Kollektorwirkungsgrad

Um den Kollektorwirkungsgrad zu bestimmen, wird ermittelt, wie viel nutzbare Wärme durch die auf die Kollektoren eintreffende Globalstrahlung umgesetzt werden kann, quasi wie viel Wärmemenge an die Solarflüssigkeit abgegeben werden kann. Dazu müssen auch die optischen und thermischen Verluste ermittelt werden. Außerdem ist der Kollektorwirkungsgrad abhängig von der Temperaturdifferenz von Umgebungstemperatur des Kollektors und der Nutzungstemperatur von Heizung oder Brauchwasser. Je kleiner der Temperaturunterschied ist, desto höher ist der Kollektorwirkungsgrad. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad im Winter so schlecht, da selbst bei guter Strahlungsleistung der Sonne nur wenig Wärme durch die Kollektoren nutzbar ist.

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Nutzbare Wärme durch Sonnenstrahlen

Da der Kollektorwirkungsgrad von den Globalstrahlungen der Sonne abhängt, gibt es je nach Jahreszeit und Witterung starke Abweichungen. Im Schnitt kann man von einem Kollektorwirkungsgrad von etwa 50% ausgehen.

Natur und Umweltaspekte

Optische und thermische Verluste

Die Solarkollektoren können durch optische Verluste nicht die gesamten Sonnenstrahlen in Wärme umwandeln. Der optische Wirkungsgrad wird in der Einheit eta Null (η0) angegeben. Optische Verluste entstehen durch Absorption und Streuung der Sonnenstrahlen innerhalb der Glasabdeckung, aber auch durch Reflexion im Absorber und an beiden Oberflächen der Kollektorabdeckung. Die Sonnenstrahlen, die auf die Kollektoren treffen, verlieren etwa 20 Prozent der Energie durch optische Verluste. Jedoch lassen sich die optischen Verluste durch entsprechende Beschichtungen verringern. Aber auch Schäden oder Verschmutzungen an den Kollektoren führen zu zusätzlichen Wärmeverlusten.
Sofern die Umgebungstemperatur die gleiche Temperatur aufweist wie die Temperatur des Absorbers, entstehen keine thermischen Verluste. In diesem Fall beträgt der Kollektorwirkungsgrad gleich dem Wert des Nutzungsgrads des Kollektors. Jedoch trifft dies höchstens im Sommer ein, denn im Winter sind die Temperaturunterschiede meistens zu gravierend. Die Temperaturunterschiede zwischen der Außentemperatur und des Absorbers werden mit Delta T (ΔT) in Kelvin angegeben. Die thermischen Verluste entstehen in der Regel durch den Wärmeaustausch mit der Luft, die Abstrahlung der Wärme an die Umgebung und die Übertragung der Wärme auf andere Materialien, wie zum Beispiel dem Rahmen des Kollektors. Bei der Verwendung von Vakuum-Röhrenkollektoren weisen diese einen höhen Kollektorwirkungsgrad bei Temperaturdifferenzen zwischen Absorber und Vakuum-Röhrenkollektoren auf.

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In aller Regel wird der Bedarf von einem Fachbetrieb (Heizungsbau- und Solarunternehmen) ermittelt.

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Wie errechnet man den Kollektorwirkungsgrad?

Um den Wirkungsgrad des Solarkollektors zu berechnen, tritt folgende Formel in Kraft:
η = η0 – (k1 • ΔT : Eg) – (k2 • ΔT² : Eg)
η = Kollektorwirkungsgrad
η0 = optischer Wirkungsgrad
k1, k2 = Wärmeverlustbeiwerte in W/(m2• K)
ΔT Temperaturdifferenz in K
Eg Bestrahlungsstärke in W/m2

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High Flow Anlagen für höheren Kollektorwirkungsgrad

Je höher die Temperatur des Absorbers, desto geringer wird der Wirkungsgrad. Je höher allerdings die Strahlungsleistung der Sonne wird, desto mehr steigt wiederum der Wirkungsgrad. Doch so funktioniert die Solarthermie, je höher die Strahlungsleistung der Sonne, desto höher wird die Temperatur des Absorbers. Allerdings kann man die ansteigende Temperatur des Absorbers durch Abtransport der Wärme reduzieren. Aus diesem Grund werden häufig sogenannte High-Flow Anlagen eingesetzt. Dieser sorgt dafür, dass die Wärme schneller abtransportiert wird, damit die Kollektor-Betriebstemperatur nicht zu hoch wird. Deshalb treten geringere Wärmeverluste, aufgrund von niedrigeren Temperaturen im Kollektor, beziehungsweise im Absorber auf. Somit erhöht sich der Kollektorwirkungsgrad und die Kollektoren werden geschont.

Compiler für höheren Kollektorwirkungsgrad

Durch den Einsatz eines Compilers, erhöht sich die solare Speicherkapazität und der Jahresnutzungsgrad der Kollektoren steigt. Durch das Zuschalten von einem Compiler, lassen sich die Kollektoren selbst dann nutzen, wenn die Temperaturen innerhalb des Kollektors nicht die Temperaturen von Brauch- oder Heizungswasser erreicht. Wenn sich das Temperaturniveau aufgrund der Strahlungsverhältnisse unterscheidet, schaltet sich der Compiler auf die Quellseite der Wärmepumpe und sorgt für eine Temperatursenkung der Eintrittstemperatur in den Kollektoren. Das führt wiederum zu einer Steigerung des Wirkungsgrads. Da die Quellentemperatur steigt, steigt ebenfalls die Leistungszahl der Wärmepumpe, womit der Compiler über das ganze Jahr eine weitere Speicherkapazität bietet. Außerdem verbessert sich durch den Compiler der Jahres-Nutzungsgrad des Kollektors, da es weniger Zeiten des Stillstands gibt. Ebenfalls besteht die Möglichkeit den Compiler zur saisonalen Wärmespeicherung auszubauen, womit eine Energiekosteneinsparung von bis zu 95% möglich ist.

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