Solarthermie im Hausbau

Solarthermie im nachhaltigen Hausbau v. Villen und Architektenhäuser.


ist die Nutzung solarer Strahlung mittels Sonnenkollektoren oder Photovoltaik-Elementen.

Die Sonnenstrahlung bringt  Wärme (z.B. Prozesswärme) oder elektrische Energie in Ihr  Traumhaus.. Die Primärenergiequelle "Sonne" kann kostenlos genutzt werden. Nur die Kosten für die Installation und den Unterhalt der Kollektoren bleiben.

Der technische Fortschritt macht die Solartechnik heutzutage  immer effektiver, so dass sie in immer mehr  Einsatz im Haus-Neubau findet.  Sie profitiert nicht zuletzt  von den steigenden Kosten bei Öl und Gas.

Da das Energieangebot ständigen Schwankungen unterliegt, ist die Speicherung der Energie ein wichtiger Bestandteil der Solartechnik die angewendet wird in Villen und Architektenhäuser.

Die Solarthermische Heizung auf dem Dach Ihres Einfamilien-Hauses 


Man unterscheidet aktive und passive Heizungsformen, die beide die Sonne als kostenlose Wärmequelle nutzen.

Die aktive Solarheizung sammelt die Wärmestrahlen über Sonnenkollektoren ein und speist das Heizsystem mit Energie. Die Strahlung der Sonne wird in den Kollektoren aufgenommen und gespeichert. Dunkle  Oberflächen nehmen dabei die Energie auf und geben diese an Frost eine geschützte Flüssigkeit ab. Die Flüssigkeit ist ein Glykol-Wasser-Gemisch. Die Emulsion ist für den Einsatz bei Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt  notwendig. Die kleine Umwälzpumpe, die aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen Kollektor-Temperatur und Heizwasser-Temperatur automatisch gesteuert wird, bewältigt den notwendigen Energie-Transport. Kollektoren gibt es als Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren. Bei Röhrenkollektoren ist der Wirkungsgrad deutlich höher.

Von passiver Solartechnik spricht man, wenn die Ausrichtung sogenannter opaker Flächen, wie Fenster, Türen, etc. so dimensioniert sind, dass das ganze Jahr  mit einem Wärme-Gewinn zu rechnen ist,  der den Verlust übersteigt wegen der geringeren Dämm-Wirkung gegenüber den geschlossenen Außenwänden. Diese passive Solartechnik ist weniger bekannt, findet sich aber in den Berechnungs-Formeln der Energieeinsparverordnung (EnEV) wieder. Darum wird diese Solartechnik wesentlich häufiger angewandt als die aktive Solarheizung. Die Wirtschaftlichkeit ist aber deutlich höher als die der aktiven Variante.

 

Sonnenkollektoren im Überblick


Viele Sonnenkollektoren werden in Form von sogenannter Aufdachanlagen ausgeführt. Es gibt aber auch die Solar-Kollektoren analog zu Solarparks in Freiflächenanlagen aufzustellen, beispielsweise zur Beschickung von Nahwärme- und Fernwärmenetzen. Der solare Deckungsgrad liegt unter Verwendung eines Wärmespeichers bei ca. 30 % . Große Anlagen mit 80 bis 230 GWh jährlichem Wärmegewinn befinden sich noch in der Planung. Seit September 2016 steht Deutschlands größte mit Röhrenkollektoren arbeitende Solarthermie-Anlage bei Senftenberg. Die Anlage hat 1680 Kollektoren mit einer Gesamtfläche von ca. 8000 m² und ging im August 2016 in Betrieb und deckt Senftenbergs gesamten Wärmebedarf.


 

Folgende Bauformen sind Handelsüblich:

Flachkollektor


Die Flachkollektoren arbeiten bei einer Temperatur von ca. 80 °C. In ihrem Inneren wird das Licht nicht gebündelt, sondern es erwärmt direkt die flache Wärme absorbierende Fläche, die die Wärme sehr gut leitet und mit mehreren Röhren durchzogen ist, in welchen sich das Trägermedium befindet.

In den Sonnenkollektoren wird ein Wasser-Propylenglycol-Gemisch  als Wärme-Trägermedium verwendet. Der Zusatz von 40 Prozent Propylenglycol wird ein Frostschutz zugesetzt, der ein Gefrieren ohne Volumen-Vergrößerung erreicht, als auch eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann. Heute gibt es neuere Flachkollektoren, die statt des Dämmmaterials mit einer Vakuum-Isolierung funktionieren.

Das steigert durch geringere Energieverluste den Wirkungsgrad. Die messbare jährliche Wärmeenergie, die ein nicht Vakuum isolierter Flachkollektor leistet, liegt bei ca. 350 kWh/m².

Vakuumröhrenkollektor


Die besonders effizienten Vakuumröhrenkollektoren sind zwei konzentrisch ineinander gebaute Glasröhren.

Das Vakuum befindet sich zwischen den Glasröhren, das Vakuum läßt die Übertragung der Strahlungsenergie des Lichtes zum Absorber zu, verringert aber den Wärmeverlust stark.

In der inneren Röhre ist das Wärmeübertragungs-Medium, ein Wasser-Diethylenglycol-Gemisch, welches sich erwärmt und mittels Pumpen die Wärme transportiert. Die  sogenannten „offenen Systeme“, erhitzen das Wasser direkt. Diese offenen Kollektoren arbeiten bis zu einer Betriebstemperatur von ca. 150 °C.

Die Vakuumröhrenkollektoren haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren, sind aber teurer in der Beschaffung.

Parabolrinnen-Kollektoren


Solarthermische Kollektoren mit der technischen Konzentration der Sonnenstrahlung zur Steigerung der Temperatur.

Moderne Vakuumröhrenkollektoren enthalten Reflektoren, die die Sonnenstrahlung auf die Röhre mit dem Wärmeträgermedium konzentrieren. Es gibt auch  dicht gepackte Vakuumröhrenkollektoren ohne solch einen Reflektor. Die Konzentrationswirkung ist aber je nach Modell unterschiedlich und soll bewirken, dass weniger Sonnenlicht unnütz zwischen den Vakuum isolierten Wärmeträger-Röhren hindurch auf die darunter befindlichen Dachziegel scheint andererseits gestatten sie, dass die Vakuumabsorber mit größeren lichten Abständen gebaut werden können, was preiswerter ist. Die Konzentration der Sonnenstrahlung auf die Vakuumabsorber steigt die Temperatur im Wärmeträger schneller und wird deutlich erhöht. Hierdurch wird die untere System-Temperatur erreicht und dadurch  der Augenblick der Nutzbarkeit der Sonnenenergie schneller erreicht und das ganze System länger und bedingt durch die höheren Temperaturen, energetisch besser zu nutzen ist.

 

Der einzige Nachteil ist, dass die Reflektoren schneller verschmutzen und des öfteren sorgfältig gereinigt werden müssen, um den vorgenannten Vorteil zu erhalten.

Die Parabolrinnen-Kollektoren nutzen eine Fokussierung der Sonnen-Lichtstrahlen auf die mittig verlaufende stark absorbierende Wärmeleitung. Zu beachten  ist hierbei die deutlich höhere Arbeitstemperatur. Als Wärmeträgermedium werden hierfür besondere Öle eingesetzt.

Solartürme, bei denen mehrere Flach-Spiegel der natürlichen Sonne nachgeführt sind, so dass das Sonnen-Licht an der Spitze eines Turmes auf den Absorber konzentriert wird. Durch dieses besondere Verfahren können sehr hohe Temperaturen von über 1.000 °C erreicht werden. Die absolute Grenze liegt hier bei der Strahlungstemperatur der Sonne von etwa 5.500 °C. Als Wärmeträgermedium werden Luft, besondere Öle oder auch  flüssiges Natrium eingesetzt.

Das Ziel ist ein gezieltes Absorbieren von möglichst allen auf dem Sonnenkollektor auftreffenden Sonnenenergie Strahlen.

Die heutigen Anwendungsgebiete im Hausneubau auf Ein- und Zweifamilien-Häusern.


Im günstigsten Fall  ist jede andere Heizung komplett ersetzbar. Solarthermie ist vor allem aufgrund der besseren Umwelt- und Betriebseigenschaften von Solarthermie gegenüber anderen Heizungsystemen, wünschenswert. Solarthermie und passive solare Bautechnischen Systeme sind weniger wartungsanfällig, und haben, da kein  Brennstoffbedarf vorhanden ist, wesentliche Vorteile. Für den Bauherren entfallen sämtliche laufenden Kosten (bis auf geringe Stromkosten von etwa 10 € pro Jahr für den Betrieb der elektrischen Umwälzpumpe. Gesamtgesellschaftlich erzeugt die Solar-Thermie kein zusätzliches Verkehrsaufkommen und konkurrieren nicht mit der Landwirtschaft um wertvolle Ackerfläche. Außerdem erzeugt sie weder Feinstaubemissionen noch Restasche oder andere Unannehmlichkeiten.

Sonnenkollektoren werden zur Warmwasserbereitung, als Heizung, oder zur Heizungs-Unterstützung eingesetzt.  Am besten ist eine Ausrichtung der Sonnenkollektoren nach Süden oder Süd-West. Die Solarthermie wird im privaten Hausbau-Bereich insbesondere für die Gebäudeheizung und auch für die Klimatisierung genutzt. In Kombination mit einer guten Außenhaut-Wärmedämmung und der Nutzung der solaren Einstrahlung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizenergie enorm. Eine wohl durchdachte Nutzung der Sonnenenergie kann auch bei uns  soweit gehen, dass eine aktive Heizungsanlage nicht mehr benötigt wird. Die herkömmlichen Beispiele für eine passive Nutzung der Sonnenstrahlung sind Gewächshäuser und Wintergärten. Dachüberstände über großen Südfenstern sind im Sommer kühlend und im Winter, - bei niedrigerem Sonnen-Stand die durch das Fenster einfallende Wärmestrahlung zur Raumerwärmung zu nutzen. Ein vergleichbarer Effekt lässt sich durch Wandflächen erreichen, an denen das Sonnenlicht durch eine transparente Dämmschicht auf eine schwarze Absorberfläche auftrifft und die dahinterliegende Wand aufheizt. Diese passiven Speichertechniken findet man in der sog. Solararchitektur.

Die Speicherung der bei uns überwiegend im Sommer gewonnenen Wärmeenergie wird durch thermochemische Wärmespeicher ermöglicht, bei denen die Wärme fast verlustfrei chemisch abgebunden und zeitversetzt wieder freigegeben wird, durch Puffer-Wärmespeicher, wie Wasser, oder durch Erdspeicher. 

Wenn die Sonnenstrahlen auf den Kollektor treffen, geben sie ihrer Energie zum großen Teil an die Wärmeträger-Flüssigkeit ab. Diese wird dann mittels Umwälzpumpe in den Wärmetauscher des Speichers verbracht. Ein an einen Temperatursensor angeschlossener Regler  setzt die Umwälzpumpe dann  in Gang, wenn die Temperatur der Wärmeträger-Flüssigkeit im Kollektor einen bestimmten Sollwert überschreitet. Die individuellen Einstellungen dieser Regler wirken sich auf den Wirkunggrad  des Systems aus, und sind abhängig vom Stromverbrauch der Umwälzpumpe und der Pumpleistung. Ein Pufferspeicher lässt die Regelung so einrichten, dass die Pumpe immer dann anspringt, wenn die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit über der Temperatur des unteren Pufferwassers im Speicher liegt. Dort gibt sie ihre Energie an das kältere Pufferwasser des Speichers ab. Das Pufferwasser erwärmt sich, steigt im Speicher nach oben, und kann dann über den Wärmetauscher zum Heizen von Trink- und Heizungswasser genutzt werden.

Heutige Wasch- und Spülmaschinen haben meist separate Warmwasser-Anschlüsse, worüber solarthermische Gebäudetechnik durch die Bereitstellung bereits geheizten Trinkwassers auch zur Effizienzverbesserung beim Stromverbrauch von Haushaltsgeräten beitragen kann.


Die Ausrichtung der Kollektoren im Einfamilien-Hausbau.


Bei gängigen Parabolrinnen-Kraftwerken werden meist einachsige Nachführsysteme eingesetzt. Bei den Paraboloid-Kraftwerken und anderen horizontal nachgeführten Konzentrator-Bauweisen im Allgemeinen zweiachsige. Bei den statisch montierten Kollektor-Systemen im Bereich der Hausbautechnik ist jedoch ein günstiger  Aufstellungs-Winkel wichtig, um einen möglichst hohen Ertrag zu erzelen. Man unterscheidet zwischen vertikalem Neigungswinkel und, je nach Erdhalbkugel, Süd- bzw. Nordabweichung (Azimut-Winkel).

Bei uns lassen sich die besten Ergebnisse  bei der Kollektorneigung von 30 bis 50 Grad und einer direkten Ausrichtung nach Süden oder Süd-west erzielen. In manchen Fällen kann eine Abweichung sogar von Vorteil sein: In den Morgenstunden z.B. ist die Luftfeuchtigkeit meist höher, was eine stärkere Trübung der Luft zur Folge hat. Außerdem sind die maximalen Lufttemperaturen oft  zwischen 13:00 Uhr und 15:00 Uhr erreicht werden. Durch die höhere Umgebungstemperatur steigt ntürlich der Wirkungsgrad. Dies spricht u.U. für eine Süd-Süd-West-Ausrichtung. Auf der anderen Seite kann es in manchen Gegenden in den Nachmittagsstunden verstärkt zu Wolkenbildung kommen. Dies wirkt dem entgegen, bzw. spricht bei ansonsten gleichbleibenden Umgebungsbedingungen für eine Ausrichtung nach Süd-Süd-Ost.

Die günstigsten Aufstellwinkel sind regional sehr unterschiedlich und sollten im Einzelfall anhand örtlicher Wetter-Daten ermittelt werden. 

Die konkreten Aufstellwinkel von Kollektoranlagen, die primär zur Beheizung Ihres Traumhauses gedacht sind, werden heute häufig auf einen größtmöglichen Ertrag während der Wintermonate hin festgestellt, anstelle eines optimalen jährlichen Gesamtertrages. Dies geschieht vor dem Hintergrund, ohne Einbindung eines Speichers den überwiegend im Winter anfallenden Heizenergiebedarf zeitlich unmittelbar vollständig abzudecken, bei kleinstmöglicher und damit Kosten optimierter Auslegung des Sonnen-Kollektors. Hierbei werden die Kollektoren  wesentlich steiler, als es z. B. bei Netz-gekoppelten Photovoltaik-Anlagen der Fall wäre, die  auf einen möglichst hohen jährlichen Gesamtertrag hin optimiert werden. Durch dies  Maßnahme  wird bei einfachen Systemen ohne Saison-Speicher eine Anpassung des Ertragsverlaufes an die zeitliche Verteilung des Heizenergiebedarfs zwischen Sommer- und Wintermonaten erreicht, und somit steht bei gleicher Sonnen-Kollektor-Fläche im Winter mehr Heizenergie direkt zur Verfügung, im Ausgleich für den größeren Ertragsverlust im Sommer, den man aufgrund des dann sehr geringen Heizenergiebedarfs aber dann gern  in Kauf nimmt.

Ganz hervorragend ist in jedem Falle die flexible Nachführung des Kollektors an den Sonnenstand , so dass die Sonnenstrahlung sowohl im Sommer als auch im Winter optimal genutzt wird. Auf Flachdächern kann eine zweiachsige Nachführung montiert werden. Bei Schrägdächern hingegen ist ohnehin nur ein Verstellen des vertikalen Neigungswinkels möglich. 

Von einem Aufstellwinkel größer 45° ist in der Regel abzuraten, da hierbei der Ertrag sinkt. Ein sehr flacher Aufstellwinkel kann dagegen im Sommer zu thermischen Überschüssen mit der Gefahr von Anlagenstillständen führen. Ideal ist ein Aufstellwinkel von 90° in Relation zur Sonnenhöhe am 21. März bzw. am 23. September.

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