Spielfeldanalyse: Was man zum Aufbau des Kollektorfeldes wissen muss

Ein hoher Solarertrag ergibt sich dank einer entsprechend großen Kollektorfläche. Die besteht zumeist aus mehreren einzelnen Kollektoren. Denn ein Solarthermie-Kollektor kann aus verschiedenen Gründen nicht beliebig groß gebaut werden. Zum Beispiel der Statik wegen. Aber auch, weil man ihn ja noch irgendwie händeln muss, dort oben auf dem Dach. Was man zur Planung und zum Aufbau des Kollektorfeldes wissen muss, steht hier.

Häufig gehören zu einer Solarthermie-Anlage mehrere zu einem sogenannten Kollektorfeld zusammengeschlossene Kollektoren. Ihr Zusammenschluss erfolgt unter einem bestimmten Verschaltungsprinzip. Dessen Ziel ist es, dass möglichst das gesamte Feld gleichmäßig von dem Wärmeträgermedium (Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung) durchströmt wird. Denn gäbe es dort Unregelmäßigkeiten, herrschten im Kollektorfeld unterschiedliche Temperaturen. Und das wiederum würde sich negativ auf den Solarertrag der Anlage auswirken. Ganz zu schweigen davon, dass sich die Anlage dann nur schwer regeln ließe.

Die Kollektoren lassen sich innerhalb des Kollektorfeldes

• parallel
• oder in Reihe beziehungsweise Serie

schalten. Auch eine Kombination von Parallelschaltung und Reihen-/Serienschaltung ist möglich. Dazu gleich mehr.

Kollektorfeld in Reihen-/Serienschaltung

Von einer Reihen- beziehungsweise Serienschaltung ist dann die Rede, wenn die einzelnen Solarthermie-Kollektoren so montiert werden, dass sie einer nach dem anderen vom Wärmeträgermedium durchströmt werden. Das bedeute, dass der Wärmeträgerdurchsatz, der von Nöten ist, um die entstehende Wärme aufzunehmen und abzutransportieren, proportional zur Zahl der Kollektoren steige, schreiben die Solarthermie-Experten Bernhard Weyres-Borchert und Bernd-Rainer Kasper in ihrem neuen Solarthermie-Buch „Solare Wärme. Technik – Planung – Hausanlage“. Gleichzeitig steige der Strömungswiderstand exponentiell. Für die Pumpe, die das Wärmeträgermedium durch das System drückt, bedeutet das harte Arbeit. Um die Pumpe nicht zu überlasten, gibt es daher eine Grenze für die Zahl der Kollektoren, die sich in Reihe schalten lässt, so dass je nach Pumpenmodell und seiner Leistung immer noch eine gleichmäßige Durchströmung der Kollektoren gewährleistet ist.

Kollektorfeld in Parallelschaltung

Ein Kollektorfeld ist dann parallel geschaltet, wenn die einzelnen Kollektoren des Feldes so zwischen die Verteil- und Sammelleitung installiert werden, dass jeder Kollektor daran angeschlossen ist. Eine gleichmäßige Durchströmung gelingt, indem der Durchflusswiderstand in Verteil- und Sammelleitung niedriger ist als der, der in den Kollektoren herrscht. Das wiederum kann man mit Rohren realisieren, deren Durchmesser recht groß ist. Außerdem sollten alle Fließwege die gleiche Länge haben. Das Ganze nennt man dann eine Tichelmann-Schaltung beziehungsweise Tichelmann-Verrohrung.

Kollektorfeld in kombinierter Reihen- und Parallelschaltung

Besonders große Kollektorfelder schließt man nach Weyres-Borchert und Kasper zusammen, indem man die Reihenschaltung der Kollektoren mit einer Parallelschaltung kombiniert. Konkret würden demnach mehrere gleich lange Reihen von Kollektoren parallel geschaltet.

Für die Durchströmung bedeutet das: Wegen des Hintereinanderschaltens der Kollektoren erhöht sich der Strömungswiderstand dort deutlich gegenüber dem, der in der Verteil- und der Sammelleitung herrscht. Daher könne man in diesem Fall auf eine Tichelmann-Schaltung und die für sie typischen langen Leitungen verzichten, schreiben die beiden genannten Autoren weiter. Ziel der Schaltung sei es den Experten zufolge schließlich, dass das Kollektorfeld gleichmäßig bei vertretbarem Durchflusswiderstand durchströmt werde, ohne dass die Pumpe heiß laufe.

Einfeld- und Mehrfeldanlagen

Nun kann man ein Kollektorfeld auch noch nach anders betrachten. Zum Beispiel ist ein Kollektorfeld, das aus einer einzigen Reihe hintereinander geschalteter Kollektoren besteht, eine sogenannte Einfeld-Anlage. Die hat jeweils eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung. Rücklauf und Vorlauf lassen sich entweder einseitig oder wechselseitig anschließen. Entsprechend lassen sich solche Einfelder als Teilfelder zu Mehrfeldanlagen zusammenschließen. Die höchste Effizienz erreicht man dann, wenn alle Teilfelder gleich groß und gleich verschaltet sind. Denn dann herrschen in ihnen die gleichen Druckverhältnisse, sprich: die Druckverluste sind gleich, und man kann auf Abgleichventile verzichten.

Es kann vorkommen, dass die Vor-Ort-Lage es erfordert, dass die Teilfelder nochmals unterteilt werden müssen. Zum Beispiel, weil die Montage-Flächen weit entfernt voneinander sind. So entstehen zwei Ebenen paralleler Verschaltungen.

Teilfelder in unterschiedlicher Ausrichtung und Neigung

Auch das kommt vor: Teilfelder des Systems müssen in unterschiedlicher Ausrichtung oder unterschiedlicher Neigung aufgebaut werden. Entweder weil die Dachfläche unterteilt ist und mehrere Teilflächen als Montagefläche dienen sollen. Oder weil die Kollektoren teils auf dem Dach und teils an der Fassade befestigt werden sollen.

Dabei ist abzuwägen, was sich eher lohnt: Teilt man die Anlage entsprechend der Teilfelder komplett und betreibt jedes Teilfeld wie eine eigene Anlage oder nicht. Für kleinere Anlagen gilt die Empfehlung, sie eher nicht zu trennen, wenn sie nicht mehr als 90° voneinander abweichen. Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren können sogar bis zu 180° in der Ausrichtung voneinander abweichen, ohne dass der Wärmeverlust groß bemerkbar ist, der daraus resultiert, dass womöglich nicht alle Kollektoren zugleich bestrahlt werden, die durchströmt werden. Damit die Regelung der unterschiedlich ausgerichteten Teilfelder gut gelingt, setzt man den Temperaturfühler dann am besten mittig zwischen die Teilfelder.

Foto: Javaman / photocase.de