Wärmeertrag von Kollektoren (Jahresenergieertrag)

Der Jahresenergieertrag (in kWh/m²a), die Qualität und die Kosten für die angebotenen Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren variieren untereinander sehr stark. Entscheidend für die Auslegung und die Effektivität einer Solaranlage sind unter anderem der Jahresenergieertrag des gewählten Kollektors bezüglich des jeweiligen Standortes, sowie die richtige Dimensionierung des Solarspeichers und des Solarwärmetauschers.

Solarkollektoren

Solarkollektoren wandeln Sonnenergie in Wärmeenergie

Daher ist eine objektbezogene Berechnung des Jahresenergieertrages unumgänglich, aber auch um das jeweilige Preis-Leistungsverhältnis der verschiedenen Anbieter überschaubar zu machen und die Effektivität einer Anlage nachweisen zu können.

So liegt zum Beispiel der Jahresenergieertrag von Röhrenkollektoren pro m² Kollektorfläche für den Standort Würzburg je nach Hersteller und Typ bei 500- 800 kWh/m² a. Der von Flachkollektoren liegen aber nur bei ca. 300-550 kWh/m².

Kollektoren mit Erträgen < 300 kWh/m² a sind für unsere klimatische Verhältnisse in Deutschland weniger gut geeignet. Durch ihren einfachen und sehr preisgünstigen Aufbau werden sie daher vorwiegend für südliche Klimaverhältnisse eingesetzt.

Unbedingt zu beachten gilt, dass auch mit einer leistungsschwachen Solaranlage immer ausreichend Warmwasser zur Verfügung steht, da die Solaranlage mit der Heizungsanlage verbunden ist. Das Energieeinsparungspotenzial ist damit aber deutlich geringer.

Kollektorwirkungsgrad und Wärmeertrag
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der auf den Kollektor auftreffenden Sonnenenergie tatsächlich in nutzbare Wärme umgesetzt wird. Er ist dabei im wesentlichen von der Stärke der Sonnenstrahlung, der Umgebungstemperatur des Kollektors und der Temperatur des Wärmeträgers abhängig. Da sich diese Faktoren in der Praxis ständig ändern, ist der Wärmeertrag einer Anlage wesentlich interessanter.

Funktionsprinzip
Ein Solarkollektor sammelt durch Absorption die Wärme der einfallenden Sonnenstrahlung und überträgt diese auf den Wärmeträger, wie beispielsweise Solarflüssigkeit (Wasser-Glykolmischung). Für die unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen sind auch unterschiedliche Bauformen von Solarabsorbern und Solarkollektoren entwickelt worden. Die bekanntesten darunter sind die Flachkollektoren, Vakuumkollektoren und Solarabsorber.

Kollektorpreise
Entscheidend für die Kosten der Kollektoren ist deren Leistung sowie die verwendeten Materialien. Hier bestehen große Unterschiede am Markt. Für die Leistungsausbeute bestehen eindeutige Herstellerangaben. Bei den verwendeten Materialien und die sich daraus ergebende Haltbarkeit ist es für den nicht Fachmann schwierig, die entsprechenden Angaben nachzuvollziehen.

Montagesysteme
Flachkollektoren können auf ein Schräg- oder Flachdach mit der sogenannten Aufdachmontage, oder auch in das Dach integriert mit der Indachmontage montiert werden. Besonders für eine Indachmontage sollten nur qualitativ hochwertige Montagesysteme Verwendung finden. Zu beachten ist, dass für Vakuum-Röhrenkollektoren keine Indachmontage möglich ist.
Eine Solaranlage muss nicht zwangsläufig auf ein Wohnhausdach. Oftmals bestehen auch andere Möglichkeiten, wie beispielsweise ein Garagendach, Carport, ein ebenerdiges Gestell im Garten uvm.

Vakuum-Röhrenkollektoren (VRK)

Vakuum-Röhrenkollektoren (VRK)

Der Vakuum-Röhrenkollektoren (VRK)
Zukünftig wird die solaren Prozesswärmetechnik (90 °C) grundsätzlich in der Röhrentechnologie liegen. Bei Temperaturunterschieden ab ca. 40 K übertreffen diese einfachsten Röhrenkollektoren in einem direkten Leistungsvergleich jeden Flachkollektor Typ .

Bei diesem System ist der Absorber von einer evakuierten Glasröhre umgeben. Die Wärmeverluste sind dadurch wesentlich geringer und die gewonnene Energie erheblich höher. Sie eignen sich insbesondere für solare Warmwasserbereitung und für eine solare Heizungsunterstützung auch im Winterbetrieb bei direkter Sonneneinstrahlung oder diffuser Strahlung.

Je nach der Anbindung an den Sammler wird unterschieden in:

Nassanbindung

Vorteil: Bessere Wärmeübertragung an den Kollektorwärmetauscher.
Nachteil: Beim Wechsel der Röhre muss die Solarflüssigkeit teilweise entleert werden.

Trockenanbindung

Vorteil: Keine Entleerung notwendig.
Nachteil: Etwas schlechterer Wärmeübergang am Wärmetauscher.

Je nach der Bauform des Kollektors wird bei Vakuumröhrenkollektoren unterschieden in:

  1. Direkt durchströmte Röhrenkollektoren
    Die Wärmeträgerflüssigkeit wird durch Kupferrohre geleitet, die wärmeleitend mit dem Absorber verbunden sind.
  2. Indirekt durchströmte Heatpipe Röhrenkollektoren
    Unter dem Absorberblech ist ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Verdampfungsrohr (Heatpipe) montiert.
    Bei Sonneneinstrahlung verdampft zunächst die Flüssigkeit und gibt die Energie am oberen Ende der Röhre über einen
    Wärmetauscher an die Wärmeträgerflüssigkeit ab und kondensiert wieder.
    Bei vielen Herstellern ist zum Schutz gegen Überhitzung in der Röhre vor dem Wärmetauscher ein Thermoventil eingebaut.
    Heatpipe Kollektoren sind mit Abstand die leistungsstärksten aber auch die teuersten Kollektoren.
    Ihre Schwachstelle ist die Haltbarkeit des Vakuums. Das Puffervolumen sollte daher sehr reichlich dimensioniert werden.
  3. CPC- Vakuumröhrenkollektoren
    (CPC=Compound Parabolic Concentrator)
    Diese Kollektoren bestehen aus zwei konzentrisch angeordneten Glasröhren, die wie eine Thermoskanne ausgebildet sind.
    Das Vakuum zwischen beiden Glasröhren befindet sich im Gegensatz zu den früheren Typen nun innerhalb des Glasverbundes
    und ist somit wesentlich besser vor dem ungewollten Eindringen von Luft geschützt. Spannungsrisse, bedingt durch
    unterschiedliche Material Ausdehnungskoeffizienten können so nicht mehr auftreten.
    Die Absorberfläche ist bei CPC- Vakuumröhrenkollektoren als selektive Beschichtung auf der Oberfläche der inneren von zwei
    Glasröhren aufgetragen.

Bei dem Vakuumröhrenkollektor CPC liegt die Vakuumröhre vor einem CPC-Spiegel (Parabolspiegel), der vor allem bei diffuser
Einstrahlung, also gestreutem Licht, die Leistung wesentlich erhöht.
Der CPC-Vakuumröhrenkollektor kann, wie auch andere VRK-Systeme, mit Wasser als Wärmeträger anstelle eines
Glykol-Wassergemisch betrieben werden. Das so genannte Aqua-System bietet viele Vorteile gegenüber einem herkömmlichen
chemischen Frostschutzgemisch.

Eine Glykol-Wasser-Mischung hat bereits bei 40 °C eine 12 % geringere Wärmekapazität und eine um 38 % geringere
Wärmeleitfähigkeit. Außerdem hat eine Glykol-Wasser-Mischung im Vergleich mit Wasser eine 3,8-fache Viskosität,
wodurch sich eine so kleine Reynoldszahl ergibt, dass ein Kollektoren meistens mit einer deutlich ungünstigeren, laminaren
Strömung arbeiten muss. Dem entsprechend steigt auch der Druckverlust entsprechend auf bis zu 385 % im Vergleich mit Wasser
als Wärmeträger an, was zu einem deutlich höherem Energiebedarf der Pumpe führt. Besonders zu tieferen Temperaturen hin,
werden diese Verhältnisse immer ungünstiger.

Speicherkollektoren
Kollektor und Warmwasserspeicher bilden eine Baueinheit. Durch die einfache Funktionsweise können Solarpumpe, Steuerung, Wärmetauscher und Solarkreisleitungen entfallen.
Der Speicherkollektor wird direkt in die Warmwasserversorgungsleitung eingebunden.

Anwendung besonders in südlichen Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung.

Flachkollektoren
Der Absorber besteht meist aus schwarz (Schwarzchrom) oder blau (Titanoxyd) beschichteten Kupferblech mit mäanderförmig angeordneten Kupferrohr zum Abtransport der Wärme auf der Rückseite. Der Absorber ist mit einem sehr lichtdurchlässigem Sicherheitsglas abgedeckt. Zur Minimierung der Wärmeverluste ist auf seiner Rückseite eine Wärmeisolierung angebracht.

Bei Flachkollektoren handelt es sich um langlebige und ausgereifte Produkte mit einem guten Preis- Leistungsverhältnis und eignen sich gut für die solare Warmwasserbereitung und teilweise auch zur Heizungsunterstützung. Der Energieertrag von Flachkollektoren ist bei kalter Witterung oder diffuser Strahlung geringer.

Luftkollektoren
Diese Kollektoren lassen sich hervorragend in Lüftungsanlagen und Luftheizsysteme einbinden. Sie sind dabei ähnlich eines Flachkollektors aufgebaut. Hier wird anstelle einer Wärmeträgerflüssigkeit Luft erwärmt, die dann mittels eines Ventilators durch die Absorberkanäle geführt wird.

Solarabsorber

Anwendung Schwimmbaderwärmung
Solarabsorber sind aus schwarzen, UV-beständigem Kunststoffrohr gefertigt und durch ihren einfachen und preiswerten Aufbau und einen Temperaturbereich < 30°C besonders für die Schwimmbaderwärmung im Sommer sehr geeignet.

Die Systemkosten sind hier relativ niedrig. Die Absorberfläche sollte dabei zwischen 50 und 80% der Schwimmbeckenoberfläche betragen, um eine effektive Temperaturerhöhung von ca. 6 bis 10°C zu erreichen.

Der solare Ertrag von Solarabsorbern liegt im Sommer bei ca. 250 bis 350 kWh/m² und die Betriebskosten bestehen nur aus dem Energiebedarf der Umwälzpumpe. Somit kann sich eine solche Anlage schon nach 3 – 4 Jahren amortisieren.

Anwendung Eisanlagen
Wesentlich weniger bekannt ist die Verwendung von Absorbersystemen für Kunsteisbahnen. Dabei werden die leicht modifizierten Absorbermatten am Boden verlegt und mir einem -10°C bis -7°C kalten Frostschutz-Wassergemisch durchströmt um so eine Eisfläche zu erzeugt.

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