Die thermische Solaranlage basiert auf einem alten physikalischen Prinzip: die Sonnenstrahlung einzufangen und in Wärme umzuwandeln. Bei der Erzeugung von Warmwasser wird dieses System heute in Wohnungen in allen französischen Regionen eingesetzt, einschließlich derjenigen mit moderater Sonneneinstrahlung. Ihr Betrieb erfordert einige einfache Komponenten, aber ihre Interaktion wirft technische Fragen auf, die in den üblichen Beschreibungen oft vernachlässigt werden.
Sommerüberhitzung der thermischen Solarkollektoren: ein unterschätztes Problem
Der Kreislauf zwischen Kollektoren, Speicher und Zusatzheizung bildet die Grundlage des solarthermischen Warmwasserbereitungsystems. Die Frage des Verhaltens der Anlage, wenn niemand warmes Wasser entnimmt, während die Sonne stark scheint, verdient jedoch ebenso viel Aufmerksamkeit. Dies ist eine wesentliche Dimensionierungsanforderung.
Im Sommer, wenn der Bedarf an Warmwasser sinkt (Urlaub, unbewohntes Haus), zirkuliert das Wärmeträgermedium weiterhin in den Kollektoren, die der Strahlung ausgesetzt sind. Die Temperatur in den Kollektoren kann dann weit über die Nennwerte steigen. Dieses Phänomen, das als Stagnation bezeichnet wird, schädigt das Glykol, das als Wärmeträger dient. Es kann auch zu Dampfschlägen im Kreislauf führen, Dichtungen und Verbindungen beschädigen und die Lebensdauer der Anlage verkürzen.
Um das Funktionsprinzip der thermischen Solaranlage insgesamt zu verstehen, muss diese Anforderung bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden. Es gibt mehrere Strategien: den Speicher leicht zu überdimensionieren, um Überschüsse aufzunehmen, ein Wärmeabfuhrsystem (Luftheizung, Entladekreislauf) zu installieren oder Kollektoren zu wählen, die als “Drain-Back” bezeichnet werden und den Kreislauf automatisch entleeren, wenn keine Wärmeanforderung mehr besteht.
Die Wahl zwischen diesen Lösungen hängt vom lokalen Klima, dem Volumen des Speichers und dem Verbrauchsprofil des Haushalts ab. Ein Installateur, der die Frage der Sommerüberhitzung nicht stellt, lässt einen wichtigen technischen Parameter außer Acht.
Hydraulischer Kreislauf und Wärmeübertragung: was zwischen dem Dach und dem Speicher passiert
Ein solarthermisches System zur Erzeugung von Warmwasser besteht aus drei Komponenten: den Kollektoren auf dem Dach, dem Speicher und dem Kreislauf, der die beiden verbindet. Das Wärmeträgermedium (in der Regel eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel) zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf.
- Die thermischen Solarkollektoren, meist Flachkollektoren, absorbieren die Strahlung durch eine selektive schwarze Oberfläche, die unter einer Verglasung angebracht ist. Die Luft, die zwischen der Verglasung und dem Absorber eingeschlossen ist, erzeugt einen lokalisierten Treibhauseffekt, der die Temperatur des Mediums erhöht.
- Das erhitzte Medium sinkt zum Speicher und durchläuft einen Wärmetauscher (Wickel oder Doppelwand). Es gibt seine Wärme an das gespeicherte Warmwasser ab und steigt dann, abgekühlt, wieder zu den Kollektoren auf, um einen neuen Zyklus zu beginnen.
- Eine Zirkulationspumpe (oder die einfache natürliche Konvektion in Thermosiphonsystemen) sorgt für die Bewegung des Mediums. Ein Regler vergleicht die Temperatur der Kollektoren mit der Temperatur im unteren Bereich des Speichers und schaltet die Pumpe entsprechend ein oder aus.
- Die Zusatzheizung, elektrisch oder an einen Kessel angeschlossen, übernimmt, wenn die Solarenergie nicht ausreicht, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
Der Solarspeicher funktioniert durch thermische Schichtung: Das warme Wasser steigt natürlich nach oben im Tank, während das kalte Wasser unten bleibt, wo das solarerwärmte Medium ankommt. Diese Schichtung verbessert die Gesamtleistung des Systems, da der Kollektor mit einem kälteren Medium arbeitet, was den Temperaturunterschied erhöht und somit die Effizienz der Übertragung steigert.
Thermosiphon oder Zwangszirkulation
In einem Thermosiphonsystem befindet sich der Speicher über den Kollektoren. Die Zirkulation des Mediums erfolgt ohne Pumpe, durch den Dichteunterschied zwischen dem heißen (leichteren) und dem kalten (schwereren) Medium. Diese Anordnung, die in sehr sonnigen Regionen üblich ist, vereinfacht die Installation und beseitigt den Stromverbrauch der Pumpe.
In Frankreich werden in den meisten Anlagen Zwangszirkulationssysteme verwendet. Der Speicher befindet sich im Haus, oft im Keller oder in einem Technikraum, und eine vom Regler gesteuerte Pumpe sorgt für den Durchfluss. Dieses Schema bietet mehr Flexibilität bei der Platzierung der Komponenten.
Wasserqualität im Solarspeicher: das gesundheitliche Risiko nicht unterschätzen
Warmwasser in einem Speicher zu lagern, bedeutet eine gesundheitliche Verantwortung. Legionellenbakterien gedeihen zwischen 25 °C und 45 °C. Ein Solarspeicher, der mehrere Tage lang bei einer mittleren Temperatur bleibt, aufgrund unzureichender Sonneneinstrahlung und ohne Aktivierung der Zusatzheizung, kann zu einem günstigen Umfeld werden.
Die Zusatzheizung ist daher nicht nur ein Komfort: Sie spielt eine Rolle bei der gesundheitlichen Prävention. Die Vorschriften empfehlen, das Wasser im Speicher regelmäßig über den Schwellenwert für das Bakterienwachstum zu bringen. Einige Solarregler integrieren eine Funktion zur automatischen periodischen Erwärmung zu diesem Zweck.
Dieses Parameter beeinflusst die Wahl des Volumens des Speichers, die Leistung der Zusatzheizung und die Programmierung des Systems. Ein zu großer Speicher im Verhältnis zum tatsächlichen Verbrauch erhöht das Risiko, da das Wasser dort länger bei lauwarmen Temperaturen stagniert.
Reale Leistung der Solarheizung: was den Ertrag beeinflusst
Die thermischen Solarkollektoren können zwischen der Hälfte und vier Fünfteln des jährlichen Bedarfs an Warmwasser decken. Diese Abweichung in der Abdeckung hängt nicht nur von der Region ab.
Das Verbrauchsprofil hat ebenso viel Gewicht wie die Sonneneinstrahlung. Ein Haushalt, der den Großteil seines Warmwassers morgens und abends verbraucht, nutzt die Solarenergie weniger effizient als ein Haushalt, dessen Bedarf über den Tag verteilt ist. Die Größe des Speichers sollte dem tatsächlich genutzten Volumen entsprechen, nicht einer theoretischen Schätzung.
Die Ausrichtung und Neigung des Daches sind ebenfalls wichtig, jedoch mit mehr Toleranz, als oft angenommen wird. Eine Abweichung von einigen Dutzend Grad vom wahren Süden reduziert die Produktion, macht die Installation jedoch nicht unbrauchbar. Solarabschattungen (Bäume, benachbarte Gebäude, Gelände) verdienen hingegen eine ernsthafte Schattenstudie vor jeder Investition.
Wartung und Lebensdauer der thermischen Solarkollektoren
Ein gut installierter thermischer Solarkollektor hat eine lange Lebensdauer, oft über zwei Jahrzehnte. Das Wärmeträgermedium hingegen verschlechtert sich mit der Zeit und muss regelmäßig überprüft und dann ersetzt werden. Ein verschlechtertes Glykol verliert seine Frostschutz- und Korrosionsschutzeigenschaften, was den Kreislauf schleichend schädigen kann.
Die Druckkontrolle des Kreislaufs, die Überprüfung der Anode des Speichers und die gelegentliche Reinigung der Verglasung der Kollektoren bilden den Kern der Wartung. Diese Maßnahmen zu vernachlässigen bedeutet, einen schrittweisen Rückgang der Effizienz ohne sofort sichtbares Signal zu akzeptieren.
Die thermische Solarheizung zur Erzeugung von Warmwasser für den Haushalt bleibt eine zuverlässige Technologie, vorausgesetzt, man reduziert sie nicht auf ihre Vorteile. Die Dimensionierung des Speichers, das Management der Sommerüberhitzung und die Kontrolle des gesundheitlichen Risikos sind drei Parameter, die eine leistungsfähige Installation von einer unterausgelasteten Ausrüstung unterscheiden.
