Solarthermie-Kollektoren optimal ausrichten
Dass der Ertrag einer solarthermischen Anlage von ihrem Standort abhängt, ist allgemein bekannt. Ebenso, dass Süddächer sich für die Installation besser eignen als alle anderen. Herumsprechen muss sich dagegen noch, dass man einen suboptimalen Standort auch austricksen kann. Wir zeigen, wie das geht. Tatsächlich ist die Ausrichtung einer Solarthermieanlage für deren Effizienz entscheidend. Denn selbst die hochwertigste Solarthermieanlage kann bei ungünstiger Kollektor-Ausrichtung keine Topleistung bringen.
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Ausrichtung der Solarthermieanlage: Was heißt das genau?
Streng genommen wird unter dem Begriff Ausrichtung nur die Himmelsrichtung verstanden, aus der die Sonnenstrahlen auf den Solarthermie-Kollektor treffen. Sie ist zweifellos der wichtigste Faktor für den Ertrag der Solaranlage. Ihr zur Seite gestellt ist jedoch ein zweiter Parameter: die Neigung des Kollektorfelds. Beide Aspekte sind praktisch untrennbar miteinander verbunden. Will sagen: Für die Entscheidung, ob sich die Installation einer solarthermischen Anlage lohnt, müssen Ausrichtung und Neigung immer zusammen betrachtet werden.
Das ist weniger kompliziert als es klingt, erfordert jedoch auch ein gewisses Maß an Planung. Häuslebauer sind hier im Vorteil, können sie das Optimum doch direkt im Vorfeld einkalkulieren. Anders als beim Neubau sind die Parameter beim Bestandsbau vorgegeben. Eine suboptimale Ausrichtung und Neigung von Haus und Dach müssen jedoch keineswegs das Aus für die Installation einer Solarthermie-Anlage bedeuten. Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die Gegebenheiten zu optimieren – und so den größtmöglichen Ertrag herauszuholen.
Ausrichtung von Solarkollektoren optimieren
Zunächst einmal möchten wir erklären, was eigentlich die üblichen Grad-Angaben für die Ausrichtung bedeuten. Anders als beispielsweise beim Kompass wird in der Solartechnik der Süden als Ausgangspunkt der Zählung genommen. Eine strikte Ausrichtung nach Süden hat daher den Winkel bzw. Südazimut-Winkel von 0°. Abweichungen nach Westen werden mit Pluswerten, nach Osten mit Minuswerten angegeben.
Optimale und suboptimale Ausrichtung
Eine exakt nach Süden ausgerichtete Solarfläche ist die beste Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage – zumindest wenn keine Verschattung die Erträge zu mindern droht. Leichte Abweichungen bedeuten aber keineswegs, auf die umweltfreundliche Technologie verzichten zu müssen. Die Fakten sind:
- Ein Südazimut-Winkel von +/-20 Grad bringt noch etwa 95 Prozent
- Bei einem Südazimut-Winkel von +/-45 Grad liegt der Ertrag noch bei etwa 90 Prozent.
- Selbst bei einer Südazimut-Abweichung von 90 Grad, also bei einer exakten Ost- oder West-Ausrichtung, sind noch 80 Prozent der Erträge zu erwarten.
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Suboptimale Dachausrichtung und geeignete Maßnahmen
- In den oben genannten Fällen kann es sich lohnen, das Minus durch eine entsprechend größere Kollektorfläche auszugleichen. Voraussetzung ist natürlich das Vorhandensein einer ausreichend großen Installationsfläche.
- Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von zwei Dachflächen. Südgiebel-Häuser mit Steildach sind meistens mit einer Bedeckung nach Westen UND Osten ausgestattet. Eignen sich die Flächen, ergibt sich daraus sogar ein Vorteil: Da die Sonne am Morgen im Osten und am Nachmittag im Westen scheint, ist die Wärmeausbeute über den Tag gesehen größer – und das obwohl die Sonnenwärme dann geringer ist als am Mittag.
- Weist das Dach eine ungünstige Ausrichtung auf, sollten auch die Außenwände des Hauses inspiziert werden. Zwar sind die Erträge einer Solarfassade rund 30 Prozent niedriger als die von optimal ausgerichteten Dachanlagen. Nach Südosten oder Südwesten orientiert, verspricht eine vertikale Kollektorfläche aber durchaus gute Erträge. Ein Grund, warum sich häufig auch Balkongeländer für die Installation von Solarkollektoren eignen. In unserem separaten Beitrag erfahren Sie mehr über den Nutzen einer Solarthermieanlage an der Fassade.
- Ist der Anschluss an die Hausanlage realisierbar, bieten sich auf dem Grundstück oftmals weitere Installationsalternativen an. Als Beispiele seien hier Zäune, Sichtschutzwände, Vordächer, Gartenhäuser, Garagen und Carports genannt. Völlige Freiheit bei der Ausrichtung bieten Freiflächenanlagen – zumindest bei einem ausreichend großen Grundstück
- Immer häufiger sieht man jetzt auch Freiflächenanlagen auf Flachdächern. Sie stellen allerdings einige Anforderungen an die Dachstatik. Ist die Tragfähigkeit des Daches gegeben und können die nötigen Abstände zur Dachkante eingehalten werden, garantiert ein Flachdach die größtmögliche Freiheit. Die Installation sollte aber, genau wie bei einem Steildach, möglichst wenig von der Süd-Ausrichtung abweichen.
- Große solarthermische Kraftwerke optimieren ihre Erträge in der Regel über ein- oder zweiachsige Nachführsysteme. Sie richten sich entweder in der Ausrichtung und/oder der Neigung automatisch nach dem Sonnenstand. Aufgrund der hohen Anschaffungs- und Installationskosten kommen sie bei Ein- und Zweifamilienhäuser jedoch eher selten in Betracht.
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Neigung der Solarthermie-Kollektoren optimieren
Die oben genannten stattlichen Ertragswerte sind Best-Case-Daten, die nur bei einer optimalen Neigung der Kollektorfläche gelten. Doch wann ist der Neigungswinkel „optimal“? Das größte Energiegeschenk macht uns die Sonne, wenn ihre Strahlen im 90-Grad-Winkel, also senkrecht auf den Solarkollektor treffen. Weil sich der Einstrahlungswinkel mit der Tages- und Jahreszeit permanent verändert, ist das ohne Nachführungssystem aber praktisch nie der Fall. Daher werden durch Messungen ermittelte Von-bis-Spannen als „optimal“ bezeichnet. Sie variieren je nach Solarthermie-System.
Optimale Neigungswinkel der Installationsfläche
Wie in der obigen Grafik zu sehen, werden für die beiden unterschiedlichen Solarthermie-Systeme auch unterschiedliche Neigungswinkel als Optimum betrachtet. Grund dafür ist der durchschnittliche Sonnenstand in den einzelnen Jahreszeiten – sowie die dann angestrebte Nutzung.
- Für die solare Trinkwassererwärmung, die zum Großteil im Sommer genutzt wird, lässt sich der hohe Sonnenstand zu dieser Jahreszeit gut mit einem Neigungswinkel von 20 bis 50 Grad
- Für die Heizungsunterstützung, die gerade in den Übergangsmonaten genutzt wird, wenn die Sonne tiefer am Himmel steht, ist ein Neigungswinkel von 45 bis 70 Grad günstig. Auch eine Fassadenmontage mit 90-Grad-Neigung kann hierfür sinnvoll sein.
Optimale Neigungswinkel simulieren
Die meisten Hausdächer dürften einen geeigneten Neigungswinkel aufweisen. Doch auch für Flachdächer und geringer geneigte Schrägdächer gibt es eine Lösung: die Aufständerung. Aufständerungen sind eigens für die Montage von Solarthermie-Kollektoren und Photovoltaik-Modulen konstruierte Gestelle. Je nach Neigung des Untergrunds können sie flacher oder steiler aufgebaut werden, sodass sich immer ein individuelles Optimum erreichen lässt.
Die Ausrichtung bzw. Neigung der Aufständerung auf dem Flachdach richtet sich ebenfalls nach dem Sonnenstand. Anders als beim Steildach wird die Neigung jedoch von der Verschattungsgefahr durch die Kollektoren selbst bestimmt. Als Empfehlungen werden genannt:
- Bei einseitig nach Süden ausgerichteten Kollektoren sollte der Neigungswinkel 35 bis 60 Grad Etwas Abstand zwischen den Reihen verhindert, dass sich die Felder gegenseitig verschatten.
- Bei doppelseitig nach Osten und Westen ausgerichteten Kollektoren ist ein Neigungswinkel von 15 bis 25 Grad üblich. Die geringere Neigung erlaubt ein nahtloses Aneinanderfügen der Felder und damit eine größere Kollektorfläche.
Verschattung immer vermeiden
Mindestens ebenso wichtig wie die optimale Ausrichtung und Neigung ist das Vermeiden von Schatten auf der Kollektorfläche. Der Schattenwurf von Bäumen, Schornsteinen, Satellitenschüsseln, Nachbarhäusern und sogar entfernten Hügeln führt unweigerlich zu Leistungseinbußen. Wer schon lange im Haus wohnt, kennt wahrscheinlich die Quellen. Dennoch ist es sicherer, vor der Installation einer Solarthermie-Anlage bei der Kommune nachzufragen. Ist in naher Zukunft ein größeres Bauprojekt geplant? Das Gartenbauamt gibt Auskunft zu vorgesehenen Anpflanzungen auf Freiflächen. Einen Blick wert sind auch bereits gepflanzten Bäume. Wohin fallen die Schatten, wenn diese in den Himmel wachsen? Bedenken Sie, dass Ihre Solarthermie-Anlage eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren hat.
Fazit
Zwei Winkel bestimmen über den Erfolg oder Misserfolg beim Betrieb einer Solarthermie-Anlage: der Azimut- und der Neigungswinkel. Anlagenbetreiber tun gut daran, sich an deren Optimalwerten zu orientieren. Widerspricht die Realität diesem Ideal so ganz und gar, ist ein Betrieb wahrscheinlich unwirtschaftlich. Bei geringeren Abweichungen kann der Einsatz geeigneter Hilfsmittel dazu beitragen, die Ausrichtung und Neigung der Kollektorflächen zu optimieren.
Unbedingt zu vermeiden sind leistungskillende Schatten auf den Kollektorflächen. Wir erinnern auch an dieser Stelle an unseren Merksatz: Neigungswinkel und Ausrichtung sind flexibel, Verschattung ist jedoch ein No-go.
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