Solarthermie: Wirkungsgrad, Deckungsgrad und Nutzungsgrad unter der Lupe

Veröffentlicht am 22.01.2020 08:00 | 0 Kommentare
Solarthermischer Wirkungsgrad, Deckungsgrad und Nutzungsgrad
Wirkungsgrad, Deckungsgrad, Nutzungsgrad - wenn Sie sich für eine Solarthermie-Anlage interessieren, müssen Sie sich mit diesen Fachausdrücken befassen. Diese Begriffe sind allesamt wichtig, um die tatsächliche Leistung einer Solaranlage bewerten zu können. Von der Leistung einer Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung und/oder zur Warmwasserbereitung hängt es letztendlich ab, wie viel Heizenergie bzw. Energiekosten Sie einsparen. Im Folgenden erfahren Sie was Nutzungsgrad, Deckungsrate und Wirkungsgrad bei Solarthermie sind und welchen Einfluss Sie auf die Effizienz der Anlage haben.

Inhalt:
Solarthermie: Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad bei Solarthermie kann mehrere Kennzahlen beschreiben. Im Allgemeinen spricht man beim Wirkungsgrad von der Kennzahl, die sich aus dem Verhältnis zwischen der vom Kollektor absorbierten Energie und der tatsächlich nutzbaren Energie ergibt. Bei manchen thermischen Solaranlagen wird nur der Systemwirkungsgrad angegeben. Hierbei handelt es sich um den zusammengenommenen Wert aller Komponenten des Systems. Zudem spricht man auch von einem optischen Wirkungsgrad, welcher den Gesamtwirkungsgrad der Anlage in dem Moment beschreibt, in dem der Temperaturunterschied außerhalb und innerhalb des Kollektors am geringsten ist.
Wirkungsgrad = Verhältnis zwischen nutzbarer und eingesetzter Energie
Der Wirkungsgrad ist demnach höher, je mehr von der eingesetzten Energie auch genutzt werden kann. Ca. 50 % Wirkungsgrad sind mittlerweile ein typischer Wert für Solarthermie-Anlangen.
Der Wirkungsgrad von Solarthermie wird hierbei wesentlich vom eingesetzten Kollektor beeinflusst, denn je nach dessen Beschichtung tritt ein optischer Verlust auf und je nach Isolierung ein thermischer. Zudem hat auch der Einstrahlwinkel auf den Kollektor einen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist auch die immer wieder variierende Differenz der Temperatur im Absorber und der Umgebungstemperatur maßgeblich. Denn ist der Solarthermie-Absorber wärmer im Vergleich zur Umgebung, verschlechtert sich der Wirkungsgrad. Je größer sich der diesbezügliche Temperaturunterschied (hier: Wärme) darstellt, umso schlechter ist in der Regel dann auch der Wirkungsgrad der Solarthermieanlage.
Im Grunde genommen handelt es sich hier aber lediglich um einen Kollektorwirkungsgrad, der abhängig von der Sonneneinstrahlung, also von der Tages- und Jahreszeit ist. Diese Wirkungsgradart stellt also hinsichtlich einer Solaranlage und der erzeugten Wärme keine Konstante dar.
Wenn Sie den Wirkungsgrad der gesamten Solarthermieanlage wissen möchten, müssen Sie sich dem so bezeichneten Systemwirkungsgrad zuwenden. Dabei werden die Solarthermie-Komponenten Kollektor, Rohrleitung, Wärmetauscher und Wärmespeicher hinsichtlich der jeweiligen Wärme-Verluste betrachtet.
Jedes einzelne Bauteil einer Solaranlage weist grundsätzlich einen Wärmeverlust auf. Wichtig in diesem Zusammenhang ist bei einem Kollektor der Wärmeverlustkoeffizient (U-Wert). Denn auch dieser Faktor entscheidet über den Wirkungsgrad von Solarthermie. Der U-Wert zeigt dabei auf, wie hoch der Verlust von Wärme pro Grad Temperaturunterschied und pro Quadratmeter Kollektor-Fläche ist. Der durchschnittliche U-Wert bei einer Solarthermie-Anlage bzw. bei einem Kollektor beläuft sich auf zwei bis maximal fünf Watt pro Quadratmeter. Je weniger Wärme verloren geht, desto näher kommen Sie bei einem Kollektor einem optimalen Wirkungsgrad und damit der bestmöglichen Effizienz.
Wärmeverlustkoeffizient U-Wert: Dieser Wert beeinflusst den Wirkungsgrad zusätzlich und beschreibt den Wärmeverlust pro Quadratmeter Kollektorfläche und Grad Temperaturunterschied.
Deckungsrate
Die solare Deckungsrate (auch Deckungsgrad genannt), beschreibt einen Zielwert, der mit der Solarthermieanlage erreicht werden soll. Hier muss der Verbraucher entscheiden für welchen prozentualen Deckungsgrad die Anlage ausgelegt werden soll. Soll sie Anlage nur zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden oder auch für die Heizung?
Diagramm 1: Der Wärmebedarf für das Warmwasser (grün) ist über das Jahr gesehen relativ konstant. Geduscht und abgewaschen wird im Sommer wie im Winter. Somit kann ein großer Anteil des Bedarfs über die Solaranlage abgedeckt werden (orange gestreift) und es muss lediglich ein wenig in den Wintermonaten über weitere Wärmeversorger zugeheizt werden. 

Die solare Deckungsrate für Systeme zur Warmwasserbereitung liegt bei ca. 50%.

Diagramm 1
Diagramm 2: Anders sieht es jedoch beim Heizwasserbedarf aus. Dieser ist in den Wintermonaten sehr hoch und im Sommer fast gar nicht vorhanden. Ist das Ziel, möglichst viel der gebrauchten Wärmeenergie über die Solarkollektoren zu decken, wird es in den Sommermonaten zu Verlusten in Form von enormen Energieüberschüssen kommen, da die Anlage so groß dimensioniert sein muss, dass Sie auch im Winter die maximale Versorgung erreicht. 

Liegt die solare Deckungsrate unter 40 % werden zur Wärmeversorgung weitere Systeme wie zum Beispiel eine Wärmepumpe oder ein wasserführender Ofen auf jeden Fall benötigt.
Diagramm 2
Soll neben dem Brauchwasser auch die Heizung unterstützt werden und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen nutzbarem Ertrag und Investitionskosten erzielt werden, beträgt die Deckungsrate zumeist 25 %. 
Je höher die Deckungsrate sein soll, desto größer und kostspieliger wird die Anlage ausfallen.
Die Deckungsrate gibt also an, welchen Anteil der benötigten Energie tatsächlich über den Kollektor, also die Solarthermie, gedeckt wird. Der jeweilige Anteil an Energie ist von zahlreichen Faktoren abhängig. Dadurch variiert die solare Deckungsrate im Laufe eines Jahres. Grundsätzlich sollten Sie die Angaben der Deckungsrate bei einem Kollektor aber lediglich als Richtwerte verstehen, da hier viele Aspekte berücksichtigt werden müssen. 

Von diesen Faktoren hängen die Werte der Deckungsrate ab:

  • individueller Wärmebedarf
  • Heizungs-Regelung
  • Kollektorart (Röhren- oder Flachkollektoren)
  • Kollektor-Ausrichtung (Neigung in Grad, Himmelsrichtung)
  • Größe bzw. Auslegung der Anlage 
  • Rücklauftemperaturen
  • Standort der Solaranlage
  • Verbraucherverhalten
  • Speicherart und -größe
  • äußere Einflüsse (Verschattung)
  • Nutzungsgrad
Nutzungsgrad
Um die Wirtschaftlichkeit einer Solarthermie Anlage bereits im Vorfeld abschätzen zu können, müssen Sie sich zudem mit dem Systemnutzungsgrad befassen. Der entsprechende Wert gibt dabei an, wie viel der umgewandelten Sonnenenergie tatsächlich als Warmwasser oder auch als Heizwasser genutzt werden kann. Die überschüssige Energie der Sommermonate findet in der Berechnung keine Beachtung. Das Ergebnis bezieht sich in der Regel immer auf die Effizienz der Anlage über ein ganzes Jahr gesehen und schließt dabei den Stillstand der Anlage, sowie An- und Ausschaltphasen mit ein.
Diagramm solarer Deckungsgrad+ Nutzungsgrad
Hinweis: Der Nutzungsgrad verhält sich gegenläufig zum Deckungsgrad: Eine hohe Deckungsrate führt automatisch zu einem geringen Nutzungsgrad.
Angegeben wird der Nutzungsgrad hinsichtlich der Solarmodule in Prozent. Beachten Sie dabei, dass ein Speicher den Nutzungsgrad maßgeblich beeinflussen kann, denn je größer der Speicher desto höher ist auch der Anteil der Sonnenenergie, der tatsächlich genutzt wird.
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