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Flachkollektoren halten, Stand 2020, mit rund 70 Prozent den größten Marktanteil in Deutschland. Flachkollektoren sind überdies die erste Bauart von Solarkollektoren.
Der Flachkollektor weist im Vergleich der Solarthermie Kollektoren eine gute Mischung aus einfachem und robustem Aufbau, effektiver Wirkung und geringen Systemkosten auf. Als sichtbare Bestandteile einer Solarthermie-Anlage sind Flachkollektoren üblicherweise auf Hausdächern installiert, um die Kraft der Sonne optimal zu nutzen. Alternativ kommt aber auch die Montage an der Fassade oder im Garten infrage. Flachkollektoren kommen vor allem bei der Warmwasserbereitung zum Einsatz, aber auch bei der Heizungsunterstützung in Kombianlagen sind sie oft auf Hausdächern zu sehen. Die Effizienz von Flachkollektoren ist verlässlich hoch: mit einem Wirkungsgrad von rund 60 bis zu 85 Prozent.
Schnitt durch einen Flachkollektor | Bild: Bosch Thermotechnik GmbH
Ein Flachkollektor besteht aus dem Absorber, dem Kollektorgehäuse, einer Abdeckplatte – auch "Solarglas" genannt – und einer Wärmedämmung. Der galvanisch blau oder schwarz beschichtete Absorber ist das Kernstück des Kollektors. Das Absorberblech aus Kupfer, Aluminium oder Glas ist mit kleinen Rohren durchzogen und wandelt die solare Einstrahlung in Wärme um. Die Beschichtung sorgt dafür, dass möglichst viel Wärme aufgenommen wird (hohes Absorptionsvermögen) und möglichst wenig Wärme abgestrahlt wird (geringer Emissionsgrad).
Die Wärmedämmung auf der Rückseite und an den Seitenflächen des Gehäuses verhindert Wärmeverluste. Die gewonnene Wärme wird über die Solarflüssigkeit im Solarkreislauf weiter vom Flachkollektor bis zum Speicher transportiert. Die Solarflüssigkeit setzt sich meist aus Wasser und einem Anteil an Frostschutzmittel zusammen, damit die Anlage auch im Winter zuverlässig arbeitet.
Die Anforderungen an einen Speicher wiederum sind vom System abhängig – ein Solarthermie Speicher einer Anlage zur Warmwasserbereitung muss andere Anforderungen erfüllen als der Solarspeicher einer Kombianlage zur Heizungsunterstützung. Letzterer ist meist deutlich größer, damit er die höheren Wärmeerträge speichern kann.
Der Wirkungsgrad oder Konversionsgrad gibt an, wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie in von den Flachkollektoren nutzbare Wärme gewandelt wird. Er ist der Quotient aus nutzbarer thermischer Energie und auftreffender Sonnenenergie.
Der Wirkungsgrad ist keine stabile Größe, sondern von variablen Umweltbedingungen abhängig – beispielsweise sinkt der Wirkungsgrad bei steigender Umgebungstemperatur. Hier ist ein genauer Vergleich zwischen den Flachkollektoren notwendig, da diese Werte deutlich variieren.
Wichtige Kenngrößen sind der Wirkungsgrad und die Wärmeverluste. Es treten
Optische Verluste setzen sich aus Reflexion oder Absorption der Sonnenstrahlen an der Glasabdeckung, Reflexion der Strahlung am Absorber oder allgemeiner Wärmeemission der einzelnen Bauteile zusammen.
Thermische Verluste treten zum Beispiel durch Konvektion auf, wenn der Flachkollektor höhere Temperaturen als seine Umgebung aufweist. Es handelt sich um den Energieverlust in Watt/qm Kollektorfläche und die Temperaturdifferenz in Grad Celsius zwischen Absorber und Umgebung. Je größer die Differenz ist, desto größer sind die Wärmeverluste. Eine bestimmte Differenz bedingt, dass die Wärmeverluste gleich dem Energieertrag des Kollektors sind: Es gelangt keine Energie mehr vom Kollektor in den Solarkreislauf. Dieses Phänomen nennt sich auch Stagnation.
Bilder: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg / ITW
Tipp: Sie erkennen einen hochwertigen Flachkollektor daran, dass der Konversionsfaktor hoch und der k-Wert niedrig ist.
Es gibt Anwendungsfälle, für die sich Flachkollektoren besonders gut eignen. Die Rede ist zum einen von Thermischen Solaranlagen, die der Warmwasserbereitung dienen. Die zweite Möglichkeit sind Kombianlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. In einem Privathaushalt sind dabei
notwendig. Die benötigte Kollektorfläche ist dabei stets abhängig von der individuellen Bauweise und dem Dämmstandard des jeweiligen Gebäudes. Als Grundsatz gilt: Flachkollektor und Warmwasser gehen gut zusammen. Darüber hinaus ist der Einsatz von Flachkollektoren auch zur Schwimmbaderwärmung gängig. Ist generell ein Temperaturbereich von 20 bis 80 Grad Celsius gefordert, so eignen sich Flachkollektoren ebenfalls gut.
Zu leichteren Beurteilung der Qualität von Kollektoren sind Zertifikate gut geeignet. Es gibt unter anderem die Folgenden:
Diese wichtigsten Zertifikate erhalten Kollektoren, die gemäß dem Stand der Technik gefertigt wurden und deren Aufbau und Funktionen bestimmten Normen gerecht werden.
Es gibt Flachkollektoren in verschiedenen Ausführungen und von vielen Herstellern. | Bildquelle: © Bosch Thermotechnik GmbH
Es ist mit Kosten von etwa 300 Euro pro Quadratmeter zu rechnen, wenn Sie durchschnittlich leistungsfähige Flachkollektoren kaufen. Es handelt sich also um vergleichsweise günstige Solarkollektoren. Für besonders effiziente Modelle können aber durchaus auch rund 600 Euro anfallen.
Rechenbeispiel: Für ein Haus mit 120 qm Wohnfläche sind etwa 12 qm Kollektorfläche notwendig, wenn die Solarthermieanlage der Heizungsunterstützung dienen soll. Bei 300 Euro/qm zahlen Sie etwa 3.600 Euro inkl. Installation.
Je schneller nun die Preise für fossile Brennstoffe steigen, zum Beispiel auch durch die CO2-Abgabe, umso schneller amortisieren sich die Investitionskosten für eine Solaranlage mit Flachkollektoren. In diesem Zusammenhang ist auch unbedingt die richtige Dimensionierung der Anlage zu nennen. Der solare Ertrag steigt, je passender die Solarthermie-Anlage auf den persönlichen Bedarf zugeschnitten ist.
Solarthermie-Anlagen, ob mit Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren, erhalten Förderungen des BAFA und der KfW. Erfahren Sie in diesem Beitrag alles Wissenswerte zur Flachkollektoren-Förderung.
Flachkollektoren: die Vorteile
Flachkollektoren: die Nachteile
Es gibt weitere, spezielle, Arten von Flachkollektoren, die hier der Vollständigkeit halber kurz aufgeführt sind:
1. Vakuum-Flachkollektor: In diesem Fall wurde die Luft aus dem Innenraum des Flachkollektors herausgepumpt. Vakuum-Flachkollektoren müssen ca. alle ein bis drei Jahre überholt werden.
2. Flachkollektoren mit Edelgas: Bei diesen Flachkollektoren befindet sich im Innern ein Edelgas. Damit lassen sich Konvektionsverluste verringern.
3. Doppelt verglaste Flachkollektoren: Bei dieser Ausführung sind die Konvektionsverluste ebenfalls geringer, wodurch eine höhere Temperatur möglich ist.
4. Flachkollektoren mit Heat-Pipes: Bei diesen relativ neuen und wenig etablierten Typen von Flachkollektoren befindet sich in einem Wärmerohr eine Flüssigkeit, die bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf steigt daraufhin im Wärmerohr auf, um die aufgenommene Wärme an die in einem Rohr vorbeifließende Wärmeträgerflüssigkeit abzugeben. Dieser Prozess aus Verdampfen und Kondensieren wiederholt sich.
5. Hybridkollektoren: Dieser Typ von Flachkollektoren wird in Kombination mit solaren Wärmepumpen verwendet. Als Wärmequellen dienen beim Hybridkollektor Luft oder Solarstrahlung.
Fachbetriebe für Solarthermie unterstützen bei der Wahl zwischen Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor und beraten zu allen Fragen zu Aufbau und Installation.