Solarheizsysteme: Von passiven zu aktiven Lösungen für nachhaltiges Heizen

Hintergrund

In einer Sekunde strahlt die Sonne 13 Millionen Mal mehr Energie aus, als die gesamten USA in einem Jahr verbrauchen. Zwar erreicht nur ein winziger Bruchteil die Erde, doch diese Menge würde den gesamten Planeten bequem mit Energie versorgen.

Solarenergie bewies ihr elektrisches Potenzial erstmals in den 1950ern, als NASA eine zuverlässige Stromquelle für Weltraumsatelliten benötigte. Die pionierhaften Siliziumzellen von Bell Labs wandeln bis heute nur etwa 18 % des Sonnenlichts in Strom um. Trotz dieser bescheidenen Effizienz hat Solarenergie prominente Projekte wie das International Solar Challenge Rennen erfolgreich angetrieben.

Wärmerückgewinnung aus der Sonne hat sich besonders für Warmwasser und Gebäudeklimatisierung bewährt. Schwimmbäder nutzen routinemäßig Solarkollektoren. Für die räumliche Beheizung von Wohngebäuden existieren zwei Hauptsystemtypen:

• Passive Solarheizung lässt Sonnenlicht direkt durch südseitige Fenster (Nordhalbkugel) oder über eine Wand oder ein Dach, das Wärme absorbiert, speichert und ins Innere leitet, in das Gebäude. Eine Variante – ein isoliertes Gewinssystem – speichert Wärme in einer separaten Kammer wie einem Steinspeicher.
• Aktive Solarheizung nutzt Wasser oder Luft als Wärmetransportmedium. Kollektoren auf einem südseitigen Dach leiten Wärme in Steinspeicher oder Wassertanks. Die gespeicherte Wärme kann dann über Kanäle, Ventilator-Konvektoren oder direkte Luftzirkulation abgegeben werden.

Kühlsysteme sind ebenfalls in passive und aktive Designs unterteilt, die nächtliche Luftströmung und Kondensation nutzen, um Innentemperaturen zu senken.

Verschiedene Kollektortypen passen zu spezifischen Anwendungen. Flachkollektoren mit Glasabdeckung und schwarzer Absorberplatte eignen sich für den Hausgebrauch. Konzentrierende Kollektoren – trichter- oder schalenförmig – dienen industriellen Anwendungen.

Geschichte

Die Sonne war immer die primäre Wärmequelle der Menschheit, aber der erste dokumentierte menschengemachte Solarkollektor datiert auf 1776, als der Schweizer Wissenschaftler Horace de Saussure eine einfache „heiße Kiste“ baute.

Sir John Herschel nutzte später heiße Kisten zum Kochen während seiner 1830er Afrikaexpedition. Solares Thermisches Kochen und Wasserentsalzung verbreiteten sich daraufhin in Teilen Afrikas.

In den USA nutzten Pioniere Ende des 19. Jahrhunderts schwarze Töpfe und Pfannen, um tagsüber Wasser zu erhitzen, was in Regionen, die sonst auf importierte Brennstoffe angewiesen waren, breite Anwendung fand. 1897 nutzten fast 30 % der Haushalte in Pasadena, Kalifornien, Solarwassererhitzer.

Solartechnik wuchs stetig durch das 20. Jahrhundert, gipfelte in der Energiekrise der 1970er. Nach Abklingen der Krise sank das Interesse, nur um in den 1990ern wieder aufzuleben, als Sorgen um fossile Emissionen und Nuklearsicherheit zunahmen.

Rohstoffe

Solarheizsysteme variieren, aber der Fokus liegt auf einer grundlegenden residentialen passiven und aktiven Konfiguration.

Ein passives System erfordert einen schwarzen Flachkollektor: eine Stahlabsorberplatte mit zwei Glasscheiben, umgeben von Glasfaser- oder Polyurethanschaumisolierung mit Aluminiumfolien-Feuchtigkeitsbarriere. Das Gerät ist in einem flachen Holz-, verzinkten Stahl- oder Aluminiumkasten untergebracht. Ein Wärmespeicherbehälter – gefüllt mit trockenen Kieseln oder Steinen – fängt Überschusswärme auf. Ein Differenzthermostat bietet manuelle Temperaturregelung, und ein Luftbehandlungsmodul (Kanäle, Filter, Gebläse, automatische Drosselklappen) zirkuliert die erwärmte Luft.

Ein aktives System, das Wärme in Wasser speichert, benötigt einen Flachkollektor mit ein oder zwei transparenten Schichten, schwarzem Metallrohr und Isolierung. Das System umfasst außerdem eine Wasserpumpe, Speichertank, Wärmetauscherrohre, Zusatzheizer, Ventilator, Filter und Steuerventil. Wenn Steinspeicher statt Wasser genutzt wird, hält ein isolierter Behälter die Steine und macht Pumpen und Rohre überflüssig.

Alle Solarinstallationen nutzen Dichtungsmasse, Aluminiumverkleidung und Abschlussleisten aus Gummi, Farbe oder Holz, um Fugen abzudichten und das System zu schützen.

Herstellungsprozess

Kollektoren

1. Flachkollektoren werden auf Satteldächern oder vertikalen Wänden montiert, indem flache Blechmannigfaltigkeiten – ähnlich großen Backblechen – an jedem Ende befestigt und an den Sparren gesichert werden. Dichtungsmasse wird um den oberen Rand des Manifolds aufgebracht. Dann wird die Beplankung installiert, und alle Nähte werden mit Dichtungsmasse abgedichtet. Manifoldschlitze werden in die Beplankung geschnitten, und Blockierungen werden am Perimeter befestigt.
2. Die Absorberplatte wird über der Beplankung positioniert, bis zum äußeren Manifoldblock reichend. Endverschlüsse – meist Gummi – dichten die Enden ab, und obere und untere Kanten werden mit Dichtungsmasse verklebt.
3. Befestigungsleisten werden an der Absorberplatte angebracht, und ein Verglasungssystem – eine Glasschicht auf Dächern, zwei an Wänden – wird installiert.
4. Aluminium-Verglasungsprofile rahmen den Kollektorperimeter.

Luftbehandlung und Steuerungssystem

1. In einem passiven System besteht die Luftbehandlungseinheit仅 aus Kanälen zwischen Kollektor und Wohnraum, einem Ventilator und einem Handschalter. Ein isoliertes Gewinssystem fügt eine separate Speicherkammer und Kanäle hinzu, die sie mit dem Gebäude verbinden.
2. In einem aktiven System speichert ein Speicherbehälter (Steine oder Wasser) Überschusswärme. Kanäle mit Ein-/Aus-Drosselklappen verbinden Kollektor mit Behälter, Behälter mit Haus und Kollektor direkt mit Haus. Zwei Ventilatoren zirkulieren die Luft.

Speicher

1. Ein Steinspeichersystem nutzt einen isolierten Behälter, gefüllt mit kleinen Steinen (2,5–12,7 cm), die so beabstandet sind, dass Luft durch Kanalanschlüsse strömen kann.
2. Ein Wasserspeichersystem spiegelt das Steinsetup wider, speichert Wärme jedoch in Wasser statt in Steinen.

Qualitätskontrolle

Bei Wohninstallationen werden Passform der Endverschlüsse und Dichtungsintegrität vor der Verglasung mit einem Rauchbombentest überprüft. Dieser Test detektiert Lecks und gewährleistet luftdichte Leistung.

Zukunft

Da Prototypen solarbeheizter und solarbetriebener Wohn- und Geschäftsgebäude reifen, wandelt sich Solarenergie von experimentell zu Mainstream. Umwelt-NGOs, das US-Energieministerium und internationale Gremien fördern aktiv breitere Akzeptanz und treiben neue Anwendungen voran.

Das Solar Energy Research Facility des DOE demonstriert photovoltaische Fortschritte, während das Gebäude selbst die Vorteile tageslichtgetriebenen Designs exemplifiziert. Seine fensterreiche, stufenförmige Architektur zeigt, wie Solarheizung nahtlos in Architektur integriert werden kann.

Die American Solar Energy Society hebt praktische Solarprojekte durch jährliche Solarhaustouren hervor und informiert Mitglieder über gesetzgeberische Entwicklungen. Beispielsweise lobbyierte die Gesellschaft im Juli 1996 für Gesetzgebung zur Finanzierung erneuerbarer Energien – ein Vorstoß, der zwar nicht Gesetz wurde, aber kongressionales Interesse an Solarenergie signalisierte. Die International Solar Energy Society verfolgt ähnliche Ziele global und setzt sich für verstärkte Nutzung von Solarenergie weltweit ein.