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Bei einer Solaranlage bilden ein oder mehrere Kollektoren das Kollektorfeld. Am besten wird das Kollektorfeld der Solaranlage auf einer südlich ausgerichteten, geneigten Dachfläche aufgestellt. Dabei sind folgende Orientierungen möglich: Eine Neigung zwischen 30° und 60°, die Himmelsrichtung liegt zwischen Südost und Südwest. Sollte der Aufstellungswinkel der Solaranlage stark abweichen, so muss mit einem deutlich geringeren Energieertrag gerechnet werden. Dies könnte nur durch eine größere Kollektorfläche ausgeglichen werden.

Bei einer Solaranlage lassen sich Kollektoren beispielsweise als Flachkollektor in die Dachhaut integrieren oder als Flach- und Vakuumröhrenkollektoren darüber aufständern. Probleme mit der Dachstuhl-Statik sind nicht zu befürchten. Vielfach sind die Kollektoren der Solaranlage bei der Dachintegration leichter als die entfernten Dachziegel. Wichtig ist die fachgerechte Abdichtung der Dachdurchdringung und ein Blitzschutz. Sollten keine geeigneten Dachflächen vorhanden sein, so lassen sich für eine Solaranlage oft andere Lösungen finden.

Bei Flachdächern wird der Kollektor auf ein Gestell mit entsprechender Ausrichtung montiert. Auch an Fassaden können ähnliche Gestelle angebracht werden. Bei manchen Röhrenkollektoren kann durch Drehen der Röhren die Absorberausrichtung variiert werden. Dies erlaubt beispielsweise eine vertikale Montage der Solaranlage an einer Außenwand.

Das Kollektorfeld kann in unterschiedlich ausgerichtete Flächen aufgeteilt werden. Weil sich die Bestrahlungsintensität im Laufe des Tages ändert, muss allerdings jeder Teilkollektor eigens geregelt werden. Auch außerhalb von Gebäuden können Kollektorstandorte für die Solaranlage gefunden werden, beispielsweise bieten sich dafür Pergola oder Garage an.

Für die Aufstellung eines Kollektorfeldes sind örtlich zum Teil Baugenehmigungen nötig. Dies ist in der jeweiligen Landesbauordnung geregelt.

Der Solarkreislauf

Der Solarkreislauf einer Solaranlage besteht aus einem Rohrsystem, in dem das Wärmeträgermedium zirkuliert, der Solarkreispumpe, der Regelung, einem Ausdehnungsgefäß und unterschiedlichen Sicherheitseinrichtungen. Das Wärmeträgermedium im Solarkreislauf einer Solaranlage ist in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, der Gefrierpunkt liegt unter - 15°C.

Alle Rohrleitungen innerhalb der Solaranlage sollten hochwertig wärmegedämmt sein. Dabei sollten auch Armaturen und Rohrbögen eingeschlossen sein. Die Dämmung sollte doppelt so dick sein wie der Rohrdurchmesser. Außen liegende Leitungen sollten regendicht und UV-beständig ummantelt sein. Je kürzer die Leitungen einer Solaranlage sind, desto geringer ist der Wärmeverlust.

In einer Solaranlage wird ein geringer Stromverbrauch durch eine möglichst klein dimensionierte Solarkreispumpe (z.B. 20 W) erreicht. Beispielsweise kann eine Gleichstrompumpe (anstelle der Wechselstrompumpe) durch einen zusätzlichen Solargenerator (UV-Modul) mit Strom versorgt werden.

Wird bei einer Solaranlage der Speicher oberhalb des Kollektorfelds aufgestellt, kann auf eine Umwälzpumpe verzichtet werden. Das Wärmeträgermedium wird bei Erwärmung im Kollektor leichter und steigt deshalb ohne Hilfsenergie in den Speicher.

Ein Ausdehnungsgefäß im Solarkreislauf nimmt die Volumenausdehnung des Wärmeträgermediums bei Erwärmung auf. Ein Sicherheitsventil bläst bei zu hohem Druck kleine Mengen des Wärmeträger-Mediums in einen Behälter ab. Der Anlagendruck wird mit einem Manometer kontrolliert. Ferner muss das Rohrsystem an seinem höchsten Punkt entlüftet werden können, mit Handventil und Schnellentlüfter.

Speicher

Bei Solaranlagen in Ein- und Zweifamilienhäusern sind bivalente Speicher mit zwei Wärmetauschern üblich: Ein unterer für den Anschluss an den Kollektorkreis zur solaren Erwärmung des Trinkwassers und ein oberer für den Anschluss an die Nacherwärmung durch den Heizkessel. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte von warmem und kaltem Wasser sowie der Be- und Entladevorgänge im Speicher stellt sich eine Temperaturschichtung ein.

Eine besondere Wärmespeicherung findet in so genannten Schichtenspeichern statt. Die Speichergestaltung und der Speichereinbau bewirken, dass sich das erwärmte Trinkwasser in die Ebene gleicher Temperatur einschichtet. Auf diese Weise gelangt die Solarwärme schneller auf das Niveau der Nutztemperatur.

„Schichtenspeicher“ sind das zentrale Element der Heizungsanlage. Die Wärme für den Heizungsvorlauf wird aus dem oberen Drittel des Speichers entnommen, die Rücklaufwärme fließt in der passenden Höhe in den Speicher zurück. Die Trinkwassererwärmung ist in dieses System integriert, natürlich ohne dass sich das Trinkwasser und das Wasser des Heizungskreislaufs miteinander vermischen können. Zur hygienisch notwendigen Trennung zum Heizungskreislauf dient ein kleiner Behälter, der im oberen Drittel des Schichtenspeichers untergebracht ist. So wird mit lediglich geringen Verlusten Warmwasser bereit gehalten.

Der Schichtenspeicher kann aber auch als „Durchlauferhitzer“ genutzt werden, indem das Trinkwasser durch einen Wärmetauscher den Speicher von den kühleren unteren bis zu den oberen Schichten mit höherer Temperatur durchfließt. So müssen keine größeren Trinkwassermengen mit gebrauchsfertiger Temperatur über längere Zeit vorgehalten werden und die Legionellen-Gefahr ist sehr gering.

Eine andere Möglichkeit, mit einer Solaranlage warmes Trinkwasser zu erzeugen, bietet ein Durchlaufplattenwärmetauscher, der von der heißesten Stelle des Speichers bedient wird. So wird warmes Wasser immer nur bei Bedarf erzeugt.

Im Ein- und Zweifamilienhaus erfreuen sich Kombispeicher zur kombinierten Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung wachsender Beliebtheit. Die Speicher sparen Platz und sind einfach in das Heizsystem und die Trinkwassererwärmung einzubinden. Im Kombispeicher befindet sich Heizungswasser. Während die Solaranlage über einen Wärmetauscher den gesamten Speicherinhalt erwärmt, heizt der Heizkessel nur den Bereitschaftsteil. Die Trinkwassererwärmung kann folgendermaßen realisiert werden:

Beim Durchflusssystem wird das Trinkwasser über einen internen Wärmetauscher erwärmt, der den gesamten Speicher durchzieht.
Das Tank-in-Tank-System hält innerhalb des Pufferspeichers einen kleineren Speicher, den Trinkwasserspeicher, bereit. Die Wärme wird durch das umgebende Heizungswasser abgegeben.

Für die im Einfamilienhaus benötigten Leistungszahlen eignen sich beide Speichertypen innerhalb einer Solaranlage. Sie sorgen wegen der geringen bevorrateten Trinkwassermengen für eine hygienische und sichere Trinkwassererwärmung. Bei größerem Trinkwarmwasserbedarf, oder wenn beispielsweise für eine Holzheizung größere Pufferspeichervolumen benötigt werden, kommt eine Zwei-Speicher-Solaranlage zum Einsatz. Hier werden bivalenter Solarspeicher und Heizungs-Pufferspeicher räumlich getrennt installiert.

Um bei der Verwendung einer Solaranlage einen Ausgleich zwischen Zeiten mit hohem Strahlungsangebot am Mittag und solchen mit großem Warmwasserverbrauch, etwa morgens und abends, zu schaffen, ist ein Warmwasserspeicher erforderlich. Je größer der Speicher ist, desto größer ist die Ausbeute der Solaranlage.

Standspeicher

Standspeicher ermöglichen bei einer Solaranlage die thermische Schichtung im Speicher, bei der oben warmes und unten kaltes Wasser ist. Sie sind daher die Speicher der Wahl. Der Kaltwasserzulauf sollte so ausgeführt sein, dass nachströmendes Kaltwasser zunächst im unteren Bereich bleibt. Damit erhöht sich die Wärmeabgabe des dort installierten Solarkreis-Wärmetauschers.

Das obere Speicherdrittel enthält normalerweise die Nachheizung, die ständig auf der gewünschten Temperatur gehalten wird. Bei einer Warmwasserzirkulation darf der Rücklauf nicht an den unteren Speicherteil angeschlossen werden. Die Rückführung des leicht abgekühlten Leitungswassers würde die thermische Schichtung zerstören.

Ein guter Speicher besitzt eine hochwertige Wärmedämmung, die mindestens 10 Zentimeter beträgt. Sie sollte möglichst wenig durch Rohranschlüsse und Armaturen unterbrochen sein. Die Dämmung soll an der Speicherwand anliegen und darf keine Fugen haben, da andernfalls Konvektionsströmungen mit Wärmeverlusten entstehen können. Die Dämmung sollte den Speicher glockenförmig umhüllen, wobei die Reinigungsöffnung jedoch zugänglich sein muss.

Bei einer gewöhnlichen Solaranlage werden unterschiedliche Druckspeicher verwendet:

Stahlspeicher mit Emaille-Beschichtung

Kostengünstig und weit verbreitet bei Verwendung einer Solaranlage sind emaillierte Stahlspeicher. Das Emaille schützt vor innerer Korrosion des Stahlbehälters. Bei Transport und thermischer Belastung können feine Haarrisse entstehen. Deshalb werden Magnesium- Schutzanoden oder Fremdstromanoden eingebaut, deren schwacher lonenstrom Korrosion dauerhaft verhindert. Eingebaute Wärmetauscher oder Temperaturfühler müssen in diesem Fall gegen die Speicherwandung elektrisch isoliert sein.

Stahlspeicher mit Kunststoffbeschlichtung

Diese Ausführung ist bei guter Verarbeitung dauerhaft gegen Korrosion geschützt.

Edelstahlspeicher

Edelstahlspeicher haben eine hohe Lebensdauer, sind allerdings relativ teuer. Auch hier ist eine gute Verarbeitung, besonders der Schweißnähte, wichtig. Bereits vorher ist die Trinkwasserzusammensetzung zu beachten - bei hohem Chloridgehalt sollten Edelstahlspeicher nicht eingesetzt werden.

Kunststoffspeicher

Drucklose Speicher sind bei einer Solaranlage kaum gebräuchlich. Sie werden hingegen gerne von Bauherren eingesetzt, die preiswerte Lösungen bevorzugen. Da das Trinkwasser nicht mit dem Speichermedium identisch sein darf, ist meist ein zusätzlicher Wärmetauscher nötig. Dieser funktioniert als Durchlauferhitzer und muss sehr leistungsfähig dimensioniert werden. Dabei vermindert sich allerdings der Preisvorteil des Speichers. Bei der Verwendung von Kunststofftanks innerhalb einer Solaranlage muss auf die Temperaturbeständigkeit des Materials geachtet werden.

Regelung

Mit der Ausnahme der Schwerkraftanlage muss jede Solaranlage geregelt sein, damit der Betrieb dann läuft, wenn die Energie der Sonne zur Speicherbeheizung ausreicht. Am weitesten verbreitet bei der Solaranlage sind Temperatur-Differenz-Regelungen, bei denen die Temperatur am Kollektor und im Speicher verglichen wird. Die Regelung sollte so eingestellt sein, dass die Temperatur des Mediums am Kollektorausgang um etwa 6 °C höher liegt als die Speichertemperatur.

Das korrekte Ein- und Ausschalten sollte mit Temperatur- und Funktionsanzeigen überprüfbar sein. Eine schlecht eingestellte Regelung kann unter Umständen dazu führen, dass die tagsüber gewonnene Wärme der Solaranlage nachts wieder aus dem Speicher transportiert und nach außen abgegeben wird.

Für längere Schönwetterperioden sollte aus Sicherheitsgründen und zur Reduzierung der Kalkbildung eine Temperaturbegrenzung vorhanden sein. Sie sollten je nach System und Wasserhärte zwischen 50 °C und 70 °C liegen.

Wenn während eines Sommerurlaubs kein Warmwasser verbraucht wird, können darüber hinaus über längere Zeiten hohe Stillstandstemperaturen im Kollektor auftreten. Abhilfe schafft beispielsweise das zeitweise Entfernen der Rohrdämmung oder das Abdecken des Kollektors.

Nachheizung

Da die Solaranlage im Winter nur wenig Ertrag liefert, muss nachgeheizt werden. Empfehlenswert ist der Anschluss der Solaranlage an die Heizungsanlage, da hier die Wärme energetisch effizient bereitgestellt wird. Die meisten Kesselregelungen können die Steuerung der Speicherladepumpe mit übernehmen: Wenn die Temperatur im Bereitschaftsteil unter eine festgelegte Grenze fällt, wird die Pumpe eingeschaltet und die Wärme wird aus dem Kessel über einen zusätzlichen Wärmetauscher in den Speicher transportiert.

Im Sommer sollte der Kessel wegen des geringen Zusatzwärmebedarfs nicht ständig in Bereitschaft gehalten werden, sondern erst anlaufen, wenn ein bestimmter Speicherladezustands unterschritten wird. Möglich ist auch eine nachgeschaltete Erwärmung des im Speicher durch die Solaranlage vorerwärmten Wassers.

Eine Nachheizung mit Strom ist bei Verwendung einer Solaranlage soweit wie möglich zu vermeiden. Wegen des geringen Aufwands für den Einbau eines elektrischen Heizstabs ist sie heute leider immer noch verbreitet. Verglichen mit einer herkömmlichen zentralen Warmwasserbereitung mit Heizkessel ohne Solaranlage, liegen hier nicht nur die Betriebskosten höher, auch für die Umwelt ergibt sich keine Entlastung.