Was sind die Komponenten einer Solarthermie-Anlage?

Eine Zitrone alleine macht noch keinen Zitronenkuchen. Es kommt auf alle Zutaten an, damit dieser gelingt. Ähnlich ist es in der Solarthermie. Und deshalb stehen ab heute die Komponenten einer Solarthermie-Anlage auf dem Blogprogramm. Ich starte eine Artikelserie, indem ich euch hier zunächst einen Überblick über alle Bauteile verschaffe, aus denen eine Anlage typischerweise aufgebaut ist. In den Folgebeiträgen soll dann jeweils eine einzelne Komponente im Mittelpunkt eines Wissensartikels stehen.

Eine Solarthermie-Anlage sammelt Sonnenenergie ein und wandelt sie in nutzbare Wärme um. Sie besteht dazu aus mehreren Komponenten, die unterschiedliche Aufgaben erledigen. Typisch sind die folgenden Komponenten einer Solarthermie-Anlage:

  • Solarthermie-Kollektoren
  • Solarregler
  • Wärmemengenzähler
  • Solarspeicher
  • Solarpumpe
  • Ausdehnungsgefäß
  • Solarflüssigkeit
  • Solarrohre

Die Solarthermie-Kollektoren

Die Kollektoren sind dem Namen nach Sammler (das englische „to collect“ bedeutet auf Deutsch: „sammeln). Sie haben die Aufgabe, sowohl die direkten als auch die diffusen Sonnenstrahlen in Empfang zu nehmen, die darin enthaltene Energie zu absorbieren und in nutzbare Wärme umzuwandeln, mit der sich Trinkwasser (auch Brauchwasser genannt) fürs Kochen, Waschen, Duschen, Baden ebenso erhitzen lässt wie Heizwasser.

Es gibt verschiedene Solarthermie-Kollektoren. Die Unterschiede ergeben sich aus der Bauart der Kollektoren, die wiederum von deren Einsatzzweck abhängt. Folgende Bauformen sind gängig:

  • unverglaste Kollektoren
  • Flachkollektoren
  • Luftkollektoren
  • Vakuumröhrenkollektoren
  • Vakuumflachkollektoren
  • Thermosyphonkollektoren
  • Hybridkollektoren (sogenannt PV/T-Kollektoren, wobei PV für Photovoltaik und T für Thermie steht)

Daneben wird derzeit auch in den Forschungslabors von Wissenschaft und Industrie an Betonkollektoren, Glaskollektoren und anderen Entwicklungen gearbeitet.

Zum Weiterlesen: Den Aufbau und die Eigenschaften einzelner Solarthermie-Kollektoren habe ich in diesem Artikel beschrieben. Infos zum Betonkollektor findet ihr hier.

Die Solarregelung

Die Regelungseinheit steuert den Betrieb der Solarthermie-Anlage, genauer: die Beladung des Solarspeichers (siehe unten) per Ein- und Ausschalten der Solarpumpe (siehe unten). Sie wird auch Solarregler genannt. Man unterscheidet festvorprogrammierte Systemregler, deren Funktionsumfang definiert ist, und frei programmierbare Regler. Mit Letztgenannten hat der Anlagenbetreiber, so er denn fit in der Materie ist, die Möglichkeit, über die vorgegebenen Strategien zur Regelung hinaus auch eigene anzuwenden – und deren Wirkung zu überprüfen.

Standard-Solarregelungen sind zur einfachen Funktionsprüfung ihrer Anlage fähig. Das heißt, sie geben im Falle einer Fehlfunktion ein Signal. Doch mit einer Funktionskontrolle allein ist es oft nicht getan: Längst spielt auch die Ertragskontrolle eine große Rolle bei der Regelung einer solarthermischen Anlage. Insbesondere dann, wenn es sich um eine größere Anlage handelt. Es gibt derzeit Solarregelungen, die eine Wärmemengenerfassung integriert haben. Alternativ lässt sich der Solarertrag mit einem oder mehreren Wärmemengenzählern erfassen.

Zum Weiterlesen: Das Thema Solarregler haben wir vor kurzem in zwei Interviews auf dem Blog gehabt, das erste findet ihr hier.

Der Wärmemengenzähler

Der Wärmemengenzähler ist ein Messgerät, das ermittelt, wie viel Wärme über einen bestimmten Zeitraum von der Solarthermie-Anlage erzeugt wurde. Er misst also den Wärmeertrag der Anlage, der wegen der solaren Energiequelle auch Solarertrag genannt wird. Somit tragen Wärmemengenzähler auch zur Kontrolle des Anlagenbetriebs bei: Da sie den Ertrag der Anlage ständig erfassen, ablesen und auswerten, um Aussagen zu deren Leistungsfähigkeit treffen zu können, helfen sie, Betriebsstörungen frühzeitig zu erkennen. Man unterscheidet sogenannte Kompaktwärmemengenzähler von Verbund-Modellen, die konstruktiver Teil eines Geräteverbunds sind.

Zum Weiterlesen: Den Wärmemengenzähler habe ich euch hier vorgestellt.

Der Solarspeicher

Weil das Angebot an solarer Energie und der Bedarf an solarer Wärme kaum deckungs- und  zeitgleich bestehen, kommt eine Solarthermie-Anlage nicht ohne einen Wärmespeicher aus. Er wird auch Solarspeicher genannt. So ein Wärmespeicher muss die Wärme der Solarthermie-Anlage, die gerade nicht im Haushalt verbraucht wird, vorrätig halten (sozusagen puffern, daher auch die alternative Bezeichnung: Pufferspeicher), bis sie zum Einsatz kommen soll. Dabei muss ein Solarspeicher vielen Anforderungen gerecht werden, darunter hygienischen, die deshalb von immenser Bedeutung sind, weil die Solarthermie-Anlage das Trinkwasser erwärmt. Man unterscheidet die Solarspeicher nach ihrer Bauart und daraus resultierender Funktionsweise unter anderem in:

  • Trinkwasserspeicher
  • Pufferspeicher
  • Kombispeicher
  • Langzeitspeicher (Latentspeicher) und Saisonalspeicher.

Zum Weiterlesen: Hier findet ihr Infos zum Pufferspeicher. Wir haben auch die Höhe der Bereitschaftsverluste bei Pufferspeichern diskutiert.

Die Solarpumpe

Die Solarpumpe ist die Umwälzpumpe in einem solaren Heizkreis. Sie heißt deshalb auch Solarumwälzpumpe. Sie pumpt die Solarflüssigkeit durch den Solarheizkreis, man spricht auch von Umwälzen. Die Solarpumpe wird vom Solarregler gesteuert: Sie springt an, wenn ein zuvor festgelegter Temperaturunterschied zwischen Kollektor und Wärmespeicher erreicht wird. Der Solarregler sendet dabei die entscheidenden Impulse, mit welchem Volumenstrom das Wärmeträgerfluid umgewälzt werden muss. Man unterscheidet Solarpumpen nach ihrem Aufbau in Nassläuferpumpen und Verdrängerpumpen.

Zum Weiterlesen: Hier findet ihr Details zur Dimensionierung, zum Aufbau und zur Funktionsweise von Solarpumpen.

Das Ausdehnungsgefäß

Das Membranausdehnungsgefäß (kurz: MAG) oder nur Ausdehnungsgefäß hat die Aufgabe, Volumenänderungen der hydraulischen Flüssigkeit (Solarflüssigkeit / Solarfluid der Solarthermie-Anlage, siehe unten) aufzunehmen, die infolge von Temperaturänderungen geschehen. So hält das Ausdehnungsgefäß den Druck in der Solarthermie-Anlage möglichst konstant. Doch nicht nur das: Das Ausdehnungsgefäß garantiert damit den optimalen Betriebsdruck der Anlage und schützt die Anlage selbst vor Schäden durch Druckunterschiede.

Zum Weiterlesen: Aufbau und Funktion eines Ausdehnungsgefäßes stelle ich euch hier vor.

Die Solarflüssigkeit

Die Solarflüssigkeit ist das Verkehrsmittel innerhalb des Solarkreislaufs, das die Wärme von den Kollektoren zum Speicher bringt. Damit ist sie die Schnittstelle zwischen dem Kollektorkreis und dem Speicher. Die auch Solarfluid genannte Flüssigkeit ist also das Wärmeübertragungsmittel (der Wärmeübertrager beziehungsweise Wärmeüberträger) einer Solarthermie-Anlage. Gängig sind Wasser-Frostschutzmittel-Gemische und reines Wasser als Solarflüssigkeiten.

Zum Weiterlesen: Der Artikel erklärt Grundwissen zum Thema Solarflüssigkeit.

Die Solarrohre

Die Verrohrung der Komponenten einer Solarthermie-Anlage macht die einzelnen Bauteile zu einem Ganzen: dem Solarheizkreis. Um die Funktionstüchtigkeit der Anlage zu gewährleisten, kommt es wesentlich auf die Dimensionierung der Solarrohre an: Sowohl, was ihre Länge, als auch, was ihren Querschnitt betrifft. Kleine Solarthermie-Anlagen werden oft mit Kupferrohren verbaut, bei größeren kommt nicht verzinktes Stahlrohr als Werkstoff zum Einsatz. Seltener sind Verbundrohre aus Alu und Kunststoff.

Für einen hohen solaren Ertrag, also eine hohe nutzbare Wärmemenge, ist ein möglichst geringer Wärmeverlust Voraussetzung. Nach den Gesetzen der Thermophysik „wandert“ Wärme immer von warm nach kalt. Daher ist die Dämmung der Verrohrung von immenser Bedeutung für den Solarheizkreis und den Wirkungsgrad der Solaranlage. Das Ziel ist eine Minimierung der sogenannten Verteilverluste.

Zum Weiterlesen:  Hier habe ich das Thema Verteilverluste aufgegriffen.

So. Damit habt ihr einen Überblick über die Komponenten einer Solarthermie-Anlage und deren Aufgaben. In Kürze folgen die ausführlichen Wissensartikel zu den einzelnen Komponenten. Bleibt dran!

Foto: vicouschka / photocase

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