Solarthermie-Kollektoren im Vergleich

Flächenkollektoren vs. Röhrenkollektoren: Unterschiede und Entscheidungshilfen

Alle Solarthermie-Kollektoren sammeln die Solarwärme, die die Sonne mit ihren Strahlen aufs Dach schickt. In der Regel gelangt sie dann zunächst in einen Pufferspeicher – und von dort zur Ausgabestelle von Warmwasser oder in das Heizungssystem. Für diese Aufgaben existieren unterschiedliche Solarthermie-Kollektortypen. Wir stellen hier die beiden gängigen vor und erläutern, wie sich Flächenkollektoren und Röhrenkollektoren in Aufbau, Funktionsweise und Einsatzzweck unterscheiden.

Gleiches Funktionsprinzip, unterschiedliche Funktionsweisen

Alle Solarthermie-Kollektoren arbeiten mit Absorbern, um die Sonnenstrahlen zu absorbieren. Dieses buchstäbliche „Verschlingen“ kennen wir von schwarzer Kleidung an einem heißen Sommertag. Die erhaltene Wärme muss dann nur noch in den Warmwasser- oder Heizungskreislauf transportiert werden. Wie das im Einzelnen funktioniert, lesen Sie im Beitrag Solarthermie-Anlage.

Dieses Ergebnis kann auf unterschiedliche Arten erreicht werden. Im Folgenden werden die Funktionsweisen der beiden gängigen Typen von Solarthermie-Kollektoren vorgestellt.

Flachkollektoren: Erschwinglich und langlebig

Flachkollektoren gelten als ausgereift. So verwundert es nicht, dass sich ihre Marktführerschaft immer weiter manifestiert: Mit satten 90 Prozent ist der Klassiker heute der mit Abstand am meisten verbaute Kollektortyp. Wir zeigen auf, warum das so ist.

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Aufbau eines Flachkollektors

Ein Flachkollektor besteht aus fünf Einzelteilen:

• Das Herzstück ist der selektiv, sprich: dunkel beschichtete Absorber, ein gut wärmeleitendes Absorberblech aus Kupfer (häufig) oder Aluminium (selten).
• Der Absorber ist mit einem kupfernen Röhrensystem, auch Rohrschlange genannt, verbunden, durch das die Solarflüssigkeit zirkuliert.
• Die Abdeckung aus besonders robustem und lichtdurchlässigem Solarglas schützt den Absorber vor Niederschlägen (Regen, Hagel) und Schmutz (Staub, Flugsand, Blätter und Äste). Außerdem hält sie die Wärme im Kollektor und erzielt so den gewünschten Wärmestau (Glashauseffekt): Sobald die Sonne auf den Kollektor strahlt, heizen sich Absorberblech und Rohre auf – selbst bei kühlen Außentemperaturen.
• Eine Dämmschicht aus herkömmlichen Dämmmaterialien wie Mineralwolle oder aufgeschäumten Kunststoffen wie Polyurethan (PU) soll die Wärmeverluste minimieren.
• Alle Bestandteile werden von in einem Rahmen bzw. Gehäuse aus Aluminium oder Edelstahl zusammengehalten.

Vor- und Nachteile von Flachkollektoren

Vorteile:

• Flachkollektoren gelten als robust und langlebig.
• Sie sind schnell und einfach montiert, sowohl als Aufdach- als auch als Indach-Anlage. Als Indach-Installationen ersetzen sie Teile der Dachhaut. Mit etwas mehr Aufwand lassen sich die Kollektoren auf Flachdächern ebenfalls optimal zur Sonne ausrichten: mit einer passenden Aufständerung.
• Die schwarz unterlegte Glasfläche sorgt für eine beinahe elegante Optik. Je nach Lichteinfall sehen die flachen Kollektoren Dachfenstern zum Verwechseln ähnlich.
• Flachkollektoren haben ansehnliche Wirkungsgrade von 60 bis 85 Prozent – je nach Standort und Himmelsrichtung.
• Flache Solarkollektoren punkten mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Ihr Preis liegt deutlich unter dem ihrer Hauptkonkurrenten, den Röhrenkollektoren.

Nachteile:

• Flachkollektoren erreichen zwar recht gute Wirkungsgrade, benötigen jedoch auch relativ viel Montagefläche. In den meisten Fällen reicht die Dachfläche nur für die Warmwasserversorgung aus.
• Sie haben mit 15 und 25 Kilogramm pro Quadratmeter ein recht hohes Eigengewicht. Da bei einer großen Anlagenfläche einiges zusammenkommt, sollte ein Statiker zunächst die Tragfähigkeit des Dachs prüfen.
• Hohe Temperaturen wirken leistungsmindernd. Das ist jedoch selten problematisch, weil gerade bei gewünschter Heizungsunterstützung niedrige Außentemperaturen herrschen.

Röhrenkollektoren: Leicht und effektiv

Röhrenkollektoren gelten als teuer. Dies ist sicherlich der Grund, warum sie nur einen Marktanteil von weniger als 10 Prozent für sich beanspruchen können. Dem hohen Preis steht jedoch auch eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber. Je nach Standortbedingungen und Einsatzzweck kann sich die größere Ausgabe durchaus lohnen.

Aufbau eines Röhrenkollektors

Ein Röhrenkollektor oder Vakuumröhrenkollektor besteht aus vier Einzelteilen:

• Namensgebend sind die zur optimalen Isolierung luftentleerten („evakuierten“) Röhren aus Borsilikatglas mit 1,5 bis 3 mm Wandstärke. Mehrere dieser Röhren werden in einem Sammler zum Röhrenkollektor verbunden.
• Jede einzelne Röhre umhüllt einen separaten Absorber aus einem beschichteten Absorberblech. Das Vakuum verstärkt die Wärmedämmung / reduziert die Wärmeverluste und sorgt damit für einen hohen Wirkungsgrad. Das Funktionsprinzip ist von Thermoskannen bekannt, mit denen Vakuumröhrenkollektoren daher gerne verglichen werden.
• Der Absorber wiederum umhüllt ein U-förmiges Kupferrohr, durch das – genau wie bei Flachkollektoren – das wärmeübertragende Solarfluid strömt.
• Die fünf bis dreißig Röhren eines Röhrenkollektors sind auf einem Metallrahmen

Durch unterschiedliche Bauformen werden Vakuumröhrenkollektoren in zwei Typen unterteilt: direkt durchströmte und indirekt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren:

1. Direkt durchströmte Sydney-Kollektoren
   Der Name stammt von Lichtröhren, die in den 1980er-Jahren erstmals von einem in Sydney ansässigen Unternehmen produziert wurden. Ein Sydney-Kollektor ist ein Doppelglas-Kollektor (Rohr-in-Rohr-System) mit einem Vakuum zwischen den beiden Glasröhren. Die innere Glasröhre ist von außen mit dem Absorber bedampft und enthält ein Wärmeleitblech mit einem U-förmigen Rohr für das Wärmeübertragungsmittel. Die Vor- und Rücklaufleitungen sind jeweils an einer Art Sammelkasten angeschlossen. Die Neigung der Kollektoren ist bei der Montage unerheblich, d.h. von 0 bis 90 Grad möglich.
2. Indirekt durchströmte Heatpipe-Kollektoren

   In Heatpipe-Kollektoren durchfließt eine Flüssigkeit die Wärmerohre („heat pipes“) und erwärmt das eigentliche Solarfluid indirekt. Bei Sonneneinstrahlung (ab ca. 25 °C) verdampft die Flüssigkeit und steigt als Dampf nach oben in den Kondensator. Damit dies funktioniert, benötigen die Kollektoren eine Neigung von mindestens 20 Grad (ideal sind zwischen 25 und 70 Grad). Im Kondensator erfolgt die Übergabe der Wärme auf den Kollektorsammler und damit auf das Wärmeübertragungsmittel. Durch die Kondensation wird der Dampf wieder verflüssigt und kann nach unten in die Heatpipe zurückfließen.

Tipp: Achten Sie auf die Möglichkeit zur Drosselung der Temperatur. Es gibt z.B. Heat Pipe Kollektoren, die bei Erreichen von 100 °C „abschalten“. So degradiert die Wärmeträgerflüssigkeit nicht so schnell wie bei sehr häufig sehr hohen Temperaturen und bei kurzen Vor- und Rücklaufleitungen (z.B. in Dachheizzentralen) leiden die im Solarkreis enthaltenen Armaturen weniger.



3. CPC-Kollektoren
   Beim CPC-Kollektor besteht die Vakuumröhre aus drei ineinander geschobenen Glasröhren: Hüllrohr, selektiv beschichteter Absorber (Vorlauf) und Innenrohr (Rücklauf). Das Wärmeübertragungsmittel fließt bei einem CPC-Kollektor im Gegenstromprinzip. Im Hüllrohr sitzt ein Reflektor, der die Sonnenstrahlen bündelt und so ihre Wärmewirkung verstärkt.

   Die Buchstaben CPC für „Compound Parabolic Concentrator“ stehen für parabolische Hohlspiegel außerhalb oder innerhalb von Röhrenkollektoren. Die sichtbaren Außenreflektoren sind U-förmig um den Kollektor angeordnet und bestrahlen ihn von beiden Seiten. Im Inneren des Kollektors hinter den Röhren angebrachte CPC-Spiegel reflektieren die zwischen den Röhren auftreffenden Strahlen. Bei Dachanlagen ist die zweite Variante üblich.

   Auch die meisten Sydney- und Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren sind mit der CPC-Technologie ausgestattet. Generell schon effektiver als Flachkollektoren, versprechen Röhrenkollektoren mit CPC einen noch höheren Wirkungsgrad.

Vor- und Nachteile von Röhrenkollektoren

Vorteile:

• Röhrenkollektoren kommen auf sehr hohe Temperaturen– und das sogar bei schlechten Sonnenlichtverhältnissen und im Winter. Damit gehen Wirkungsgrade von teilweise über 90 Prozent
• Da sie leistungsstärker sind, benötigen die röhrenförmigen Kollektoren weniger Montagefläche. Das kann bei kleinen Dächern oder suboptimalen Standortbedingungen entscheidend sein.
• Vakuumröhrenkollektoren können auf Steil- und Flachdächern und an Fassaden installiert werden. Da sie weniger wiegen als flache Kollektoren, lassen sie sich zudem leichter handhaben.
• Das geringere Gewicht (11 bis 20 kg/m²) führt deutlich seltener zu Problemen bei der Dachstatik.

Nachteile:

• Röhrenkollektoren lassen sich meist nicht bündig ins Dach integrieren. Möglicherweise wird dadurch der optische Eindruck gestört.
• Der Anschaffungspreis von Röhrenkollektoren ist stattlich. Trotz der größeren Wirksamkeit liegen die Wärmegestehungskosten höher als bei Flachkollektoren.

Flachkollektoren vs. Röhrenkollektoren: ein Fazit

Die Frage, welche Kollektorfläche für die Versorgung einer Person nötig ist, kann leicht mit zwei Faustregeln beantwortet werden:

• Bei Flachkollektoren sind es etwa 1,5 m² für die reine Warmwasserversorgung und rund 3 m², wenn auch die Heizung unterstützt werden soll.
• Bei Röhrenkollektoren ist zur Erwärmung von Trinkwasser etwa 1 m²Kollektorfläche nötig. Ist auch eine Heizungsunterstützung gewünscht, werden 2 m²

Für die gleiche Leistung belegen Flachkollektoren also etwa die anderthalbfache Dachfläche von Röhrenkollektoren.

Grundsätzlich eignen sich beide Systeme für beide Anwendungsarten. Die Entscheidung richtet sich alleine nach dem zum Verfügung stehenden Platzangebot. Bedenkt man, dass Flachkollektoren weitaus stärker gefragt sind, dürfte dies bei den meisten Hausbesitzern wohl kein Problem darstellen.

Zur besseren Übersicht haben wir die  wichtigsten Fakten der beiden gängigsten Solarthermie-Kollektortypen in einer Tabelle gegenübergestellt:

In diesem Beitrag haben wir uns den beiden gängigen Solarthermie-Systemen gewidmet. Es gibt jedoch noch einige weitere, die in der Praxis zwar kaum eine Rolle spielen, die wir Ihnen aber nicht vorenthalten möchten. Im entsprechenden Beitrag Solarthermie Spezialkollektoren finden Sie ebenfalls eine Vergleichstabelle zur Orientierung.

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