Thermische Solaranlagen: Energie für das warme Wasser

Eine thermische Solaranlage bringt viele Vorteile: Sonnenkollektoren liefern klimafreundliche und kostenlose Wärme, die für die Wassererwärmung und allenfalls zur Unterstützung des Heizenergiebedarfs nutzbar ist. Kombiniert mit einer fossilen Heizanlage wird ein wesentlicher Teil der CO2-verursachenden Brennstoffe Heizöl und Erdgas eingespart. Kollektoren auf dem Dach können jedoch auch erneuerbare Energiesystemen wie Wärmepumpen oder Holzheizungen ergänzen. In vielen Fällen verbessern sie die Gesamtenergieeffizienz, weil die Kraft der Sonne für höhere Temperaturen sorgt respektive in den Sommer- und Übergangsmonaten ausreichend zur Verfügung steht.

Bei den Vorschriften gilt: Thermische Solaranlagen werden als Standardlösung akzeptiert, um neue Häuser, wie von den meisten kantonalen Bauvorschriften verlangt, mit einem erneuerbaren Mindestenergieanteil zu versorgen. Dies gilt auch für den Heizungsersatz, wobei einige Kantone sogar Förderbeiträge für thermische Solaranlagen ausrichten.

Weil ein Ein-zu-eins-Ersatz von rein elektrischen Wassererwärmern faktisch nicht mehr gestattet ist, haben viele Kantone ihre baurechtlichen Bewilligungsauflagen für Solaranlagen im Gegenzug stark vereinfacht.

Aufbau des solaren Warmwassersystems

Eine thermische Solaranlage dient primär als Energiequelle für das Warmwasser, in Einfamilienhäusern ebenso wie in grossen Wohnhäusern. Über ein Jahr bilanziert liefern Sonnenkollektoren die Hälfte bis zu zwei Dritteln der Energie, die für die Wasseraufbereitung erforderlich ist. Die Gesamtanlage besteht aus verschiedenen Einzelkomponenten, die teilweise in das Heizungssystem einzubinden sind. 

Zentrales Element einer Sonnenkollektoranlage ist der verglaste, schwarz beschichtete Absorber (Flachkollektor), der auf einem Schräg- oder Flachdach respektive an einer Fassade montiert werden kann. Dieser setzt sich folgendermassen zusammen:

• Leitungsschlaufen mit zirkulierendem Wasser nehmen solare Wärme auf und transportieren dieses zum Speicher, der meistens im Keller steht.
  
• Die Glasabdeckung und die rückseitige Wärmedämmung mindern die Wärmeverluste der Kollektoren.
  
• Ein Frostschutzmittel im Wasser verhindert, dass die Flüssigkeit bei tiefen Aussentemperaturen gefriert.

Sobald die Temperatur in den Sonnenkollektoren höher ist als im Speicher, startet die Umwälzpumpe und bringt die Wärme vom Dach ins Haus. Ventile und Siphons verhindern, dass ein Speicher überhitzen kann.

Der richtige Platz für die Sonnenkollektoren

Die Klimaverhältnisse und die Sonnenscheindauer am Gebäudestandort sowie die geografische Ausrichtung der Dachflächen beeinflussen den solaren Wärmeertrag. Ein guter Platz für Sonnenkollektoren lässt sich immer finden. Folgende Faktoren sind zu berücksichtigen:

• Schrägdach: Dach mit integrierten oder aufgesetzten Kollektoren ergänzt werden.
  
• Flachdach: sehr gut eignen sich aufgeständerte Kollektoranlagen; auch kombiniert mit begrünten Flachdächern.
  
• Fassade: Vertikal montierte Kollektoren sorgen für einen geringeren, aber im Tagesverlauf ausgeglichenen Energieertrag.
  
• Balkonbrüstung: Röhrenkollektoren und Flachkollektoren können auch als Balkonbrüstungen verwendet werden.
  
• Garten: akzeptable Lösung, falls das Kollektorfeld nicht beschattet wird.
  
• Bei beschränktem Flächenangebot auf einem Dach sind Vakuumröhren-Kollektoren eine Alternative zu Flachkollektoren. Diese sind teurer, aber erzielen 10 bis 50 Prozent höhere Wärmeerträge.

Mit oder ohne Energiespeicher?

Thermische Solaranlagen benötigen in der Regel einen Wärmespeicher, damit die zeitliche Differenz zwischen Produktion und Verbrauch überbrückt werden kann. Abhängig vom Energiebedarf sind zwei verschiedene Speichersysteme möglich: Wird die Solarenergie nur für die Wassererwärmung genutzt, wird ein einziger Kombispeicher benötigt. Solche Wärmespeicher haben den Brauchwasserbehälter integriert und fassen in einem Einfamilienhaus idealerweise 300 bis 400 Liter solar erwärmtes Wasser. Soll die solare Wärme auch für die Heizanlage nutzbar sein, braucht es dazu eigene Wärmespeicher, mit einem Volumen von 800 bis 1500 Liter.

Der kombinierte Energie-Wasser-Tank lässt sich durch eine sogenannte Frischwasserstation vereinfachen. Die solare Wärme fliesst hierbei in den Energiespeicher und danach über einen elektrisch aufgeheizten Wärmetauscher, vergleichbar einem Durchlauferhitzer, in den Wasserkreislauf. Damit lässt sich der zeitlich beschränkte Temperaturbedarf von 65 °C mit hoher Energieeffizienz decken. Dies verhindert die Legionellenbildung im warmen Wasser.

Dimensionierung der Solaranlage

Die Praxisregel für die Dimensionierung von Flachkollektoren lautet: Eine Dachfläche von 1 bis 1,5 m² pro Kopf liefert etwa die Hälfte der jährlich nutzbaren Wärmeenergie. Die ideale Grösse für ein Einfamilienhaus beträgt folglich 5 bis 6 m². Für beschattete oder nicht optimal geneigte Dachflächen sind Zuschläge von 50 Prozent einzuplanen. Weil viele Dächer jedoch weit grössere Flächen besitzen und sich die Kosten für die eigene Wärmeerzeugung so einfach senken lassen, kann die Solarthermie für folgende, weitere Anwendungen genutzt werden:

• Moderne Waschmaschinen und Geschirrspüler sind mit einem Warmwasseranschluss ausgerüstet, so dass sie problemlos in das solare Erwärmungssystem eingebunden werden können.
  
• Die Unterstützung eines Heizsystems erfordert zusätzlichen Aufwand für die hydraulische Integration. Beim Zusammenspiel mit einer Wärmepumpen-Anlage ist zudem die Systemsteuerung besonders zu beachten.
  
• Sonnenkollektoren wärmen den Heizkreislauf jeweils auf ungefähr 30°C vor; der Rest der Energie liefert die Heizanlage.
  
• Eine 16 m² grosse Kollektorfläche auf einem Einfamilienhaus deckt 20 bis 25 Prozent des jährlichen Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser ab.

Installation der Solaranlage: aufgepasst auf Mängel

Praxiskontrollen und Leistungstests von frühen thermischen Solaranlagen deckten wiederholte Mängel bei der Installation und der Steuerung auf. Deshalb sind folgende Faktoren für eine hohe Qualität zu beachten:

• Wärmedämmung der Rohrleitungen, Anschlüsse, Verbindungsstücke und Armaturen
  
• Druckfeste Rohre und Verbindungen; Leitungsführung mit geringen Strömungswiderständen
  
• Siphon am Energiespeicher verhindert Rückzirkulation und Auskühlung in der Nacht
  
• Durchflussmesser einbauen
  
• Temperaturfühler geschützt installieren
  
• Temperaturbeständige Komponenten
  
• Dokumentation der Anlage bei Betriebsübergabe