Verschiedene Solarkollektoren auf dem Dach eines Hauses.
Johannes Ruf

Johannes Ruf

Product Manager Heating, Ventilation und Air Conditioning

Solarkollektoren: Funktion, Arten und Entscheidungshilfen

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Solarthermie steht für eine CO2-freie Wärmeerzeugung, zum Beispiel für das Brauchwasser oder zur Heizungsunterstützung in Ihrem Haushalt. Das Herzstück solarthermischer Anlagen sind die Solarkollektoren. Sie wandeln Sonnenlicht in nutzbare Wärme um. So können Sie nachhaltig Energiekosten einsparen und schonen gleichzeitig die Umwelt. 

In diesem Beitrag stellen wir Ihnen die unterschiedlichen Arten von Solarkollektoren, ihre Funktionsweisen sowie ihre spezifischen Vor- und Nachteile detailliert vor. Darüber hinaus bieten wir Ihnen Entscheidungshilfen, um herauszufinden, welche Art Solarkollektor am besten zu Ihrem Haus und Ihren Anforderungen passt.
 

Wie funktionieren Solarkollektoren?

Das Funktionsprinzip ist bei allen Solarkollektoren nahezu identisch. Solarthermie-Kollektoren absorbieren die Energie des Sonnenlichts. Die dabei gewonnene Wärme wird mittels Solarfluid an einen Pufferspeicher übertragen und als Warmwasser gespeichert. Über Rohre gelangt das warme Wasser in den Brauchwasser- oder Heizungskreislauf Ihres Hauses und kann dort beispielsweise zum Abwaschen, Duschen oder Heizen genutzt werden. 

Anders als Photovoltaikanlagen erzeugen solarthermische Anlagen also keinen elektrischen Strom, sondern in Wasser gespeicherte Wärmeenergie. 
 

Welche Arten von Solarkollektoren gibt es?

Im Wesentlichen gibt es zwei Arten von Solarthermie-Kollektoren: Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren. Hier stellen wir Ihnen die unterschiedlichen Funktionsweisen, die Vorteile und Nachteile sowie Einsatzzwecke vor.

 

Vakuumröhrenkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren sind teurer als Flachkollektoren, überzeugen aber durch einen hohen Wirkungsgrad – auch bei Bewölkung und in der dunklen Jahreszeit. 

Der Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors setzt sich aus vier Komponenten zusammen:

Die Grafik zeigt den Aufbau und alle Bauteile eines Röhrenkollektors.

 

  1. Luftentleerte Röhren aus Borsilikatglas mit einer Wandstärke von circa 1,5 bis 3 mm. Die entsprechend benannten Vakuumröhren sorgen für eine optimale Isolierung und bilden die Basis des Röhrenkollektors.
     

  2. In jeder der Vakuumröhren sitzt ein mit speziellem Blech beschichteten Absorber, was einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Die generelle Funktionsweise ist Ihnen vielleicht bereits von Thermoskannen bekannt.
     

  3. Die Absorber ummanteln ihrerseits jeweils ein zumeist U-förmiges und mit Solarfluid gefülltes Kupferrohr. Dieses Solarfluid überträgt die generierte Wärme in den Warmwasser- bzw. Pufferspeicher.
     

  4. Die miteinander verbundenen Röhren wiederum befinden sich dabei in einem Metallrahmen. Die Anzahl der Röhren ist variabel. 

 

Durch unterschiedliche Bauformen ergeben sich gewisse Besonderheiten. So unterscheidet man Röhrenkollektoren auch in direkt durchströmte Sydney-Kollektoren und indirekt durchströmte Heatpipe-Kollektoren. Entsprechend erwärmt sich das eigentliche Solarfluid direkt beziehungsweise indirekt (durch Verdampfung einer zweiten Flüssigkeit).

Heatpipe-Kollektoren benötigen eine Neigung von mindestens 20° (Idealwert liegt zwischen etwa 25° und 70°). Sydney-Kollektoren unterliegen keiner Neigungseinschränkung und erbringen von 0° bis 90° Neigung ihre volle Leistung. Beide Röhrenkollektortypen sind dabei in der Regel mit CPC-Technologie (Compound Parabolic Concentrator) ausgestattet – parabolische Hohlspiegel, die den Wirkungsgrad der Absorption nochmals verstärken. 
 

Ein Vakuum-Röhren-Solar-Kollektor aufgebaut vor einem Haus.

Vor- und Nachteile von Vakuumröhrenkollektoren

Die Vorteile von Vakuumröhrenkollektoren

Wirkungsgrad von circa 90 %: Vakuumröhrenkollektoren erzielen auch bei Bewölkung und in der dunklen Jahreszeit hohe Temperaturen und eignen sich damit ganzjährig für die Warmwasserbereitung.  

geringer Dachflächenbedarf: Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads benötigen Vakuumröhrenkollektoren bei gleichem Leistungsertrag rund 30 % weniger Dachfläche als Flachkollektoren. 

geringes Gewicht: Vakuumröhrenkollektoren wiegen je Quadratmeter Dachfläche nur etwa 11 bis 20 kg und sind damit durchschnittlich circa 5 kg leichter als Flachkollektoren. Damit eignen sie sich auch für Leichtbau- oder Altbau-Dächer. Darüber hinaus lassen sich Röhrenkollektoren leicht transportieren und montieren. 

flexibel installierbar: Vakuumröhrenkollektoren können sowohl auf Steildächern, Flachdächern als auch an Häuserfassaden installiert werden. 

 

Die Nachteile von Vakuumröhrenkollektoren

⊗ hohe Anschaffungskosten: Vakuumröhrenkollektoren kosten in der Anschaffung zwei- bis dreimal so viel wie Flachkollektoren. Trotz ihres überzeugenden Wirkungsgrads bleiben sie in punkto Wirtschaftlichkeit häufig hinter Flachkollektoren zurück.

 optischer Eindruck: Vakuumröhrenkollektoren lassen sich nur selten bündig ins Dach integrieren, was den optischen Eindruck Ihrer Immobilie beeinflusst. 

 

Flachkollektoren

Flachkollektoren sind deutlich günstiger in der Anschaffung als Vakuumröhrenkollektoren. Darüber hinaus sind sie robust und lassen sich auf Schrägdächern so bündig ins Dach integrieren, dass sie von Weitem wie Dachfenster aussehen. Aktuell liegt der Solarthermie-Marktanteil von Flachkollektoren in Deutschland bei rund neunzig Prozent

Der Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors setzt sich aus fünf Komponenten zusammen:

Die Grafik zeigt den Aufbau und alle Bauteile eines Flachkollektors.
  1. Robustes Solarsicherheitsglas bildet die Außenhülle des Kollektors. Das Glas schützt die innenliegenden Komponenten vor Beschädigung von außen (Hagel, Äste etc.) und hält die Wärme im Kollektor. Eine Antireflex-Beschichtung reduziert die Reflexion des Solarglases nach außen. 
     

  2. Darunter befindet sich der Absorber selbst: ein zumeist aus Kupfer bestehendes Absorberblech mit hoher Wärmeleitung. Der gewünschte Wärmestau innerhalb des Solarglases erhitzt Absorber und Rohre, sobald Sonnenlicht auf die Flachkollektoren trifft.
     

  3. Der Absorber ist mit einer mäanderförmigen Rohrschlange verbunden – ein ebenfalls aus Kupfer bestehendes Röhrensystem, in dem Solarflüssigkeit zirkuliert. Diese überträgt die absorbierte Wärme an den Warmwasser- bzw. Pufferspeicher. 
     

  4. Eine Dämmschicht aus üblichen Materialien wie Mineralwolle oder auch Polyurethan umgibt die Rohrschlange und minimiert Wärmeverluste. 
     

  5. Das Rahmengehäuse aus Aluminium oder Edelstahl vervollständig den Flachkollektor hält alle Komponenten zusammen. 

 

Flachkollektoren sind eine über viele Jahre ausgereiftes Technologie der solarthermischen Wärmegewinnung. Ihre Besonderheiten liegen in Details der Verarbeitung. 

Flachkollektoren für Solarthermie auf einem Dach mit Pool.

Vor- und Nachteile von solarthermischen Flachkollektoren

Die Vorteile von solarthermischen Flachkollektoren

Langlebigkeit: Flachkollektoren sind technisch ausgereifte solarthermische Komponenten, deren Langlebigkeit seit Jahrzehnten erprobt ist. 

einfache Montage: Flachkollektoren sind in der Regel schnell und einfach montiert. Hierbei unterscheidet man zwischen Aufdach- und Indach-Montagen. Indach-Anlagen fügen sich nahtlos in Dachflächen ein. Mit einer individuellen Aufständerung lassen sich Flachkollektoren auch auf Flachdächern mit einem optimalen Neigungswinkel zur Sonne ausrichten. 

elegante Optik: Das schwarzunterlegte Solarglas wird häufig als elegant wahrgenommen. Je nach Entfernung und Lichteinfall wirken Flachkollektoren, die nahtlos in Schrägdächer integriert wurden, einfach wie schicke Dachfenster. 

✔ ansehnliche Wirkungsgrade: Flachkollektoren erzielen je nach Standort und Himmelsrichtung Wirkungsgrade von durchschnittlich 65 %, in einigen Fällen auch deutlich darüber hinaus.

Preis-Leistungs-Verhältnis: Der Anschaffungspreis von Flachkollektoren liegt deutlich unter dem von Vakuumröhrenkollektoren. Trotz geringerem Wirkungsgrad erzielen sie in der Regel günstigere Wärmegestehungskosten und sind somit wirtschaftlich meist lukrativer.

 

Die Nachteile von solarthermischen Flachkollektoren

⊗ große Montagefläche: Aufgrund des geringeren Wirkungsgrades benötigen Flachkollektoren im Vergleich zu Röhrenkollektoren für die gleiche Wärmegewinnung etwa 30 % mehr Dach- bzw. Montagefläche. In vielen Fällen genügt die vorhandene Dachfläche somit nur für die umweltfreundliche Warmwasserversorgung, nicht aber zum dauerhaften Heizen.

⊗ hohes Eigengewicht: Flachkollektoren haben mit 15 bis 25 kg je Quadratmeter ein vergleichsweise hohes Eigengewicht. Daher ist es häufig nötig, vor der Installation die Tragfähigkeit und Statik des Daches zu prüfen.  

 Leistungsminderung bei hohen Außentemperaturen: Flachkollektoren verlieren bei sehr hohen Außentemperaturen an Leistung. Das ist allerdings unproblematisch, wenn die Anlage zur Heizungsunterstützung gebraucht wird, weil dann eher niedrige Außentemperaturen herrschen.

 

Entscheidungshilfe: Welcher Solarkollektor ist der Richtige für mich?

Sie haben sich für eine Solarthermieanlage auf Ihrem Dach entschieden? Dann stellt sich nun die Frage, ob Fachkollektoren oder Vakuumsolarkollektoren – welcher Kollektor ist am besten für Ihre Immobilie und Ihre Bedürfnisse geeignet? 

Prinzipiell eigenen sich beide Solarkollektortypen sowohl für die Warmwasserversorgung als auch für die Heizungsunterstützung. Wenn Sie beide Anwendungsoptionen andenken, dürften die folgenden Richtwerte für Sie hilfreich sein:

Anwendungsparameter

Flachkollektor

Vakuumröhrenkollektor

Benötigte Dachfläche für die Warmwasserversorgung je Person im Haushalt

1,5 m²

1 m²

Benötigte Dachfläche für die Heizungsunterstützung je Person im Haushalt

3 m²

2 m²

Kosten je Quadratmeter Dachfläche

ca. 250 €

ca. 750 €

Amortisationszeit

ca. 12-15 Jahre

ca. 15-20 Jahre

 

Aufgrund des besseren Preis-Leistungs-Verhältnisses von Flachkollektoren müssen Sie bei normalen Standortbedingungen also eigentlich nur prüfen, ob Ihr Dach über die nötige Montagefläche und Traglast für solarthermische Flachkollektoren verfügt.

Ist Ihre Dachfläche hingegen nicht ausreichend groß oder häufig verschattet (z. B. durch Bäume oder andere Gebäude), sind Vakuumröhrenkollektoren trotz der höheren Anschaffungskosten vermutlich die bessere Option.

Blick in die Zukunft: Wie werden sich Solarkollektoren entwickeln?

Derzeit gibt es gut 3 Millionen Solarthermieanlagen in Deutschland. Der Marktanteil von Flachkollektoren beträgt dabei rund 90 %. Dabei muss allerdings einberechnet werden, dass Vakuumröhrenkollektoren längere Zeit nicht Bestandteil staatlicher Förderprogramme waren. 

 

Solarthermie als aktiver Beitrag zur Klimawende

Gesetzgeberische Maßnahmen wie die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) oder das Gebäudeenergiegesetz (GEG) fördern den Ausbau erneuerbarer Energien maßgeblich. So stellt beispielsweise das GEG verpflichtende Anforderungen an den Einsatz regenerativer Energien wie Solarthermie bei Neubauten.

Je nach Anlage kann eine Förderung von 30–40 % der Investitionskosten beantragt werden. Zusätzlich ist eine Betriebskostenförderung über einen Zeitraum von 10 Jahren möglich. In jenen Bundesländern, in denen es schon länger eine Pflicht zur Photovoltaiknutzung bei Neubauten gibt, sorgen die jüngeren Gesetzesvorgaben dafür, dass Eigentümer*innen alternativ auch eine Solarthermie-Anlage installieren können. 

Solarthermieanlagen gelten – zusammen mit Photovoltaik-Heizstäben – derzeit als ökologisch sauberste Form der Warmwasserbereitung.  Aufgrund dieser Tatsache wird sich der Marktanteil der Solarthermie daher aller Voraussicht nach erhöhen. Perspektivisch dürften sich dabei auch die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten bei Vakuumröhrenkollektoren im Vergleich zu Flachkollektoren verringern. 
 

Ein Hausdach, das Sonnenkollektoren installiert hat. Im Hintergrund sind Windkrafträder und blauer Himmel.

Nachhaltige Erweiterungsmöglichkeiten für Solarthermieanlagen

In der Praxis ist die Wärmegewinnung mittels Solarthermie häufig nicht ausreichend, um eine Immobilie auch in den dunklen Monaten vollumfänglich zu beheizen. Die verfügbare Sonnenenergie reicht in unseren Breiten schlicht nicht aus. Im Ergebnis dienen Solarthermieanlagen vor allem der Warmwasserbereitung, während sie beim Thema Heizen häufig lediglich bestehende Heizsysteme wie Gasheizungen oder Pelletheizungen unterstützen.

Wer die Wärmeversorgung seiner Immobilie vollständig CO2-frei gestalten möchte, sollte über eine ganzheitliche 360°-Energielösung nachdenken. So lässt sich Solarthermie beispielsweise sowohl mit einem Photovoltaik-Heizstab kombinieren als auch in ein Wärmepumpen-Heizungssystem integrieren. In beiden Fällen machen Sie sich unabhängig von der Nutzung fossiler Brennstoffe. 
 

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