Solare Kühlung

Solarthermie ist vielseitig: Mit Sonnenwärme lässt sich auch kühlen. Das bietet gerade im Sommer einen großen Vorteil. Die Sonne scheint im Überfluss und Strom, welcher zum Klimatisierung genutzt werden müsste, kann durch solares Kühlen eingespart werden. Der Kostenvorteil liegt dabei auf der Hand.

Komplizierter wird es bei der Frage, wie solares Kühlen funktioniert.

Eine solare Kälteanlage besteht zunächst aus einem geschlossenen Kreislauf, indem das Verdunsten von Flüssigkeit eine große Rolle spielt. Wenn Flüssigkeit verdunstet, entsteht die sogenannte Verdunstungskälte. Diese wird in einer Anlage zur solaren Kühlung genutzt. Innerhalb der Anlage muss dazu ein Vakuum bestehen, in welchem die Flüssigkeit zum Verdunsten kommt. Die dabei entstehenden Temperaturen betragen zwischen 10°C und 20°C und werden über einen Wärmetauscher auf den Heizkreis übertragen und können dann mit Hilfe einer Umwälzpumpe zur Kühlung in einen Raum gepumpt werden.

Ist die Flüssigkeit einmal verdunstet, muss diese in einem Vorgang zurückgewonnen werden, um innerhalb des geschlossenen Systems einen Kreislauf zu generieren. 

Dafür existiert im System ein Behälter, welcher einen hygroskopischen Stoff enthält. Dieser Stoff, meist Silicia-Gel oder Zeolith, zieht Flüssigkeiten an. Der hygroskopische Prozess ist dabei entweder die Absorption, bei der die Flüssigkeit im Inneren des Stoffes eingelagert wird, oder die Adsorption, bei welcher Flüssigkeit an der Oberfläche angelagert wird. Der Dampf, welcher bei der Kälteerzeugung entsteht, wird innerhalb des Behälters von dem Stoff aufgenommen, welcher die Flüssigkeit aus der Luft saugt. Um den Stoff dann zu trocknen, wird die Solarwärme benötigt.

Die Sonnenkollektoren erzeugen die Wärme, welche nötig ist, um den durch den Verdunstungsprozess nassen Stoff wieder zu trocknen. Dieser kann dann in einem erneuten Verdunstungsprozess den Dampf wieder aufnehmen. Die Flüssigkeit wird durch die Hitze zu Wasserdampf und zur Abkühlung mit Hilfe eines Luftkühlers im Freien geleitet. Dort kondensiert das Wasser und kann nun zurück in den Verdampfer geführt werden. Damit schließt sich der Kreislauf der Flüssigkeit, mit deren Hilfe Kälte erzeugt werden kann.

Energetikhäuser

Heizen nur mit Sonnenkraft – unter diesem Motto stehen sogenannte Energetikhäuser. Als Sonnenhaus bezeichnet man dabei Gebäude, die mit mehr als 50% Sonnenenergie versorgt werden. Auf den ersten Blick zeichnen sich diese Häuser für den Verbraucher mit niedrigsten Heizkosten aus. Auf den zweiten Blick steckt hinter einem Energetikhaus viel Erneuerbare Energie und neben den Einsparungsmöglichkeiten auch Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit.

Das Konzept eines Energetikhauses ist, energieautark zu leben. Strom und Wärme werden dabei größtenteils von der Sonne geliefert. Herzstück dabei sind Sonnenkollektoren und PV Module auf dem Dach des Energetikhauses. Dabei gibt es keine Standards – jedes Haus wird direkt am Standort geplant und kann architektonisch auf die Wünsche und Bedürfnisse des Verbrauchers angepasst werden. Die richtige Planung direkt am Standort ist dabei am wichtigsten, da nur so die richtige Ausrichtung der Dachflächen zur optimalen Gewinnung der Sonnenenergie garantiert werden kann. Ebenfalls wichtig für das autarke Haus: ein Langzeitwärmespeicher. Auch dieser muss von Experten individuell anhand von Berechnungen ausgewählt werden. Mit dem passenden Konzept können Deckungsbeiträge über 90% erreicht werden. Die übrigen 10% oder weniger an Wärmebedarf werden dann mit Holz gedeckt. Eine solche Lösung ist bei Häusern, deren exakte Ausrichtung nach Süden nicht möglich ist, notwendig, aber auch bei Verschattung der Dach- bzw. Kollektorflächen. Bei einem Sonnenhaus zählt zusätzlich eine massive und ökologische Wärmedämmung zum Konzept.

Unabhängigkeit von Öl und Gas durch den vollständigen Gebrauch erneuerbarer Energien schafft Lebensqualität und ein gutes Gewissen für den Verbraucher. Die zusätzlichen Einsparungen im energetischen Bereich, der einen hohen Teil der monatlichen Ausgaben eines Haushalts umfasst, sind dabei aber wohl der größte Anreiz für die Wahl eines Energetikhauskonzepts.

In Deutschland wächst die Anzahl der Sonnenhäuser stetig. Waren es vor rund 10 Jahren noch weniger als 50 Sonnenhäuser, hauptsächlich in Bayern und Baden-Württemberg, so stieg die Zahl bis 2010 auf 500 energieautarke Gebäude. Inzwischen sind Sonnenhäuser auch in den anderen Bundesländern Deutschlands vertreten.

(Quellen: http://www.fasa-ag.de ; http://www.sonnenhaus.de)

Hybridkollektoren

Aktuelle Entwicklungen haben ein neues Produkt auf den Solarmarkt gebracht: Den Hybridkollektor. Als Strom- und Wärmeerzeuger in Einem bietet dieser Kollektor ein hohes Potential und ist somit auch für den Verbraucher interessant. Auf den ersten Blick klingt es vielversprechend, mit einem Produkt zwei wichtige Energieformen erzeugen zu können – dem Verbraucher wird somit die Entscheidung zwischen Photovoltaik und Solarthermie abgenommen. Weiterhin wird die Dachfläche einer Immobilie doppelt nutzbar gemacht, was ein finanzielles Einsparungspotential in sich birgt.

Trotz aller Vorteile, welche sich durch einen Hybridkollektor ergeben können, steht die Entwicklung der Technik noch am Anfang, wodurch einige Probleme entstehen, über die sich der Verbraucher klar sein sollte. Derzeit fehlen den Prüflaboren passende Prüfverfahren, um die Leistungsfähigkeit von Hybridkollektoren zu messen. Die Effizienz der Kollektoren kann demnach nicht sicher angegeben werden. Dies bedeutet, dass dem Verbraucher unter Umständen ein Produkt angeboten wird, welches eine geringere Leistung bringt, als die Nutzung von Sonnenkollektoren oder Photovoltaik-Zellen erwirken würde. Eine Alternative dazu birgt das Hybrid-Dach: Photovoltaik und Solarthermie werden in Kombination nebeneinander auf das Dach montiert – einige Hersteller bieten dazu Module in gleicher Optik – sodass Wärme- und Stromerzeugung durch die Sonne gleichzeitig erfolgen können.

Hybridkollektoren, oder auch PVT-Kollektoren, gelten als Innovation. Bei Photovoltaik-Modulen ergibt sich die Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhöhen, da bisher ungenutzte Wärme verwertet wird. Da Solarzellen mit steigender Temperatur an Leistung verlieren, kühlt eine entsprechende Konstruktion zur Nutzung der Abwärme die Zellen und erhöht wiederrum die Leistung. Es zeigen sich verschiedene Möglichkeiten, dieses Ziel zu erreichen: Die Befestigung eines Wärmetauschers hinter dem Photovoltaik-Modul oder PVT-Produkte ähnlich Sonnenkollektoren mit Absorber im Kollektorkasten, Dämmung an der Rückseite und zusätzlichen Solarzellen unter der Glasscheibe oder auf dem Absorber.

(Quelle: Sonne, Wind & Wärme 11/2013)

Regelungstechnik

Der Solarregler übernimmt bei einer solarthermischen Anlage die Aufgabe der zentralen Schaltstelle ein. Moderne Solarregler sind dabei komplexe Systeme, welche sich um die komplette Steuerung der Anlage kümmern und dabei auch die Verbindung mit bestehenden Heizsystemen herstellen. 

Anlagenparameter können vom Anlagenbesitzer selber eingegeben werden. Die entsprechenden Messwerte werden dabei von den Temperaturfühlern geliefert, welche sich zum einem im Kollektor und zum anderen im Speicher befinden. Komplexere Regelungssysteme können bis zu acht Temperaturfühler abfragen.

Der Zweipunktregler gehört dabei zu den anfänglichen Systemen der Solartechnik. Dabei liegt ein Fühler am warmen Ausgang des Kollektors, ein weiterer unten bzw. in der Mitte des Speichers. Die Elektronik des Reglers vergleicht beide Messwerte miteinander. Wird eine eingestellte Temperaturdifferenz bei entsprechender Sonneneinstrahlung erreicht, d.h. erreicht die Temperatur im Kollektor eine höhere Temperatur als im Speicher vorhanden, wird die Pumpe durch den Regler im Solarkreislauf eingeschaltet. Meist beträgt die Differenz 5 bis 10 °K. Verringert sich die Temperaturdifferenz, zum Beispiel durch das Entfallen der Sonneneinstrahlung in der Nacht, wir die Pumpe durch den Solarregler wieder ausgeschaltet.

Moderne Mikroprozessregler erfassen zusätzlich alle Betriebsdaten der Solaranlage. Notwendige Schritte werden zuverlässig gesteuert, wodurch ein höherer Anlagenwirkungsgrad erreicht werden kann. Diese Regler können kürzeste Sonneneinstrahlungszeiten optimal nutzen und geben dem Anlagenbetreiber die Möglichkeit, die aufgezeichneten Daten am PC mit Hilfe einer entsprechenden Software zu erfassen und auszuwerten. Die Technik der Solarregler hat sich bereits dazu entwickelt, Regelsysteme anzubieten, die Ihr Programm bezogen auf die Messwerte und Messerfahrungen selbständig verändern und anpassen zu können. Der Nutzen eines Mikroprozessreglers bezieht sich darauf, alle Komponenten optimal anzusteuern. So können unter anderem Volumina und Temperaturen vom Kollektor, Leitungen und Wärmespeicher in dem Regelverhalten der Pumpe berücksichtigt werden. Zusätzlich dazu gibt es zahlreiche Sicherheitsfunktionen zum Schutz der Solaranlage, zum Beispiel Überhitzungsschutz. Weitere Funktionen können die Wärmemengenzählfunktion, Speichertemperaturbegrenzung, Nachheizregelung, geregelte Rücklaufanhebung und Heizungsunterstützung sein.