| 3. Aktive Nutzung | ||
3.1. Vorbemerkung
|
||
| 3. Aktive Nutzung | ||
3.1. Vorbemerkung
|
||
3.2. Sonnenkollektoren |
|
| Unter
Sonnenkollektoren werden alle Flächen verstanden, die sowohl zur Gewinnung von
elektrischer als auch thermischer Energie dienen. Man unterscheidet:
Abhängig vom
Kollektortyp wird jährlich (pro m² Fläche) Warmwasser mit einer thermischen Energie von
etwa 200 bis 500 kW gewonnen. |
3.2.1. Flachkollektoren |
|
| Flachkollektoren sind
Wärmefallen (Treibhauseffekt). Sie können direkte und diffuse Sonnenstrahlung absorbieren und in Wärme umwandeln. Dann wird die Energie zu einem Speicher transportiert oder direkt zum Benützungsort. Die Anwendung liegt im Niedertemperaturbereich.
|
3.2.1.1. Aufbau |
|
Der Flachkollektor besteht aus
einer durchsichtigen Einfach- oder Doppelverglasung (siehe folgende Abb.) hinter der sich
die Absorberfläche mit dahinterliegender Dämmung befindet.
|
3.2.1.2. Wirkungsgrad |
|
| Der Wirkungsgrad bezeichnet
das Verhältnis von einfallender Sonnenenergie und genützter Wärmeenergie. Der
Wirkungsgrad liegt zwischen 50- 80 %. Verbessert werden kann er durch:
|
3.2.1.3. Flachkollektoren mit Flüssigkeitsmedium |
|
| Bei diesem Kollektor ist
Wasser oder eine andere Flüssigkeit das Transportmedium. Wasser ist mit seiner hohen
spezifischen Kapazität am günstigsten. Bei Temperaturen über 100 °C müssen Öle als
Transportmedium fungieren. Es existieren am Markt bereits einige Wasserkollektoren, die sich hauptsächlich im Aufbau der Absorberfläche und der Art der Wärmeweiterleitung unterscheiden. Das Angebot reicht von Flachkollektoren mit Wärmeohr bis hin zu Flachkollektoren mit Rollband- Absorber und vielen mehr. Wasserkollektoren haben den Vorteil, daß die Anlage präzise zu regulieren ist und sie für alle Bereiche wie zum Beispiel Schwimmbadheizung, Brauchwassererwärmung oder Raumheizung eingesetzt werden kann. Nachteilig wirken sich Rostgefahr, Einfrierungsgefahr im Winter, Austritt von Wasser an undichten Stellen und Überhitzung (im Fall, wenn keine Wärme verbraucht wird) aus. |
3.2.1.4. Flachkollektoren mit Luftmedium |
|
| Bei diesen Kollektoren wird
Luft als Transportmedium verwandt; somit fallen Korrosions-, Überhitzungs- und
Einfrierprobleme weg. Als Transportmedium reagiert Luft schnell, und das Speichermedium Stein ist billig zu erwerben. Energetisch günstiger ist auch der direkte Kontakt zwischen dem Transportmedium und dem Speichermedium. Die Wärmespeicherkapazität der Luft ist jedoch schlecht und die Regulierung der Anlage schwierig. |
3.2.1.5. Energiedach / Energiewand |
|
| Hierbei werden ganze
Dachflächen und Fassaden mit großen unverglasten Niedertemperatur- Kollektoren
ausgestattet. Die Oberflächentemperatur erreicht maximal etwa 85 °C. Solche Energiewände oder Energiedächer können mit einem Wärmetauscher verglichen werden. Die Absorberfläche wird mit Unterstützung einer Wärmepumpe, die am Kreislauf angeschlossen ist, permanent kälter gehalten, als die Umgebungsluft. Die gewonnene Energie hat jedoch meist eine so niedrige Temperatur, daß erst mit Hilfe der Wärmepumpe das somit erhöhte Temperaturniveau genutzt werden kann. Das Transportmedium ist in diesem Fall eine Spezialflüssigkeit (Sole) mit Frostschutzmittel. Der Absorber ist auch in der Lage aus Rauhreif, Regen, dünner Schneeschicht oder Eis, das sich auf dem Absorber abgelagert hat, Energie zu entziehen. Doch dies birgt auch bauphysikalische Probleme, denn diese Feuchtigkeit, die auf der Außenseite der Absorberfläche willkommen ist, kann bei Warmdächern auf der Innenseite (Kondenswasserbildung) zu Schimmelbildung, Durchfeuchtung und erhöhtem Wärmeverlust führen. Dem kann das - bereits im Werk - dauerhafte Verbinden des Absorbers mit einer diffusionsdichten Wärmedämmung entgegenwirken. Es gibt derzeit einige Varianten, wie die Absorberflächen aufgebaut sind. Ob sie nun aus einer großen Anzahl von Rohren bestehen oder aus zwei zusammengeschweißten Blechen mit integrierten Solekanälen, das Studieren von Fachliteratur und der Rat von Fachleuten ist unerläßlich. Die Montage dieser großflächigen Elemente ist auf Fassaden, Warm- und Kaltdächer, Flachdächer und auf bereits vorhandene Dächer möglich (siehe folgende Abb.).
|
3.2.1.6. Ziegeldach als Niedertemperatur- Kollektor |
|
| Ziegeldächer weisen eine hohe
Speicherkapazität auf und sind atmungsaktiv. Sie haben den Vorteil, daß sie wartungsarm
und langlebig sind. Energiedächer aus Ziegel können in heliothermischen-, heliovoltaischen- oder in Hybrid-Systemen ausgeführt werden. |
3.2.2. konzentrierende Kollektoren |
|
| Die Kollektoren haben eine
konkav ausgebildete Oberfläche und sind in der Lage je nach Bauart bis zu 4 000 °C
herzustellen. Sie wirken ähnlich wie ein Brennglas und sind auch unter dem Namen
Spiegelkollektoren bekannt. Als Transportmedium wird meistens eine Flüssigkeit verwendet. Sie sind sehr anfällig gegen Verschmutzung, eine Glasscheibe (die häufig gereinigt werden muß) auf dem Spiegel kann dem entgegen wirken. Die Strahlenkonzentratoren können meistens nur direkte Strahlung nützen. Dies bedeutet aber nicht, daß man diese Kollektoren nicht in gemäßigten Breiten verwenden kann. Die Spiegelkollektoren sind allgemein richtungsgesteuert, das heißt, daß sie mittels einer automatischen Steuerung dem Sonnenlauf von Osten nach Westen nachfolgen. Auch hier sollte man sich mit den verschiedenen Angeboten der Herstellerfirmen vertraut machen. |
3.2.3. Sonstiges |
|
| Es gibt aber auch Lösungen,
die kostengünstiger sind. So hat Herr Baer 200 schwarze Wassertanks in einer Hauswand hinter Glasscheiben installiert und gewinnt dadurch Energie. Oder zum Beispiel haben Herr Jellott und Herr Hay ein Wasserbecken am Dach angebracht und beziehen so Energie aus der Absorbtion der Sonnenstrahlen. |
3.2.4. Solarzellen |
|
| Solarzellen oder
Sonnenbatterien sind fähig Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Der Strom kann dann direkt
genutzt werden oder in Batterien gespeichert werden. Hier spricht man von heliovoltaischen
Kollektoren. Eine Anlage mit einer Fläche von 10 m² gewinnt in Deutschland etwa 1 000 kWh Strom pro Jahr (vgl. jährlicher Stromverbrauch einer Familie etwa 3 200 kWh). Heute werden Solarzellen aus Arseniur- Gallium hergestellt, und der Wirkungsgrad liegt bei etwa 18 %. Sonnenbatterien finden nicht nur bei Raumschiffen Anwendung, sondern auch bei langlebigen wiederaufladbaren Batterien für viele elektrische Kleingeräte (Uhren, Taschenrechner etc.). Hierzu reicht bereits eine kleine Aufladestation aus. Solarzellen sind in Zusatzantrieben von schwerkraftbewegten und passiven Lüftungs- und Solarheizsystemen eingebaut und betreiben Ventilatoren und Umwälzpumpen (mit sehr geringer Leistung). Leistungsstarke Arbeitsmaschinen sind jedoch nicht mit Solarbatterien zu betreiben.
|
3.3. Orientierung der Kollektoren |
|
Hierbei ist zu
unterscheiden, ob die Nutzung
Um möglichst viel
diffuse Strahlung aufzufangen, muß der Kollektor nahezu horizontal gelagert sein. |
3.4. Wärmespeichersysteme |
|
| Ein Problem der
Sonnenenergienutzung ist ihre Speicherung. Wärmespeicher sind notwendig, um Nacht- und
Tag-, sowie saisonal bedingte Unterschiede auszugleichen. Dabei unterscheidet man:
Die Speicherung der
Wärme vom Sommer für den Winter ist zwar mit einem sehr hohen technischen und
finanziellen Aufwand möglich, doch der hierzu benötigte Heißwasserspeicher müßte
volumenmäßig etwa das gleiche Volumen einnehmen wie das Haus selbst. |
3.4.1. Kurzzeitspreicher |
|
Zu den Kurzzeitspeichern
zählt man:
|
3.4.1.1. Flüssigkeitsspeicher |
|
| Im unteren Bereich des
Speichers wird ein Wärmetauscher eingebaut, der die Energie des geschlossenen
Kollektorkreislaufes an den Speicher abgibt. Speichermedien für Flüssigkeitsspeicher sind Wasser und Thermoöl (max. Temp. 430 °C). Wasserwärmespeicher sind am meisten verbreitet. Wasser hat die höchste spezifische Wärme und ist fähig, die größte Wärmemenge je Volumeneinheit zu speichern. Die Tankgröße ist abhängig von den Gewohnheiten des Verbrauchers. Er sollte aber möglichst groß dimensioniert werden, um die wechselnde Verfügbarkeit der Sonnenenergie überbrücken zu können (Pufferspeicher). Um Verkalkung und Korrosion einzudämmen, sollte man die Zapftemperatur nicht über 60 °C steigen lassen (vgl. Vollbadtemperatur etwa 40 °C). Schlanke hohe Speicher bieten die Möglichkeit (in teilgeladenen Speichern bilden sich Temperaturschichten) in den verschiedenen Schichten Wärme mit der gewünschten Temperatur zu entnehmen. Es gibt aber auch Speicher am Markt, die bereits über konzentrisch angeordnete Kammern mit drei verschiedenen Temperaturniveaus verfügen. Zu Beginn der Heizperiode sollte die volle Speicherkapazität zur Verfügung stehen. Der Speicher kann zugleich als Brauchwasserspeicher dienen, wenn er parallel zum Heizkessel geschaltet wird. |
3.4.1.2. Tagesspeicher (für Brauchwasser) |
|
| Solche Kurzzeitspeicher
erlauben auch eine größere Entnahme von Brauchwasser (z.B. Vollbad). Falls die Wärmemenge des Speicherinhalts dafür nicht ausreicht, sorgt eine automatisch geregelte Zusatzheizung (z.B. Elektro) für Nachschub. |
3.4.1.3. Feststoffspeicher |
|
| Steine und Erdmassen haben
eine verhältnismäßig gute Speicherkapazität. Das Transportmedium Luft durchströmt die
Speichermasse frei oder durch Kanäle und heizt oder kühlt den Feststoffspeicher. Doch auch flüssige Transportmedien können bei Feststoffspeichern die Energie übertragen. Steinspeicher können jedoch im Gegensatz zu Wasser nur ein Drittel der Wärmemenge pro Volumeneinheit speichern. Das bedeutet, daß Steinspeicher für die gleiche Leistung fast vier mal so groß wie Wasserspeicher sein müssen. |
3.4.1.4. Erdspeicher |
|
| In etwa 0,5 - 2 Meter Tiefe
wird ein Erdkollektor angebracht in dessen Rohren das Transportmedium zirkuliert. Da die Speichertemperatur der Erde nur bei Zuführung von Hochtemperatur- Wärme nutzbringend ist, wird eine Wärmepumpe zugeschaltet. |
3.4.2. Langzeitspeicher |
|
| Die Speicherung der Wärme vom
Sommer (wo der Bedarf geringer ist, das Angebot aber groß) in den Winter ist nur mit sehr
großem technischen und damit finanziellen Aufwand möglich, doch der hierzu benötigte
Heißwasserspeicher müßte volumenmäßig etwa das gleiche Volumen einnehmen wie das Haus
selbst. Der Langzeitspeicher wird nach der Art der Wärmeaufbewahrung in den Latent- Wärmespeicher und den Speicher fühlbarer Wärme unterschieden. |
3.4.2.1. Latent- Wärmespeicher |
|
| Als Latentwärme bezeichnet
man die notwendige spezifische Umwandlungswärme, die dazu nötig ist, einen Stoff durch
Zu- oder Abfuhr von Wärmeenergie in einen anderen Aggregatzustand umzuwandeln. Dabei kommen vorwiegend Systeme in Frage, die in einem Temperaturbereich von etwa 30 °C - 95 °C ihren Aggregatzustand ändern, da dann die Energiezufuhr durch Warmwasser aus Flachkollektoren möglich ist. Salzhydrate bieten sich als Speichermasse an, haben günstige chemische Eigenschaften und sind reichlich und preisgünstig vorhanden. Es sind jedoch auch andere Speichermassen möglich. |
3.4.2.2. fühlbarer Wärmespeicher |
|
| Bei der Speicherung fühlbarer
Wärme wird die Temperatur des Speichermediums durch die Energiezufuhr (Wärmezufuhr)
erhöht, ohne daß sich der Aggregatzustand ändert. Die zugeführte Energie kann bei Abkühlung wieder genutzt werden. Die Wahl des Heizungssystems entscheidet über die verschiedenen Varianten der Speichermöglichkeit. |
3.5. aktive Solar- Raumheizung |
|
Die derzeit gebauten Anlagen
beweisen, daß die Systemvielfalt durch die vielen Variationsmöglichkeiten der
Hauptbestandteile enorm ist.
|
3.5.1. Unterstützung von Warmwasser- Heizsystemen |
|
| In der Regel werden bei Ein-
und Mehrfamilienhäuser Flüssigkeitskollektoren eingesetzt, die die gewonnene Wärme an
das Warmwasser- Heizsystem direkt bzw. an den Speicher abgibt. Der Einsatz von Niedertemperatur- Heizsystemen in Kombination mit Sonnenkollektoren ist empfehlenswert. In den meisten Fällen wird die Solaranlage für die Warmwasserbereitung im Sommer dimensioniert und unterstützt darüber hinaus die Raumheizung in den Übergangszeiten. Die Wärme wird über ein Medium in den Speicher geleitet. Je nach Bedarf wird das Warmwasser für Brauchwasser bzw. Heizung abgezapft (siehe folgende Abb.).
|
3.5.2. Unterstützung von Luftheizsystemen |
|
| Luftkollektoren können
Luftheizsysteme (z.B. in Hallen) relativ kostengünstig unterstützen. Dabei wird die
erwärmte Luft direkt in die Halle eingeblasen. Die massiven Bauteile fungieren als
Speichermassen. Temperaturschwankungen lassen sich bei diesem System nicht ganz vermeiden. Bei höheren Anforderungen an Lufthygiene und Raumklima müssen direkte oder indirekte Warmluftverteilungssysteme und Luftaufbereitungsanlagen vorgesehen werden. Solar unterstützte Luftheizsysteme stellen bei Niedrigenergiehäusern in Verbindung mit kontrollierter Wohnraumlüftung (Wärmerückgewinnung) eine Alternative zur zentralen Warmwasserheizung dar. |
3.6. semi- aktive Raumheizung |
|
| Von semi- aktiver
Raumheizung spricht man, wenn die Raumerwärmung durch Absorption und Speicherung in der
Baumasse (Ziegel, Stein, Beton, Wasser etc.) erfolgt (siehe auch Hay und Jellott). Es ist also dabei kein Sonnenkollektor notwendig. |
3.7. aktive Solarsysteme zur Brauchwassererwärmung |
|
| Unter ökologischen
Gesichtspunkten ist die aktive Nutzung der Sonnenenergie zur Brauchwassererwärmung im
Niedertemperaturbereich sehr sinnvoll. Die Effizienz ist wesentlich von der Übereinstimmung der einzelnen Bestandteile einer Solaranlage abhängig. Im Sommer decken sich Energiebedarf und Angebot an Sonnenenergie. Der Energiebedarf ist (im Gegensatz zur Gebäudeheizung) jahreszeitlich unabhängig. In den Übergangszeiten und vor allem im Winter muß in der Regel die konventionelle Heizung die Erwärmung des Brauchwassers teilweise oder ganz übernehmen. Der Nutzen einer solaren Brauchwassererwärmung kann verbessert werden durch:
|
3.7.1. Aufbau |
|
| Wenn die Sonnenstrahlung zur
Erwärmung des Brauchwassers im oberen Speicherbereich nicht ausreicht, wird das Wasser
vom Heizkessel mittels eines zweiten Wärmetauschers nacherwärmt. Der Heizkessel sollte dabei in langen Intervallen und möglichst in den Abendstunden laufen (da für diesen Tag keine Sonneneinstrahlung mehr möglich ist).
|
3.7.2. Kosten |
|
| Die Preisangaben beziehen sich
auf betriebsfertige Systeme (einschließlich Brauchwasserspeicher) und liegen etwa
zwischen DM 1 000 und 2 200 pro m². Solaranlagen in Mehrfamilienhäusern sind wirtschaftlicher als in Einfamilienhäuser. Reihenhäuser sollten deshalb die Anlage (mit einzelnen kleinen Heizungszentralen) zur gleichzeitigen Versorgung mehrer Häuser vorsehen. |
3.8. aktive Solarsysteme zur Schwimmbadheizung |
|
3.8.1. Schema Solarschwimmbadheizung in geschlossenem Kreislauf |
|
 |
3.8.2. Freibäder |
|
| Besonders bei Freibädern (die
nicht im Winter betrieben werden) ist die Beheizung des Schwimmbadwassers rentabel. Energiebedarf und Strahlungsintensität decken sich während den Sommermonaten. Kostengünstige, einfache, matten- und schlauchförmige Kunststoffabsorber (ohne Wärmedämmung und Abdeckung) haben sich dabei bewährt. Die Dimensionierung der Absorberfläche sollte etwa 1 / 3 bis 2 / 3 der Beckenfläche betragen. Wenn leichte Temperaturschwankungen des Wassers akzeptiert werden können (ohnedies mäßiger Badebetrieb bei schlechtem, sonnenscheinarmen Wetter), kann eine Zusatzheizung eingeschränkt bzw. auf sie verzichtet (vor allem bei privaten Freibädern) werden. |
3.8.3. Hallenbäder |
|
| Treten in den Sommermonaten
Überschüsse auf, können diese zur Brauchwassererwärmung genutzt werden. Bei Hallenbäder sind abgedeckte Sonnenkollektoren sinnvoller. |
3.9. Auswahlkriterien |
|
Folgende
Auswahlkriterien sollten nach Möglichkeit berücksichtigt werden:
Aus Rentabilitätsgründen muß jeder Bestandteil einer Solaranlage eine hohe Lebensdauer aufweisen. |
3.10. Schlußbemerkung |
|
Durch die vielen
Kombinationsmöglichkeiten von
Diese Solarsysteme
können in mitteleuropäischen Breiten jedoch kein herkömmliches Heizungsystem ersetzen. |
 |
© by Bauherr.de, 1997-2005
