Warmwasser vom Dach

Bei richtiger Auslegung der Kollektorfläche und des Speichervolumens läßt sich in Mitteleuropa während der warmen Jahreszeit Brauchwasser mit Sonnenenergie erzeugen und die Sonnenkollektoren auch zur Gebäudekühlung nutzen.

Thermische Solaranlagen. Für diese Anlageform ist das Dach prädestiniert: Eine Dachfläche muss nicht unbedingt exakt nach Süden ausgerichtet sein, um als Montagefläche für Sonnenkollektoren zu dienen. Abweichungen aus der Südrichtung von bis zu 30 Grad führen bei den üblich steilen Dachneigungen nur zu geringen Einbußen. Selbst reine Ost- oder Westorinetierungen lassen sich durch entsprechend vergrößerte Kollektorfläche ausgleichen. Der Neigungswinkel eines Steildachs sollte zwischen 20 und 60 Grad liegen, wobei geringe Winkel die Energieausbeute im Sommer begünstigen und steilere im Winter.

Bei Flachdächern sollte eine Aufständerung vorgenommen werden. Solche Anlagen lassen sich rentabel nutzen. Im Sommer lässt sich aus einer Dachanlage der Warmwasserbedarf eines Einfamilienhauses decken. Zur Überbrückung längerer Schlechtwetterperioden und für die Winterzeit ist eine zusätzliche Heiz-möglichkeit notwendig.Einsatz und Anwendung thermischer Solaranlagen nimmt kontinuierlich zu. Denn sie können zur Wärmegewinnung und Raumkühlung großflächig genutzt werden. So ist eine 350 Quadratmeter-Anlage im Berliner Bundespresseamt zur solaren Kühlung erfolgreich in Betrieb. Grundsätzlich sollte die Projektion einer Solaranlage vom Fachmann vorgenommen werden. Wesentlich ist dabei die objektbezogen richtige Dimensionierung durch genaue Kenntnisse des Warmwasserbedarfs. So rechnet man bei einer kleineren Anlage mit einem mittleren Wasserverbrauch von 50 Litern pro Person und Tag (bei 45°C) eine Kollektorfläche von 1,2 bis 1,5 Quadratmeter pro Person.

Überwiegend werden „Zweikreisanlagen” mit Zwangsumlauf eingebaut. Dabei wird eine Wärmeträgerflüssigkeit von einer Pumpe in den Warmwasserspeicher transportiert, wo sie die Sonnenwärme über einen Wärmetauscher an das Frischwasser (Leitungswasser) im Speicher abgibt. Im Solarkreislauf befindet sich ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, im zweiten Kreis das Frischwasser zu den Zapfstellen. Dagegen wird bei „Einkreisanlagen” das Frischwasser direkt im Kollektor erwärmt.Bei Thermosiphonanlagen entfallen Regelung und Solarkreis-Umwälzpumpe, da durch den Dichteunterschied der in Vor- und Rücklauf unterschiedlich warmen Trägerflüssigkeit eine Eigenzirkulation dieser Flüssigkeit erfolgt.

Komponenten. Zur Bevorratung von Energie wird der Warmwasserspeicher verwendet. Er sollte rund das 1,5- bis 2-fache des täglichen Warmwasserverbrauchs speichern, man rechnet etwa 80 bis 100 Liter pro Person. Der Speicher sollte mit mindestens 10 Zentimeter Dämmstoff isoliert sein. Von der Industrie werden mittlerweile hocheffiziente Warmwasserspeicher angeboten, die bessere Leistungswerte haben als die früherer Jahre.

Über meist Kupferrohre mit einem Durchmesser von 15 bis 18 Millimeter wird das auf dem Dach erwärmte Wasser dem Speicher zugeführt. Diese Rohre sollten mit rund 50 Millimeter Dämmstoff isoliert werden und über kurze Leitungswege den Wärmeverlust mindern. Die Wärmedämmung muss hohen Temperaturen widerstehen und im Außenbereich UV-beständig sein. Bewährt haben sich Mineralwolle, Polyurethan- oder Schaumglasrohrschalen und spezielle Schaumgummischalen, die von den Dämmstoffherstellern angeboten werden.

Eine Solarkreis-Umwälzpumpe sichert den Wasserdurchfluss, der bei kleinen Anlagen etwa 30 Liter/h bis 50 Liter/h und Quadratmeter Kollektorfläche beträgt. Typische Betriebsdrücke solcher Anlagen liegen bei rund 4 bar. Thermometer im Vor- und Rücklauf dienen zur Betriebskontrolle der Anlage. Ein Ausdehnungsgefäß hält den Druck in der Anlage stabil und nimmt die durch unterschiedliche Temperaturen bedingte Volumenänderungen der Wärmeträgerflüssigkeit auf.

Zur Anlagenregelung dient ein Temperaturdifferenzregler, der über zwei Temperaturfühler die Umwälzpumpe steuert. Diese Regler sind meist so eingestellt, dass für den Pumpenstart eine Temperaturdifferenz von etwa 5 bis 8 Grad Celsius zwischen Kollektor und Speicher notwendig ist. Sinkt die Temperatur auf 2 bis 3 Grad ab, schaltet sich die Pumpe aus.

Sonnenkollektoren: Typen und Einsatz. Kernstück eines Sonnenkollektors ist der Absorber. Er besteht meist aus mehreren schmalen Metallstreifen. Dabei wird das Wärmeträgermedium durch ein mit dem Absorberstreifen ver-bundenes Wärmeträgerrohr geleitet. Bei einem Plattenabsorber sind zwei Platten miteinander verschweißt. Zwischen denen strömt das Trägermedium. Typische Absorbermaterialien sind Kupfer und Aluminium. Bei einem Speicherabsorber sind die Funktionen des Speichers und Kollektors in einem Gerät vereint. Diese Geräte benötigen keine Umwälzpumpe und Regeleinrichtungen.

Absorber sind meist schwarz, da schwarze Oberflächen einen besonders hohen Absorbti-onsgrad aufweisen. Der Absorptionsgrad gibt an, wie viel der einfallenden kurzwelligen Son-nenstrahlung aufgenommen und nicht reflektiert wird. Da sich der Absorber dabei erwärmt, gibt er einen Teil der aufgenommenen Energie an die kühlere Umgebung wieder ab. Dieser Anteil wird mit Emissionsgrad bezeichnet.

Hocheffiziente Absorber besitzen eine selektive Beschichtung. Diese ermöglicht die hohe Aufnahme von Sonnenenergie bei gleichzeitig verminderter Emission der Wärmestrahlung. Üblicherweise betragen die üblichen Absorptionsgrade über 90 Prozent.
Flachkollektoren bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Meist eisenarmes Solarsicherheitsglas wird zur Abdeckung verwendet, das einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Die Abdeckung verhindert gleichzeitig den Wärmeentzug durch vorbeistreichende Kaltluft. Für das Gehäuse wird Aluminium, verzinktes Stahlblech oder glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet. Die Wärmedämmung auf der Rückseite und an den Seitenwänden vermindert den Wärmeverlust. Meist werden Polyurethanschaum und Mineralwolle, seltener Glaswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas verarbeitet. Flachkollektoren lassen sich sehr variabel einbauen: im Dach zwischen den Sparren, auf der Dacheindeckung oder in freier Aufstellung.

Beim Vakuum-Röhrenkollektor befindet sich der Absorberstreifen in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-in-Rohr-System. Mehrere einzeln hintereinander geschaltete bzw. über einen Sammelleitung verbundene Röhren bilden den Sonnenkollektor. Beim Heat-Pipe-Röhrenkollektor ist eine bereits bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Bei Erwärmung verdampft diese Flüssigkeit. Dieser Dampf steigt im Wärmerohr auf und gibt die enthaltene Wärme über einen Wärmetauscher an die durch das Sammelrohr fließende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder in das Wärmerohrende zurück. Damit der Prozess ablaufen kann, müssen die Röhren mit einer Mindestneigung von der Horizontalen aufgebaut werden.

Baukonstruktion. Da die bisherigen Kollektoren relativ schwer sind, sollte bei der Dachplanung ein entsprechend statischer Zuschlag eingerechnet werden. Beim Altdach dagegen sollte zunächst vom Statiker geprüft werden, inwieweit die vorhandene Dachkonstruktion das zusätzliche Gewicht aufnehmen kann oder entsprechend bauliche Maßnahmen ergriffen werden müssen. Die Kollektoren selber lassen sich entweder in die Dachkonstruktion integrieren oder auf die Dacheindeckung mittels entsprechenden Ständern montieren.

In allen Fällen hat der Dachdecker darauf zu achten, dass die Wärmedämmung der Dachfläche den Mindestvorschriften entspricht und – was noch wichtiger ist – die Wasserableitung aus der Fläche nicht behindert wird. Hier sind besonders die Anschlüsse zwischen Kollektor und Dacheindeckung zu beobachten, damit kein Kriechwasser oder Flugschnee ins Dach ein-getrieben werden kann. Bei aufgeständerten Kollektoren sollte ausreichender Abstand zwi-schen Dacheindeckung und Kollektorunterseite vorhanden sein, um Regen- und Tauwasser ablaufen zu lassen. Bei Aufständerung ist auch die Kraft des Windes zu berücksichtigen, vor allem in windintensiven Regionen oder großen Höhen kann es leicht zu hohen Sog- bzw. Druckbelastungen führen. Der letzte Winter hat gezeigt, dass mit starken Schneefällen und hohen Schneelasten selbst in geschützten Regionen gerechnet werden muss. Deshalb soll-ten Kollektoren mit entsprechenden Maßnahmen geschützt sein. Nicht vergessen werden darf aber auch ein wirksamer Blitzschutz mit einer entsprechenden Erdung.

Fazit. Auch wenn es baukonstruktiv noch einige Dinge zu beachten gilt, die Nutzung der Sonnenenergie ist auf Dauer nicht nur preisgünstig, sondern vor allem auch umweltschonend. Durch die Solarförderung von Bund, Ländern und Gemeinden wird zumindest eine für Bauherren finanziell interessante Alternative geschaffen. Für Österreich gibt es dazu im Internet umfangreiche Informationen unter www.solarwaerme.at.

Hans Jürgen Krolkiewicz

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