Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen

Zur Nutzung der Sonneneinstrahlungen für die Solarthermie werden zunächst Solarkollektoren benötigt. In ihnen wandelt der Absorber – ein speziell beschichtetes Blech aus Kupfer oder Aluminium – die Sonnenstrahlung in Wärme um. In dünnen Rohren unter dem Absorberblech fließt ein flüssiger Wärmeträger (zumeist ein Glykol-Wasser Gemisch), der sich erwärmt und über einen Wärmeübertrager die Wärme in einen gedämmten Speicher abgibt. Die nun darin enthaltene Wärmeenergie steht als Wasser für verschiedene Anwendungen zur Verfügung – in der Regel für die Bereitstellung von Trinkwarmwasser und Raumwärme.

Reicht das Sonnenangebot nicht aus, wird der obere Teil des Speichers durch einen Heizkessel (nach-) erwärmt. Aus diesem Speicher wird ebenso das Warmwasser für die Raumheizung entnommen (und abgekühlt zurückgeführt) wie auch das Warmwasser, das über die Frischwasserstation ein hygienisches Trinkwasser erwärmt.

Häufig findet man noch – neben den kombinierten solarthermischen Anlagen für Raumwärme und Warmwasser – so genannte solare Trinkwarmwasseranlagen. Diese sind nicht in der Lage, die Raumheizung zu unterstützen, deshalb ist ihr Potenzial zur Energie- und CO2-Einsparung deutlich geringer.

Die Sonnenwärme wird hier über einen innenliegenden Wärmeübertrager einem Trinkwarmwasserspeicher zugeführt. Aus dem Trinkwarmwasserspeicher wird das Wasser direkt der Nutzung, zum Beispiel einer Dusche, zugeführt. Auch hier erfolgt eine Nacherwärmung über einen Heizkessel, der aus dem oberen Bereich des Speichers das vorerwärmte Wasser nutzt. Diese Nacherwärmung sollte bei ordnungsgemäßer Funktion nur in den kalten und dunklen Monaten notwendig sein.

Grundsätzlich kann man zwei Typen solarthermischer Kollektoren auf Gebäuden verwenden: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren.

Flachkollektor

Weiteste Verbreitung hat der Flachkollektor, der die Wärme mit bis zu ca. 80°C bereitstellt. Der Flachkollektor besteht aus dem Rahmen mit einer robusten und besonders strahlungsdurchlässigen Solarglasabdeckung, dem Absorber sowie einer Wärmedämmung an der Rückwand. Wärmedämmung und Solarglasabdeckung schützen den Absorber vor Umwelteinflüssen und reduzieren die Wärmeverluste.

Der Absorber selbst besteht aus einem selektiv beschichteten Absorberblech (zumeist aus Kupfer oder Aluminium), welches die solare Strahlung sehr gut in Wärme umwandelt. Dabei leitet es die so entstandene Wärme an eine mit dem Absorber verbundene metallische Rohrschlange weiter, in der das Wärmeträgermedium erwärmt und zum Wärmespeicher gepumpt wird.

Vakuumröhrenkollektoren

Bei Vakuum-Röhrenkollektoren ist jeder Absorberstreifen in eine luftleere Glasröhre eingebaut – was dem Prinzip einer Thermoskanne entspricht. Das ist zwar etwas aufwändiger, aber auch effizienter. Denn durch das Vakuum zwischen Absorber und Abdeckung haben diese Kollektoren deutlich geringere Wärmeverluste und können so auch bei hohen Betriebstemperaturen von über 100 °C gute Erträge erzielen. 

Vakuumröhrenkollektoren sind also für Anwendungen mit höheren Betriebstemperaturen geeignet, z.B. im industriellen oder gewerblichen Bereich. Es gibt unterschiedliche Bauformen von Röhrenkollektoren.

Glasröhren mit Metall-Glasverbindungen
Diese Kollektoren bestehen aus einer etwa 1,5 bis 2 m langen Glasröhre mit Glasboden. Sie hat einen Durchmesser von 6 bis 10 cm, in die ein flacher metallischer Absorber mit Wärmeträgerrohr eingelegt ist. Der Deckel des Glaszylinders ist aus Metall, das mit dem Glasrohr vakuumdicht verbunden wird.

Das Wärmeträgerrohr kann auf zwei Weisen Solarwärme erzeugen: Zum einen mit einem Wasser-Glykol-Gemisch (wie beim Flachkollektor), das den Solarkreis direkt durchströmt, andererseits kann ein so genanntes Wärmerohr eingesetzt werden. Hier zirkuliert innerhalb des Wärmerohres eine Flüssigkeit, die durch die solare Erwärmung verdampft. Der Dampf steigt im Wärmerohr auf und gibt seine Wärme an den Wasser-Glykol-Wärmeträger des Solarkreises ab. Dabei kondensiert der Dampf, die Flüssigkeit kann erneut Solarwärme aufnehmen und verdampfen.

Ganz-Glasröhren
Dieser Kollektortyp ist wie eine Thermoskanne aufgebaut: Der Glasbehälter (ein Hohlzylinder, der etwa 1,5 bis 2 m lang und 4 bis 5 cm im Durchmesser ist) besteht aus einem Innen- und Außenrohr, die jeweils aus Glas sind. Im Zwischenraum herrscht ein Vakuum. Der Absorber ist hier auf der Außenseite des Glas-Innenrohrs aufgebracht, er ist demnach rund. Mittels eines ebenfalls runden Wärmeleitblechs, das in das (nichtevakuierte) Innenrohr gesteckt wird, stellt man eine wärmeleitende Verbindung mit dem Wärmeträgerrohr her. Dies kann wieder direkt durchströmt sein oder als abgeschlossenes Wärmerohr ausgestaltet sein.

Die runde Form des Absorbers ermöglicht es, dass die Sonneneinstrahlung von allen Seiten aufgenommen werden kann. Dafür werden unter dem Absorber Reflektorbleche oder konzentrierende Spiegel angebracht, welche die zwischen zwei Absorber fallende Strahlung auf die „Unterseite" der Absorber umlenken. Durch die Konzetration der Strahlung können nochmals höhere Betriebstemperaturen effizient erreicht und der Einsatzbereich dieser Absorber nochmals erweitert werden.

Weitere Kollektortypen
Neben Flach- und Röhrenkollektoren kommen für spezielle Anwendungen noch andere Kollektortypen zum Einsatz.

Unabgedeckte Kollektoren
Diese bestehen meist aus einem Kunststoffschlauchsystem, das ohne weitere Dämmung oder Abdeckung meist „liegend" platziert wird. 

Diese Kollektoren sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus sehr preiswert. Ihnen fehlt aber die Wärmedämmung, so dass sie nur auf geringem Temperaturniveau, etwa bis 20 °C oberhalb der Umgebungslufttemperatur betrieben werden können. Sie sind ideal, um z. B. das Wasser für Freibäder zu erwärmen, oder auch die Quellenseite von Wärmepumpen zu unterstützen.

Photovoltaisch-thermische-Kollektoren (PVT-Kollektoren)
Diese Kollektoren erzeugen Strom und Wärme in einem einzigen Modul. Dafür kühlt ein Wasser-Glykol-Kreislauf die photovoltaischen Zellen des Kollektors und nimmt die Wärme der PV-Module auf. Der Wasser-Glykol-Kreislauf ist an der Unterseite der PV-Module angebracht. Ist der unterseitige Kollektor nicht abgedeckt, können Temperaturen bis ca. 20°C oberhalb der Umgebungstemperatur erreicht werden. Deckt man den Kollektor ab, erreichen PVT-Kollektoren auch Temperaturen bis ca. 70 °C. Nebeneffekt der Wärmenutzung an der Unterseite der Kolektoren: Der PV-Ertrag wird gesteigert.

Luftkollektoren
Luftkollektoren übertragen die Wärme nicht an einen flüssigen Wärmeträger, sondern an Luft. Diese wird in vielen Fällen aus der Umgebung angesaugt, solar erwärmt und dann der Raumheizung zugeführt. Eine übliche Anwendung ist die Beheizung von Hallen, da hier vergleichsweise geringe Temperaturniveaus ausreichend sind.

Der Ertrag und die Effizienz solarthermischer Anlagen hängt maßgeblich von der Ausrichtung der Anlage (Himmelsrrichtung und Neigung) und dem Temperaturniveau der Wärmeanwendung ab.

Solarthermische Anlagen auf Dachflächen: Prinzipiell können Solarthermische Anlagen auf allen Dachflächen effizient eingesetzt werden wenn diese eine

o übliche Neigung (20° ... 70°) und
o südliche Ausrichtung (Süd ±90° – also auch Ost- oder Westausrichtung) haben und
o weitestgehend unverschattet
sind. Zielführend kann auch sein, Dachflächen auf gut platzierten Nebengebäuden wie Carports, Garagen oder Geräteschuppen für solarthermische Kollektoren zu nutzen. Der Ertrag und die Effizienz hängen dabei stark vom jeweiligen Einsatzort und dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Daher sind nur für Standardanwendungen, wie z.B. im Wohngebäudebereich grob Abschätzungen hierzu möglich. (LINK zu Wohngebäude Bubble).

Solarthermische Anlagen an Fassaden etc.: Stehen auf dem Dach keine Flächen für solarthermische Anlagen mehr zur Verfügung, z.B. weil dort bereits PV-Anlagen installiert sind oder ästhetische Erwägungen dagegen sprechen, können auch vertikale Flächen mit Südausrichtng (±45°– also auch Südwest- oder Südostausrichtung) für solarthermische Anlagen genutzt werden.

Grundsätzlich kann solare Wärme immer mit anderen Technologien zur Wärmeerzeugung kombiniert werden. Der andere Wärmeerzeuger deckt insbesondere den Heizwärmebedarf im Winter, da gerade zu diesen Zeiten das Dargebot solarer Wärme vglw. gering ist. Daher sind Kombianlagen zur Wärmebereitstellung derzeit üblich, wenngleich auch andere Konzpete bestehen, die insbesonder im Neubau zum Einsatz kommen können.

Prinzipiell wird dabei der Wärmebedarf von Wohngebäuden aber auch gewerblicher und kommunaler Nicht-Wohngebäude vorrangig durch die solarthermische Anlage gedeckt. Gerade im Sommer, aber auch in der Übergangszeit (und punktuell im Winter) wird so Einsatz von fossilen und regenrativen Brennstoffen (bei Verbrennungsanlagen) oder Strom (bei Wärmepumpen) vermieden.

Solarthermie und fossile Verbrennungsanlagen
Die Kombination solarthermischer Anlagen mit Öl- und Gasheizungen ist derzeit am weitesten verbreitet und Stand der Technik. Durch den vermiedenen Einstz fossiler Brennstoffe werden einhergehende CO2-Emissionen ebenfalls vermieden.

Solarthermie und regenerative Verbrennungsanlagen
Die Kombination solarthermischer Anlagen mit regenerativen Verbrennungsanlagen wie Pelletheizungen etc. ist ebenfalls Stand der Technik. Die Kombination mit Solarthermie vermindert den Einsatz wertvoller regenerativer Brennstoffe und vermeidet deren häufiges Takten (An-Aus-Betrieb) im Sommer und der Übergangszeit. Dies erhöht maßgeblich die Lebensdauer regenrativer Verbrennungsanlagen.

Solarthermie und Wärmepumpe
Die Kombination solarthermischer Systeme mit Wärmepumpen ist derzeit wenig verbreitet, kann aber analog zu o.g. Systemen mit Verbrennungsanlagen geschehen. Darüber hinaus können solarthermische Anlagen auch den Wärmepumpenbetrieb indirekt unterstützen. Dabei wird überschüssige Wärme aus den Solarkollektoren bei Erd-Wärmepumpen dem Erdreich zugeführt, um dieses thermisch zu regenerieren. So kann eine Erd-Wärmepumpe langfristig effizienter arbeiten und die Erdwärmesonde kleiner ausgelegt werden.

Der rechtliche Rahmen für die Installation solarthermischer Anlagen wird in §60 der Niedersächsischen Bauordnung vom 03.04.2012 geregelt.

Solarthermische Anlagen und Teile solarthermischer Anlagen dürfen in nachfolgend festgelegtem Umfang ohne Baugenehmigung errichtet, in bauliche Anlagen eingefügt und geändert werden (verfahrensfreie Baumaßnahmen). 

Im Einzelnen bedarf es keiner Baugenehmigung wenn

• Solarenergieanlagen und Sonnenkollektoren nicht mehr als 3 m Höhe und nicht mehr als 9 m Gesamtlänge aufweisen (außer im Außenbereich)
• Solarenergieanlagen und Sonnenkollektoren in, an oder auf Dach- oder Außenwandflächen von Gebäuden, die keine Hochhäuser angebracht sind. Zudem bedarf es keiner Baugenehmigung für die mit der Errichtung solcher Solarenergieanlagen oder Sonnenkollektoren verbundene
• Änderung der äußeren Gestalt oder
• die mit der Nutzung solcher Solarenergieanlagen oder Sonnenkollektoren verbundene Änderung der Nutzung bestehender baulicher Anlagen, in, auf oder an denen die Solarenergieanlagen oder Sonnenkollektoren angebracht werden.