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Ratgeber
Solarheizung – effiziente Heizwärme aus solarthermischen Anlagen
Neben der Photovoltaik, bei der aus der Sonneneinstrahlung elektrische Energie gewonnen wird, können Solaranlagen auch zur Wärmegewinnung für Heizsysteme eingesetzt werden.
Bei der solarthermischen Nutzung der Sonnenenergie wird die Strahlung der Sonne mittels Kollektoren in Wärmeenergie umgewandelt. Solarwärme wird überwiegend zur Erwärmung von Wasser im privaten Haushalt - etwa zum Duschen und Waschen – zunehmend aber auch zur Raumheizung eingesetzt.
Aufbau, Prinzip und Funktionsweise
Solarthermische Anlagen bestehen üblicherweise aus einem Sonnenkollektor, einer Regeleinheit mit Pumpe und einem möglichst gut gedämmten Warmwasserspeicher. Im Sonnenkollektor sammeln beschichtete Kupferbleche die Sonnenenergie. Unter den Blechen zirkuliert in Kupferrohren eine Wärmeträgerflüssigkeit. Regeleinheit und Pumpe sorgen dafür, dass die Wärme zum Wärmespeicher abtransportiert wird. Im Speicher wird die Wärme dann durch einen Wärmetauscher an das Speicherwasser abgegeben. So steht das warme Wasser auch nachts oder an sonnenlosen Tagen zur Verfügung und kann nach Bedarf in den Heizkreislauf des Objektes gelangen.
Die Kollektoren
In Deutschland werden vor allem Flach-, Vakuum-, oder Luftkollektoren eingesetzt.
Flachkollektor
Flachkollektoren sind die häufigste Bauart von Solarkollektoren zur Wärmeerzeugung. Flachkollektoren sind in ihrer Herstellung sehr preisgünstig, haben aber im Vergleich zu Vakuumröhrenkollektoren bei hohen Kollektortemperaturen größere Wärmeverluste. Flachkollektoren bestehen aus einem flächigen Absorber, einer transparenten und entspiegelten Glasabdeckung, einer Wärmedämmung und einem Metall-Rahmen. Der Absorber ist meist ein dunkel beschichtetes Metallblech aus Kupfer oder Aluminium, das mit wärmeleitenden Rohren verbunden ist. Die Absorberschicht sammelt die Sonnenwärme ein, die dann an die durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit, meist ein Wasser-Glycol-Gemisch, abgegeben und zum Solarspeicher transportiert wird. Die Glasabdeckung des Kollektors schützt den Absorber vor Umwelteinflüssen und minimiert Wärmeverluste. Durch die Entspiegelung wird die Reflexion der Sonnenstrahlen minimiert, und der Wärmeertrag des Kollektors steigert sich. Die Wärmedämmstoffe reduzieren Wärmeverluste an den Seitenwänden und der Rückseite des Kollektors.
Vakuumröhrenkollektor
Auch ein Vakuumröhrenkollektor sammelt Sonnenstrahlen ein und wandelt sie in Wärme um. Mehrere Röhren aus Glas sind zu einem Kollektor zusammengefasst. Die Röhren sind zur Vermeidung von Wärmeverlusten evakuiert, in ihnen herrscht also ein Vakuum – ähnlich dem Prinzip, das auch in einer Thermoskanne angewendet wird. Der Absorber ist ein Blechstreifen und in die einzelne Röhre eingefügt. Er kann ideal zur Sonne ausgerichtet werden, um damit den Energieertrag des Kollektors zu erhöhen.
Für Vakuumröhrenkollektoren gibt es zwei unterschiedliche Funktionsweisen: Das erste Prinzip basiert auf direkt durchflossenen Vakuumröhren und so genannten "Heat-Pipes". Dabei fließt die Wärmeträgerflüssigkeit durch ein Wärmerohr im eigentlichen Glasrohr und nimmt die Wärme vom Absorber auf. Die direkt durchflossenen Vakuumröhrenkollektoren können nach Süden ausgerichtet geneigt montiert werden oder auch horizontal auf einem Flachdach. Bei einem Heat-Pipe-System wurde Wasser oder Alkohol mit Unterdruck in das Wärmerohr eingebracht. Das Wasser oder der Alkohol verdampfen bereits bei niedrigen Temperaturen um etwa 25°C. Der dadurch entstehende Dampf kondensiert am oberen Ende des Wärmerohrs und wird über einen Kondensator an die Wärmeträgerflüssigkeit abgegeben. Das Kondensat fließt in das Rohr zurück. Heat-Pipe-Röhrenkollektoren müssen dafür mit einem Neigungswinkel von 25 Grad montiert werden. Ein Vakuumröhrenkollektor erzielt höhere Temperaturen als ein Flachkollektor. Der Nachteil von Vakuumröhren ist allerdings der höhere Preis im Vergleich zu Flachkollektoren. Außerdem eignen sich Röhrenkollektoren oft nicht für eine elegante Indachmontage.
Luftkollektoren
In Luftkollektoren arbeitet an Stelle von Wasser oder anderen Flüssigkeiten Luft als Wärmeträger. Luftkollektoren werden in der Gebäudebeheizung und in der Landwirtschaft – etwa zur Trocknung von Getreide eingesetzt. Die durch den Kollektor strömende Luft wird durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Die meisten Haushalte arbeiten mit einem Wasserkreislauf zur Wärmeerzeugung. Deshalb finden Luftkollektoren im privaten Bereich eher selten Anwendung. Die Kollektoren bestehen in der Regel aus einer metallischen Kollektorwanne, der Wärmedämmung, einem Trennblech zwischen Wärmedämmung und Absorberkanal, Rippenabsorber, Glasabdeckung und Luftanschlussstutzen.
Die Montagemöglichkeiten einer Solaranlage
Sonnenkollektoren lassen sich, wie auch bei der Photovoltaik, auf fast allen Dachformen installieren. Generell werden vier Varianten praktiziert: Die Aufdachmontage, die Indachmontage, die Freiaufstellung und die Fassadenmontage. Bei der Entscheidung für eine der Montagearten sollten neben der für die Kollektoren günstigen Ausrichtung und Neigung auch die optischen und architektonischen Aspekte berücksichtigt werden. Die Montage einer Solaranlage dauert meist nicht länger als zwei oder drei Tage.
- Aufdachmontage
Bei der Aufdachmontage werden der Solarkollektor oder das Solarmodul mit speziellen Montagesätzen einige Zentimeter über dem Dach installiert. Dafür werden die Montageschienen auf den Dachsparren befestigt. Besonders montagefreundlich sind Systeme, bei denen die Kollektoren einfach in ein Schienensystem eingehängt werden. Bei Nachrüstung einer Solaranlage an Gebäuden mit Schrägdächern ist eine Aufdachmontage meist preisgünstiger als eine Dachintegration, da die Ziegeldeckung nur an wenigen Stellen durchbrochen werden muss, ohne dadurch die Dichtigkeit des Daches zu gefährden. Unter ästhetischen Aspekten ist eine Indachmontage selbstverständlich die gelungenere Variante.
- Indachmontage
Bei der Indachmontage werden Sonnenkollektor oder Solarmodul in die vorhandene Dacheindeckung von geneigten Dächern integriert. Die Indachmontage ist unter ästhetischen Gesichtspunkten die überzeugendere Variante. Nachteil einer Dachintegration von Solarmodulen bei der Stromerzeugung (siehe unter „Solarstrom“ auf dieser Website) ist die schlechtere Hinterlüftung, was zu einem Minderertrag des erzeugten Solarstroms führen kann. Bei der Nachrüstung in bestehende Gebäude mit Schrägdächern ist eine Aufdachmontage aus bereits genannten Gründen preisgünstiger als eine Indachmontage. Mittlerweile bieten verschiedene Firmen bereits in Rahmen integrierte Kollektoren und Module an, die sich mechanisch und optisch in die umliegende Dachfläche einfügen lassen. Die neueste Innovation sind Solardachziegel sowie Solar-Roof-Systeme, bei denen die gesamte Dachfläche aus Kollektoren oder Modulen besteht.
- Freiaufstellung
Die Verankerung eines Moduls oder Kollektors am Boden gestaltet sich oftmals einfacher als auf dem Dach. Das Modul oder der Kollektor wird dafür auf einem Fundament verschraubt.
- Fassadenintegration
Die Fassadenintegration von Solaranlagen kommt vor allem bei großflächigen Büro- und Industriegebäuden sowie Mehrfamilienhäusern zur Anwendung. Verschiedene Hersteller in Deutschland bieten dafür maßgeschneiderte, lichtdurchlässige Solarmodule an.
Bei der Fassadenintegration werden Kalt- und Warmfassaden unterschieden. Bei Kaltfassaden werden die Solarmodule oder Kollektoren additiv, also nachträglich vor die Fassade montiert. Sie dienen der Energieproduktion und darüber hinaus der Fassadengestaltung und dem Witterungsschutz. Bei Warmfassaden übernimmt die Solaranlage die zusätzliche Funktion einer Gebäudehülle. Dafür werden in der Photovoltaik spezielle Isolierglasmodule mit schalldämpfenden Eigenschaften verwendet. Auch Solar- und Luftkollektoranlagen können als fassadenintegrierte Lösungen realisiert werden.
Hinweise zur Planung einer Solaranlage:
Die Intensität der Sonnenstrahlung ist in allen Regionen Deutschlands groß genug, um solarthermische Anlagen effizient zu betreiben. Eine zwischen Südost und Südwest ausgerichtete, möglichst schattenfreie Dachfläche mit einer Neigung von 20° bis 60° eignet sich für die Errichtung einer Solaranlage am besten. Pro Person sollten für die Brauchwasser-Erwärmung einen bis anderthalb Quadratmeter Kollektorfläche berechnet werden. Mit einer größeren Kollektorfläche kann der gleiche Energieertrag auch auf einer West- oder Ostseite erzielt werden. Auch Flachdächer eignen sich gut – ebenso wie eine Aufstellung im Garten oder die Montage an der Wand. Der Speicher erfordert eine Stellfläche von etwa einem Quadratmeter und ca. zwei Meter Höhe.
Besonders günstig erfolgt die Installation bei einem Neubau, weil dabei etwa 20 Prozent der Kosten gegenüber einem nachträglichen Einbau gespart werden können. Wem hier anfangs noch die finanziellen Möglichkeiten fehlen, sollte sich aber bereits durch eine richtige Verrohrung und den Einbau eines geeigneten Warmwasser-Speichers die Möglichkeit einer späteren kostengünstigen Installation sichern. Bei bestehenden Gebäuden ist eine ohnehin stattfindende Heizungsmodernisierung oder Dachsanierung günstig. Wenn eine Heizungsmodernisierung oder Wärmedämmungsarbeiten mit dem Einbau einer Solaranlage kombiniert werden, winken zudem oft zusätzliche Fördergelder. Eine Nachrüstung von bestehenden Gebäuden ist grundsätzlich immer möglich.
Leistungsfähigkeit, Kosten und Effizienz einer Solaranlage
Die Kosten für eine Solarwärmeanlage, die für einen Vier-Personenhaushalt ausreicht, liegen mit Montage bei etwa 4.500 bis 6.000 Euro. Wenn zusätzlich eine Heizungsunterstützung realisiert werden soll, liegen die Preise bei etwa 8.000 bis 10.000 Euro. Vakuumröhrenkollektoren sind etwa um 30 Prozent teurer als Flachkollektoren.
Nach der Entwicklung in den letzten zehn Jahren, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Preise für solarthermische Anlagen in den nächsten Jahren nur langsam weiter verringern werden. Staatliche Zuschüsse reduzieren schon heute die Investitionskosten, und Banken bieten attraktive Baufinanzierungen an. Warten lohnt sich also nicht. Die Betriebs- und Wartungskosten für Solaranlagen sind relativ gering. Wie viele andere technische Anlagen auch, sollten Solaranlagen regelmäßig überprüft und gewartet werden. Bei Solarwärmeanlagen kann das auch effektiv und damit kostengünstig mit der jährlichen Wartung des Heizkessels verbunden werden. Empfehlenswert ist außerdem der Einbau einer Wärmemengenerfassung, um die Funktionen der Solaranlage selbst überprüfen zu können.
Eine gut geplante Anlage kann über ein Jahr bis zu 60 Prozent des Wassers für das Duschen und Waschen erwärmen. Von Mai bis September ist die vollständige Deckung des Warmwasserbedarfs über eine normale Dimensionierung kein Problem. Um auch im Winter eine vollständige solare Warmwasserversorgung zu erreichen, müsste die Kollektorfläche vervielfacht werden. Angesichts der Kosten und der Überschussenergie im Sommer ist dies nur selten sinnvoll. Im Winter dient die Solaranlage deshalb meist nur der Vorwärmung von Kaltwasser. Der restliche Bedarf wird durch eine konventionelle Heizung gedeckt.
Eine Solarwärmeanlage mit sechs Quadratmetern Kollektorfläche liefert in Deutschland bei durchschnittlicher Sonneneinstrahlung etwa 2.000 Kilowattstunden pro Jahr für die Warmwasserbereitung. Die solar gewonnenen 2.000 Kilowattstunden Heizenergie reichen nach unabhängigen Berechnungen aus, um das Wasser für etwa 400 Wannenvollbäder mit je 150 Litern oder für 2.000 Duschgänge mit je 30 Litern zu erwärmen. Alternativ liefert die Sonne etwa 50 Prozent des Energiebedarfs für die Wassererwärmung von 5.000 Waschmaschinen- oder 3.300 Spülmaschinengängen. Die restlichen 50 Prozent werden elektrisch nachgeheizt. Voraussetzung ist allerdings, dass die Wasch- und Spülgeräte an die Warmwasserleitung angeschlossen sind.
Immer mehr Haushalte nutzen solare Wärme auch für die Heizung der Wohnbereiche. Kombinierte Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung können im Frühjahr und Herbst ein Haus ausreichend mit Wärme versorgen und im Winter den Heizkessel unterstützen. Solarwärmeanlagen zur Heizungsunterstützung benötigen generell eine größere Kollektorfläche als Anlagen, die lediglich der Warmwasserbereitung dienen und verfügen außerdem über einen speziellen Speicher. Besonders effizient arbeiten Solaranlagen zur Heizungsunterstützung in Häusern, die mit modernen Heizungsanlagen ausgestattet sind und über eine gute Wärmedämmung verfügen. Hochwertige Solaranlagen können über 30 Jahre lang Wärme produzieren.
Hinweise zur Genehmigung von Solaranlagen
Solaranlagen auf Einfamilienhäusern, die in meist auf dem Dach errichtet oder in das Dach integriert werden, sind in den meisten Bundesländern genehmigungsfrei. Die Genehmigungspflichten regeln die Landesbauordnungen. Die Grenzen der Genehmigungsfreiheit sind in den Landesbauordnungen festgelegt. Das betrifft zum Beispiel die Größe der Anlage, bzw. die Art der Gebäude – wie Garagen, Schuppen oder Carports -, auf denen die Anlage errichtet werden soll. Gleiches gilt für Anlagen, die zum Beispiel auf Freiflächen oder als Fassaden- bzw. Überkopfanlagen installiert werden sollen. Vor dem Bau der Anlage sollte deshalb immer in der Landesbauordnung nachgelesen werden.
Detaillierte Informationen finden Sie auf unseren Ratgeber Seiten:
» Öko-Förderung: Die KfW-Bank, Energiesparhäuser 40/60, Passivhäuser, Förderumfang uvm.
» Solarstrom – sauber und sicher
» Solarheizung – effiziente Heizwärme aus solarthermischen Anlagen
» Erdwärme – effiziente Energie aus der Tiefe
» Wärmepumpentechnik – zukunftssichere Investition
» Cooles Kühlsystem: Wärmepumpen als Klimaanlage
» Nachhaltiges Heizen mit Holz
» Förderdarlehen der Länder – Anschriften
» Aktuelle Bauzinsen für ein KfW-Darlehen
