Mit Solarthermie wird Sonnenenergie in Wärme umgewandelt. Die tatsächlich nutzbare Energie wird als Solarertrag oder Wärmeertrag bezeichnet. Er ist von verschiedenen Faktoren abhängig und immer geringer als die insgesamt erzeugte Wärmemenge. Das liegt daran, dass die entstandene Wärme nicht zu jedem Zeitpunkt voll genutzt werden kann und Solaranlagen zur Heizungsunterstützung im Sommer beispielsweise deutlich mehr Energie produzieren als benötigt wird. Wie sich der Solarthermie-Ertrag berechnet, welche Faktoren ihn beeinflussen und welche Verluste es gibt, erfahren Sie in diesem Beitrag.
Inhalt:
Für einen schnellen Überblick
» Wie die jährliche Sonneneinstrahlung den Solarertrag beeinflusst.
» Warum der Standort für den Wärmeertrag entscheidend sind.
» Wie sich unpassende Bedingungen ausgleichen lassen.
» Auf was Sie bei der verbauten Solartechnik achten sollten.
» Welcher Ertrag für die entsprechende Nutzung benötigt wird.
» Wie der Solarertrag berechnet wird.
Welche Faktoren müssen beim Solarertrag berücksichtigt werden?
Der solare Ertrag ist von Anlage zu Anlage unterschiedlich. Um den passenden Wert zu berechnen, müssen nicht nur die Anlagenfaktoren berücksichtigt werden, sondern auch die örtlichen Gegebenheiten und der Aufstellort.
1. Sonneneinstrahlung
Wieviel Ertrag eine Solarthermie Anlage produziert, hängt vor allem von der Sonneneinstrahlung ab. Je nach Standort unterscheidet sich diese in ihrer Intensität. So profitieren vor allem die Ostseeküste und Süddeutschland von vielen Sonnenstunden. Um genaue Rückschlüsse auf den Wärmertrag einer Solaranlage zu ziehen, werden zum jeweiligen Standort die durchschnittlichen Sonnenwerte zu den verschiedenen Jahreszeiten betrachtet. Beispielsweise ist der Ertrag im Winter aufgrund geringerer Sonnenscheindauer wesentlich geringer.
2. Standortbedingungen
Für einen guten Wärmeertrag sind auch die Aufstellbedingungen wesentlich. Dazu zählen vor allem die Ausrichtung und Neigung des Daches sowie der Kollektoren.
Dachausrichtung: Nach welcher Seite ist das Dach ausgerichtet? Auf der Süd-, Südwest- oder Südostseite eines Daches fällt die Sonne im günstigsten Winkel ein. Hier installierte Kollektoren erzielen den höchsten Solarertrag.
Dachneigung: Wie ist die Dachneigung und damit die der Kollektoren? Neben der Dachausrichtung spielt der Neigungswinkel eine entscheidende Rolle. Um die beste Leistung zu erzielen, sollte der Winkel 30 Grad betragen. So können die Sonnenstrahlen direkt senkrecht auf die Kollektoren fallen. Möchten Sie mit Ihrer Solaranlage die Heizung unterstützen, ist ein Neigungswinkel von 45-55 Grad erforderlich. Da die Heizung vor allem im Winter genutzt wird, muss mit dem angepassten Winkel die tiefer stehende Wintersonne kompensiert werden.
Verschattung: Wird Ihr Dach zu einer Tages- oder Jahreszeit verschattet? Beobachten Sie außerdem, ob Ihr Dach im Laufe des Tages oder Jahres zeitweise verschattet wird. Wirft das Laub von Bäumen im Sommer beispielsweise Schatten auf die Kollektoren, sinkt der Wärmeertrag beträchtlich.
Gut zu wissen
Kleinere Abweichungen von den optimalen Aufstellbedingungen lassen sich oft mit einer größeren Kollektorfläche oder bei einer unpassenden Dachneigung mit entsprechenden Aufständerungen ausgleichen.
3. Solartechnik
Kollektorart: Auch die verwendete Kollektorart wirkt sich auf den solaren Ertrag aus. Vakuumröhrenkollektoren besitzen im Vergleich zu Flachkollektoren einen höheren Wirkungsgrad. Aufgrund der guten Wärmeisolation erzielen sie im Vergleich zu Flachkollektoren auch unter ungünstigen Witterungsbedingungen gute Erträge. Aufgrund stärkerer Reflexionen an der Glasröhre kommt es bei dieser Kollektorart allerdings zu höheren optischen Verlusten. Zudem sind die Röhrenkollektoren teurer in der Anschaffung und können nicht wie Flachkollektoren im Dach integriert werden.
Kollektorwirkungsgrad: Der Kollektorwirkungsgrad gibt an, wieviel der auftreffenden Sonnenstrahlung tatsächlich in nutzbare Wärme umgewandelt werden kann. Er setzt sich aus dem optischen Wirkungsgrad und den thermischen Verlusten zusammen. Dabei meint der optische Wirkungsgrad den Teil des Sonnenlichts, den der Absorber in Wärmeenergie umwandeln kann. Je nach Kollektorart sind das zwischen 70 und 90 %. Um den Kollektorwirkungsgrad zu erhalten, müssen von dieser Größe die thermischen Verluste abgezogen werden. Die Verluste sind umso größer je heißer der Kollektor ist, je größer die Temperaturdifferenz ist und je schwächer die Sonneneinstrahlung ist.
Temperaturdifferenz: Je geringer die Temperaturdifferenz ist, desto höher sind die möglichen Erträge. Daher schwanken die gewonnenen Erträge im Jahresverlauf. Ist es draußen kalt und die Kollektoren schlecht gedämmt, wird vermehrt Wärme an die Umgebung abgegeben. Bei sinkenden Außentemperaturen nimmt der Solarthermie-Ertrag zum Stagnationspunkt ab. An diesem ist die Kollektorleistung gleich Null.
Kollektorfläche: Für einen hohen Wärmeertrag spielt die Anlagengröße der Solarthermie eine wichtige Rolle. Eine größere Anlage erzeugt mehr Wärmeenergie und muss an den ihr zugedachten Verwendungszweck sowie die Haushaltsgröße angepasst werden. So kann beispielsweise eine größere Kollektorfläche ungünstigere Standortbedingungen ausgleichen. Ebenfalls beeinflusst die Art der verwendeten Kollektoren die Anlagengröße. Vakuumröhrenkollektoren liefern etwa 30 Prozent mehr Ertrag, entsprechend kleiner kann die Kollektorfläche ausfallen.
Wärmeertrag nach Nutzung
Solarthermie kann zur Erwärmung des Brauchwassers und / oder zur Unterstützung der Heizung genutzt werden. Je nach Nutzungsart muss die Anlage entsprechend dimensioniert werden, um die benötigten Erträge zu erzielen. Als Faustregel gelten folgende Werte: Zur Warmwasserbereitung sollte die Anlage bei Flachkollektoren eine Größe von 1,5 m2 pro Person betragen, bei Röhrenkollektoren 1 m2.
Wird mit Solarwärme die Heizung unterstützt, muss die Anlage einen wesentlich höheren Solarertrag erreichen. Für eine effektive Heizungsunterstützung sollten Sie 3 m2 pro Person bei Flachkollektoren und etwa 2 m2 bei Vakuumröhren rechnen. Solarthermie-Anlagen, die nur zur Trinkwassererwärmung dienen, fallen im Gegensatz zur kombinierten Heizungsunterstützung kleiner aus.
Wie kann der Solarthermie-Ertrag berechnet werden?
Zur Berechnung des Kollektorertrages wird die maximale Globalstrahlung des Standortes mit dem optischen Wirkungsgrad der Kollektoren multipliziert. Bei einer durchschnittlichen Globalstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter und einem Wirkungsgrad von maximal 75 % ergibt sich eine maximale Kollektorleistung von 750 W/m2. Bedingt durch verschiedene Verluste werden unter Realbedingungen jedoch nur circa 500 W/m2 erreicht. Diese Leistung wird in Kilowatt umgerechnet und mit den jährlichen Sonnenstunden multipliziert. Ausgehend von einer in Deutschland durchschnittlichen jährlichen Sonnenstundenanzahl von 800h/a ergibt sich ein Kollektorertrag von 400kWh/(m²a). Um den Ertrag der gesamten Anlage zu errechnen, wird der jährliche Kollektorertrag mit den verfügbaren Quadratmetern multipliziert. Bei einem 4 Personenhaushalt mit einer Anlagengröße von 6m² ergibt sich ein Gesamtertrag von 2.400 kWh/(m²a).
