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Technik von Flach-, Röhren- und Schwimmbad-Solarabsorbern im Überblick

Was ist ein Solarabsorber? Wie funktioniert er? Welche Absorbertypen gibt es? Wie kommen Solarabsorber in Schwimm- und Freibädern zum Einsatz?

Mit dem Begriff Solarabsorber wird ein Bauteil eines Solarthermie-Kollektors bezeichnet. Weil der Absorber die auf den Kollektor treffende Solarenergie in nutzbare Wärme (Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung) wandelt, gilt er auch als das Herz des Kollektors. Ein Solarabsorber besteht aus einem Metall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl), dass so beschichtet ist, dass möglichst viel der Sonnenstrahlung absorbiert und zugleich möglichst wenig davon reflektiert wird. Je nach Kollektortyp (Flachkollektor, Röhrenkollektor, Vakuumröhrenkollektor und andere) ist der Absorber entsprechend gebaut: Man unterscheidet unter anderem Flächenabsorber, Röhrenabsorber, Luftabsorber und Schwimmbadabsorber.

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Definition und Aufgabe eines Solarabsorbers

Der Solarabsorber gilt als das wichtigste Bauteil eines Solarthermie-Kollektors. Der wiederum ist das Herzstück einer Solarthermie-Anlage, mit der sich die auf ihn auftreffende Solarenergie in solare Wärme (Solarthermie) umwandeln lässt, um damit

Die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie ist die Aufgabe des Bauteils Solarabsorber. Das lateinische Wort absorbere lässt sich mit „aufsaugen“ ins Deutsche übertragen. Der Solarabsorber „saugt“ demnach die Solarenergie auf und macht daraus thermische Energie (Wärme).

Die wird an eine in der Solaranlage zirkulierende Solarflüssigkeit (klares Wasser oder ein Wasser-Frostschutzmittelgemisch) weitergegeben und von dieser per Wärmetauscher zu einem Wärme- bzw. Pufferspeicher transportiert, wo sie entweder direkt verbraucht oder bis zum Abruf seitens der Wärmeverbraucher (Zapfstellen für Warmwasser in Küche und Bad und/oder Heizung) zwischengelagert (gepuffert) wird.

Sogenannte Solarabsorber (teilweise auch Solarmatten genannt) bestehen aus schwarzem Plastik-Schlauch bzw. Plastik-Rohr, in denen häufig direkt das zu beheizende Medium wie z. B. Schwimmbadwasser zirkuliert. (Foto: energie-experten.org)
Sogenannte Solarabsorber (teilweise auch Solarmatten genannt) bestehen aus schwarzem Plastik-Schlauch bzw. Plastik-Rohr, in denen häufig direkt das zu beheizende Medium wie z. B. Schwimmbadwasser zirkuliert. (Foto: energie-experten.org)

Der Begriff Solarthermie bezeichnet die Energieform solare Wärme (Thermie) und die Technologie zur Wärmeerzeugung aus Solarenergie zugleich. Mit der Entwicklung der Solarthermie-Technik haben sich unterschiedliche Solarabsorber bewährt.

Der Oberbegriff Solarabsorber wird in der alltäglichen Sprache häufig synonym für eine spezifische Anwendung verwendet wird: den sogenannten Schwimmbadabsorber. Das heißt, dass Sie auf der Suche nach einem Solarabsorber besonders oft auf Schwimmbadabsorber stoßen und umgekehrt:

Wer nach der spezifischen Anwendungstechnik Schwimmbadabsorber sucht, sieht sich besonders oft mit Solarabsorbern unterschiedlichster Art konfrontiert. Der Schwimmbadabsorber ist aber nur einer von vielen Solarabsorbern, die es inzwischen in unterschiedlichster Ausführung und Anwendungen gibt.

Hier sehen Sie ein Bild eines solarthermischen Absorbers auf dem Dach eines Mehrfamilienhauses im Berliner Stadtteil Pankow.
Im Berliner Stadtteil Pankow hat die zur Gasag Gruppe gehörende Geo-En Energy Technologies GmbH 2015 eine innovative GeoHybrid- Anlage errichtet, die 70 Wohnungen beheizt und kühlt. Eine der technischen Besonderheiten sind die solarthermischen Absorber auf dem Dach, die im Sommer die Erdwärmesonden mit Solarwärme aufladen, um das Erdreich schneller zu regenerieren und einen "Erdwärmevorrat" anzulegen. (Foto: Geo-En Energy Technologies GmbH)

Typische Solarabsorber in Solarthermie-Kollektoren

Absorber in Flachkollektoren

Die folgende Grafik macht den Aufbau eines flachen Solarthermie-Kollektors mit einem entsprechend flach ausgelegten Solarabsorber (in Form eines sogenannten Flächenabsorbers) deutlich.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Solarabsorbers (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Solarabsorbers (Grafik: energie-experten.org)

Der Solarabsorber sitzt in diesem Flachkollektor unter einer Glasabdeckung. Treffen darauf Sonnenstrahlen (gelbe Pfeile), dringen diese bis zum Absorber vor und werden von diesem zum Großteil absorbiert.

Ein Teil der Strahlen wird als Wärme an die Luft zwischen Glasscheibe und Absorber weitergeleitet und durchdringt die Glasabdeckung auch wieder nach außen (rote Pfeile). Die Glasscheibe und die dahinter liegende Luftmasse dienen hier als Schutz vor Wind und Wetter einerseits sowie andererseits vor unerwünschten Wärmeverlusten.

Expertenwissen: Um möglichst viel Strahlung zum Absorber durchzulassen, ist die Glasscheibe aus einem Spezialglas (Solarglas), das im Vergleich zu herkömmlichem Glas weniger Eisen enthält. Manches Solarglas ist zudem speziell beschichtet, damit es weniger Strahlung reflektiert. Gut zu wissen: Bis zu zwei Prozent der Solarstrahlen absorbiert das Glas selbst.

Hierbei gilt: Je weniger der Solarstrahlung aufgrund von direkter und indirekter Reflektion sowie Wärmeabstrahlung für die Umwandlung in nutzbare Wärme verloren geht (Wärmeverluste), desto besser.

Ein qualitativ hochwertiger Solarabsorber absorbiert einen möglichst breiten, wenn nicht den gesamten Spektralbereich des Solarlichts – 95 Prozent Wirkungsgrad sind keine Seltenheit.

Eine Maßnahme, um die Wärmeverluste des Kollektors zu minimieren, ist dessen allseitige Isolation (außer in Richtung Sonne), die in der Grafik oben grün markiert ist. Direkt unter dem Absorber befindet sich eine Vorrichtung mit Röhren, durch die der kalte Vorlauf (blaue Rohrquerschnitte) und der solar erwärmte Rücklauf (rote Rohrquerschnitte) innerhalb des Solarkreislaufs (solarer Heizkreis) strömen.

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Absorber in Röhrenkollektoren

Modell eines Absorbers in einem Vakuumröhrenkollektor (Foto: energie-experten.org)
Modell eines Absorbers in einem Vakuumröhrenkollektor (Foto: energie-experten.org)

In einem Röhrenkollektor sitzt der Absorber (Röhrenabsorber) hingegen in einer Glasröhre. Der Solarabsorber kann unterschiedlich geformt sein: Zum Beispiel als beschichteter Blechstreifen. In einem modernen Vakuum-Röhrenkollektor, der wie eine Thermoskanne aus zwei miteinander konzentrisch verschmolzenen Glasröhren besteht, wobei der Raum zwischen den Glasröhren evakuiert ist, so dass er als Dämmung wirkt, bildet der Solarabsorber eine Schicht auf der inneren der zwei Glasröhren. Ein Wärmerohr (Heatpipe) ragt in diese „Thermoskanne“ und nimmt die Wärme auf. Es wird von der Solarflüssigkeit (Wärmeüberträgermedium) durchströmt.

Fahnen- und Kissenabsorber

Der Solarbsorber ist deshalb aus Metall, da sich im Kollektorinneren hohe Temperaturen einstellen und Kunststoff diesen nicht lange standhalten würde: In Flachkollektoren stellen sich, ohne das Wärme entnommen wird, 200 Grad Celsius (°C) und in Vakuumröhrenkollektoren 300 °C ein. Man unterscheidet Solarabsorber nach ihrer Bauform in

  • die gängigeren sogenannte Fahnenabsorber (mit aufgelötetem Rohr aus Kupfer, aufgeschweißtem Rohr aus Kupfer, aufgeklebten Rohr aus Kupfer, eingepresstem Rohr aus Kupfer oder sogenanntem Aluminium Rollbond)
  • und die selteneren sogenannten Kissenabsorber.

Auf das Absorberblech, Fahnen samt Rohr bzw. Kissen, ist die eigentliche Absorberschicht aufgebracht, die nur eine Schichtdicke (Stärke) von wenigen Zehntelmillimetern hat. Die Absorberschicht besteht zum Beispiel aus metallischen Filmen aus

  • Schwarznickel,
  • Cermet (so wird ein Verbundwerkstoff aus Keramik (Ceramic) und einer metallischen Matrix bezeichnet) oder
  • Tinox (Kurzbezeichnung für die Verbindung Titan-Nitrid-Oxid).

Die Verfahren zur Aufbringung der Absorberschicht sind unterschiedlich, zum Beispiel galvanische Abscheidung, Elektronenstrahlverdampfen oder sogenanntes Sputtern unter Vakuum. Letzteres ist eine Methode, bei der die Metallfilme in etwa zwölf Einzelbedampfungen aufgebracht werden.

Technik und Betrieb von Schwimmbad-Solarabsorbern

Aufbau und Materialbeschaffenheit

Häufig werden mit dem Begriff "Solarabsorber" Techniken zur solaren Pool- bzw. Beckenwassererwärmung in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu einem Solarabsorber in Flach- und Röhren-/Vakuumröhrenkollektoren ist ein Solarabsorber für Pool und Schwimmbad ein sogenannter volldurchströmter Absorber.

Die dazu eingesetzten Plastik-Kollektoren sind sehr einfach aus Plastikröhren bzw. als zu einer Plastikmatte ("Solarmatte") verbundenen Kunststoffrohren aufgebaut. Eine zusätzliche Isolierung der Rohre nicht notwendig.

Dank Solarabsorbern heizt sich das Wasser im Freibad Crumstadt an heißen Tagen auf 28 °C auf und der Trägerverein spart Heizkosten ein. (Foto: energie-experten.org)
Dank Solarabsorbern heizt sich das Wasser im Freibad Crumstadt an heißen Tagen auf 28 °C auf und der Trägerverein spart Heizkosten ein. (Foto: energie-experten.org)

Die Plastikrohre selbst bestehen in der Regel aus Kunststoff (Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren (EPDM)) und sind im einfachsten Fall ein schwarzes Kunststoffrohr. Das Prinzip gleicht der Wassererwärmung in einem schwarzen Gartenschlauch in der Sonne.

Der Kunststoff der Rohre bzw. Schläuche muss letztlich sicherstellen, dass der Schwimmbadabsorber der von außen auftreffenden UV-Strahlung ebenso widerstehen kann wie das ihn substantiell von innen angreifende Chlor im Schwimmbadwasser, das ihn direkt durchströmt.

Funktionsweise eines Schwimmbadabsorbers

Das Wirkprinzip ist denkbar einfach: Die Sonne erwärmt den schwarzen Kunststoff und der wiederum das ihn durchströmende Schwimmbadwasser. Die Rohre bzw. Kunststoffrohrmatten werden gemäß der Wassermenge des zu erwärmenden Schwimmbads dimensioniert und zwecks maximalen Empfangs von Solarstrahlung großflächig in der Sonne ausgelegt. Das geht zum Beispiel auf dem Dach eines Gebäudes oder einer ebenerdigen Fläche (Wiese).

Die Schwimmbadabsorber werden an sonnigen Stellen meist ebenerdig oder auf Flachdächern ausgelegt und z.B. mit Haltegurten auf dem Untergrund befestigt. Sie eignen sich auch zur Montage auf leicht geneigten Dachflächen.

Solar-Luftabsorber von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Solar-Luftabsorber von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)

Solarabsorber werden in der Regel zur direkten Erwärmung von Außenbecken und Freibädern eingesetzt, da im Sommer genügend Strahlungsenergie bei einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur vorliegt, um die Sonnenenergie direkt zur Erwärmung des Solarabsorbers einzusetzen. Das Poolwasser durchströmt dann direkt die schwarzen aus UV- und chlorbeständigem Kunststoff bestehenden Absorberschläuche und wird dabei vom aufgeheizten schwarzen Plastikschlauch erwärmt.

Bei kleineren Anlagen reicht die ohnehin vorhandene Filterpumpe aus, bei größeren Anlagen sorgt eine extra Solarpumpe für die nötige Zirkulation des Wassers durch die Solarabsorberflächen. Beim Umwälzen des Wassers werden rund 10 bis 15% der Durchflussmenge zum Durchströmen des Absorberfelds genutzt.

Solarabsorber als Schrägdachanlage (Abbildung: Viessmann Werke)
Solarabsorber als Schrägdachanlage (Abbildung: Viessmann Werke)
Vertikale Kombination von Solarabsorbern als Sichtschutz, Gestaltungselement oder Zaun (Foto: energie-experten.org)
Vertikale Kombination von Solarabsorbern als Sichtschutz, Gestaltungselement oder Zaun (Foto: energie-experten.org)

Auslegung der Absorbergröße

Die Arbeitstemperatur von 30 bis 40 °C reicht aus, um das Wasser im Schwimmbecken um 2 bis 4 °C zu erwärmen. In der Regel reichen 0,8 m2 Absorberfläche pro 1 m2 Wasserfläche. Die erforderliche Fläche an Solarabsorbern entspricht je nach Standort, Nutzungszeitpunkt und -dauer und Beckentemperatur - der halben bis ganzen Beckenfläche.

Entscheidend für die Wassertemperatur ist das Verhältnis von Beckengröße und Absorberfläche. Es lassen sich bereits angenehme Temperaturen mit Solarabsorbern erreichen, die nur halb so groß sind wie die Wasseroberfläche des zu beheizenden Pools.

Beim Einsatz von Kunststoff-Absorbern entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Wärmespeichers. Diese Funktion übernimmt das Wasser im Schwimmbecken. Ein Solarregler mit Temperaturfühlern an Vorlauf und Absorber kann den automatischen Betrieb der Anlage steuern helfen. Im Winter müssen direktdurchströmte Solarabsorber vollständig entleert werden.

Experten-Wissen: Viele Kommunen heizen ihre Freibäder mit Unterstützung solarer Heizsysteme. Nach Schätzungen des Bundesverbandes Solarwirtschaft (BSW-Solar) wird in Deutschland (Stand 2015) bereits jedes Vierte der rund 3.500 öffentlichen Freibäder mit Solarwärme beheizt. Auch viele private Poolbesitzer nutzen die Vorteile der solaren Wasserheizung.

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"Flach-, Röhren- & Schwimmbad-Solarabsorber" wurde am 08.08.2019 das letzte Mal aktualisiert.