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Berechnung und Kennzahlen der Aperturfläche von Solarkollektoren

Was ist die Aperturfläche? Wie wird die Kollektorkenngröße berechnet? Wie unterscheidet sich die Aperturfläche von der Bruttokollektorfläche und der Absorberfläche? Welche Unterschiede bestehen bei Flach- und Röhrenkollektoren?

Wir machen Sie mit diesem Artikel mit einer wichtigen Kenngröße von Solarthermie-Kollektoren bekannt: der Aperturfläche. Sie erfahren, was die Aperturfläche eines Kollektors ist und in welchem Verhältnis sie zu den anderen beiden Flächenkenngrößen Bruttokollektorfläche und Absorberfläche steht. Wir zeigen Ihnen zudem die Berechnungsformeln für die Aperturfläche unterschiedlicher Kollektortypen und informieren Sie über die praktische Bedeutung der Aperturfläche zur Beurteilung von Leistungsparametern von Kollektoren. Nicht zuletzt geht es um die umstrittene flächen- und nicht leistungsbezogene Förderung von Solarthermie.

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Begriffserklärung: Was versteht man i.A. unter dem Begriff Apertur?

Der Begriff Apertur ist abgeleitet vom lateinischen Wort „apertus“, was man mit „offen“ oder „geöffnet“ ins Deutsche übersetzen kann. Mit dieser Bedeutung nutzt man den Begriff Apertur beispielsweise als Bezeichnung für die Keimöffnung der Pollen von Blütenpflanzen oder für die Öffnung des Schneckengehäuses an der Unterseite.

In der Optik versteht man unter der Apertur die freie Öffnung eines optischen Gerätes (deren sogenannte Öffnungsweise oder Durchmesser), durch die hindurch die Lichtstrahlen ausgesendet bzw. empfangen werden. Die Fläche der Öffnung ist demnach die sogenannte Aperturfläche.

Flächenkenngrößen: Apertur-, Absorber- und Bruttokollektorfläche

Die Aperturfläche als Maß für den Lichteinfall

In der Solarthermie-Technik ist die Aperturfläche (mitunter auch Aperturkollektorfläche genannt) eine wichtige Kenngröße für Solarthermie-Kollektoren. Sie bezeichnet die Lichteintrittsfläche des Kollektors. Anders ausgedrückt ist die Aperturfläche die Flächenprojektion der Lichteinfallsfläche auf den Absorber. Zusammen mit der Bruttokollektorfläche und der Absorberfläche charakterisiert die Aperturfläche einen Kollektor.

Die Bruttokollektorfläche als Maß für den Platzbedarf

Die Bruttokollektorfläche eines Kollektors (auch Bruttofläche oder Kollektorfläche genannt) ergibt sich aus dessen Außenmaß, sprich aus seinen äußeren Abmessungen Breite mal Länge. Sozusagen ist die Bruttokollektorfläche die sichtbare Größe, sprich: das Sichtmaß, des Kollektors.

Damit ist die Bruttokollektorfläche entscheidend für die Planung einer Solarthermie-Anlage (insbesondere Montageplanung), da sie darüber informiert, wie viel Platz für die Installation der Solaranlage auf dem Dach, an einer Installationswand oder auf einer anderen (freien) Aufstellfläche benötigt wird. Es gilt also:

Bruttokollektorfläche ist gleich Installationsfläche (Breite mal Länge der Aussenabmessngen) des Kollektors

Hierbei unterscheidet man nicht in die Kollektortypen Flachkollektor und Röhrenkollektor (siehe unten).

Die Absorberfläche (Nettofläche) als Maß für die Wärmeerzeugung

Die Absorberfläche meint dagegen die Fläche des Kollektors, die tatsächlich der Wärmeerzeugung dient, indem solare Strahlungsenergie in nutzbare Wärme umgewandelt wird. Analog zur Bruttokollektorfläche wird die Absorberfläche auch als Nettofläche des Kollektors bezeichnet.

Tabelle 1: Beispiele für die Flächenverhältnisse von Flachkollektoren
Maße / Modul Oertli Sun D230 Citrin Solar CS550
Bruttofläche 2,30 m2 2,57 m2
Aperturfläche 2,13 m2 2,38 m2
Absorptionsfläche 2,13 m2 2,36 m2
Breite 1,147 m 1,168 m
Länge 2,006 m 2,198 m
Höhe 0,087 m 0,1 m

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Berechnung der Aperturfläche von Flach- und Röhrenkollektoren

Beim Flachkollektor ist die Aperturfläche der sichtbare Bereich der Glasscheibe, also der Bereich innerhalb des Kollektorrahmens, durch den Licht in den Kollektor gelangt.

Bei Vakuum-Röhrenkollektoren sowohl mit flachen Absorbern als auch mit runden Absorbern ohne Reflektorflächen ist die Aperturfläche definiert als die Summe der Längsschnitte aller Glasrohren. Da sich oben und unten in den Rohren kleine Bereiche ohne Absorberblech befinden, ist die Aperturfläche bei diesen Kollektoren immer etwas größer als die Absorberfläche. Bei Röhrenkollektoren mit dahinterliegenden Reflektorflächen ist die Projektion dieser Spiegelflache als Aperturfläche definiert.

Daher unterscheidet sich auch die Berechnungsmethodik je nach betrachtetem Kollektortyp.

Berechnung der Aperturfläche bei einem Flachkollektor

Bezogen auf einen Solarthermiekollektortyp in flacher Bauweise, einen sogenannten Flachkollektor also, der aus einem flach angeordneten Absorber mit Glasabdeckung in einem rechteckigen Gehäuse aus Aluminium oder wetterfestem Stahlblech besteht, ist die Absorberfläche demzufolge höchstens so groß wie die Fläche unter der Glasabdeckung. In der Praxis ist die Absorberfläche meist etwas kleiner als die untere Glasfläche.

Absorberfläche ist kleiner gleich die Aperturfläche eines Flachkollektors

Das den Absorber abdeckende Glas des Flachkollektors entspricht hier der oben erwähnten Öffnung (Apertur), durch die hindurch die Sonnenstrahlen auf den darunter befindlichen Absorber in Form einer selektiven Beschichtung dringen können. Das heißt, bei einem Flachkollektor ist die Absorberfläche kleiner als dessen Bruttokollektorfläche und auch kleiner als die Aperturfläche.

Absorberfläche ist kleiner als die Bruttokollektorfläche eines Flachkollektors

Setzt man alle Größen ins Verhältnis, ergibt sich folgende Verhältnismäßigkeit für einen Flachkollektor:

Absorberfläche (Nettofläche) ist kleiner als die Aperturfläche ist kleiner als die Bruttokollektorfläche (Bruttofläche)

Bei einem Flachkollektor entspricht die Aperturfläche maximal dem Bereich innerhalb des Kollektorrahmens, also dem lichtdurchlässigen Teil der Glasscheibe. Gemäß den vorangehenden Ausführungen berechnet sich die Aperturfläche des Flachkollektors deshalb nach der folgenden, recht einfachen Formel:

Breite mal Länge der durchsichtigen Glasfläche

Schematische Abgrenzung von Bruttokollektorfläche, Aperturfläche und Absorberfläche eines Flachkollektors (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Abgrenzung von Bruttokollektorfläche, Aperturfläche und Absorberfläche eines Flachkollektors (Grafik: energie-experten.org)

Berechnung der Aperturfläche bei einem Röhrenkollektor mit und ohne CPC

Bedingt durch seine Bauweise, die sich wesentlich von der eines Flachkollektors unterscheidet, berechnet man die Aperturfläche eines Röhrenkollektors anders:

Ein Röhrenkollektor besteht aus einer doppelwandigen Glasröhre (Thermoskannenprinzip), wobei die innere mit einer hochselektiven Absorberschicht beschichtet ist. Die Glasröhren werden über flüssigkeitsgefüllte Wärmeleitbleche, zum Beispiel Aluminium-Wärmeleitprofile, gestülpt und der Raum zwischen den beiden Glasröhren wird evakuiert. Man unterscheidet Vakuum-Röhrenkollektoren in Modelle mit und ohne Parabolspiegel (sogenannter CPC-Reflektor). Die gewölbten Spiegel sorgen für höhere Lichteinträge, denn sie lenken das Sonnenlicht, ganz gleich, wie es einfällt, stets in das Röhreninnere auf den Absorber.

Während die Aperturfläche bei Flachkollektoren nur minimal größer als beziehungsweise gleich groß wie die Absorberfläche ist, ist das bei Röhrenkollektoren mit CPC anders: Bei diesen Kollektortypen zählen die gewölbten Spiegel dazu. Insofern kann man die Aperturkollektorfläche mit der Innenfläche der Kollektoren gleichsetzen.

Das erklärt sich bautechnisch begründet so: Die Aperturfläche entspricht rein rechnerisch der Summe der Längsschnitte aller Glasröhren. Weil in den Kollektorröhren oben und unten Bereiche ohne Absorberblech sind, ist die Aperturfläche bei diesen Kollektoren immer etwas größer als die Absorberfläche. Bei Röhrenkollektoren mit dahinter liegenden Reflektorflächen (CPC) ist die Projektion dieser Spiegelfläche als Aperturfläche definiert.

Demnach ergeben sich auch zwei Formeln zur Berechnung der Aperturfläche bei Röhrenkollektoren:

Aperturflächenberechnungsformel für Röhrenkollektor ohne CPC: Länge mal Innendurchmesser der inneren Glasröhre mal Zahl der Röhren

Aperturflächenberechnungsformel für Röhrenkollektor mit CPC: Länge mal Breite des Parabolspiegels mal Zahl der Röhren

Schematische Abgrenzung von Bruttokollektorfläche, Aperturfläche und Absorberfläche eines Röhrenkollektors (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Abgrenzung von Bruttokollektorfläche, Aperturfläche und Absorberfläche eines Röhrenkollektors (Grafik: energie-experten.org)

Bedeutung der Aperturfläche als Leistungsgröße von Solarkollektoren

Da nur die solare Energie, die als Summe der direkten und diffusen Sonnenstrahlung durch die Aperturfläche dringt, in Wärme umgewandelt werden kann, wird die Aperturfläche als die maßgebliche Leistungsgröße für Kollektoren angesehen.

Nach dem EEWärmeG, dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz, gilt sie als Pflichtkollektorgröße, die es nachzuweisen gilt. Das Gesetz schreibt für Neubauten einen bestimmten Anteil an regenerativen Energien als Energiequelle vor. Verstößt man gegen die Vorgabe, muss man mit hohen Ordnungsstrafen rechnen.

Die Aperturfläche dient zudem bei der Kollektorprüfung nach DIN-Norm als Bezugsfläche für Wirkungsgrad und Wärmeverlust: Prüfberichte zertifizierter EU-Prüfinstitute beziehen die Leistungsangaben nach EN 12975 für geprüfte Kollektoren auf Absorberflächen, Aperturflächen und Bruttoflächen. Die jeweiligen Flächenangaben sind somit Bestandteil vollständiger Prüfberichte.

Bedeutung der Aperturfläche für die Angabe des Wirkungsgrads

Den Wirkungsgrad eines Kollektors definiert man prinzipiell als das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zu eingestrahlter Lichtleistung. Letztere ist direkt proportional zur betrachteten Fläche. Die erzeugte Wärmeleistung hängt in komplexer Form vom Aufbau des Kollektors ab.

Somit ist die Angabe der Leistungen von Kollektoren davon abhängig, ob das Licht auf die oft größere Aperturfläche oder auf die oft kleinere Absorberfläche als Eingangslichtleistung angenommen wird. Die nutzbare Wärmeleistung bleibt dabei so oder so unverändert, der Zahlenwert des Wirkungsgrades ändert sich allerdings. Deshalb sollte man bei Leistungsangaben und Leistungsvergleichen von Solarthermiekollektoren die zugehörigen Flächenkennwerte für die Leistungsparameter beachten.

Die neuen Solar Keymark Datenblätter weisen nicht mehr die Aperturfläche aus. Somit fehlen alle notwendigen Angaben für Berechnungen mit Bezug auf die Energieeinsparverordnung (EnEV). Der Grund hierfür ist, dass die seit 2013 gültige Kollektornorm DIN EN ISO 9806 die Kollektorkennwerte nur noch auf die Bruttofläche bezieht. Die Aperturfläche wurde vollständig getilgt, da sie bei verschiedenen neuen Kollektortypen nicht oder nicht eindeutig bestimmt werden kann. Die in der Vorgängernorm EN 12975-2 verwendete Aperturfläche führte zudem regelmäßig nicht nur bei Endkunden, sondern auch bei Herstellern zu Fehlinterpretationen der Leistungsfähigkeit.

Erst die Einführung der Bruttowärmeerträge auf dem Solar Keymark Datenblatt 2 ermöglichte es für Laien zu erkennen, wieviel Solarwärme man bei einer gewünschten Temperatur (25/50/75 °C) an einem Referenzstandort (z.B. Würzburg) von einem Kollektormodul maximal ernten kann und stellte damit eine objektive Vergleichsmöglichkeit bereit. Bei der Simulation von Solarwärmeanlagen und bei Berechnungen im Rahmen der ErP Verordnungen ist es übrigens unerheblich, ob die Kollektorkennwerte auf Apertur- oder Bruttofläche bezogen werden. Wichtig ist nur, dass immer mit der zugehörigen Fläche simuliert bzw. gerechnet wird.

Bedeutung der Aperturfläche für die Solarthermie-Förderung

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAfA) fördert den Einsatz von Solarthermie-Technik mit Zuschüssen.

BAfA Solarwärme-Förderübersicht Basis-, Innovations- und Zusatzförderung (Grafik: BAfA)
BAfA Solarwärme-Förderübersicht Basis-, Innovations- und Zusatzförderung (Grafik: BAfA)

Dabei richtet sich die Höhe der Förderung nach einer Flächenkenngröße: der Bruttokollektorfläche, vorausgesetzt, der Kollektortyp, der installiert werden soll, entspricht der Mindestanforderung an den Solarertrag, sprich: ist mit seinem Mindestertrag förderfähig. Gut zu wissen: „Krumme“ Bruttokollektorflächen rundet das BAfA auf.

Die Förderung nach Fläche ist in der Solarwelt nicht unumstritten. Experten fordern seit Langem ein Umdenken hin zur Förderung nach Ertrag. Dahinter steckt, dass man bei einer Förderung über die Fläche viel mehr Fördergelder kassiert, wenn man weniger effiziente Kollektoren zu günstigeren Preisen in größerer Stückzahl installiert, als Modelle von hoher und teurer Effizienz, von denen man dann weniger braucht, so dass die Installationsfläche, also die geförderte Bruttokollektorfläche, geringer ist.

Anders ausgedrückt: Die Förderung nach Fläche behandelt Flachkollektoren trotz anderen Aufbaus und daraus resultierender unterschiedlicher Verhältnisse der Bezugsflächen zueinander genauso wie Röhrenkollektoren. Die meist höhere Ertragsleistung berücksichtigt die flächenbasierte Förderung dabei nicht. So müssen ertragsstarke Kollektoren im Vergleich zu ertragsschwachen bis zu 75% mehr Ertrag liefern müssen, um die gleichen gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen.

Inzwischen wird auch von politischer Seite die Wichtigkeit der Solarthermie wieder mehr gesehen, und dass es nicht in erster Linie darauf ankommt, wie groß die Aperturfläche eines Kollektors ist, sondern wieviel Ertrag der Kollektor liefert. Das BAFA hat mit seiner ertragsorientierten Förderung im MAP hier ein erstes Zeichen gesetzt, auch wenn diese Möglichkeit alternativ zur pauschalen Bruttoflächenförderung bislang erst ab 20 m2 aufwärts eröffnet wird.

Abweichend davon verlangt die „EnEV-Norm“ DIN 4701-10 aber immer noch eine Mindest-Aperturfläche, damit pauschal 10% Solarwärme im Bereich Heizung angesetzt werden dürfen, und auch das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) errechnet aus der Gebäudenutzfläche eine bestimmte Aperturfläche als Vorgabe. Da die Aperturfläche aber in den neuen Solar Keymark Berichten fehlt, sind die Hersteller gefordert, diese Größe bereitzustellen, damit ggf. im Zusammenhang mit EnEV und EEWärmeG verlässlich damit gerechnet werden.

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"Berechnung und Kennzahlen der Aperturfläche" wurde am 18.10.2016 das letzte Mal aktualisiert.