Funktion der Solarthermie – einfach erklärt 

Thermische Solaranlagen nutzen das Sonnenlicht, um Heizungs- oder Trinkwasser zu erhitzen. Sie sind im Neubau längst Standard und lassen sich im Bestand häufig nachrüsten. Aber wie funktioniert eine thermische Solaranlage? Aus welchen Komponenten besteht sie und worauf kommt es bei der Auslegung einer solchen Anlage an? 

Die Funktion der Solarthermie lässt sich an einem einfachen Beispiel erklären: Scheint die Sonne auf einen mit Wasser gefüllten Behälter, erwärmt sich die Flüssigkeit im Inneren. Möglich ist das durch die solare Strahlungswärme, die über die Behälterwandungen auf das Wasser übergeht. Die Funktionsweise der Solarthermie basiert auf dem gleichen Prinzip: Hier fangen Kollektoren die Strahlung der Sonne auf. Sie leiten die aufgenommene Energie an eine spezielle Solarflüssigkeit (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) weiter, welche die Wärme dann ins Haus transportiert. Abhängig von ihrer Auslegung sorgt die Solarthermieanlage dabei für warmes Heizungs- und/oder Trinkwasser.

An einem einzigen Tag sendet die Sonne mehr Energie zur Erde, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbrauchen könnte. Durch die Funktionsweise der Solarthermie lässt sich ein Teil dieser Energie zur Beheizung von Gebäuden nutzen. Und zwar ohne Brennstoffkosten, fossile Rohstoffe oder schädliche Auswirkungen für unser Klima.

Für die Funktionsweise einer thermischen Solaranlage sind zahlreiche Bauteile erforderlich. Neben den Kollektoren auf dem Dach gehören auch Wärmespeicher im Haus dazu. Außerdem ist ein Solarkreislauf nötig, um Wärme vom Dach ins Haus transportieren zu können.

Besonders wichtig für die Funktion der Solarthermie sind Kollektoren, die sich meist auf dem Dach befinden. Sie fangen das Licht der Sonne auf und übertragen die enthaltene Energie auf eine spezielle Solarflüssigkeit. Zum Einsatz kommen überwiegend zwei Bauformen:

• Flachkollektoren: Flachkollektoren bestehen aus einem wärmegedämmten Kasten, der zur Sonne hin mit einer transparenten Scheibe abgedeckt ist. Im Inneren befindet sich ein dunkel eingefärbtes Blech. Der sogenannte Absorber hat die Aufgabe, möglichst viel Energie aufzunehmen. Er erwärmt sich im Sonnenlicht und überträgt thermische Energie an eine Flüssigkeit, die durch Rohre auf seiner Rückseite strömt.
• Vakuumröhren-Kollektoren: Röhrenkollektoren bestehen aus einzelnen Glasröhren, die einen Absorber und eine spezielle Flüssigkeit beinhalten. Auch hier nimmt der Absorber die Energie der Sonne auf. Er überträgt sie an ein Wärmeträgermedium, das dabei verdampft. Es steigt in der Röhre nach oben und erhitzt die Solarflüssigkeit. Letztere strömt durch den sogenannten Sammler, an dem alle Röhren eines Kollektors angeschlossen sind. Für eine besonders effiziente Funktion der Solarthermie saugen Hersteller die Luft aus den Röhren. Das verringert die Wärmeverluste und sorgt für einen höheren Ertrag.

Wann Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren zum Einsatz kommen, hängt von den Bedingungen vor Ort ab. Ist die Ausrichtung günstig und die unverschattete Fläche auf dem Dach ausreichend groß, bieten Flachkollektoren das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Ist die Funktion der Solarthermie gestört, etwa durch eine ungünstige Ausrichtung oder knappe Flächen, kommen häufig preisintensivere Vakuumkollektoren zum Einsatz.

Die Funktion der Solarthermie ist grundsätzlich an die solare Strahlung gebunden. Scheint die Sonne nicht, ernten die Solarkollektoren auch keine Wärme. Um die kostenfreie Energie bestmöglich im Haus zu nutzen, kommen Wärmespeicher zum Einsatz. Dabei handelt es sich um isolierte Behälter, die Heizungs- oder Trinkwasser beinhalten. Die Flüssigkeit erwärmt sich, wenn die Sonne scheint, und die Wärme wird bis zum Bedarf im Haus bevorratet. Auf diese Weise können Hausbesitzer Solarwärme sogar nachts nutzen.

Der Solarkreislauf besteht aus Rohrleitungen, die Kollektoren und Speicher miteinander verbinden. Sie beinhalten meist eine spezielle Solarflüssigkeit. Diese besteht aus Wasser und einem Frostschutzmittel, damit die Anlage auch im Winter nicht einfriert. Eine Solarpumpe lässt die Flüssigkeit zirkulieren, sodass die Wärme aus dem Kollektor auch im Speicher ankommt. Sicherheitsarmaturen wie ein Sicherheitsventil oder ein Membranausdehnungsgefäß (MAG) gewährleisten dabei die störungsfreie Funktionsweise thermischer Solaranlagen.

Zum Einsatz kommen sie beispielsweise in den sonnenreichen Monaten des Jahres. Ist der Pufferspeicher der Anlage gesättigt und kann keine Wärme von den Kollektoren mehr aufnehmen, kommt es zur sogenannten thermischen Stagnation. Bei Solarthermie ist diese “Überhitzung” im Sommer jedoch ein normaler Betriebsvorgang: Steigt die Temperatur der Solarflüssigkeit auf 140 bis 150 Grad Celsius, beginnt diese zu verdampfen. Der steigende Druck presst die übrige Solarflüssigkeit in das MAG, bis sich kaum noch Flüssigkeit in den Kollektoren befindet. Erst wenn die Temperaturen sinken, strömt diese zurück. Sogenannte Solarregler erkennt jedoch, dass das Angebot den Bedarf übersteigt. Sie schalten die Solarpumpe ab und unterbrechen den Solarkreislauf. So wird keine Wärme mehr zu dem Pufferspeicher transportiert. Voraussetzung dafür ist, dass die Anlage für Solarthermie auf die Stagnation ausgelegt ist.

Übrigens: Manchmal reicht die Wärme der Sonne auch nicht aus, um den Bedarf im Haus zu decken. Um Hausbesitzer zuverlässig mit Energie versorgen zu können, kommen ebenfalls Solarregler zum Einsatz. Die Bauteile überwachen die Speichertemperatur und schalten eine zusätzliche Heizquelle (zum Beispiel eine Gasbrennwerttherme) zu, wenn der Energievorrat nicht mehr ausreicht.  

Für die störungsfreie Funktion der Solarthermie sind bereits bei der Auslegung einige Punkte zu beachten. Neben bestimmten Voraussetzungen kommt es dabei vor allem auch auf die richtige Dimensionierung an. Die folgende Tabelle gibt wichtige Tipps.

Damit die Solarthermie effizient funktioniert, sollten Experten die Auslegung immer individuell an die Gegebenheiten vor Ort anpassen. Die Angaben in der Tabelle geben hingegen einen ersten Überblick. Sie helfen, die Anlage überschlägig zu dimensionieren und zu prüfen, ob die einzelnen Komponenten auch ins Haus passen.

Übrigens: Wer im Neubau oder im Bestand von der Funktion der Solarthermie profitieren möchte, bekommt attraktive Fördermittel. So bekommen Sie im über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) unter anderem einen Zuschuss bei energetischer Sanierungsmaßnahme von bis zu 30 Prozent der förderfähigen Kosten. Die wichtigsten Informationen zu Konditionen, Voraussetzungen und zur Antragstellung sind im Beitrag Förderung für Solartechnik zu finden.