Solar-Heizungen

Eine Solarheizung ist ein Gerät, das die Energie der Sonne nutzt, um Luft, Wasser oder andere Flüssigkeiten zu erwärmen. Sie ist eine umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, die zur Luftverschmutzung und zu Treibhausgasemissionen beitragen. Dieser Artikel befasst sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Warmwasserbereitern und solarbetriebenen Raumheizern, den verschiedenen Arten von Solarkollektoren sowie den Vor- und Nachteilen der Installation einer Solarheizung.

Inhaltsübersicht

• Solare Warmwasserbereitung
• Kollektortypen für solare Warmwasserbereiter
• Solar-Raumheizung
• Passive vs. aktive Solarheizungen
• Vorteile der Solarheizung
• Nachteile der Solarheizung
• Anwendungen
• FAQs

Solare Warmwasserbereitung

Ein solarer Warmwasserbereiter ist ein Gerät, das Sonnenenergie zur Erwärmung von Wasser nutzt. Die beiden Hauptbestandteile einer Solarheizung sind der Kollektor (Abbildung 2, Bezeichnung A) und der Wasserspeicher (Abbildung 2, Bezeichnung G). Der Kollektor ist über verschiedene Rohre mit dem Wassertank verbunden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Sonnenkollektor ist der Sonne zugewandt. Es besteht aus einer Reihe von transparenten Materialien, wie z. B. Glas, so dass das Sonnenlicht durchdringen kann. Umweltfreundliches Frostschutzmittel läuft durch die Rohre im Solarkollektor, um die Wärmeenergie auf das Wasser zu übertragen. Die Wärme der Sonne wird auf das Wasser übertragen, das durch den Solarkollektor fließt.

Der Kollektor hat ein Einlassrohr, das kaltes Wasser in den Kollektor leitet, und ein Auslassrohr, das das heiße Wasser vom Kollektor in den Wassertank leitet.

Der Lagertank hat vier Rohranschlüsse, wie in Abbildung 2 zu sehen:

• C: Kaltes Wasser aus dem Wassertank in den Solarkollektor/die Pumpe (Pumpe im Falle eines aktiven Systems und Kollektor in einem passiven System)
• D: Kaltes Wasser von einer externen Quelle fließt in den Wassertank
• E: Warmwasser vom Solarkollektor in den Wassertank
• F: Warmwasserausgang aus dem Wassertank für verschiedene Anwendungen

Aktive solare Warmwasserbereitung

Aktive Solarheizungen nutzen mechanische Mittel, um Wärme von den Sonnenkollektoren auf das Wasser oder die Flüssigkeit zu übertragen. Aktive Solarwarmwasserbereiter sind in der Regel effizienter als passive Systeme und eignen sich besser für einen größeren Warmwasserbedarf. Die Pumpe wird über eine externe Stromversorgung oder ein photovoltaisches Solarpaneel mit Strom versorgt (Abbildung 2, Kennzeichnung B).

Passive solare Warmwasserbereitung

Bei einer passiven Solarheizung wird das Wasser nicht mit einer Pumpe durch das System gepumpt. Bei diesem Verfahren sollte der Speicher höher als der Solarkollektor installiert werden. Denn der Solarkollektor erwärmt das Wasser, das dann aufsteigt und in den Speicher fließt. Der Höhenunterschied ermöglicht es dem Wasser, durch die Schwerkraft durch das System zu fließen. Außerdem verhindert ein höherer Wassertank den Rückfluss und die Verschmutzung des Solarkollektors.

1. Der Kollektor fängt die Sonnenstrahlen ein und erwärmt das Wasser in den Röhren, die ihn durchlaufen. Die Dichte und Masse von Wasser nimmt mit der Temperatur ab. Wenn das Wasser im Kollektor heiß genug ist, fließt es vom Kollektor in den Wassertank.
2. Der obere Teil des Tanks wird mit heißem Wasser gefüllt, während der untere Teil mit kaltem Wasser aus einer externen Quelle gefüllt wird. Das kalte Wasser bleibt aufgrund seiner höheren Dichte im Vergleich zum heißen Wasser am Boden. Der Wassertank ist isoliert, um eine Wärmeübertragung an die Umgebung zu verhindern.
3. Das Volumen des Wassertanks ist konstant. Während das heiße Wasser in den Wassertank fließt, strömt die gleiche Menge kaltes Wasser aus dem Wassertank und gelangt zur Erwärmung in den Solarkollektor. Die gesamte Wasserbewegung im System wird durch die Dichteunterschiede zwischen dem heißen und dem kalten Wasser gesteuert.

Kollektortypen für solare Warmwasserbereiter

Solare Warmwasserbereiter werden nach dem Zirkulationssystem (passiv oder aktiv) und dem Kollektortyp unterschieden.

• Batch-Sammler: Batch-Kollektoren, auch integrierte Kollektor-Speicher-Systeme (ICS) genannt, erhitzen und speichern Wasser. Der Batch-Kollektor wird an ein Hauswassersystem angeschlossen. Der Netzdruck aus dem Wassernetz lässt das Wasser durch den Kollektor zirkulieren, so dass eine Pumpe nicht erforderlich ist. Das erwärmte Wasser fließt vom Kollektor zu einem Warmwasserbereiter. Daher ist weniger Energie erforderlich, um das Wasser auf das gewünschte Niveau zu erhitzen. In den wärmeren Monaten kann das Wasser aus dem Kollektor sogar so warm sein, dass der Warmwasserbereiter nicht einmal laufen muss.
• Flachkollektoren: Ein Flachkollektor besteht aus einer Platte aus wärmeabsorbierendem Material, in der Regel Kupfer oder Aluminium, die schwarz lackiert oder chemisch geätzt ist. Das Wasser fließt durch Kupferrohre, sogenannte Steigrohre, die in Längsrichtung der Platte verlaufen. Kaltes Wasser tritt unten in die Rohre ein und steigt nach oben, während es sich erwärmt. Das heiße Wasser fließt aus dem Kollektor in einen Pufferspeicher. Die flache Platte befindet sich in einem isolierten Gehäuse und ist durch gehärtetes Glas abgeschirmt.
  • Verglaste Flachkollektoren sind isolierte, wetterfeste Gehäuse, die eine Absorberplatte unter einer oder mehreren Kunststoff- oder Glasabdeckungen enthalten.
  • Unverglaste Flachkollektoren haben eine dunkle Absorberplatte aus Polymer oder Metall ohne Umhüllung. Sie werden in der Regel für die solare Poolheizung verwendet.

• Evakuierte Röhrenkollektoren: Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus einer Glas- oder Metallröhre, die von einer größeren Glasröhre umgeben ist. Die Wärme dringt durch das größere Glasrohr ein und erwärmt das Wasser im Innenrohr. Der Raum zwischen den Rohren ist ein Vakuum, so dass das Wasser nur wenig Wärme verliert. Vakuumröhrenkollektoren sind die effizientesten verfügbaren Kollektoren.

Solar-Raumheizung

Solare Raumheizungen erwärmen die Luft in einem Gebäude und sorgen so für Wärmezufuhr. Es gibt zwei Arten von Solar-Raumheizungen: passive und aktive. Das Arbeitsmedium kann entweder flüssig (Wasser oder Frostschutzlösungen wie ungiftiges Propylenglykol) oder Luft sein. Aufgrund der unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten können ihre allgemeinen Konstruktionsmerkmale variieren, das grundlegende Funktionsprinzip bleibt jedoch gleich. Solare Warmwasserbereiter können auch mit für die Raumheizung in Gebäuden verwendet werden.

Passive Solar-Raumheizung

Passive Solar-Raumheizungen nutzen das gesamte Haus als Sonnenkollektor durch strategische Positionierung und Gestaltung sowohl des Hauses als auch der umgebenden Landschaft. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Ausrichtung der Fenster nach Süden (auf der Südhalbkugel nach Norden), um eine maximale Absorption der Wärmeenergie der Sonne zu ermöglichen. Es gibt verschiedene Ausführungen von passiven Solar-Raumheizungen.

• Direkt: Eine einfache Methode, die durch Sonnenenergie erzeugte Wärme zu erhalten, ist die Verwendung von thermischer Masse. Dies bezieht sich auf Materialien, die Wärme absorbieren und speichern können und diese bei Sonnenuntergang allmählich wieder abgeben. Beispiele für thermische Masse sind Ziegel, Beton und Fliesenböden. Die gespeicherte Wärme kann durch natürliche Prozesse wie Konvektion, Konduktion und Strahlung im ganzen Haus verteilt werden.
• Indirekt: Eine Solarwand (Abbildung 5) ist eine hocheffiziente Methode für gut gedämmte Gebäude, da sie die Kraft der natürlichen Konvektion nutzt, um Wärme vom Sonnenkollektor ins Innere zu übertragen. Der Sonnenkollektor besteht aus einem dunklen Metallabsorber, der das Sonnenlicht absorbiert und in Wärme umwandelt. Sie wird dann an die Luft im Hohlraum zwischen dem Absorber und dem Verglasungsmaterial abgegeben (Abbildung 5). Die warme Luft steigt auf und dringt durch eine Öffnung in der Nähe der Decke in das Gebäude ein. Im Gegensatz dazu wird kühle Luft aus dem Innenraum durch eine Öffnung in Bodennähe in den Kollektor gesaugt, um die ausgestoßene warme Luft zu ersetzen. Die passive Solarwand verfügt über einen selbstregulierenden Mechanismus, der ihre Leistung an die Verfügbarkeit und Intensität des Sonnenlichts anpasst und so die Wärmegewinnung in den Wintermonaten maximiert und im Sommer minimiert. Die meiste Sonnenenergie wird gesammelt, wenn die Sonne am tiefsten steht, d. h. im Winter. Im Frühjahr und Herbst wird weniger Wärme produziert. Im Sommer wird, wenn überhaupt, nur wenig Wärme gesammelt, da die Sonne hoch am Himmel steht. Die Solarwand sammelt tagsüber Wärme. Während der Nacht verhindert ein Rückschlagventil den Rückfluss von warmer Gebäudeluft in den Kollektor. Die Solarwand ist also selbstregulierend, da das System ohne persönliche Anwesenheit startet und stoppt.
  • Sammlermaterialien: Wählen Sie transparente und dauerhafte Verglasungsmaterialien für Sonnenkollektoren. Zu fest auf einem Sonnenkollektor angebrachtes Verglasungsmaterial kann Risse verursachen. Um dies zu verhindern, wird häufig eine gewellte Verglasung verwendet, da sich das Material flexibel ausdehnen und zusammenziehen kann. Gewelltes PVC wird wegen seines geringen Wartungsbedarfs gerne für Verglasungen in passiven Solarwänden verwendet. Gewellter glasfaserverstärkter Kunststoff (FPR) kann jedoch einen höheren Wartungsaufwand erfordern, da die Tedlar-Beschichtung, die die Platten vor UV-Schäden schützt, alle 3 bis 5 Jahre neu aufgetragen werden muss.

Aktive solare Raumheizung

Bei Wohnhäusern mit aktiven solaren Raumheizungssystemen werden mechanische Komponenten wie Ventilatoren, Pumpen und Gebläse eingesetzt, um die Wärme zu sammeln, zu speichern und im Haus zu verteilen. Das Kollektorfeld des Gebäudes fängt die Energie der Sonne ein und wandelt sie in Wärme um. Das Gebläse wird verwendet, um Luft durch den Solarkollektor zu ziehen. Wenn die Luft durch den Kollektor strömt, wird sie durch die von der Oberfläche des Kollektors absorbierte Energie erwärmt. Die warme Luft wird dann über ein Kanalsystem oder ein Gebläse im ganzen Raum oder Gebäude verteilt.

Das Verteilersystem ist so konzipiert, dass die erwärmte Luft gleichmäßig im Raum oder Gebäude verteilt wird. Dies kann durch eine Reihe von Kanälen, Entlüftungen oder Registern geschehen. Das Verteilersystem ist in der Regel an den Ventilator angeschlossen, der die heiße Luft durch das System drückt.

Passive vs. aktive Solarheizungen

Es gibt drei Klassifizierungen für Solarheizungen: passiv, aktiv und eine Kombination aus beidem. Passive Systeme beruhen auf natürlicher Konvektion und Strahlung, während aktive Systeme mechanische oder elektrische Mittel für die Wärmezirkulation nutzen. Passive Systeme sind erschwinglicher und weniger kompliziert als aktive Systeme, eignen sich aber möglicherweise nicht für Gebiete mit geringer Sonneneinstrahlung. In solchen Fällen sind aktive Systeme die beste Option für die Nachrüstung eines Gebäudes zur Nutzung der Sonnenenergie.

Vorteile der Solarheizung

• Kosteneinsparungen: Solarheizungen haben höhere Anfangsinvestitionskosten als herkömmliche Heizungen. Sie können jedoch die Energiekosten erheblich senken, indem sie kostenlose Sonnenenergie anstelle von fossilen Brennstoffen nutzen. Außerdem haben sie eine längere Lebensdauer als herkömmliche Heizsysteme, was die Wartungskosten weiter senkt. Solare Warmwasserbereiter amortisieren sich in der Regel am schnellsten innerhalb von 2 bis 4 Jahren, je nach Nutzung und dem ausgetauschten Brennstoff.
• Umweltfreundlich: Solarheizungen erzeugen keine Treibhausgase und keine Luftverschmutzung, was sie nachhaltiger und umweltfreundlicher macht.
• Verlässlichkeit: Passive Solarheizungen sind nicht auf Strom oder Gas angewiesen, was sie bei Stromausfällen oder Gasmangel zuverlässiger macht.
• Vielseitigkeit: Solarbetriebene Heizungen können in verschiedenen kommerziellen und häuslichen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. zur Beheizung von Schwimmbädern, für häusliche Zwecke und für verschiedene industrielle Prozesse. Eine tragbare Solarheizung kann fast überall installiert werden.

Nachteile der Solarheizung

Solarheizungen sind möglicherweise nicht für Klimazonen mit lang anhaltender Bewölkung geeignet, da sie zur Wärmeerzeugung auf Sonnenlicht angewiesen sind. Sie werden in der Regel in milderen Klimazonen installiert, in denen die Temperaturen nicht extrem tief fallen, da Rohre im Freien bei kaltem Wetter einfrieren können. Außerdem haben Solarheizungen höhere Anschaffungskosten als herkömmliche Heizsysteme, können aber langfristig Energieeinsparungen bieten.

Anwendungen

Die Solarthermie entwickelt sich ständig weiter, und es werden täglich neue Anwendungen für den Innen- und Außenbereich entwickelt.

• Raumheizung: Solar-Raumheizungen können einen Raum beheizen, und Innenraum-Solarheizungen können ein ganzes Gebäude beheizen, indem sie das Sonnenlicht absorbieren und in Wärmeenergie umwandeln.
• Warmwasserbereitung: Solarheizungen für den Hausgebrauch können Wasser für den Hausgebrauch erwärmen, z. B. zum Duschen oder für die Wäsche.
• Poolheizung: Solarheizungen können Schwimmbäder beheizen und ermöglichen so eine längere Nutzung in den kälteren Monaten.
• Industrielle Prozesswärme: Solarthermische Systeme können Luft oder Flüssigkeiten für industrielle Prozesse erwärmen, z. B. für die Trocknung von Pflanzen oder die Produktion.
• Kochen: Solaröfen nutzen die Wärme der Sonne, um Lebensmittel zu kochen, ohne dass Strom oder Gas benötigt werden.
• Trocknen: Sonnenwärme kann Kleidung, landwirtschaftliche Erzeugnisse und andere Waren trocknen.

Lesen Sie unsere Artikel über Fußbodenheizungen, elektrische Infrarotheizungen und tragbare Heizgeräte, um mehr über die Funktionsweise der verschiedenen Heizungstypen zu erfahren.

FAQs

Was ist ein solarbetriebenes Heizgerät?

Eine Solarheizung ist ein Gerät, das die Energie der Sonne nutzt, um Luft, Wasser oder andere Flüssigkeiten zu erwärmen. Sie werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, darunter Raumheizung, Warmwasserbereitung und industrielle Prozesse.

Welche Anwendungen gibt es für Solarheizungen im Freien?

Wenn Sie einen Hühnerstall haben, können Sie eine Solarwärmelampe verwenden. Eine Solar-Campingheizung kann Ihr Zelt während der Nacht warm halten. Für die Beheizung eines Schuppens ist eine Solarheizung für Schuppen eine gute Option.

Kann Sonnenenergie zur Kühlung genutzt werden?

Ja, solarthermische Energie kann zum Antrieb von Absorptionskältekreisläufen genutzt werden, um solares Heizen und Kühlen in Gebäuden und anderen Anwendungen zu ermöglichen.