Solarthermie Spezialkollektoren

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Mit Solarkollektoren das Poolwasser aufheizen, die Raumluft erwärmen und Strom erzeugen

Dusche, Badewanne, Fußbodenheizung, … Die Warmwassererzeugung und die Heizungsunterstützung sind die angestammten Aufgaben von Solarthermie-Kollektoren. Geht der Bedarf über den eines herkömmlichen Privathaushalts hinaus, können Spezialkollektoren eine interessante Ergänzung sein: beispielsweise für die Beheizung des Schwimmbads oder die Raumlufterwärmung. Kombisysteme erweitern das Spektrum und bieten sich zu einer alternativen Nutzung an. Wir stellen die (Noch-)Nischenprodukte unter den Solarthermie-Kollektoren vor. Am Ende des Beitrags liefert eine Tabelle die Fakten auf einen Blick.

Thermo-Siphon-Kollektor © springtime78, fotolia.com
Thermo-Siphon-Kollektor:  Kollektor und Warmwasserspeicher kombiniert © springtime78, fotolia.com

Thermo-Siphon-Kollektor: Kollektor und Speicher in einem

Beginnen wir die Vorstellung der „Exoten“ mit dem einfachsten System: dem Thermo-Siphon-Kollektor. Der Zweitname Speicherkollektor drückt es bereits aus: Hier sind Kollektor und Warmwasserspeicher bereits kombiniert. Und genau das unterscheidet dieses System von einfachen Gartenduschen, bei denen die Sonne das Brauchwasser ausschließlich im Tank erwärmt.

Funktionsweise einer Thermo-Siphon-Anlage

Funktionsweise einer Thermo-Siphon-Anlage: Speicherkollektoren sammeln und speichern die Wärme
Funktionsweise einer Thermo-Siphon-Anlage: Speicherkollektoren sammeln und speichern die Wärme

Die Thermo-Siphon-Anlage macht sich die Schwerkraft zunutze: Das Wärmemittel im Kollektor ist reines Brauchwasser ohne Zusätze wie Glykol. Es gelangt über den Frischwasserzufluss in den Kollektor, steigt aufgrund der Sonnenwärme nach oben und über den Auslass in den dort befestigte Wasserspeicher. Das hierin gesammelte Warmwasser steht zur Entnahme bereit. Entnommenes Wasser wird auf die beschriebene Weise nachgefüllt. Wasser, das im Tank abkühlt, fließt durch dessen unteren Ablass zurück in den Wärmekreislauf der Thermo-Siphon-Anlage. Damit die Schwerkraftanlage funktioniert, muss der Wassertank immer oberhalb des Solarkollektors angeordnet sein.

Nutzung von Speicherkollektoren

Thermo-Siphon-Kollektoren sind nur etwas für wärmere Regionen, in denen nicht mit Frost zu rechnen ist. Dort wird es recht häufig zur Erwärmung von Brauchwasser eingesetzt. In unseren Breitengraden bräuchte das System eine zusätzliche Dämmung der Rohrleitungen als Frostschutz. Dies ist aufwendig und in den seltensten Fällen rentabel.

Vor- und Nachteile eines Thermo-Siphon-Kollektors

  • Thermo-Siphon-Kollektoren sind unkompliziert aufzubauen.
  • Aus diesem Grund sind Schwerkraftanlagen ausgesprochen günstig.
  • Sie arbeiten ohne bewegliche Bauteile und sind daher vergleichsweise wartungsarm.
  • Aufgrund der fehlenden Dämmung kommt es beim Einsatz von Thermo-Siphon-Kollektoren zu hohen Wärmeverlusten.
  • Da das Wasser im Inneren gefrieren kann, sind die Anlagen bei Frostwetter ungeeignet.

Poolkollektor: Temperiertes Wasser für ein erfrischendes Bad

Zwei Begriffe werden häufig parallel gebraucht: Solarkollektor und Solarabsorber. Tatsächlich handelt es sich jedoch um zwei Varianten ein und desselben Systems für die Beheizung von Swimming Pools. Was die Unterschiede betrifft, verweisen wir auf den separaten Beitrag Poolheizung mit Solarenergie. Beide Unterarten haben jedoch die gleiche Funktionsweise, die im Folgenden beschrieben wird.

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Funktionsweise von Poolkollektor und Poolabsorber

Einfache Funktionsweise eines Poolkollektors
Einfache Funktionsweise eines Poolkollektors

Ob in einem Gehäuse oder einer flexiblen Matte versteckt: Das Poolwasser fließt durch ein integriertes Röhrensystem und wird währenddessen von der Sonne erwärmt. Für das Ansaugen sorgt die Sandfilteranlage des Swimmingpools. Natürlich gelangt das Wasser erst nach dem Filtervorgang in den Absorber oder Kollektor, um die feinen Rohre nicht zu verstopfen. Die Wärmeverluste variieren je nach Bauart: Durch den Glashauseffekt sind sie beim Poolkollektor niedriger.

Tipp: Sie haben 3 Möglichkeiten, den Wasserdurchfluss zu steuern: 1. Ohne Steuerung entsteht ein Dauerdurchfluss, auch wenn die Sonneneinstrahlung ausbleibt und dadurch das Wasser abkühlt. 2. Bei einer Steuerung über die Umwälzpumpe wird die Wunschtemperatur durch automatisches Ein- und Ausschalten konstant gehalten. 3. Mit einem 3-Wege-Umschaltventil wird das Wasser bei Erreichen der Wunschtemperatur entweder durch die Solar-Absorber/-Kollektoren oder direkt zurück ins Becken geleitet.

Nutzung von Schwimmbadkollektoren

Wie die Typenbezeichnung bereits verrät, ist ein Schwimmbadkollektor zum Erwärmen von Schwimmbad & Co. im Einsatz, und zwar im privaten wie auch im gewerblichen Bereich. Man unterscheidet mobile und fest installierte Varianten. Ein Poolkollektor kann selbst im frostfreien Winter sinnvoll genutzt werden – wenn er sich in der Sonne erwärmt und einem Wärmepumpensystem als Wärmequelle dient.

Die Größe des Poolkollektors muss natürlich der Größe des Schwimmbeckens angepasst sein. Hierzu gibt es eine Faustformel: Die Absorber-/Kollektorfläche sollte 60 bis 80 Prozent der Poolfläche betragen. Bei einem 4 m x 10 m großen Swimming Pool wären danach 24 bis 32 m² nötig, also etwa 11 bis 15 Stück der üblicherweise 2,2 m² messenden Absorber.

Tipp: Ohne Abdeckung kühlt ein Pool bei Temperaturrückgang enorm aus. Um die solare Heizung nicht zu überfordern, sind Solarplanen & Co. unabdinglich. Solarfolien haben an der Unterseite luftgefüllte Noppen. Die eingeschlossene Luft gibt die Sonnenwärme an das Poolwasser ab. In der kühlen Nacht wirkt die Folie isolierend. Ideal sind schwarze, 400 μm starke Solarfolien, die sich sehr gut aufheizen und wenig Licht hindurchlassen. Sie schränken das Algenwachstum besser ein als die üblichen blauen Folien.

Vor- und Nachteile von Poolkollektoren

  • Ein Schwimmbadkollektor ist einfach aufgebaut.
  • Deshalb hat er auch vergleichsweise niedrige Anschaffungskosten, die bei etwa 500 Euro beginnen.
  • Solarabsorber sind zudem robust und stabil.
  • Die flexiblen Matten passen sich unterschiedlichen Dachformen an. Platten können aufgeständert und optimal ausgerichtet werden.
  • Die mobilen Schwimmbadkollektoren lassen sich im Winter frostsicher verstauen.

Sie möchten mehr über Schwimmbadkollektoren wissen und dazu noch zwei Alternativen kennenlernen? Welches System zu Ihrem Swimming Pool passt, verrät unser separater Beitrag Poolheizung mit Solarenergie.

Luftkollektor: Sinnvolle Ergänzung zur Luftheizung

Luftkollektoren ähneln in ihrer Bauweise den weit verbreiteten Flachkollektoren, auch wenn sie ein wenig größer ausfallen. Doch anders als diese – und die ebenfalls bekannten Röhrenkollektoren – nutzen sie statt Solarflüssigkeit Luft als Wärmeträgermedium.

Funktionsweise eines Luftkollektors

Schematischer Aufbaui eines Luftkollektors
Schematischer Aufbaui eines Luftkollektors

Die im Außenbereich installierten Luftkollektoren sind wie Flachkollektoren mit einem Absorber und einer Glasabdeckung ausgestattet. Der Wärmekreislauf wird jedoch von einem Ventilator angetrieben. Luftkollektoren saugen frische Außenluft an, filtern diese, erwärmen sie solar und leiten sie mit Hilfe der Ventilatoren über Luftschächte zu ihrem Bestimmungsort. Sie kommen dabei auf Wirkungsgrade zwischen 50 bis 75 Prozent. Der eingebaute Ventilator wird natürlich elektrisch angetrieben. Die Stromzufuhr kann über den Netzanschluss oder – wie in der obigen Grafik gezeigt – über Solarzellen erfolgen.

Tipp: Luftkollektoren und Photovoltaikanlage kombinieren. Die Hybridmodelle sind mit PV-Solarzellen ausgestattet, die für den Betriebsstrom der Ventilatoren sorgen. Kombi-Produkte sind natürlich immer etwas teurer, im Falle der Photovoltaik lohnen sie sich auf Dauer aber allemal. Und die Umwelt freut sich immer.

Nutzung von Luftkollektoren

Luftkollektoren eignen sich nur bedingt zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung, da Luft die Wärme praktisch gar nicht speichern kann. Die Nutzung würde einen sehr großen Pufferspeicher und weitreichende bauliche Maßnahmen erfordern.

Arbeitet bereits eine Luftheizung, sind Luftkollektoren jedoch eine sinnvolle Ergänzung. Betreiber von Schwimmbädern, Sporthallen und Lagerhallen sind daher die Hauptadressaten dieser Solarthermieanlagen. Dass Luftheizungen die Luftfeuchtigkeit verringern, kann ebenfalls von Vorteil sein: bei der Trocknung  landwirtschaftlicher Produkte oder zum Belüften und Entfeuchten von Kellerräumen, Ferienhäusern oder Berghütten. Vor allem Letzteren kommt ein weiterer Umstand zugute: Anders als Wasser gefriert Luft bei Minusgraden nicht.

Vor- und Nachteile von Luftkollektoren

  • Luftkollektoren sind vergleichsweise wartungsarm und kostengünstig.
  • Sie benötigen keine Neigung und lassen sich daher auch auf Flachdächern und an Fassaden installieren.
  • Da Luft nicht gefriert, erfahren Luftkollektoren bei Frost keinerlei Beeinträchtigung.
  • Nachteilig ist, dass sie nicht ohne weiteres für herkömmliche wasserbasierte Heizungen geeignet
  • Luftkanäle sind dicker als Wasserrohre. Der Einbau kommt daher fast nur bei Neubauten in Betracht.

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Hybridkollektoren: Wärme und Strom in einem

Nur ein schöner Traum? Nein, Solarthermie und Photovoltaik können tatsächlich in einer Symbiose leben. PVT heißt das Zauberwort, Photo Voltaik Thermie. Die Hybridkollektoren erzeugen Solarwärme plus Solarstrom, indem sie die Funktionalitäten von Solarkollektor und Solarmodul kombinieren. Und da die einen Wärme lieben und die anderen Kälte am schönsten finden, ergänzen sie sich perfekt: Bei besten Bedingungen kann der PV-Ertrag um bis zu 25 Prozent steigen. Zumindest behaupten das die Hersteller.

Aber: Hybridkollektor ist nicht gleich Hybridkollektor: Je nach Bauweise und Wärmeträgermedium werden vier PVT-Typen unterschieden. Drei Photothermie- oder Thermovoltaik-Systeme sind in unseren Breitengraden interessant:

  • Abgedeckte Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger
  • Offene (nicht-abgedeckte, unabgedeckte) Kollektoren mit flüssigem Wärmeträger
  • Luftgeführte Kollektoren.

Funktionsweise von Hybridkollektoren

Hybridkollektoren mit flüssigem Wärmeträger

Wie bei Flach- und Röhrenkollektoren erwärmt die Sonne die eingebauten Absorberbleche. Diese geben die Wärme an eine geeignete Flüssigkeit ab, die sie wiederum an einen Verbraucher weitergibt. Die „Abdeckung“ beider Typen bezeichnet nicht etwa eine Glasplatte oder Ähnliches, die ohnehin Standard bei PVT-Kollektoren ist. Abgedeckte Hybridkollektoren haben zwischen der Glasabdeckung und den Photovoltaikzellen eine Luftschicht, die die Wärmeabgabe aus dem Kollektor an die Umgebung senkt. Dies steigert die Wärmeausbeute, senkt dafür aber die Stromausbeute. Unabgedeckte Hybridkollektoren ohne Luftschicht bewirken das Gegenteil: Der Fokus wird auf die Stromgewinnung gelegt.

Letztere dominieren den PVT-Kollektoren-Markt noch. Inzwischen gibt es aber auch flexible Hybridkollektoren, bei denen Nutzer das Verhältnis von Wärme- und Stromerzeugung nach Bedarf variieren können. So lassen sich zum Beispiel die Solarmodule über die Solarkollektoren schieben, wenn keine Solarwärme gebraucht wird.

Hybridkollektoren mit Luft als Wärmeträger

Luftgeführte PVT-Kollektoren benötigen zwar einen Ventilator, dafür entfallen jedoch die Rohrleitungen und Zirkulationspumpen. Wo Luft als Wärmetransportmittel dient, ist das Ziel immer die Raumlufterwärmung. Wie bei den flüssigkeitsgeführten Kollektoren gibt es zwei Ausführungen: Bei der einen wird ausschließlich der Ventilator mit Solarstrom aus den Photovoltaikzellen betrieben, bei der anderen kühlt der Luftzug zugleich die Zellen etwas herunter. Bei der zweiten Variante steigt der Wirkungsgrad der PV-Zellen – und damit auch der Stromertrag.

Nutzung von PVT-Kollektoren

Hybridkollektoren sind echte Allrounder und damit Platzsparer. Sie kommen dort sinnvoll zum Einsatz, wo Mangel an Installationsfläche herrscht und dennoch sowohl Solarstrom als auch Solarwärme erzeugt werden soll. Während die Wärme zur Bereitstellung von Warmwasser oder Heizwasser dient, kann der erzeugte Strom die Heizungspumpe betreiben oder anderweitig im Haushalt verbraucht werden – Stichwort: Eigenverbrauch.

Vor- und Nachteile von Hybridkollektoren

  • Hybridkollektoren sind bei Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhäusern einsetzbar.
  • Sie können Warmwasser, Heizwasser und Strom erzeugen.
  • Ihr Wirkungsgrad ist geringer als bei Einzelfunktionen.
  • Photothermie- oder Thermovoltaik-Kollektoren sind vergleichsweise teuer.

Solarthermie Spezialkollektoren: Fakten auf einen Blick

Die folgende Tabelle vergleicht alle zuvor beschriebenen Solarthermie-Kollektortypen:

Kollektortyp Thermo-Siphon-Kollektoren Schwimmbadkollektor Luftkollektor Hybridkollektor
Anwendung Warmwasserbereitung Poolbeheizung,

Wärmequelle für Wärmepumpensystem

Unterstützung von Luftheizungen in Hallen und Schwimmbädern Warmwasser- und Heizwasserbereitung, inklusive Heizpumpenbetrieb, Kopplung mit Wärmepumpe, Prozesswärme
Vorteile einfacher Aufbau, wartungsarm robust, witterungsfest, begehbar, einfach aufgebaut, mobil oder fest installierbar, niedrige Anschaffungskosten kostengünstig, wartungsarm, lässt sich in DIY selber bauen erzeugt Wärme und Strom zugleich, geringer Platzbedarf
Nachteile Wärmeverluste, ungeeignet für Frostwetter hohe Wärmeverluste hoher Platzbedarf, hohe Wärmeverluste teuer in der Anschaffung, Nischenprodukt
Wirkungsgrad     50 bis 75 % thermisch: 65 %, elektrisch: 15 %
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