Solarthermieanlagen: Auf­bau und Funk­ti­on

Solarenergie für Wärme nutzen – das muss kein Traum sein. Solarthermieanlagen machen es möglich. Solarthermie macht dich nicht nur unabhängig von Dritten, sondern spart in erster Linie bares Geld. Darüber hinaus leistest du einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Doch wie genau funktionieren Solarthermieanlagen überhaupt und wozu sind sie gut?

Solarthermie setzt sich aus den beiden Worten “Solar” für “Sonne” und “Thermos” für “Wärme” zusammen. Solarthermie wandelt also Sonnenstrahlen in Wärme um. Dazu werden Solarkollektoren – die “Sammler” – auf dem Dach installiert. Würde man jede freie Fläche mit einer Solarthermieanlage ausstatten, würde man den Bedarf an Wärme um ein Vielfaches decken. Praktisch ist das allerdings nicht möglich.

Der Einsatz einer Solarthermieanlage als Heizung ist zwar möglich, allerdings nicht ausreichend. Daher wird Solarthermie hauptsächlich für die Warmwasserversorgung benutzt. Wer auf die Heizungsunterstützung nicht verzichten möchte, kann auf Kombigeräte zurückgreifen. Hier müssen Kosten und Nutzen aber genau abgewogen werden.

Auch wenn sich Solarthermie-Kollektoren und Photovoltaikmodule auf dem Hausdach optisch sehr ähneln, so erfüllen sie doch einen sehr unterschiedlichen Zweck: Photovoltaik wandelt die Sonnenergie in Strom um. Solarthermie liefert Wärme für Wasser und/oder Heizung. Solarthermie und Photovoltaik erfüllen also zwei unterschiedliche Funktionen.

Auf dem Dach werden die sogenannten Solarkollektoren installiert. Diese nehmen Wärme auf und erhitzen den in den Kollektoren enthaltenen Wärmeüberträger. Das ist je nach Kollektortyp Luft, Wasser oder ein Wassergemisch auf Wasser und Glykol. 

Die heiße Luft oder Solarflüssigkeit transportiert die Wärme in den Wärmespeicher. Von dort gelangt das Warmwasser in die Wasserhähne in Bad / Dusche und in der Küche oder auch in die Heizkörper. Der erkaltete Wärmeträger wird wieder zurück in die Kollektoren geleitet, um den Kreislauf erneut zu starten.

Damit das kontrolliert abläuft, braucht die Solarthermieanlage einen Solarregler. Der Solarregler überwacht das gesamte System: Wird mehr Wärme benötigt, treibt der Solarregler die Solarflüssigkeit an. Ist der Speicher voll, wird der Vorgang gestoppt. Da die Solarthermieanlage dadurch nicht dauerhaft in Betrieb ist, wird die Lebenszeit des Systems deutlich erhöht.

Die Solarflüssigkeit oder auch Solarfluid, Wärmeträgerflüssigkeit oder Wärmeträgermedium genannt, kann besonders viel Wärme aufnehmen und hat zusätzlich den Vorteil, im Winter nicht einzufrieren. Würde die Flüssigkeit einfrieren, käme es zu teils irreparablen Schäden in den Solarkollektoren. Reines Wasser wäre als Wärmeträger zwar geeignet, doch nur unter Beimischung eines Frostschutzmittels kommt es in Solarthermieanlagen zum Einsatz.

Als Frostschutzmittel wird in der Regel Propylen-Glykol in einem Mischungsverhältnis von 40 Prozent und 60 Prozent Wasser gewählt. Diese Mischung hält sowohl der extrem hohen Hitze in den Kollektoren von bis zu 350 °C als auch Minusgraden bis zu –25 °C Stand.

Es gibt Solarflüssigkeiten, die du direkt in die Solarthermieanlage einfüllen kannst oder du greifst auf Konzentrate zurück. Das Konzentrat musst du vor der Verwendung mit komplett salzfreiem Wasser mischen. Der Vorteil an Konzentraten ist die Flexibilität: Je nach Jahreszeit kannst du die Frostschutzwirkung manuell anpassen.

Die Wärme durch die Solarthermieanlage entsteht nur bei Sonnenschein. Der Bedarf besteht aber auch nachts oder an bewölkten Tagen, an denen wenig oder gar keine Wärme durch die Solaranlage erzeugt wird. Um die Wärme zu allen Zeiten verfügbar zu halten, ist ein Wärmespeicher Teil einer jeden Solarthermieanlage. Dieser hält die Wärme für ein paar Tage zur sofortigen Nutzung bereit.

Solarthermie Speicher sind in der Regel sehr schmal und hoch – im Idealfall haben sie ein Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von mindestens 2,5:1. Warum das so ist, ist relativ einfach erklärt:

Die Wärme aus den Solarkollektoren erhitzt das Wasser im Solarspeicher. Da kaltes Wasser eine höhere Dichte hat als warmes Wasser, ist es schwerer und sinkt nach unten. Das warme Wasser hingegen sammelt sich im oberen Teil des Speichers. Je schmaler der Speicher ist, desto besser funktioniert dieses Prinzip.

Die heiße Solarflüssigkeit aus den Solarkollektoren fließt durch den Wärmetauscher - das sind die Rohre innerhalb des Speichers – und erhitzen damit das darin enthaltene Wasser. Kaltes Wasser wird aus der Leitung zugeführt und das heiße oben entnommen.

Neben dem Standardspeicher für Trinkwasser gibt es auch sogenannte bivalente Speicher. Hier wird das Wasser zusätzlich durch die Heizung des Gebäudes erhitzt. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn auch bei geringer Sonneneinstrahlung viel Warmwasser benötigt wird.

Bei beiden Systemen ist eine gute Wärmedämmung das A und O. Denn nur so kann sichergestellt werden, dass das warme Wasser auch über einen längeren Zeitraum gespeichert wird. Andernfalls würde die Wärme sehr schnell verloren gehen. Zudem solltest du beim Kauf der Solarthermieanlage darauf achten, dass die verwendeten Materialien nicht nur gut isoliert, sondern auch hitzebeständig sind und nicht rosten.

Je nach Nutzung der Solarthermieanlage hast du die Wahl zwischen verschiedenen Speicherarten:

• Warmwasserspeicher
• Pufferspeicher
• Kombispeicher

Der Warmwasserspeicher erhitzt das Brauch- und Trinkwasser für den Haushalt. Dabei ist der Trinkwasserspeicher die kleinste verfügbare Speicherart. Die Größe des Trinkwasserspeichers richtet sich nach deinem Verbrauch. Üblicherweise haben sie ein Fassungsvermögen von etwa 300 bis 500 Litern. Korrekt dimensioniert sollten etwa 60 Prozent deines Bedarfs mit dem Speicher gedeckt werden.

Pufferspeicher unterstützen die Heizungsanlage des Hauses. Hier wird die Wärme aus der Solarthermieanlage also nicht für das Trinkwasser, sondern für die Heizung verwendet. Innerhalb des Speichers befindet sich demnach auch kein Trinkwasser, sondern das Wasser, das schließlich durch die Heizung gepumpt wird. Pufferspeicher sind mit 750 bis 1.500 Litern Fassungsvermögen deutlich größer und können die Wärme über mehrere Tage speichern.

Soll der Pufferspeicher nicht als Heizungsunterstützung, sondern für das Trinkwasser verwendet werden, musst du den Speicher mit einer externen Frischwasserstation (FWS) nachrüsten. Die externe Frischwasserstation leitet frisches Trinkwasser über einen Wärmetauscher in den Speicher. Dort wird das Trinkwasser erhitzt und sofort verbraucht. Im Grunde ähnlich wie bei einem Durchlauferhitzer.

Wer die Solarthermie sowohl für das Trinkwasser als auch zur Heizungsunterstützung verwenden möchte, kann entweder zwei Wärmespeicher aufstellen oder auf ein Kombigerät zurückgreifen. Kombispeicher verfügen in der Regel über ein Fassungsvermögen von 500 bis 800 Litern. Der größte Teil fällt dabei auf die Bereitstellung von Warmwasser. Dieses System lohnt sich daher nur bei geringem Verbrauch und gut gedämmten Häusern (Niedrigenergiehäuser) mit wenig Heizbedarf.

Es gibt zwei Arten von Kombispeichern:

• Tank-in-Tank-System
• Durchlaufsystem

Beim Tank-in-Tank-System befindet sich im oberen Teil des Speichers ein Tank, der das Warmwasser bereithält. Der untere Teil wird für Heizungswärme verwendet.

Beim Durchlaufsystem wird das Trinkwasser mit einer bereits integrierten Frischwasserstation (FWS) erhitzt.

Für das Warmwasser werden normalerweise etwa 30 Liter pro Person im Haushalt gerechnet. Das kann eine Solarthermieanlage weitestgehend abdecken. Je nach Wetterbedingungen und Standort können bis zu 60 Prozent des Jahresbedarfs durch die Solarwärme gedeckt werden.

Die Solarthermieanlage produziert die Wärme aber nur, wenn die Sonne auch scheint. Das ist besonders in den Wintermonaten nur bedingt der Fall. Gerade in dieser Zeit wird jedoch sehr viel Heizwärme benötigt. Der Solarspeicher ist zwar in der Lage, die Wärme mehrere Wochen oder je nach Modell sogar Monate zu speichern. Für den erhöhten Heizbedarf reicht der Speicher jedoch nur selten aus.

Als Heizungsunterstützung kann die Solarthermieanlage hingegen sehr wohl sinnvoll sein. Dazu gibt es verschiedene Kombinationen. Mehr darüber liest du in unserem Artikel "Solarthermie und Heizung". Eine bsondere Verbindung geht Solarthermie mit Wärmepumpen ein. Ob es sinnvoll ist, Solarthermie nachzurüsten erfährst du ebenfalls in unserem Ratgeber.

Solarthermieanlagen sollten regelmäßig gewartet werden. So stellst du sicher, dass die Anlage problemlos ihren Job erledigt. Findest du Mängel, kannst du diese rechtzeitig beheben und so die Lebensdauer von rund 25 Jahren erhalten.

Der beste Zeitpunkt für die Solarthermie-Wartung ist im Herbst. Dann scheint die Sonne weniger und du bereitest dich gut auf den kommenden Winter vor, in dem die Wärme am meisten gebraucht wird.

Sichtprüfung der Solarkollektoren

Die Solarkollektoren sollten einmal jährlich einer Sichtkontrolle unterzogen werden. Damit erkennst du zumindest alle offensichtlichen Schäden. Schmutz solltest du gründlich entfernen, um die Leistungsfähigkeit der Kollektoren zu erhalten.

Solarflüssigkeit nachfüllen und austauschen

Die Solarflüssigkeit ist einem ständigen Wechsel zwischen heiß und kalt ausgesetzt. Es ist daher unabdingbar, dass die Flüssigkeit regelmäßig ausgetauscht werden muss. Je nach Belastung ist das nach fünf bis zehn Jahren der Fall.

Solarthermieanlagen entlüften

Beim Austausch der Solarflüssigkeit gelangt Luft in die Anlage. Diese muss unbedingt vor der Inbetriebnahme entfernt werden.

Für Warmwasser und Heizung benötigst du Energie. Denn nur so kannst du das Wasser, das du zum Duschen, Kochen oder deine Heizungsanlage benötigst auf die richtige Temperatur bringen. Diese Energie kostet Geld und wertvolle fossile Ressourcen.

Der Umwelt zuliebe, aber auch um deinen Geldbeutel zu schonen, kann die Investition in eine Solarthermieanlage die richtige Entscheidung sein. Mithilfe von Energieberater:innen findest du die für dich passende Lösung. Solarthermie-Förderungen von Bund und Ländern, machen die Investition besonders attraktiv.