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Prinzip und Funktionsweise von Solar-Luft-Kollektoren

Ein Solar-Luftkollektor funktioniert ähnlich wie ein normaler Sonnenkollektor. Anstelle einer Solarflüssigkeit, die die Solarwärme des Kollektors aufnimmt, wird die Wärme jedoch an einen durch Röhren unter dem Kollektor hindurch strömenden Luftstrom abgegeben. Dieser wird dann durch eine thermische Bewegung in die Räume weitergeleitet. Teilweise sorgt auch ein Lüfter dann dafür, die Warmluft in die Lüftungsverteilung des Hauses zu blasen. Basierend auf diesem Prinzip sind Solar-Luft-Kollektoren geeignet, eine Warmluftheizung oder in Kombination mit einer Wärmepumpe und einem Eisspeicher eine Warmwasser-Heizung zu unterstützen.

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Physikalische Eigenschaften von Luft als Wärmeträger

Solar-Luft-Kollektoren sind eine Alternative zu mit flüssigen Wärmeträgern arbeitenden Solarkollektoren bzw -anlagen. Sie können zur Erwärmung der Raumluft oder des Brauchwassers auch genutzt werden. Hierzu haben sie einen ähnlichen Aufbau wie flüssigkeitsbasierte Flachkollektoren. Jedoch unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften von Luft deutlich von denen der typischen Solarflüssigkeit.

  • Vorteilhaft ist, dass sich Luft schneller erwärmt als Wasser oder andere Solarflüssigkeiten, wodurch bereits eine geringere Sonneneinstrahlung als Wärmequelle genutzt werden kann.
  • Aufgrund der geringen volumetrischen Wärmekapazität von Luft müssen das durchströmte Kollektorvolumen jedoch deutlich größer dimensioniert werden, um die auftreffende solarthermische Energie effektiv auf die Luft im Solar-Luft-Kollektor zu übertragen.
  • Kennzeichnend ist zudem, dass bei Solar-Luft-Kollektoren keine temperaturbedingten Phasenwechsel stattfinden, sodass kein Frost- oder Überhitzungsschutz erforderlich ist und das Solar-Luft-System dementsprechend weniger anfällig für temperaturbedingte Beeinträchtigungen ist.
Grammer Twinsolar 2.0 und ein SolarVenti SV14 Solar-Luftkollektoren an einer Hausfassade (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)
Grammer Twinsolar 2.0 und ein SolarVenti SV14 Solar-Luftkollektoren an einer Hausfassade (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)

Direkte und indirekte Nutzung von Solar-Luft-Kollektoren

Fassade mit Elementen der Solar-Luftheizung SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)
Ein spezielles Fassadensystem zur Solarwärmegewinnung stellt das SolarWall-System dar. Der Solar-Kollektor besteht aus einem beschichteten, perforierten Stahlprofilblech. Diese „solaraktive“ Wand wirkt als einfacher und robuster Luftkollektor, der die erwärmte Luft sammelt. Wo das Sonnenlicht auf die Stahl-Oberfläche trifft, wird Energie absorbiert, die die Oberfläche aufheizt und eine thermische Grenzschicht bildet. Die erwärmte Luftschicht wird dann durch die perforierte Oberfläche auf die Rückseite des Fassaden-Kollektors gesaugt und in das Belüftungssystem des Gebäudes eingespeist. (Grafik: ArcelorMittal)

Die Luft wird als Wärmeträger durch die Solar-Luft-Kollektoren geführt und kann dann zu Heizzwecken direkt in den jeweiligen Raum geleitet werden. Aufgrund der geringen Energiedichte der Luft, ist es nicht möglich, die so erwärmte Luft selbst als Speichermedium einzusetzen. Daher kann die Wärme der über die Solar-Luft-Kollektoren erwärmten Luft auch an ein anderes Wärmeträgermedium übergeben werden.

Diese Wärmeübertragung kann z. B. in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen. Dieser Wärmetauscher besteht aus dünnen Kupferrohren, durch die luftführende Röhre geleitet wird. Die in den Kupferrohren zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt sich dabei.

Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft muss die Aufnahmefläche des Wärmetauschers größer dimensioniert werden. Die Kupferrohre werden daher mit geringem Durchmesser und einer Vielzahl von Windungen ausgeführt. Da auch die Wärmekapazität der Luft deutlich geringer als die des Wassers ist, sind zur Übertragung der Wärmeenergie zudem unterschiedliche Volumenströme der beiden Medien erforderlich.

Durch den kleinen Durchmesser des Kupferrohres entsteht eine verhältnismäßig große Oberfläche, über welche die Wärmeenergie der Luft auf den geringeren Volumenstrom des Wassers übertragen werden kann. Mit Hilfe des so erwärmten Wassers kann die solarthermische Energie, beispielsweise innerhalb eines isolierten Warmwasserspeichers, über einen längeren Zeitraum hinweg zur Verfügung gestellt werden.

Durch die Warmwasserbereitung mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher besteht keine Überhitzungsgefahr im Solar-Wasserkreislauf. Zudem wird die Anlagentechnik aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen wenig thermisch belastet.

DIY-Anleitung: Warmluftkollektoren selber bauen

Heute gibt es zahlreiche Hersteller und Anbieter von Luftkollektoren und auch aus Fernost werden immer mehr Kollektoren hergestellt und in Deutschland online angeboten. Dies sind aber häufig kleinere Kollektoren, die in ihrer Leistung begrenzt sind. Richtig große Kollektoren gehen daher ins Geld.

Daher kann es sich bei etwas handwerklichem Geschick durchaus lohnen, ein solares Luftkollektor-System selbst zu bauen. Im Internet gibt es verschiedenste Bauanleitungen. Anleitungen zum Do-it-Yorself-Bau eines Solarluftkollektors gibt es z. B. unter https://www.trubadu.de/info_luftkollektor.php zum Download. In diesen Bauanleitungen werden folgende Solar-Luftkollektor-Typen vorgestellt:

  • Kollektor mit Absorber aus Stahlblech
  • Kollektor mit selektiv beschichtetem Blech
  • Fensterkollektor

Einen ersten Einstieg in den Selbstbau eines Solar-Luft-Kollektors bieten auch verschiedene Video-Tutorials. In der mdr-Sendung "Einfach genial" vom November 2010 wird über den Eigenbau eines Warmluftkollektors berichtet. Laut Bauherr konnte er mit dem Eigenbau von 2 Kollektoren 4.000 Euro sparen. Die Selbstkosten der beiden Kollektoren beliefen sich dann auf "nur" rund 1.000 Euro.

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"Prinzip & Funktionsweise von Solar-Luftkollektoren" wurde am 08.11.2018 das letzte Mal aktualisiert.