Solarthermie beschreibt die Nutzung von solarer Einstrahlung und die Umwandlung dieser Energie in Wärmeenergie, mit Hilfe eines Trägermediums. Die solarthermischen Kollektoren sind in der Lage, je nach Art und Bauweise, diese Energie zum Erwärmen von Trink-/Bauch-/Prozesswasser und/oder zur Unterstützung einer Heizungsanlage zur Verfügung zu stellen.

Flachkollektor

Flachkollektoren sind mit einem Marktanteil von etwa 90 % die am meisten verwendeten Kollektoren.[1] Die Funktionsweise lässt sich wie folgt zusammenfassen: Auf den Kollektor auftreffendes Sonnenlicht gelangt in den Absorber, bei der Sonnenenergie in Wärmeenergie umgewandelt und an das Trägermedium abgegeben wird. Eine Indach- und eine Aufdachmontage ist möglich. Im Vergleich zu Röhrenkollektorenung der Raumheizung.

Vakuumröhrenkollektor

Die Montageart ist identisch, die Funktionsweise ist ähnlich wie bei den Flachkollektoren, mit dem Unterschied, dass der Absorber selektiv beschichtet ist und sich in luftleeren Glasröhren befindet.[2] Die unter Vakuum stehenden Glasröhren beinhalten je nach Bauart den Absorber in Form eines gewölbten oder flachen beschichteten Streifens aus Blech oder einem Doppelrohr aus Kupfer, in dem sich ein Flüssigkeitskanal befindet. Alternativ können die Glasröhren auch innen beschichtet sein. Da bei solchen Systemen die Wärmeverluste durch das Vakuum reduziert und höhere Temperaturen erreicht werden, eignen sich diese Kollektoren vor allem zur Heizungsunterstützung und Warmwasseraufbereitung, zur solaren Erzeugung von Kälte (mit Hilfe von Absorptionskältemaschinen) sowie zur Herstellung von Prozesswärme (hochtemperiertes Prozesswasser).

Luftkollektoren

Bei Luftkollektoren wird Luft statt Wasser als Trägermedium eingesetzt, was dazu führt, dass aufgrund der geringeren Wärmekapazität, diese Kollektoren hauptsächlich zur Gebäudebeheizung (über luftgeführte Systeme) und nicht zur Erwärmung von Trinkwasser eingesetzt werden.[3] Vorteile der Luftkollektoren sind die Frostunempfindlichkeit und die geringeren Anforderungen an die Dichtigkeit des Systems. Angesaugte Außenluft durchströmt die Kollektoren und passiert die aufgewärmten Absorberbleche. Die Luft nimmt dabei die Wärmeenergie auf und transportiert diese über Zuluftöffnungen in die Räume. Zu- und Abluftsysteme können in Gebäuden zum Einsatz kommen, in denen viel Raumwärme benötigt wird, wie dies beispielsweise in Bürogebäuden mit Kundenverkehr oder Schwimmbädern der Fall ist.

Schwimmbadabsorber

Da der Wärmebedarf von Freibädern sowie Pools in die Monate fällt, welche sehr sonnenreich sind, arbeiten unverglaste Absorber (Platten, Matten oder Schläuche) zu dieser Zeit optimal.[4] Aus den Becken wird Wasser in die schwarzen Absorber geleitet, dort erwärmt und wieder zurückgeleitet. Die Absorber können bei Arbeitstemperaturen von 30 – 40 °C die Wassertemperatur in den Becken um etwa 2 – 4 °C erwärmen. Pro 1 m² Wasserfläche wird ca. 0,8 m² Absorberfläche benötigt. Bereits ab einer geringen Einstrahlung von 70 – 140 W/m² aktiviert sich die Pumpe des Systems.

Vergleich der Systeme

In der Tabelle 1.1 sind alle zuvor genannten Kollektorarten inkl. deren Einsatzzweck, der Systempreis, die Nennleistung und der Wirkungsgrad gegenübergestellt. Die Abbildung 1.1 stellt zusätzlich thermische Leistungskennlinie dar. Daraus wird ersichtlich, dass aus dem Temperaturbedarf die jeweils effizientesten Systeme zu wählen sind.

Dabei zeigt sich, dass der Vakuumröhrenkollektor preislich über dem Flachkollektor liegt, die Nennleistung und der Wirkungsgrad dafür etwas höher sind. Vakuumröhren können zudem, dank ihrer Isolierung, auch in Monaten die weniger sonnenreich sind noch solare Energie in nutzbare Wärmeenergie umwandeln und höhere Temperaturen bereitstellen, in denen Flachkollektoren zunehmend an Effizienz verlieren. Abbildung 1.1

Tabelle 1.1 Vergleich der Kollektorarten (bei 800 W/m² Globaleinstrahlung, 25 °C Außentemperatur, 50 °C Warmwassertemperatur und optimaler Ausrichtung)

Kollektor	Einsatzzweck	Preis	Nennleistung	Wirkungsgrad
Flachkollektor	Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung	300 – 400€/m² [5]	~ 580 W/m²	72,5 %
Vakuumröhre	Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung	400 – 800 €/m² [6]	~ 600 W/m²	75 %
Luftkollektor	Vor allem Heizungsunterstützung/Raumwärme	300 – 700 €/m² [7]	400 – 600 W/m²	50 – 75 % [8]
Schwimmbadabsorber	Warmwasserbereitung/Schwimmbad/Pool	70 – 110 €/m² [9]	320 W/m²	40 %

[1] Vgl. Kavermann et al. o. J.

[2] Vgl. Kavermann et al. o. J.

[3] Vgl. Kavermann et al. o. J.

[4] Vgl. Kavermann et al. o. J.

[5] Doormann 2021a.

[6] Doormann 2021b.

[7] Märtel 2021.

[8] Madel o. J.

[9] Märtel 2021.