Vakuum-Sonnenkollektor: Funktionsprinzip + wie man ihn selbst baut

Für die Warmwasserversorgung und Raumheizung fallen erhebliche Kosten an. Es gibt jedoch eine alternative Energiequelle – den Vakuum-Sonnenkollektor. Haben Sie schon davon gehört? Er ermöglicht eine deutliche Senkung der finanziellen Ausgaben für die Aufrechterhaltung des Komforts, indem er bei minimalen Wärmeverlusten eine maximale Heizwirkung erzielt.

Dieses Gerät kann bei Herstellern von Haushaltsgeräten gekauft oder selbst zu Hause gebaut werden. Um ein passendes Modell auszuwählen, müssen Sie viele Informationen studieren. Wir helfen Ihnen, die wichtigsten Kaufkriterien zu bestimmen.

In diesem Artikel geht es um das Funktionsprinzip und den Aufbau eines Vakuumkollektors. Wir erläutern die konstruktiven Merkmale verschiedener Modelle und betrachten die Vor- und Nachteile dieser Anlagen. Darüber hinaus beschreiben wir ausführlich, wie Sie einen Vakuum-Sonnenkollektor selbst bauen und installieren können.

Der Beitrag wird von Videos begleitet, aus denen Sie wichtige Merkmale und Funktionsprinzipien von Vakuumkollektoren erfahren.

Funktionsprinzip des Vakuumaggregats

Im Gegensatz zu herkömmlichen Heliosystemen unterscheidet sich der Vakuum-Sonnenkollektor durch die Art und Weise der Verarbeitung von Sonnenenergie. Eine klassische Batterie nimmt einfach Licht auf und wandelt es in Elektrizität um. Der Kollektor hingegen besteht aus Glasröhren, in denen ein Vakuum erzeugt wird. Sie werden durch spezielle Verbindungselemente zu einem einheitlichen System zusammengefügt.

In jeder Röhre befindet sich ein Kanal aus einem oder zwei Kupferstäben mit einem Wärmeträger. Indem das aktive Element die Sonnenstrahlen einfängt, erwärmt es das Wärmeträgermaterial und gewährleistet so den Betrieb des Kollektors.

Dank dieser Konstruktion steigt die Energieausbeute deutlich an, während die Wärmeverluste erheblich reduziert werden, da die Vakuumschicht es ermöglicht, etwa 95 % der eingefangenen Sonnenenergie zu speichern.

Ein auf dem Dach eines Einfamilienhauses installierter Vakuum-Sonnenkollektor versorgt die Bewohner das ganze Jahr über mit Warmwasser und ermöglicht in der kalten Jahreszeit ein komfortables Beheizen der Räume, ohne dass dafür große finanzielle Mittel aufgewendet werden müssen.

Außerdem verringert sich die Abhängigkeit der Kollektorleistung von der Jahreszeit, der Umgebungstemperatur und verschiedenen Wetterbedingungen wie Windböen, wechselnder Bewölkung, Niederschlag usw.

Wie ist ein Vakuumkollektor aufgebaut?

Moderne Vakuumgeräte, die Räume mit Wärme und Warmwasser durch Solarenergie versorgen, unterscheiden sich technologisch.

Die Kollektoren werden in folgende Typen unterteilt:

• Röhrenkollektor ohne Glasschutzabdeckung;
• Modul mit reduzierter Konversion;
• Standard-Flachkollektor;
• Gerät mit transparenter Wärmedämmung;
• Luftkollektor;
• Flacher Vakuumkollektor.

Ein Vakuum-Solarkollektor kann zu jeder Jahreszeit und bei jedem Wetter die Warmwasserversorgung und Heizung sicherstellen (+)

Sie alle haben eine gemeinsame konstruktive Ähnlichkeit und bestehen aus:

• einem äußeren transparenten Rohr, aus dem die Luft vollständig abgesaugt wurde;
• einem beheizten Anschlussstutzen, der sich im großen Rohr befindet, in dem das flüssige oder gasförmige Wärmeträgermedium zirkuliert;
• einem oder zwei Sammelverteilern, an die Rohre größeren Kalibers angeschlossen werden und in die der Kreislauf der dünnen, innenliegenden Röhrchen eintritt.

Die gesamte Konstruktion erinnert an eine Thermoskanne mit transparenten Wänden, in der ein beispiellos hohes Maß an Wärmedämmung eingehalten wird. Dank dieser Eigenschaft kann sich der Körper des inneren Rohres gut erwärmen und die Energieressource vollständig an das darin zirkulierende Wärmeträgermedium abgeben.

Konstruktive Details und Klassifizierung

Vakuumkollektoren werden nach der Art der in der Konstruktion verbauten Glasröhren oder nach den Eigenschaften der Wärmekanäle klassifiziert. Die Röhren sind üblicherweise koaxial oder federartig, die Wärmekanäle sind U-förmige Durchflussrohre und Heatpipe-Typ.               .

Eigenschaften koaxialer Röhren

Koaxialröhren sind eine doppelte Glaskolben-Thermosflasche mit einem künstlich zwischen den Wänden erzeugten Vakuum. Die innere Oberfläche der Röhre ist mit einer speziellen wärmeabsorbierenden Beschichtung versehen, sodass die tatsächliche Wärmeübertragung direkt von den Wänden des Glaskolbens erfolgt.

Koaxialröhren werden aus hochfestem Borosilikatglas mit hoher Lichtdurchlässigkeit hergestellt. Die Elemente haben je nach Hersteller bis zu drei Schichten Magnetronbeschichtung, zeigen hervorragende Festigkeit und Beständigkeit gegen verschiedene atmosphärische Einflüsse (Regen, Hagel usw.), halten einem Druck von 1 MPa stand und haben eine zuverlässige Lebensdauer von 15 Jahren.

Als absorbierendes Element wird in das Glasrohr ein Kupferrohr eingelötet, das eine Etherverbindung enthält. Beim Erhitzen verdampft diese, gibt effektiv ihre Wärme ab, kondensiert und fließt zum unteren Teil des Rohrs zurück. Dann wiederholt sich der Zyklus, wodurch ein kontinuierlicher Wärmeaustauschprozess entsteht.

Besonderheiten der Rippenrohre

Vakuum-Federrohre haben eine größere Wandstärke als koaxiale und bestehen aus einer statt zwei Glaskolben. Das innere Kupfer-Absorptionselement ist über die gesamte Länge mit einer starken Verstärkung versehen – einer gewellten Platte mit hocheffizienter energieabsorbierender Beschichtung.

Dank dieser konstruktiven Besonderheit befindet sich das Vakuum direkt im Wärmekanal, dessen Teil zusammen mit dem Absorptionsmittel direkt in den Kolben integriert ist.

Ein Vakuum-Federrohr enthält im Inneren eine Platte, die in ihrer Form einer Feder ähnelt. Im Wirkungsgrad übertrifft es das koaxiale Pendant, hat jedoch einen deutlich höheren Preis und ist bei Beschädigung des Glaskolbens oder Ausfall des Heizelements schwer zu ersetzen.

Kollektoren auf Basis von Vakuum-Federrohren gelten als die effizientesten ihrer Klasse, bewältigen die gestellten Aufgaben hervorragend und arbeiten zuverlässig über viele Jahre.

Funktionsprinzip des Wärmerohrs (Heat Pipe)

Heatpipe-Wärmekanäle bestehen aus geschlossenen Rohren, die eine leicht verdampfbare Flüssigkeit enthalten. Unter Sonneneinstrahlung erwärmt sie sich, steigt in den oberen Bereich des Kanals und sammelt sich dort in einem speziellen Wärmesammler (Manifold).

Die Arbeitsflüssigkeit gibt in diesem Moment die gesamte gespeicherte Wärme ab und sinkt wieder nach unten, um den Prozess zu erneuern.

Die Hülse des Heatpipe-Wärmetauschers wird entweder über eine spezielle, in den 1-Rohr-Wärmetauscher eingelötete Buchse mit dem Wärmetauscher des Manifolds verbunden oder von einem 2-Rohr-Wärmetauscher umschlossen.

Das Arbeitselement des Heatpipe-Wärmekanals besteht aus Kupfer, seltener aus Aluminium. Es zeigt eine hohe Beständigkeit gegen Betriebsbelastungen, hält zuverlässig 15 Jahre, hat einen angemessenen Preis und ist eines der beliebtesten Elemente moderner Vakuum-Solarkollektoren vom Röhrentyp.

Die freigesetzte Energie aus dem Wärmespeicher wird vom Wärmeträger aufgenommen und im System weiter transportiert, wodurch warmes Wasser aus Wasserhähnen und Heizkörpern bereitgestellt wird. Das Heatpipe-System ist einfach zu installieren und zeigt eine hohe Effizienz im Betrieb.

Kollektoren, die mit Vakuum-Heatpipe-Röhren ausgestattet sind, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aus und eignen sich nicht nur für den Haushalt, sondern auch für Hochdruck-Solarthermiesysteme.

Im Falle eines Defekts oder Ausfalls besteht ohne Weiteres die Möglichkeit, das beschädigte Bauteil durch ein neues zu ersetzen, ohne die gesamte Anlage umbauen zu müssen.

Reparaturarbeiten können direkt am Standort des Kollektors problemlos durchgeführt werden, ohne das Gerät zu demontieren oder übermäßigen Aufwand zu betreiben.

Beschreibung des U-förmigen Durchlaufwärmetauschers

Das Rohr des Durchlaufwärmetauschers hat die Form eines U. Im Inneren zirkuliert Wasser oder das Arbeitsmedium des Heizsystems. Ein Teil des Elements ist für das kalte Medium vorgesehen, der andere leitet das bereits erwärmte Medium korrekt ab.

Bei Erwärmung dehnt sich das Arbeitsmedium aus und gelangt in den Speichertank, wodurch eine natürliche Zirkulation der Flüssigkeit im System entsteht. Eine spezielle selektive Beschichtung auf den Innenwänden erhöht die Wärmeaufnahmefähigkeit und steigert die Effizienz des Gesamtsystems.

Im Vergleich zu Heat-Pipe-Rohren haben U-förmige Produkte einen höheren hydraulischen Widerstand, stellen höhere Anforderungen an das Wärmeträgermedium und sind deutlich teurer. Kollektoren, die mit U-Durchläufen arbeiten, können nicht unter hohem Druck betrieben werden und liefern nur in der warmen Jahreszeit eine gute Wärmeabgabe.

Rohre vom U-Typ zeigen eine hohe Leistung und geben eine solide Wärmeabgabe, haben jedoch einen wesentlichen Nachteil. Sie bilden eine integrale Konstruktion mit dem Verteiler und werden immer zusammen mit diesem montiert.

Eine einzelne defekte Röhre kann nicht ersetzt werden. Für die Reparatur muss der gesamte Komplex demontiert und durch einen neuen ersetzt werden.

Vergleich verschiedener Ausführungen

Bei der Herstellung von Solargeräten werden Wärmekanäle und Vakuumglasröhren für Sonnenkollektoren in den unterschiedlichsten Kombinationen zusammengestellt.

Am beliebtesten bei den Verbrauchern sind Koaxialmodelle mit einem Heatpipe-Wärmekanal. Die Käufer schätzen den günstigen Preis der Geräte und die sehr einfache, zugängliche Wartung während der gesamten Nutzungsdauer.

Der Vakuum-Sonnenkollektor mit Heatpipe-Arbeitskanal lässt sich hervorragend reparieren. Der Austausch beschädigter Röhren erfolgt vor Ort und erfordert weder eine Demontage des Systems noch eine Verlegung an einen anderen Ort. Allerdings ist der Wärmeaustausch bei diesen Modellen kompliziert, wodurch der Wirkungsgrad am Ausgang nicht mehr als 65 % beträgt.

Vakuumgeräte mit Heatpipe-Kanälen zeigen eine hohe Zuverlässigkeit und unterliegen keinerlei Einschränkungen in der Nutzung, selbst in Hochdruck-Solarthermieanlagen.

Geräte mit koaxialen Glaskolben, die durchströmbare U-förmige Kanäle enthalten, gehören ebenfalls zu den gefragten. Sie zeichnen sich durch Parameter wie geringe Wärmeverluste und einen Wirkungsgrad von 70 % und mehr aus.

Für eine korrekte Funktion muss das Vakuumgerät mit U-Kanal richtig installiert werden. Der minimale Neigungswinkel sollte mindestens 20° betragen. Nur so kann die maximale Leistung erzielt werden.

Etwas getrübt wird die Situation durch: den aufwändigen Reparaturprozess, die spezifische Wartung während des Betriebs und die Unmöglichkeit, eine einzelne defekte Komponente auszutauschen. Wenn mit dem Gerät etwas passiert, wird es demontiert und an seiner Stelle ein völlig neuer Kollektor installiert.

Federrohre bestehen konstruktionsbedingt aus einem einzelnen Glaszylinder mit verdickten, stabilen Wänden (je nach Hersteller ab 2,5 mm und mehr). Die darin befindliche Einlage aus Federabsorber umschließt den aus wärmeleitendem Metall gefertigten Arbeitskanal dicht.

Eine nahezu perfekte Isolierung schafft der Vakuumraum im Inneren des Glasbehälters. Der Absorber überträgt die aufgenommene Wärme verlustfrei und sorgt für einen Wirkungsgrad des Systems von bis zu 77 %.

Im Falle einer Störung können Kollektoren mit Federrohren repariert werden. Es ist nicht erforderlich, das gesamte System auszutauschen; es reicht aus, das beschädigte Bauteil zu lokalisieren, zu demontieren und durch ein neues zu ersetzen.

Modelle mit Federabsorber sind etwas teurer als koaxiale, aber aufgrund ihrer hohen Effizienz sorgen sie für vollwertigen Komfort im Raum und amortisieren sich schnell.

Am effektivsten und leistungsfähigsten sind Federkolben mit internen Durchflusskanälen. Ihr tatsächlicher Wirkungsgrad erreicht manchmal Rekordwerte von 80 %.

Bei der Montage der Federrohre in den Rahmen wird auf den Stab jedes Teils eine robuste Klemmmutter mit Ring und hitzebeständiger Dichtung aufgesetzt. Dies gewährleistet die Dichtheit der gesamten Konstruktion und ermöglicht dem Kollektor, unter allen Bedingungen einwandfrei zu funktionieren.

Der Preis der Produkte ist recht hoch, und bei Reparaturen muss unbedingt das gesamte Kühlmittel aus dem System abgelassen werden, bevor mit der Fehlerbehebung begonnen werden kann.

Wie sollte ein Wärmesammler sein?

Der Wärmesammler ist ein weiteres sehr wichtiges Arbeitselement des Vakuumkollektors. Über dieses Bauteil erfolgt die Übertragung der gespeicherten Wärme von den Röhren auf das Kühlmittel.

Der Wärmesammler befindet sich im oberen Teil des Geräts. Eine seiner Komponenten, der Kupferkern, nimmt die Energie auf und gibt sie an das Hauptkühlmittel weiter, das im geschlossenen Kreislauf „Wärmetauscher des Tanks-Kollektor“ zirkuliert.

Für eine korrekte Funktion sorgt die an das System angeschlossene Umwälzpumpe. Die den Heizkomplex steuernde Automatik überwacht genau den Temperaturpegel in den Kanälen und stoppt bei einem Absinken unter das zulässige kritische Minimum (z. B. in der Nacht) den Betrieb der Pumpe.

Dies verhindert eine Rückerwärmung, bei der das Wärmeträgermedium Wärme aus dem im Speicherbehälter angesammelten heißen Wasser aufnimmt.

Vor- und Nachteile von Vakuumkollektoren

Als größter Vorteil der Aggregate wird das fast vollständige Fehlen von Wärmeverlusten während des Betriebs genannt. Dies wird durch die Vakuumumgebung gewährleistet, die einer der besten natürlichen Isolatoren ist. Aber damit endet die Liste der Vorteile nicht.

Die Geräte haben auch andere deutlich ausgeprägte Vorteile:

• Arbeitseffizienz bei niedrigen Temperaturen (bis -30 °C);
• Fähigkeit, Temperaturen bis 300 °C zu speichern;
• maximal mögliche Aufnahme von Wärmeenergie, einschließlich des unsichtbaren Spektrums;
• Betriebsstabilität;
• geringe Anfälligkeit gegenüber aggressiven Witterungseinflüssen;
• geringe Windangriffsfläche aufgrund der konstruktiven Besonderheiten von Rohrsystemen, die Luftmassen unterschiedlicher Dichte durch sich hindurchströmen lassen;
• hohe Effizienz in Regionen mit gemäßigtem und kühlem Klima mit wenigen klaren und sonnigen Tagen;
• Langlebigkeit bei Einhaltung der grundlegenden Betriebsregeln;
• Reparaturfreundlichkeit und die Möglichkeit, nicht das gesamte System, sondern nur ein defektes Teil auszutauschen.

Zu den Nachteilen zählen die Unfähigkeit der Kollektoren zur Selbstreinigung von Reif, Eis und Schnee sowie die hohen Kosten für die erforderlichen Komponenten zur Montage des Aggregats unter häuslichen Bedingungen.

Ein Sonnenkollektor ist ein effizientes Gerät, das es ermöglicht, Sonnenenergie nahezu verlustfrei in Wärme umzuwandeln.

Montage des Geräts in Eigenregie

Der Montageprozess des Vakuumkollektors beginnt mit der Herstellung eines Trägerrahmens für die Arbeitselemente. Dieser wird direkt an dem für die Anlage vorgesehenen Ort montiert.

Die Größe und die Abmessungen des Rahmens hängen vollständig von dem Modell ab, das hergestellt werden soll, und sind in der Regel in der Anleitung angegeben, die sich in den Begleitdokumenten zu den Komponenten befindet.

Den fertigen Kollektorrahmen befestigt man auf dem Dach, sodass er eine feste Position einnimmt und nicht wackelt. Wenn das Gebäudedach aus Schiefer besteht, verwendet man eine Lattung und großkalibrige dicke Schrauben. Für andere Dacheindeckungsmaterialien werden gewöhnliche Anker verwendet.

Die Stellen, an denen der Rahmen auf der Dachfläche aufliegt, werden zusätzlich mit Dichtmittel fixiert, damit später kein Wasser durch die Öffnungen ins Haus eindringt. Danach wird der Speichertank zur Montagestelle gebracht und mit Schrauben am oberen Teil des Rahmens befestigt.

Im nächsten Schritt werden das Heizelement, der Temperatursensor und der automatisierte Entlüfter montiert. Alle Hilfsaggregate und dazugehörigen Teile werden auf die mitgelieferten Dämpfungsunterlagen gesetzt. Zur Befestigung des Temperatursensors wird ein Steckschlüssel verwendet.

Dann wird die Zuführung der Wasserleitungen eingerichtet. Dazu werden Rohre aus jedem Material verwendet, das beständig gegen niedrige Temperaturen ist und bis zu 95 °C aushält. Bewährt haben sich Polypropylenrohre und -Fittings.

Polypropylenrohre eignen sich ideal zur Herstellung der Verbindung des Sonnenkollektors mit dem Wasserversorgungssystem des Wohnraums. Die Armaturen weisen gute physikalische Eigenschaften und eine hohe Betriebsbeständigkeit auf, dienen zuverlässig viele Jahre lang und lassen sich bei Rissbildung oder Brüchen leicht austauschen.

Nach dem Anschluss der Wasserleitung wird der Speichertank mit Wasser gefüllt und auf Dichtheit geprüft. Wenn innerhalb von 3–4 Stunden irgendwo Lecks festgestellt werden, werden diese behoben.

Zum Schluss werden die Heizelemente installiert. Dazu wird das Kupferrohr mit einem Aluminiumblech umwickelt und in ein Glasvakuumrohr eingelegt. Von unten wird auf den Kolben eine Fixierhülse und ein Staubschutz aus robustem, flexiblem Gummi aufgesetzt.

Die obere Kupferspitze des Rohrs wird bis zum Anschlag in den Messingkondensator eingeschoben. Die zähflüssige Wärmeleitpaste wird nicht von den Rohren entfernt. Der Fixiermechanismus am Halter wird eingerastet, und nach dem gleichen Prinzip werden alle übrigen Glasrohre montiert.

Röhren-Sonnenkollektoren benötigen regelmäßige Wartung und obligatorische Reinigung, besonders während der Zeit mit starkem Schneefall. Wenn diese einfachen Regeln eingehalten werden, funktionieren sie lange und behalten während der gesamten Betriebsdauer ein hohes Effizienzniveau.

Auf die Konstruktion wird eine Montageeinheit gesetzt, diese mit einer 220-Volt-Stromversorgung verbunden und drei Hilfseinheiten an das System angeschlossen – Heizelement, Entlüfter und Temperatursensor.

Zuletzt wird der Controller angeschlossen, der für die korrekte Steuerung des Komplexes vorgesehen ist. Im Menü des Controllers werden die gewünschten Betriebsparameter eingegeben und das System im Standardmodus gestartet.

Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Bau eines Sonnenkollektors finden Sie in diesem Artikel.

Wie platzieren Sie das Gerät richtig?

Damit ein Vakuumkollektor voll funktionsfähig ist und einen Wohnraum effektiv mit der benötigten Energie versorgt, muss ein geeigneter Standort gefunden und das Gerät richtig nach den Himmelsrichtungen ausgerichtet werden.

Vakuum-Sonnenkollektoren sind viel praktischer als ihre flachen Pendants. Wenn eines der Arbeitsrohre beschädigt wird und ausfällt, kann es sehr einfach durch ein neues ersetzt werden. Danach arbeitet das System im gewohnten Modus weiter. Wenn es nicht sofort möglich ist, ein neues Element anstelle des defekten einzusetzen, ist das kein Problem. Das Aggregat kann seine 'Aufgaben' auch dann erfüllen, wenn eine Einheit mit einem beschädigten Element vorhanden ist.

Für Orte auf der Nordhalbkugel ist es sinnvoll, den Kollektor auf der Südseite des Hausdachs oder auf der Sonnenseite des Grundstücks zu platzieren. Für die Ebene des Geräts sollte eine möglichst geringe Abweichung angestrebt werden.

Wenn es nicht möglich ist, die Fläche nach Süden auszurichten, sollte man zwischen Westen und Osten den hellsten Winkel im Freien wählen.

Die hohe Betriebseffizienz eines Vakuumkollektors ist auch darauf zurückzuführen, dass er nach dem Spiegelprinzip arbeitet und seine Heizleistung entsprechend der aktuellen Sonnenhöhe anpasst.

Das solare Energie-System darf nicht durch Schornsteine, dekorative Dachteile, ausladende Äste von Bäumen oder hohe Wohn- oder Nebengebäude verdeckt werden. Dies würde die Effizienz verringern und den Erwärmungsgrad der aktiven Elemente reduzieren.

Wenn das Aggregat richtig positioniert ist, liefert es nahezu das ganze Jahr über unabhängig von der Jahreszeit eine gleichbleibende Wärmeabgabe.

Wenn keine große Erfahrung mit komplexen Reparatur-, Montage- und Metallarbeiten vorhanden ist, ist es nicht sinnvoll, die Rohre zu Hause zu evakuieren. Dieser Prozess ist sehr aufwendig und erfordert spezielle Kenntnisse und Fachausrüstung.

Darüber hinaus haben selbstgebaute Vakuumelemente einen viel geringeren Wirkungsgrad als werkseitig hergestellte Teile. Daher ist es am sinnvollsten, die Produkte bei einem Fachhersteller zu kaufen und dann zu Hause zu versuchen, einige Sektionen zusammenzubauen.

Auf der Website gibt es eine Auswahl an Artikeln zur Einrichtung einer Solarheizungsanlage. Wir empfehlen Ihnen, diese zu lesen:

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Fazit und nützliche Videos zum Thema

Eine ausführliche, detaillierte Beschreibung des Vakuumrohrs, seines Funktionsprinzips und der Besonderheiten des gesamten Solarkollektors. Der Autor erläutert einige interessante Nuancen und zeigt, dass die Anlage eine echte Alternative zu einem Gaskessel sein kann.

Interessante Informationen über die Funktionsweise des Solarkollektors in der Winterzeit.

Wie man einen Vakuum-Solarkollektor zu Hause richtig selbst montiert. Alle Nuancen des Prozesses, Empfehlungen und nützliche Tipps.

Kennt man das grundlegende Funktionsprinzip eines Röhren-Vakuum-Solarkollektors, kann man das Gerät selbst zusammenbauen. Die Anlage wird vollständig den persönlichen individuellen Anforderungen und Bedürfnissen entsprechen.

Dies ist keine allzu schwierige Aufgabe, erfordert jedoch erhöhte Aufmerksamkeit, Gründlichkeit und bestimmte Fähigkeiten, da sonst das Risiko, die Unversehrtheit des Kolbens zu beschädigen und seine Dichtheit zu beeinträchtigen, erheblich steigt.

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