Flach- und Röhrenkollektoren: Der bessere Wirkungsgrad steht auf der falschen Bezugsfläche

Zwei Zahlen aus zwei Datenblättern desselben Herstellers, beide nach EN ISO 9806 geprüft: Der Vakuumröhrenkollektor erreicht bei 40 Kelvin Temperaturdifferenz einen Kollektorwirkungsgrad von 69 Prozent, der Flachkollektor 63,4 Prozent. Wer nur diese Zeile liest, hat die Entscheidung getroffen.

Wer eine Zeile weiter liest, trifft sie anders. Denn beide Werte gelten für die Aperturfläche – die tatsächlich lichtdurchlässige Fläche. Ihr Dach trägt aber die Bruttofläche, also das, was der Kollektor an Rechteck belegt. Und zwischen diesen beiden Flächen liegt bei den zwei Bauarten ein sehr unterschiedlicher Abstand.

Vier Kennwerte beschreiben einen Kollektor vollständig

Ein Kollektor wird in der Prüfung auf eine Kennlinie reduziert. Der Konversionsfaktor η0, im deutschen Datenblatt meist „optischer Wirkungsgrad“, gibt an, welcher Anteil der Einstrahlung bei null Temperaturdifferenz ankommt – also wie gut Glas, Absorberbeschichtung und Geometrie die Strahlung einfangen. Der lineare Verlustbeiwert k1 in Watt je Quadratmeter und Kelvin beschreibt die Verluste, die proportional zur Übertemperatur wachsen. Der quadratische Beiwert k2 in Watt je Quadratmeter und Kelvin zum Quadrat erfasst, was überproportional dazukommt, vor allem Abstrahlung. Der Winkelkorrekturfaktor IAM sagt, wie stark die Leistung einbricht, wenn die Sonne schräg einfällt.

Die Nutzleistung je Quadratmeter ergibt sich daraus als η0 mal Einstrahlung, abzüglich k1 mal Temperaturdifferenz, abzüglich k2 mal Temperaturdifferenz zum Quadrat. Mehr braucht es für einen Vergleich nicht – vorausgesetzt, alle vier Werte beziehen sich auf dieselbe Fläche.

Genau dort liegt die Schwierigkeit. Datenblätter führen dieselben Kennwerte drei Mal auf: bezogen auf die Absorberfläche, auf die Aperturfläche und auf die Bruttofläche. Marketingunterlagen zitieren üblicherweise die erste oder zweite Variante. Die dritte ist die, mit der Ihr Dach rechnet.

Zwei Drittel Glas, ein Drittel Luft

Ein Flachkollektor ist eine geschlossene, flach gebaute Kiste: Fast die gesamte Rechteckfläche ist transparente Abdeckung. Ein Röhrenkollektor besteht aus nebeneinanderliegenden Zylindern; zwischen ihnen bleibt Zwischenraum, der die Bruttofläche vergrößert, ohne Strahlung aufzunehmen.

Kennwert (zertifizierte Produkte)	Flachkollektor 2,51 m²	Röhrenkollektor 4,62 m²
Bruttofläche	2,51 m²	4,62 m²
Aperturfläche	2,33 m²	3,19 m²
Apertur-Anteil an der Bruttofläche	92,8 %	69,0 %
η0 bezogen auf Apertur	81,0 %	74,0 %
η0 bezogen auf Bruttofläche	74,3 %	51,4 %
k1 bezogen auf Bruttofläche	3,691 W/(m²·K)	1,158 W/(m²·K)
k2 bezogen auf Bruttofläche	0,037 W/(m²·K²)	0,005 W/(m²·K²)
Gewicht je m² Bruttofläche	16,3 kg	17,1 kg

Der Röhrenkollektor startet also mit 23 Prozentpunkten Rückstand beim optischen Wirkungsgrad – und mit einem Drittel des Verlustbeiwerts. Er verliert am Anfang und gewinnt mit jedem Kelvin. Die Frage ist nur, wo sich beides ausgleicht.

Der Gleichstand liegt bei rund 46 Kelvin

Rechnen wir den typischen Sommerfall für Trinkwarmwasser durch: 800 Watt je Quadratmeter Einstrahlung, Kollektortemperatur 60 Grad, Außenluft 20 Grad, also 40 Kelvin Differenz.

Der Flachkollektor liefert 0,743 × 800 − 3,691 × 40 − 0,037 × 1.600 = 594 − 148 − 59 und damit 388 Watt je Quadratmeter Dachfläche. Der Röhrenkollektor kommt auf 0,514 × 800 − 1,158 × 40 − 0,005 × 1.600 = 411 − 46 − 8 und damit auf 357 Watt je Quadratmeter Dachfläche. Der Flachkollektor liegt um rund neun Prozent vorn – obwohl sein Wirkungsgrad auf der Apertur der schlechtere ist.

Setzt man beide Gleichungen gleich, schneiden sich die Kurven bei etwa 46 Kelvin Übertemperatur. Darunter gewinnt der Flachkollektor je Quadratmeter Dach, darüber der Röhrenkollektor.

Dass diese Grenze real ist, zeigt der Wintertag: 500 Watt Einstrahlung, Kollektor 70 Grad, Außenluft minus 10 Grad, also 80 Kelvin. Der Flachkollektor rechnet sich auf 372 − 295 − 237 und damit in den negativen Bereich – er gibt bei diesen Bedingungen nichts mehr ab. Der Röhrenkollektor kommt auf 257 − 93 − 32 und liefert noch rund 132 Watt je Quadratmeter.

Zwei Einschränkungen gehören dazu. Die Rechnung ist eine Momentaufnahme ohne Winkelkorrektur und ersetzt keine Jahressimulation; für die Auslegung von Kollektorfeld und Speicher gelten die Regeln in den Beiträgen zur Solarthermie für Trinkwarmwasser und zur Solarthermie zur Heizungsunterstützung. Und es sind zwei konkrete Produkte, keine Bauartmittelwerte – der Flächenanteil aber ist bauartbedingt und ändert sich nicht.

Praktisch folgt daraus eine klare Zuordnung: Eine reine Warmwasseranlage, die im Sommer bei 40 bis 50 Kelvin Übertemperatur arbeitet, holt aus Flachkollektoren je Quadratmeter Dach mehr heraus. Eine Anlage, die im Frühjahr und Herbst die Heizung unterstützen oder einen Pufferspeicher auf hohem Niveau laden soll, arbeitet dauerhaft jenseits der Schnittstelle – dort spielt der Röhrenkollektor seinen Vorteil aus.

Stillstandstemperatur: eine Eigenschaft des Bauteils

Wie heiß ein Kollektor ohne Abnahme wird, entscheidet die Bauart, nicht der Betrieb. Ein konventioneller Flachkollektor erreicht im Stillstand rund 185 Grad und produziert dabei zwischen 60 und 100 Watt je Quadratmeter Dampfleistung, die der Solarkreis aufnehmen muss. Ein Flachkollektor mit schaltender Absorberschicht, die oberhalb einer Grenztemperatur ihr Emissionsverhalten ändert, bleibt bei 145 Grad stehen und produziert rechnerisch null Watt Dampf. Ein Heatpipe-Röhrenkollektor begrenzt sich über das Wärmerohr selbst und wird mit 150 Grad und null Watt Dampfleistung ausgewiesen.

Der Unterschied ist kein Detail für Techniker: Er bestimmt, wie groß das Ausdehnungsgefäß ausfallen muss und wie schnell das Solarfluid altert. Welche Folgen ein heißer Stillstand für die Anlage hat, behandelt der Beitrag zur Stagnation in der Solarthermieanlage; die Auswahl und Überwachung des Wärmeträgermediums gehört in die Planung des Solarkreises.

Achten Sie beim Angebot darauf, ob die genannte Stillstandstemperatur zum konkreten Typ gehört. Innerhalb einer Baureihe kann sie um 40 Kelvin auseinanderliegen, je nachdem, ob die Variante mit oder ohne Abschaltmechanismus geliefert wird.

Was die Bauart auf dem Dach verlangt

Ein Heatpipe-Röhrenkollektor braucht Neigung: Das Kondensat muss im Wärmerohr zurücklaufen, der Neigungswinkel zur Horizontalen muss also größer als null sein. Eine waagerechte Montage auf einem Flachdach scheidet damit aus, ein Aufständerungsgestell ist Pflicht. Dafür lassen sich die Röhren axial um bis zu 25 Grad drehen, was eine ungünstige Dachausrichtung teilweise ausgleicht – ein Freiheitsgrad, den ein Flachkollektor nicht hat.

Drei weitere Punkte gehören in die Vorortbetrachtung:

1. Schnee. Die Vakuumröhre gibt nach außen fast keine Wärme ab. Eine Schneeauflage bleibt deshalb liegen, während sie auf einem Flachkollektor abrutscht. In schneereichen Lagen kostet das Ertragstage.
2. Reparatur. Eine defekte Vakuumröhre wird einzeln getauscht, oft ohne die Anlage zu entleeren. Ein undichter Flachkollektor wird komplett ausgebaut.
3. Feldgröße und Gewicht. Bis 15 Quadratmeter Absorberfläche lassen sich zu einem Feld zusammenfassen. Beim Gewicht nehmen sich die Bauarten mit 16,3 gegenüber 17,1 Kilogramm je Quadratmeter Bruttofläche nichts – die Statikfrage ist die gleiche.

Steht ohnehin zur Debatte, ob die Fläche besser Strom oder Wärme erzeugt, gehört diese Abwägung vor die Kollektorwahl: Der Vergleich zur Dachfläche für Solarthermie oder Photovoltaik beantwortet sie mit anderen Größen.

Preise je Quadratmeter und der Vergleich, den Sie führen sollten

Flachkollektoren liegen im Material bei etwa 220 bis 550 Euro je Quadratmeter, Vakuumröhrenkollektoren bei rund 350 bis 850 Euro je Quadratmeter. Die Spanne treiben Absorberbeschichtung, Gehäusematerial, Indach- statt Aufdachmontage und die Frage, ob eine Abschaltfunktion enthalten ist. Rechnen Sie den Preis konsequent auf die Bruttofläche um, nicht auf die Apertur – sonst vergleichen Sie ein Angebot mit sich selbst.

Für die Entscheidung genügt eine kurze Gegenüberstellung, die Sie von jedem Anbieter verlangen können: η0, k1 und k2 jeweils bezogen auf die Bruttofläche, die Aperturfläche im Verhältnis zur Bruttofläche, die Stillstandstemperatur des angebotenen Typs und die Solar-Keymark-Registriernummer. Mit den ersten drei Werten rechnen Sie die Leistung bei der Temperaturdifferenz nach, die Ihre Anlage wirklich fährt; mit der Registriernummer prüfen Sie in der öffentlichen Datenbank, ob die Zahlen aus dem Angebot mit dem Zertifikat übereinstimmen. Wie der Kollektorertrag anschließend zwischengelagert wird, entscheidet der Solarspeicher für Warmwasser – und dort verliert eine Anlage regelmäßig mehr, als sie auf dem Dach je gewinnen kann.