca. 1,5 m2 eines guten Flachkollektors oder ca. 1,0 m2 eines Vakuumröhrenkollektors
  • Speichervolumen ca. 60 bis 80 Liter pro m2 Kollektorfläche
  • Das Speichervolumen soll dem 1,5- bis 2-fachen des täglichen Warmwasserverbrauchs entsprechen.
  • Eine reine Brauchwasseranlage für einen Vier-Personen-Haushalt sollte eine Größe von ca. 6 m2 haben.

Faustregeln zur Planung einer Anlage zur Heizungsunterstützung und Warmwassererwärmung*

  • Kollektorfläche pro 10 m2 Wohnfläche ca. 1 m2 eines guten Flachkollektors oder 0,6 m2 eines Vakuumröhrenkollektors
  • Speichervolumen 50 Liter pro m2 Kollektorfläche, zuzüglich 50 Liter pro Person
  • Bei einer Heizungsunterstützung sollte auf jeden Fall eine Größe von 12 m2 mit ca. 800 Liter Speichervolumengewählt werden.

* Gilt für ein gut gedämmtes Einfamilienhaus z. B. Niedrigenergiehaus-Standard

Wirtschaftlichkeit: Wer in Solarthermie investiert, nutzt Sonnenenergie kostenlos. Dadurch amortisiert sich die Anlage, je nach Ertrag und Entwicklung der Energiepreise, in ca. 12-15 Jahren. Bei modernen Solarthermie-Anlagen können Sie mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 20-30 Jahren rechnen.

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