Solarertrag von thermischen Solaranlagen berechnen

Die Frage, wieviel Wärme eine thermische Solaranlage gewinnt, ist sicher für viele Häuslebauer und Heizungsmodernisierer interessant. Für die, die es etwas genauer wissen möchten, ist dieser Artikel sicherlich hilfreich.

Die Wärmemenge, die eine Solaranlage an einem sonnigen Tag erwirtschaftet, wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt:

• Von der vorhandenen Sonneneinstrahlung, die wiederum vom Standort (geographische Länge und Breite), von der Ausrichtung des Kollektors und der Jahreszeit abhängt und
• vom Wirkungsgrad des Sonnenkollektors der neben der Bauart bzw. Qualität vor allem von dessen Betriebstemperatur bestimmt wird.

Die Sonneneinstrahlung auf eine geneigte Fläche (den Sonnenkollektor) kann man näherungsweise berechnen, z.B. mit dem Solarstrahlungsrechner. Was bleibt, ist die Berechnung des Wirkungsgrad für eine bestimmte Betriebstemperatur, die ich in den folgenden Abschnitten skizzieren möchte.

Thermische und optische Verluste beim Betrieb vom Sonnenkollektoren. Die optischen Verluste liegen meist zwischen 14% und 21%, die thermischen Verluste sind Temperaturabhängig und können die optischen Verslute weit überwiegen.

Wärmeverluste von Sonnenkollektoren

Ein Sonnenkollektor sollte im Idealfall die gesamte, eingestrahlte Wärmemenge aufnehmen (absorbieren) und an die Solarflüssigkeit, die den Sonnenkollektor durchströmt, abgeben. Aufgrund der notwendigen Glasabdeckung und der -im Vergleich zur Umgebung- höheren Temperatur des Sonnenkollektors sind Verluste leider unumgänglich. Im einzelnen sind dies:

1. Reflexion der Solarstrahlung an der Oberseite der Glasabdeckung (1,5-4%)
2. Absorption in der Glasabdeckung (1%)
3. Reflexion an der Unterseite der Glasabdeckung (1,5-4%)
4. Reflexion am Absorber (5%)
5. Emission von Wärmestrahlung vom Absorber 5-12%

Diese Anteile werden als optische Verluste bezeichnet und hängen vom Einfallswinkel ab. Die angegebene Prozentwerte stammen aus [1] und gelten für senkrechten Einfall. Bei schrägem Einfall sind deutlich höhere Verluste zu erwarten. Die optischen Verluste betragen demnach, je nach Kollektor, 14% bis 21%.

Daneben gibt es die thermischen Verluste durch

1. diffuse Wärmeabstrahlung und
2. Konvektion (Erwärmung der Außenluft),

die nur auftreten, wenn der Kollektor wärmer ist als seine Umgebung. Während des Betriebs ist der Kollektor jedoch immer wesentlich wärmer als seine Umgebung, so dass die thermischen Verluste in der Regel die optischen Verluste überwiegen.

Weiter geht’s im zweiten Teil dieses Artikels.

Literatur

• [1] Solarwärme optimal nutzen. Handbuch für Technik, Planung und Montage