Solarthermie – Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren?

von Bernd Klane, 05/2014

Immer wieder werden wir gefragt, ob für die Nutzung von Sonnenwärme Röhrenkollektoren (auch Vakuumröhren genannt) oder die weit verbreiteten Flachkollektoren vorzuziehen sind. Dafür gibt es objektive technische Kriterien, die wir hier darstellen wollen. Wer eine schnelle Empfehlung sucht, dem wollen wir zunächst folgenden Extrakt aus den Detailbetrachtungen und jahrzehntelanger Erfahrung geben:

1. In den allermeisten Anwendungen haben Solarthermieanlagen mit Flachkollektoren das beste Verhältnis von Jahresertrag zu Investitionskosten. Dies kann im Planungsstadium einfach durch einen Computer-Simulationslauf gezeigt werden. Dieser berücksichtigt den Standort, die Kollektordaten und –ausrichtung, die Speichergröße und den Wärmebedarf und spielt mit den lokalen Wetterdaten einen Jahresverlauf durch.

2. Die meisten Röhrenkollektoren haben unter realen Betriebsbedingungen einen ähnlichen Wirkungsgrad wie Flachkollektoren (siehe Bild unten). Es sind nur wenige Röhrenkollektoren am Markt, die einen verwertbar besseren Wirkungsgrad als Flachkollektoren aufweisen. Neben den deutlich höheren Kollektorpreisen verlangen diese zusätzlich eine aufwändigere Technik der Gesamtanlage, um bei der regelmäßig auftretenden Überhitzung im Sommer wartungsarm zu funktionieren. Wer auf wenig Dachfläche im Winter das Letzte herausholen will und zusätzlich eine Liebe zur Perfektion hat, wird diese Mehrkosten in Kauf nehmen.

 3. Niedrigpreis-Röhrenkollektoren haben vielfach bei Betriebsbedingungen sogar einen schlechteren Wirkungsgrad und damit eine geringere Energieausbeute als gute Flachkollektoren (siehe Grafik unten). Sie profitieren unverdient von dem Ruf der High-Tech-Röhren.

Dennoch haben sie aber den Nachteil, im Sommer höchste Stagnationstemperaturen (220-240°C) zu erreichen, wenn wenig Wärmeabnahme besteht. Dies belastet die Rohrverbindungen und ggfs. das Frostschutzmittel Propylenglykol (thermisches Cracking). Lassen Sie sich zur Objektivierung den sogenannten Wirkungsgrad ηo,o5 (griechischer Buchstabe η sprich eta) durch Ihren Anbieter nennen. Ein solider, preiswerter Flachkollektor weist hier ca. 60% (bzw. 0,6) auf. Nur wenige Röhrenkollektoren liegen deutlich darüber.

 Lassen Sie sich bei der Beratung auch nicht den Transmissionswert als Wirkungsgrad „verkaufen“. Dieser Transmissionswert ist eine Eigenschaft des verwendeten Glases und liegt immer bei etwa 95% (bzw. 0,95). Das Glas ist aber nur ein Bauelement von mehreren, die im Zusammenwirken den Wirkungsgrad des Kollektors ergeben.

4. Zunehmend wird der Einsatz von Solarthermie auch für Industriebetriebe und Handwerksbetriebe mit gleichmäßigem Wärmebedarf interessant. Beispielsweise kann die Lebensmittelverarbeitung genannt werden, in der regelmäßig viel Warmwasser bei Waschprozessen erforderlich ist. Hier werden grundsätzlich höhere Temperaturen gebraucht als im Haushalt, welche durch hochwertige Vakuumröhren effektiver geliefert werden.

5. Die Rohrinstallation des Solarkreises sollte trotz aller Werbeintensität der Hersteller generell nicht mit modernen Pressfittings mit Elastomerdichtung erfolgen, erst recht nicht bei Röhrenkollektoren mit ihren hohen Stagnationstemperaturen um die 230°C. Rein metallische Dichtstellen sind vorzuziehen. Eine Produktgarantie nützt wenig, wenn in beispielsweise 22 Jahren eine O-Ring-Verbindung auf dem Dach oder gravierender noch in der Wand leck wird und Sie den Materialpreis der Verbindung ersetzt bekommen. Lassen Sie sich vor der Entscheidung durch Ihre Installationsfirma deshalb auch den kostenfreien Austausch garantieren.

Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren

Zunächst ist es wichtig, zu berücksichtigen, dass die Sonnenwärme auf dem Weg zu Ihrer Raumheizung oder zu Ihrem warmen Badewasser eine Transportkette durchläuft. Die Einzelglieder Sonnenkollektor, solarer Rohrkreis, Solarspeicher, Mischeinrichtung, Verteilung auf die Heizkörper sind bei einer effektiven Solaranlage gut aufeinander abgestimmt. Das schwächste Glied bestimmt leider erheblich die Gesamtwirkung: So kann z.B.der aufwändigste Schichtspeicher nicht ein schwaches Kollektorfeld kompensieren.

Innerhalb des Kollektors liegt aber wiederum eine Transportkette vor: Die Sonnenstrahlung tritt durch ein Glas, trifft auf ein dunkles Absorberblech, das die Strahlung in fühlbare Wärme transformiert und an ein Solarfluid in Rohrleitungen weiterleitet.

Wie gut das Glas die Sonnenstrahlung durchlässt, drückt der Transmissionswert τ (griechisches tau) aus, meistens um die 95 %. Wie gut das Blech die unterschiedlichen Wellenlängen der Solarstrahlung hochselektiv  transformiert, wird mit dem Absorptionskoeffizienten α angegeben, dieser beträgt i.d.R. auch um 95%.

Um die ganze Energietransportkette im Kollektor zu bewerten, wird dieser einer definierten Strahlung ausgesetzt. Es wird gemessen, wie viel Wärme auf das Fluid in den Rohrleitungen übergeht. Das ist allerdings von den Wärmeverlusten an die Umgebung abhängig, sprich von Lufttemperatur und Wind und wird zweckmäßigerweise  in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Solarfluid (Vorlauf) und Umgebung als Kurve dargestellt. Die gleiche Aussage ist im Diagramm oben enthalten, in welchem statt des Wirkungsgrades angegeben ist, wie viel Wärme bei definierter Einstrahlung weitergegeben wird.

Um diese Eigenschaft rechnerisch gut handhaben zu können, wird diese Kurve mit drei Kennzahlen angenähert:

ηo, k1 und k2, die nur noch für den Fachmann mit einem Rechenprogramm in das oben gezeigte Diagramm „übersetzt“ werden können. Einige Hersteller geben auch den Wert ηo,o5 an. Dies ist der Wirkungsgrad, der ein Kollektor bei einer betriebstypischen Temperaturdifferenz zwischen Solarvorlauf und Umgebungsluft bringt und stellt für den Kunden eigentlich den aussagekräftigsten Wert dar. Die Spanne ist groß und liegt zwischen 75% und 40%. Das heißt, ein sehr guter Kollektor bringt um den Faktor 1,8 mal mehr Wärme als ein schlechter.

Der solare Energieertrag, Simulation des Jahresverlaufes

Wie groß nun die eigentliche Energieersparnis durch eine Solaranlage für ein bestimmtes Haus sein wird, kann in einer Ertragsprognose mit guter Näherung vorhergesagt werden. Berücksichtigt wird dabei das lokale Klima, die geographische Lage, Verschattung durch Bäume oder Häuser und die Größe und Qualität der Anlagentechnik. Zum besseren Verständnis sei gesagt, dass eine Einsparung bei Sonnenschein nicht automatisch entsteht, sondern nur, wenn die gespeicherte Wärme auch tatsächlich gebraucht wird. Es ist offensichtlich, dass man im Sommer keine Heizenergie sparen kann. Eine Ausnahme ist die Temperierung von Kellerräumen oder Bautrocknung von historischen Gebäuden.

Die Komplexität der Verhältnisse wird durch eine Computer-Simulation überschaubar und leicht auswertbar.

Das Diagramm zeigt über den Jahreslauf

 –in rot den Energieverbrauch pro Monat für Heizung (10 MWh=1000m³ Gas) und Warmwasser

–in grün gestrichelt den Energiebedarf für Warmwasserbereitung

–in dunkelblau die Energieeinsparung durch ein Flachkollektorfeld

–in mittelblau die Energieeinsparung durch ein kleineres Röhrenkollektorfeld mit gleichen Investitionskosten.

Es wird deutlich, dass das Vakuumröhren-Kollektorfeld zwar im Winter durch seine höhere Effektivität bei kleinerer Fläche einen ähnlichen Ertrag bringt. In den Übergangszeiten Frühjahr und Herbst bringt das größere Flachkollektorfeld die höhere Energieeinsparung. Konkrete Zahlenangaben können nur anhand Ihrer projektspezifischen Ausgangsdaten genannt werden.

Gesamtkonzept ist wichtig für hohe solare Deckungsraten

Obwohl man bei der Auswahl des Kollektors sorgfältig sein soll, ist die Einbindung der Solarwärme in das Gesamtkonzept in der Praxis bedeutungsvoller. Bei Begutachtungen werden immer wieder mangelndes Verständnis des Installateurs für die realen Energieflüsse oder veraltete Konzepte der Speichereinbindung sichtbar. Dafür einige Hinweise.