Grundlagen/Solarkollektoren: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 30. Oktober 2026, 02:28 Uhr

Solarkollektoren wandeln Sonneneinstrahlung unmittelbar in Wärme um und übertragen sie an ein Wärmeträgermedium. Sie decken vor allem die Trinkwarmwasserbereitung und unterstützen bei ausreichender Fläche auch die Heizung; anders als Photovoltaik liefern sie keinen Strom, sondern direkt nutzbare Wärme.

Funktionsprinzip

Ein Absorber nimmt die Einstrahlung auf und gibt die Wärme an ein durchströmendes Medium ab; eine transparente Abdeckung und die Dämmung auf der Rückseite begrenzen die Verluste an die Umgebung. Wie viel davon nutzbar bleibt, beschreibt der Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975: Er sinkt mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung, bezogen auf die Einstrahlung – ausgedrückt als $(T_{m} - T_{a}) / G$ –, zunächst linear, bei großer Differenz zusätzlich quadratisch, bis er bei geringer Einstrahlung und hoher Übertemperatur auf null fällt.

Kollektorwirkungsgrad über der bezogenen Übertemperatur

Kollektorwirkungsgrad [%]

80 %

0

68 %

0,03

54 %

0,06

36 %

0,09

16 %

0,12

0 %

0,15

(Tm−Ta)/G in m²·K/W

Prinzipbild: Flachkollektor bei 1 000 W/m², Beispielwerte gerundet.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Aperturfläche	wirksame, der Einstrahlung ausgesetzte Kollektorfläche	2–3 m² je Modul
Optischer Wirkungsgrad ( $η_{0}$ )	Anteil der Einstrahlung, der ohne Temperaturverlust nutzbar wäre	0,75–0,85 (Flachkollektor), höher bei Vakuumröhre
Wärmeverlustkoeffizient ( $a_{1}$ )	linearer Wärmeverlust je Kelvin Übertemperatur	3–4 W/(m²·K), niedriger bei Vakuumröhre
Neigung	Winkel der Kollektorebene gegen die Horizontale	30–45° für den Jahresertrag, steiler für Wintergewinn
Azimut	Abweichung der Ausrichtung von Süden	bis ±30° nur wenige Prozent Ertragsverlust
Spezifischer Jahresertrag	nutzbare Wärme je m² Aperturfläche und Jahr	rund 350–500 kWh/(m²·a) bei Warmwasseranwendung

Typische Größen

Einfamilienhaus (Warmwasser): 4–6 m² Kollektorfläche, 300–500 Liter Solarspeicher.
Mehrfamilienhaus (Warmwasser mit Zirkulation): häufig 20–40 m², abhängig von Wohnungszahl und Zirkulationsverlust.
Gewerbe und Hotellerie (Vorwärmung vor einem weiteren Erzeuger): 30 m² und mehr, abgestimmt auf Tagesbedarf und Speichergröße.

Einsatz und Grenzen

Flachkollektoren sind der Standard für Warmwasser und Heizungsunterstützung im Wohnbau: robust, preiswert, mit guter Leistung bei mäßigen Temperaturdifferenzen. Vakuumröhrenkollektoren verlieren weniger Wärme und bleiben deshalb bei hohen Betriebstemperaturen oder niedrigen Außentemperaturen im Vorteil, sind dafür teurer.

Solarthermie liefert nur, wenn die Sonne scheint, und braucht immer einen Abnehmer – einen aktuellen Bedarf oder einen Speicher –, sonst geht der Ertrag ungenutzt verloren. Sie deckt deshalb nie den ganzen Jahresbedarf allein, sondern einen Anteil, der mit Fläche und Speicher wächst und bei zu großer Kollektorfläche in einen wachsenden, nicht mehr nutzbaren Überschuss übergeht. Für Prozesswärme über rund 100 °C braucht es Sonderbauformen, und als alleiniger Wärmeerzeuger im Winter reicht sie nicht; sie ergänzt einen anderen Erzeuger, statt ihn zu ersetzen.

Solarthermie mit Wärmetauscher unten im geschichteten Pufferspeicher, Nachheizung und Entnahme oben. Prinzipbild.

Kollektorertrag je Monat mit Überschuss und Stunden mit Überschuss sowie solarer Deckungsanteil; Ergebnis eines Referenzprojekts, Werte gerundet.

Wie stark der Abnehmer fehlt, zeigt ein Jahreslauf: Ein Kollektorfeld, das nur Heizwärme deckt, liefert im Sommer viel und findet kaum Bedarf. Wärme, die weder gedeckt noch gespeichert wird, verwirft EPOS-Plan als Überschuss; in der Anlage stünde der Solarkreis dann still (Stagnation). Der solare Deckungsanteil ist die Direktdeckung plus der Solaranteil der Speicherentladung, geteilt durch den Wärmebedarf.

Beispiel. Ein Kollektorfeld von rund 80 m² vor BHKW und Kessel bringt im Jahr 28,8 MWh, davon nutzt das Gebäude 7,7 MWh; 21,0 MWh sind Überschuss in 1 078 Stunden. Gedeckt werden 7,2 von 52,4 MWh Heizwärme, also 13,8 % – im Juli 93 %, im Januar 5 %.

In EPOS-Plan

Der Katalog der Kollektortypen liegt unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → Solarkollektoren; im Projekt legt die Kachel Solarthermie der Startseite das Kollektorfeld im Dialog „Eingabe der Solarkollektoren“ an, eingebunden wird es in der Simulationskonfiguration. Wie Kollektorfeld, Speicher und Nachheizung dort zusammenwirken, zeigt Einbindung, ein Beispiel mit realen Größen steht unter Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern unter Zusammenspiel und was dabei zu beachten ist unter Fallstricke. Der Rechenweg nach EN 12975 steht unter Berechnung: Solarthermie.

Kollektorfeld, Solarkreis mit Wärmeübertrager und Pufferspeicher mit Nachrang-Vorgabe und Abschaltschwelle; Ertrag einer Stunde nach EN ISO 9806. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Der Kollektor rechnet mit einer Arbeitstemperatur aus dem Speicher: der untersten Zone des Puffers plus Grädigkeit des Übertragers und halber Spreizung des Kollektorkreises. Je voller und wärmer der Puffer, desto höher die Arbeitstemperatur und desto kleiner der Ertrag. Damit sie Platz findet, laden Kessel und BHKW einen Puffer, den die Solarthermie vorrangig lädt, ohne eigene Angabe nur bis 30 % (Nachrang-Vorgabe); bis zur Abschaltschwelle von 95 % lädt dann die Solarthermie.

Beispiel. 40 m² Flachkollektor bei 1 000 W/m² und 25 °C Außenluft: Steht die unterste Zone bei 30 °C, rechnet der Kollektor mit 40 °C und gibt 27,4 kW in den Puffer; bei 60 °C in der untersten Zone sind es mit 70 °C Arbeitstemperatur noch 22,5 kW.

Siehe auch

Programm Dokumentation: Solarthermie – Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke
Berechnung: Solarthermie – der Rechenweg nach EN 12975
Grundlagen: Pufferspeicher – der häufigste Speicher hinter dem Kollektorfeld
Hydraulikschemata – die hydraulische Einbindung als Prinzipschema

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-Eine '''thermische Solaranlage''' besteht aus dem Kollektorfeld, dem Speicher als Wärmeabnahmestelle und der Regelung. Anders als bei Photovoltaik ist die Wärme nicht beliebig verschiebbar: Was nicht zeitnah genutzt oder eingespeichert wird, geht verloren. Deshalb entscheidet nicht die installierte Fläche über den Nutzen, sondern das Zusammenspiel von Fläche, Speicher und Bedarfsprofil.
+<!-- EPOS-Plan Grundlagenseite | Wikititel: Grundlagen/Solarkollektoren
+     Repo-Quelle dieser Seite: Projekte/Wiki/Grundlagen - Solarkollektoren.wiki
+     Pflegeregel: zuerst hier aendern, dann hochladen - nie umgekehrt. -->
+'''Solarkollektoren''' wandeln Sonneneinstrahlung unmittelbar in Wärme um und übertragen sie an ein Wärmeträgermedium. Sie decken vor allem die Trinkwarmwasserbereitung und unterstützen bei ausreichender Fläche auch die Heizung; anders als Photovoltaik liefern sie keinen Strom, sondern direkt nutzbare Wärme.
-== Kollektortypen ==
+== Funktionsprinzip ==
-{{Anker|kollektortypen}}
+{{Anker|funktionsprinzip|wirkungsgradmodell}}
-Flachkollektoren sind der Standard für Warmwasser und Heizungsunterstützung im Wohnbau: robust, preiswert, mit guter Leistung bei mäßigen Temperaturdifferenzen. Vakuumröhrenkollektoren haben geringere Wärmeverluste und bleiben deshalb bei hohen Betriebstemperaturen oder niedrigen Außentemperaturen im Vorteil – etwa für Prozesswärme oder solare Heizungsunterstützung im Winter –, sind dafür teurer. Welcher Typ günstiger abschneidet, hängt vom geforderten Temperaturniveau ab und lässt sich mit den hinterlegten Kennwerten direkt vergleichen.
+Ein Absorber nimmt die Einstrahlung auf und gibt die Wärme an ein durchströmendes Medium ab; eine transparente Abdeckung und die Dämmung auf der Rückseite begrenzen die Verluste an die Umgebung. Wie viel davon nutzbar bleibt, beschreibt der Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975: Er sinkt mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung, bezogen auf die Einstrahlung – ausgedrückt als <math>(T_{\mathrm{m}} - T_{\mathrm{a}}) / G</math> –, zunächst linear, bei großer Differenz zusätzlich quadratisch, bis er bei geringer Einstrahlung und hoher Übertemperatur auf null fällt.
-== Ausrichtung und Neigung ==
+<!-- Modell: Flachkollektor nach EN 12975, η = η0 − a1·(Tm−Ta)/G − a2·(Tm−Ta)²/G mit η0 = 0,80,
-{{Anker|ausrichtung-und-neigung}}
+     a1 = 3,5 W/(m²·K), a2 = 0,015 W/(m²·K²) und G = 1 000 W/m²; negative Werte als 0.
+     Säulenhöhe in Prozent des größten Werts (η0 = 80 %), keinem Produkt zugeordnet. -->
+{{Diagramm-Anfang|titel=Kollektorwirkungsgrad über der bezogenen Übertemperatur}}
+{{Säulen-Anfang|achse=Kollektorwirkungsgrad [%]}}
+{{Säule|0|solar=100|wert=80 %}}
+{{Säule|0,03|solar=85|wert=68 %}}
+{{Säule|0,06|solar=67|wert=54 %}}
+{{Säule|0,09|solar=45|wert=36 %}}
+{{Säule|0,12|solar=21|wert=16 %}}
+{{Säule|0,15|solar=0|wert=0 %}}
+{{Säulen-Ende|(Tm−Ta)/G in m²·K/W}}
+{{Diagramm-Ende|Prinzipbild: Flachkollektor bei 1 000 W/m², Beispielwerte gerundet.}}
-Im Idealfall ist das Kollektorfeld nach Süden ausgerichtet; Abweichungen bis etwa 30 Grad kosten nur wenige Prozent Ertrag. Die Neigung bestimmt die jahreszeitliche Verteilung: Flache Aufstellung begünstigt den Sommerertrag und damit die Warmwasserbereitung, eine steilere Aufstellung von etwa 45 bis 60 Grad verschiebt den Ertrag in die Übergangszeit und unterstützt die Heizung. EPOS-Plan berechnet für jede Stunde den Einfallswinkel auf die geneigte Fläche aus dem Sonnenstand und der Ausrichtung, sodass sich Varianten unmittelbar vergleichen lassen.
+== Kennzahlen ==
+{{Anker|kennzahlen|ausrichtung-und-neigung}}
-== Wirkungsgradmodell ==
+{| class="wikitable"
-{{Anker|wirkungsgradmodell}}
+! Kennzahl !! Bedeutung !! typischer Bereich
+|-
+| Aperturfläche || wirksame, der Einstrahlung ausgesetzte Kollektorfläche || 2–3 m² je Modul
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+| Optischer Wirkungsgrad (<math>\eta_{0}</math>) || Anteil der Einstrahlung, der ohne Temperaturverlust nutzbar wäre || 0,75–0,85 (Flachkollektor), höher bei Vakuumröhre
+|-
+| Wärmeverlustkoeffizient (<math>a_{1}</math>) || linearer Wärmeverlust je Kelvin Übertemperatur || 3–4 W/(m²·K), niedriger bei Vakuumröhre
+|-
+| Neigung || Winkel der Kollektorebene gegen die Horizontale || 30–45° für den Jahresertrag, steiler für Wintergewinn
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+| Azimut || Abweichung der Ausrichtung von Süden || bis ±30° nur wenige Prozent Ertragsverlust
+|-
+| Spezifischer Jahresertrag || nutzbare Wärme je m² Aperturfläche und Jahr || rund 350–500 kWh/(m²·a) bei Warmwasseranwendung
+|}
-Die Ertragsberechnung folgt dem Kollektorwirkungsgrad nach DIN EN 12975-1 (Prüfung nach DIN EN ISO 9806). Vom optischen Wirkungsgrad – dem Anteil der Einstrahlung, der überhaupt in den Kollektor gelangt – werden die temperaturabhängigen Verluste abgezogen, die linear und quadratisch mit der Differenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur wachsen. Bei geringer Einstrahlung und großer Temperaturdifferenz wird der Wirkungsgrad null: Der Kollektor liefert dann nichts. Ergänzt wird das Modell um den Einfallswinkelkorrekturfaktor, der die flachen Einstrahlwinkel in den Morgen- und Abendstunden berücksichtigt, sowie um Leitungsverluste zwischen Kollektorfeld und Speicher.
+== Typische Größen ==
+{{Anker|typische-groessen}}
-Die maßgeblichen Kennwerte – optischer Wirkungsgrad, die beiden Verlustkoeffizienten und der Einfallswinkelkorrekturwert – stammen aus den Prüfberichten der Hersteller und sind im Kollektorkatalog hinterlegt. Eigene Datensätze lassen sich anlegen, Herstellerdaten nach VDI 3805 einlesen.
+* Einfamilienhaus (Warmwasser): 4–6 m² Kollektorfläche, 300–500 Liter Solarspeicher.
+* Mehrfamilienhaus (Warmwasser mit Zirkulation): häufig 20–40 m², abhängig von Wohnungszahl und Zirkulationsverlust.
+* Gewerbe und Hotellerie (Vorwärmung vor einem weiteren Erzeuger): 30 m² und mehr, abgestimmt auf Tagesbedarf und Speichergröße.
-== Speicher und Nutzung ==
+== Einsatz und Grenzen ==
-{{Anker|speicher-und-nutzung}}
+{{Anker|einsatz-und-grenzen|kollektortypen|speicher-und-nutzung}}
-Der Speicher entkoppelt Ertrag und Bedarf. Für reine Warmwasserunterstützung genügen kleine Volumina, für Heizungsunterstützung sind größere Speicher und eine saubere Schichtung nötig. In Kombination mit einem BHKW oder einer Wärmepumpe konkurrieren die Erzeuger um denselben Speicher – die Solarthermie senkt dann die Laufzeiten des Grundlasterzeugers, was bei einem BHKW dessen Wirtschaftlichkeit beeinflusst. Genau dieser Zielkonflikt lässt sich in der Simulation quantifizieren, indem Reihenfolge der Erzeuger und Speicherschwellen variiert werden.
+Flachkollektoren sind der Standard für Warmwasser und Heizungsunterstützung im Wohnbau: robust, preiswert, mit guter Leistung bei mäßigen Temperaturdifferenzen. Vakuumröhrenkollektoren verlieren weniger Wärme und bleiben deshalb bei hohen Betriebstemperaturen oder niedrigen Außentemperaturen im Vorteil, sind dafür teurer.
-== Abbildung in EPOS-Plan ==
+Solarthermie liefert nur, wenn die Sonne scheint, und braucht immer einen Abnehmer – einen aktuellen Bedarf oder einen Speicher –, sonst geht der Ertrag ungenutzt verloren. Sie deckt deshalb nie den ganzen Jahresbedarf allein, sondern einen Anteil, der mit Fläche und Speicher wächst und bei zu großer Kollektorfläche in einen wachsenden, nicht mehr nutzbaren Überschuss übergeht. Für Prozesswärme über rund 100 °C braucht es Sonderbauformen, und als alleiniger Wärmeerzeuger im Winter reicht sie nicht; sie ergänzt einen anderen Erzeuger, statt ihn zu ersetzen.
-{{Anker|abbildung-in-epos-plan}}
-Ein Kollektorfeld wird über Kollektortyp, Modulanzahl, Apertur- und Modulfläche sowie Neigung und Azimut beschrieben; mehrere Felder mit unterschiedlicher Ausrichtung sind möglich. Die Simulation weist neben der genutzten Wärmeproduktion und dem Deckungsanteil auch den '''Überschuss''' aus – die Wärme, die im jeweiligen Zeitschritt nicht verwertet werden kann. Diese Größe ist der eigentliche Maßstab für die Dimensionierung: Steigt sie deutlich an, ist das Feld für das vorhandene Bedarfs- und Speicherprofil zu groß.
+[[Datei:Einbindung_Solarthermie_Puffer.svg|mini|zentriert|800px|Solarthermie mit Wärmetauscher unten im geschichteten Pufferspeicher, Nachheizung und Entnahme oben. Prinzipbild.]]
-Die hydraulische Einbindung, etwa die Ladung der unteren Pufferzone oder die Kombination mit einer Booster-Wärmepumpe, zeigen die Prinzipschemata unter [[Grundlagen/Hydraulikschemata|Hydraulikschemata]].
+[[Datei:Solarthermie_Ergebnis_Monatsertrag_Deckung.svg|mini|zentriert|800px|Kollektorertrag je Monat mit Überschuss und Stunden mit Überschuss sowie solarer Deckungsanteil; Ergebnis eines Referenzprojekts, Werte gerundet.]]
+Wie stark der Abnehmer fehlt, zeigt ein Jahreslauf: Ein Kollektorfeld, das nur Heizwärme deckt, liefert im Sommer viel und findet kaum Bedarf. Wärme, die weder gedeckt noch gespeichert wird, verwirft EPOS-Plan als Überschuss; in der Anlage stünde der Solarkreis dann still (Stagnation). Der solare Deckungsanteil ist die Direktdeckung plus der Solaranteil der Speicherentladung, geteilt durch den Wärmebedarf.
+'''Beispiel.''' Ein Kollektorfeld von rund 80 m² vor BHKW und Kessel bringt im Jahr 28,8 MWh, davon nutzt das Gebäude 7,7 MWh; 21,0 MWh sind Überschuss in 1 078 Stunden. Gedeckt werden 7,2 von 52,4 MWh Heizwärme, also 13,8 % – im Juli 93 %, im Januar 5 %.
+== In EPOS-Plan ==
+{{Anker|in-epos-plan|abbildung-in-epos-plan}}
+Der Katalog der Kollektortypen liegt unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → Solarkollektoren; im Projekt legt die Kachel Solarthermie der Startseite das Kollektorfeld im Dialog „Eingabe der Solarkollektoren“ an, eingebunden wird es in der Simulationskonfiguration. Wie Kollektorfeld, Speicher und Nachheizung dort zusammenwirken, zeigt [[Programm Dokumentation/Solarthermie#einbindung|Einbindung]], ein Beispiel mit realen Größen steht unter [[Programm Dokumentation/Solarthermie#beispiel|Beispiel]], das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern unter [[Programm Dokumentation/Solarthermie#zusammenspiel|Zusammenspiel]] und was dabei zu beachten ist unter [[Programm Dokumentation/Solarthermie#fallstricke|Fallstricke]]. Der Rechenweg nach EN 12975 steht unter [[Programm Dokumentation/Berechnung/Solarthermie|Berechnung: Solarthermie]].
+[[Datei:Solarthermie_Prinzip_Kollektorkreis.svg|mini|zentriert|800px|Kollektorfeld, Solarkreis mit Wärmeübertrager und Pufferspeicher mit Nachrang-Vorgabe und Abschaltschwelle; Ertrag einer Stunde nach EN ISO 9806. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.]]
+Der Kollektor rechnet mit einer Arbeitstemperatur aus dem Speicher: der untersten Zone des Puffers plus Grädigkeit des Übertragers und halber Spreizung des Kollektorkreises. Je voller und wärmer der Puffer, desto höher die Arbeitstemperatur und desto kleiner der Ertrag. Damit sie Platz findet, laden Kessel und BHKW einen Puffer, den die Solarthermie vorrangig lädt, ohne eigene Angabe nur bis 30 % (Nachrang-Vorgabe); bis zur Abschaltschwelle von 95 % lädt dann die Solarthermie.
+'''Beispiel.''' 40 m² Flachkollektor bei 1 000 W/m² und 25 °C Außenluft: Steht die unterste Zone bei 30 °C, rechnet der Kollektor mit 40 °C und gibt 27,4 kW in den Puffer; bei 60 °C in der untersten Zone sind es mit 70 °C Arbeitstemperatur noch 22,5 kW.
 == Siehe auch ==
 {{Anker|siehe-auch}}
-* [[Solarthermie]] – Programmfunktion: Kollektorfelder, Kennwerte und Ausrichtung
+* [[Programm Dokumentation/Solarthermie|Programm Dokumentation: Solarthermie]] – Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke
-* [[Erzeuger und Speicher auswählen]] – Auswahl der Erzeuger im Programmablauf
+* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Solarthermie|Berechnung: Solarthermie]] – der Rechenweg nach EN 12975
+* [[Grundlagen/Pufferspeicher|Grundlagen: Pufferspeicher]] – der häufigste Speicher hinter dem Kollektorfeld
+* [[Grundlagen/Hydraulikschemata|Hydraulikschemata]] – die hydraulische Einbindung als Prinzipschema
 {{Navigation Grundlagen}}
 [[Kategorie:Grundlagen]]