Vorteile der Quermontage

Heizungsunterstützende Solaranlagen zeichnen sich durch größere Kollektorflächen im Vergleich zu Anlagen mit reiner Warmwasserbereitung aus. Für die Förderung Heizungsunterstützungsanlage (105 €/m²) durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) liegt die Mindestfläche für Vakuumröhrenkollektoren bei 7 m² und für Flachkollektoren bei 9 m² Bruttokollektorfläche. Laut BAFA-Statistik ist der Anteil der als Heizungsunterstützung geförderten Solaranlagen im ersten Halbjahr 2009 auf 52 % gestiegen. Im ersten Halbjahr 2007 dagegen lag dieser Anteil noch bei 42 %. Ein weiteres starkes Wachstum für Heizungsunterstützungs-Anlagen ist für die kommenden Jahre zu erwarten.

Um in den Übergangsjahreszeiten durch große Kollektorflächen auf zufriedenstellende solare Deckungsraten zu kommen, ergibt sich für die Sommermonate unweigerlich eine Überdimensionierung des Kollektorfeldes, auch wenn dabei entsprechende Stagnationsprobleme in Kauf genommen werden müssen. Zudem sind die Leistungsfähigkeit und die Stillstandstemperaturen von Solarkollektoren in den vergangenen Jahren immer weiter angestiegen. Erreicht wurde dies durch die Verwendung von hochselektiven Schichten auf dem Absorberblech des Kollektors. Die dabei auftretenden hohen Temperaturen im Kollektorfeld führen sowohl zur vorzeitigen Alterung des Wärmeträgermediums sowie unter Umständen zur Schädigung von Anlagenteilen. Störungen, Reklamationen und häufige Serviceeinsätze sind die Folge. Die hierbei entstehenden Kosten wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Solaranlage aus.

Es sind also Solarsysteme gefragt, die trotz großer Flächen im Sommer sicher und zuverlässig betrieben werden können. Neben der richtigen Dimensionierung des Solarspeichers (laut BAFA bei Vakuumröhrenkollektoren mindestens 50 Liter je m² und bei Flachkollektoren mindestens 40 Liter je m² Bruttokollektorfläche) gilt es vor allem, ein für die Heizungsunterstützung optimiertes Kollektorfeld aufzubauen. Hierbei ist ein Anstellwinkel von 60° optimal. Die durchschnittliche Dachneigung in Deutschland liegt aber im Bereich von 20 bis 35°.

Eine mögliche Lösung, um den richtigen Winkel einzustellen, ist die zusätzliche Aufständerung, wie sie bei Flachdächern angewendet wird. Dieser Umstand ist allerdings in manchen Bundesländern genehmigungspflichtig: Nach der Bayerischen Bauverordnung (BayBO 2009) muss zum Beispiel für Schrägdachaufständerungen eine Genehmigung eingeholt werden, wenn die zu installierende Kollektorfläche mehr als ein Drittel der Dachfläche beträgt. Aufständerungen bieten aber auch optisch kein gutes Bild. Zudem sind die Dachkonstruktionen oft nicht für Zugbelastungen ausgelegt, wie sie aufgrund der hohen Windlasten an den aufgeständerten Kollektoren auftreten können. Eine Statikberechnung kann nötig werden, die mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.

Optimal sind 60° Anstellwinkel

Die beste Lösung sind quer montierte und im Neigungswinkel einstellbare direkt durchflossene Röhrenkollektoren auf dem Dach. So ergibt sich bei einer Dachschräge von 30° und einer Absorberneigung von 30° der ideale Anstellwinkel von 60° (Bild 1). Diese Möglichkeit soll nun näher betrachtet werden. Basis hierfür sind Labormessungen und Simulationsrechnungen.

Generell sind Wärmeträgermedien bis zu einer Temperatur von 170 °C langzeitstabil. Oberhalb dieses Wertes beginnt die Alterung der Komponenten, welche bei größerer Hitze immer schneller abläuft. Erkennbar ist dies an den typischen Ausflockungen und dem beißenden Geruch. Bei einer jährlichen Stagnationszeit von 170 Stunden und Temperaturen von mehr als 240 °C hat das Wärmeträgermedium nur eine Betriebsdauer von etwa zwei Jahren und muss dann erneuert werden. Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Stillstandstemperatur des Kollektors möglichst gering zu halten oder den Anlagenstillstand weitestgehend zu vermeiden. Die am Markt verfügbaren Hochleistungskollektoren, erreichen Temperaturen von über 200 bis 300 °C.

Wird aufgrund der hohen Temperaturen im Speicher die Umwälzpumpe abgeschaltet, steigt die Temperatur bei weiterhin vorhandener Einstrahlung im Kollektor stark an, und das Wärmeträgermedium beginnt zu sieden. Der dabei entstehende Dampf versucht das flüssige Medium aus dem Kollektor zu verdrängen. Meist bilden sich jedoch aufgrund konstruktiver Merkmale Bereiche aus, in denen sich Flüssigkeit sammelt. In diesen siedet das Medium dann wie in einem Kochtopf bis es vollständig verdampft ist. Der hierbei entstehende heiße Dampf kann Anlagenteile bis hinunter zum Heizraum schädigen. Aufgrund der sehr langen Verweilzeit des Wärmeträgermediums im Kollektor wird auch dieses stark in Mitleidenschaft gezogen.

Entleerung bei Stillstand

Für ein gutes Verdampfungsverhalten des Kollektors ist entscheidend, dass das Medium möglichst schnell und vollständig aus dem Kollektor gedrückt werden kann. Bei von oben angeschlossenen Flachkollektoren oder parallel angeschlossenen Röhren mit obenliegendem Sammler ist dies nicht der Fall, da sich das Medium in der gesamten Röhre sammelt. Besser funktioniert das Ausdrücken bei hintereinander geschalteten, längs montierten Röhren. Der Dampf einer Röhre drückt die Flüssigkeit in der Nachbarröhre raus und es verbleibt weniger Medium im Kollektor. Das Optimum stellen quer montierte Röhren mit Anschluss von unten dar. Der Kollektor kann sich hier optimal entleeren, und die kontinuierliche Produktion von Dampf wird entscheidend vermindert (Bild 2).

Neben dem gutmütigen Verdampfungsverhalten und niedrigen Stillstandstemperaturen im Kollektor gilt es vor allem, die Stillstandszeiten im Sommer zu reduzieren. Hierfür kann der hohe Sonnenstand ausgenutzt werden. So ist bei einem Anstellwinkel der Absorberfläche von 60° der von der Sommersonne direkt angestrahlte Bereich deutlich geringer als bei einem Anstellwinkel von 30° und die Leistung des Kollektorfelds ist niedriger. Ein Ertragsverlust entsteht dabei nicht, da die Anlage für die Sommermonate bereits groß genug ausgelegt ist. Der ideale Anstellwinkel von 60° kann mit Hilfe der Quermontage von Röhrenkollektoren auch ohne zusätzliche Aufständerung erreicht werden. Voraussetzung hierfür sind in der Neigung einstellbare Röhren, was nicht bei allen Röhrenkollektoren der Fall ist. Bei Heat-Pipe-Röhrenkollektoren ist aufgrund des Funktionsprinzips eine Quermontage generell nicht möglich.

Im aktuellen Bericht der Stiftung Warentest zu solaren Kombianlagen (03/2009) wurden verschiedene Systeme und Hersteller von Solaranlagen untersucht. Das dort verwendete Standard-Hydraulikschema besteht aus einem Kollektorfeld, einem Pufferspeicher mit internem Trinkwasserspeicher (Tank in Tank) und einem fossilen Wärmeerzeuger. Die Heizungsunterstützung wird über ein 3-Wege-Umschaltventil zur Rücklaufanhebung über den Pufferspeicher realisiert.

Simulationsergebnisse

Um den Einfluss von quer montierten Röhren auf die Effizienz und Stillstandsdauer des vorgestellten Standard-Heizungsunterstützungssystems zu untersuchen, wurden bei Elco Jahressimulationen durchgeführt. Die Modellierung erfolgt mit der offenen Simulationssprache Modelica. Diese ist gleichungsbasiert und objektorientiert, wodurch eine hohe Wiederverwendbarkeit einmal erstellter Modelle gewährleistet ist. Über diese Art der Simulation können verschiedene systemrelevante Fragestellungen für den Markt beantwortet werden. Die Überprüfung der Modelle erfolgt durch den Abgleich mit Laborversuchen.

Das verwendete Kollektormodell basiert auf dem in der DIN EN 12975 beschriebenen Verfahren. Hierbei ist bei der Berechnung von Röhrenkollektoren der Einfluss der Winkelkorrekturfaktoren und möglicher Verschattungen besonders zu beachten. Der Winkelkorrekturfaktor (engl. IAM) beschreibt, wie sich die Leistung des Kollektors je nach Einfallswinkel der Sonnenstrahlung zur Kollektorebene verändert. Je schräger das Sonnenlicht auf die Glasabdeckung fällt, umso mehr Strahlung wird reflektiert. Das wirkt sich mindernd auf die Kollektorleistung aus. Es werden zwei Arten von Winkelkorrekturfaktoren unterschieden. Über den transversalen IAM wird der Sonnengang im Laufe des Tages berücksichtigt und über den longitudinalen Winkelkorrekturfaktor der Einfluss der Sonnenhöhe im Laufe des Jahres. Dabei ist bei Röhrenkollektoren der transversale IAM aufgrund der runden Glasrohre deutlich besser als bei Flachkollektoren, vergleichbar einer Gewächshauskuppel.

Mit der Quermontage geht der Vorteil des guten transversalen IAM bei der Sonnenwanderung von Ost nach West verloren, da die Rundung der Glasröhre nicht mehr zum täglichen Sonnenverlauf hin ausgerichtet ist. Deshalb sind Röhrenkollektoren, die ihre Leistung maßgeblich durch hohe transversale IAM erzielen, für die Quermontage nicht geeignet. Dies gilt vor allem für Glasabsorber-Röhrenkollektoren mit Spiegel (CPC).

Werden zusätzlich die Röhren des Kollektors geneigt, kann es wie bei der Flachdachaufständerung von Kollektoren zu Verschattungen kommen. Das führt zu einem schlechteren Solarertrag. Der Anteil hängt dabei vom Einfallswinkel des Sonnenlichtes ab. Speziell bei der Quermontage von Röhrenkollektoren wird dieser von der Sonnenhöhe bestimmt.

Vergleich von Kollektorvarianten

Ein weiterer Einflussfaktor auf die Verschattung ist die Röhrengeometrie. Je enger die Glasröhren beieinander liegen, desto größer wird der Verschattungsanteil (Bild 3 - 4). Um den Bruttoflächenverbrauch – die vom Kollektor belegte Dachfläche – im Verhältnis zur Absorberfläche gering zu halten, haben viele Hersteller möglichst kleine Röhrenabstände realisiert und nehmen dabei den Nachteil der gegenseitigen Verschattung in Kauf. Entscheidend für den Vergleich der Kollektoren ist hierbei das Verhältnis aus dem Abstand der Röhren zur Breite des Absorberbleches.

Vergleicht man die prozentuale Verschattung der drei Röhren, so sind in allen drei Fällen Bereiche des Absorbers im Tagesverlauf verdunkelt. Mit steigender Sonnenhöhe nimmt bei allen Röhren der Anteil ab, wobei Röhre 3 erst ab einer Sonnenhöhe von 27° verschattungsfrei ist. An einem konkreten Beispiel verdeutlicht, bedeutet dies für den 21. März, dass der Absorber von Röhre 3 an 47 % des Tages teilweise verschattet ist. Bei Röhre 2 sind dies etwa immer noch 30 %. Bei Röhre 1 hingegen ist der Absorber nur noch 12 % des Tages verdeckt, was sich positiv auf den Solarertrag auswirkt. Somit ist ein geringer Abstand zur Minimierung des Bruttoflächenverbrauchs im Hinblick auf die Verschattung und den Ertrag bei Quermontage nachteilig. Ein größerer Spalt (A/B Verhältnis bis zu 70 %) zwischen den Röhren reduziert diesen Effekt bei der Quermontage von Röhrenkollektoren deutlich.

Für die Simulationsrechnungen wurde das bereits erwähnte Standard-System analog zum Stiftung Warentest-System verwendet. Das Kollektorfeld besteht aus 100 quer montierten Auron-Röhren (17,6 m² Bruttofläche). Der Pufferspeicher hat insgesamt 750 l Inhalt, wobei 200 l davon zur Trinkwasserbevorratung dienen (Tank-in-Tank-Speicher). Das Zapfprofil entspricht dem ITW Deck (200 l pro Tag), das einen Energiebedarf für Warmwasser von 3000 kWh pro Jahr bringt. Das nach EnEV 2007 gedämmte Gebäude hat eine Nutzfläche von 160 m². Daraus ergibt sich ein Wärmebedarf des Gebäudes von 5,5 kW bei –12 °C und ein Heizenergiebedarf von 13200 kWh pro Jahr. Das Modellhaus befindet sich in Würzburg. Die solare Einstrahlung beträgt 1212 kWh pro m² und Jahr.

Aus dem Diagramm zum Solarertrag im Winterhalbjahr (Bild 5) ergibt sich für die Quermontage bei allen Dachneigungen ein deutlicher Vorteil gegenüber der Längsmontage. Nur durch eine Dachneigung im Bereich von 50 bis 60° werden bei einer Längsmontage vergleichbare Werte erreicht. Zudem kann ab einer Dachneigung von ca. 20° bis 90° (sehr flache Dächer bis hin zur Fassadenmontage) bei der Quermontage eine Ertragsgarantie ausgesprochen werden, da unabhängig von der Dachneigung der optimale Solarertrag erreicht wird.

Noch deutlicher werden die Vorteile der Quermontage beim Betrachten der jährlichen Stagnationsdauer in Abhängigkeit von der Dachneigung. So ergibt sich bei der Standardmontage und einer Dachneigung von 30° eine Stagnationsdauer von über 100 Stunden. Durch die neigungsunabhängige Quermontage kann in diesem Fall die Stagnationsdauer um ganze 65 % reduziert werden. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass über die Quermontage von Röhrenkollektoren ein gutes Verdampfungsverhalten bei gleichzeitiger Reduzierung der Stillstandszeiten erzielt wird. Voraussetzung hierfür ist neben einem ausreichenden Röhrenabstand auch die Bauart des Kollektors (Bild 6). So sind konzentrierende Kollektoren (CPC) sowie Heat-Pipe-Röhren nur bedingt für die Quermontage geeignet. Optimal sind direkt durchflossene und im Neigungswinkel einstellbare Röhren. Der ideale Anstellwinkel für die Heizungsunterstützung von 60° kann auf jedem Dach auch ohne zusätzliche Kosten für Aufständerung mit Hilfe der Quermontage erreicht werden. Generell lassen sich die Vorteile auch auf Solaranlagen zur reinen Trinkwassererwärmung mit hohen solaren Deckungsanteilen übertragen.

Dipl.-Ing. Jochen Buschle ist bei der Elco Shared Services GmbH in Hechingen seit 2008 im Bereich Systementwicklung tätig. Seine Arbeitsschwerpunkte sind Systemsimulation und die Erstellung von HiL-Testständen. Seit 2004 ist Jochen Buschle in der Energiebranche; Tel. (07471)187-0, jochen.buschle@de.elco.net

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Klink ist bei der Elco Shared Services GmbH in Hechingen als internationaler Produktmanager für Solarsysteme verantwortlich. Seit 2001 ist er in der Solarbranche; Telefon (0 74 71) 1 87-0, thomas.klink@de.elco.net