Ist die Zielsetzung der Anlage festgelegt und die Wahl des Kollektortyps sowie des Systems getrof-fen, bestehen grundsätzlich mehrere Möglichkei-ten, um die wesentlichen Anlagenparameter zu dimensionieren. Bei allen möglichen Vorgehens-weisen geht es zunächst darum, dem ermittelten Energiebedarf eine realistische Abschätzung des möglichen Solarertrags gegenüberzustellen. Bei einfacheren Objekten und Anlagetypen ist es mög-lich, auf Kennwerte zurückzugreifen (Abbildung 2.10). Bei komplexeren Situationen empfiehlt sich,
eine Computer-Simulation oder die unter Kap.
2.5.1 beschriebene Abschätzungsmethode durch-zuführen. Wichtig für alle Berechnungsarten ist eine genaue Kenntnis der Ertragsdefinitionen und der Systemparameter (vgl. Exkurs 5.11).
2.3.1 Ertragsdefinitionen
Der Ertrag von Solaranlagen kann an verschiede-nen Systemschnittstellen ermittelt werden. Das Flussdiagramm in Abbildung 2.09 vermittelt ein Bild der unterschiedlichen Ertragsdefinitionen und verdeutlicht deren Beziehungen untereinander:
HK Globale Strahlungssumme auf die Absorberfläche
QZ Zusatzenergie QH Hilfsenergie QK Kollektor(feld)ertrag
QBWE Bruttowärmeertrag (Kollektorer-trag bei fixer mittlerer Kollektor-temp.)
QB Bruttoenergieverbrauch (gesamter Energie-Input in den Speicher)
QVZ Energieverbrauch der WW-Zirkulation
QS passive solare Gewinne QE interne Gewinne durch
Ab-wärme elektr. Ursprungs QP interne Gewinne durch
Perso-nenabwärme
QW Energiebedarf Heizung +WW (Qh + Qww; SIA 380/1) QSB solarer Bruttoertrag
QZB Brutto-Zusatzenergieverbrauch QN Netto-Energieverbrauch QSN solarer Nettoertrag QVK Kollektor-Verluste QVWE Wärmeerzeuger-Verluste QV allgemeine Verluste
QVE Abwärme elektrischen Ursprungs QVSP Speicherverluste
QVR Verluste durch Rückkühlung Abbildung 2.09
Energiefluss-Diagramm einer Solaranlage
• Kollektorertrag
Der Kollektorertrag bezeichnet den anlagenspezifi-schen Wärmeertrag am Kollektoraustritt. Der Kol-lektorfeldertrag lässt sich sowohl berechnen wie auch messen und berücksichtigt die Kollektoraus-richtung und eine allfällige Beschattung.
• Solarer Brutto- bzw. Nettoertrag
Der solare Bruttoertrag definiert den Energieein-trag in den Speicher nach Abzug der Kollektor-kreisverluste sowie allfälliger Verluste durch Sy-stemabschaltungen bei einem solaren Überange-bot.
Der solare Nettoertrag berücksichtigt zusätzlich die durch das Solarsystem bedingten Speicherver-luste. Der solare Nettoertrag bezeichnet somit die der Wärmeverteilung zugeführte Energiemenge.
2.3.2 Ertragskennwerte
Je nach Anwendungsschwerpunkt, Anlagenkon-zeption, Verbrauchs-Charakteristik, Standort und Kollektorwahl schwankt der spezifische Wärmeer-trag. Für die Dimensionierung der Absorberfläche ist es sinnvoll, entweder mit dem solaren Nettoer-trag oder mit dem solaren BruttoerNettoer-trag zu arbeiten.
Planer von Solaranlagen verwenden häufiger den Bruttowert, weil dieser einfacher zu messen ist als der solare Nettoertrag. Die folgende Tabelle liefert einige grobe Anhaltspunkte für den zu erwarten-den jährlichen spezifischen solaren Bruttoertrag.
Teilzeitlich genutzte Objekte weisen die Werte im unteren Bereich der Spannweite auf.
• Bruttowärmeertrag (vergl. auch Exkurs 5.11) Der Bruttowärmeertrag ist die rechnerische Wär-meertragsgrösse eines Kollektors, bezogen auf eine konstante Kollektortemperatur. Der Brutto-wärmeertrag wird pro Quadratmeter Absorberflä-che angegeben und dient zum direkten Leistungs-vergleich unterschiedlicher Kollektorkonstruktio-nen.
Die Bruttowärmeertragsdaten Daten für die drei Referenzstandorte Kloten, Davos und Locarno können in der Regel beim Kollektorlieferanten be-zogen werden oder liegen als umfassende Prüfbe-richt-Dokumentation der Solarenergie Prüf- und Forschungsstelle in Rapperswil zum Verkauf (Be-zug Infoenergie) bereit.
Mittels Computersimulations-Programme können die Bruttowärmeertragswerte für jeden getesteten Kollektor auch selber erstellt werden. Die Berech-nung der Daten ist für jede Gemeinde der Schweiz und für eine beliebige Orientierung und Neigung der Kollektoren möglich.
Für standortspezifische Berechnungen können die jeweiligen Bruttowärmeerträge auch mit Hilfe der Meteodaten vom nächsten Referenzstandort ab-geleitet werden. Massgebender Parameter für die Korrektur sind die Stahlungswerte aus der Meteo-norm.
Definition:
solarer Deckungsgrad =
(Verhältnis von solarem Bruttoertrag und Bruttoenergieverbrauch)
Q
SBQ
BAnlagetyp
Kollektortyp
Kunststoff-Absorber 250 bis 350 unverglaster
Absorber, selektiv 250 bis 350 350 bis 450 Flachkollektor
einfachverglast 300 bis 400 400 bis 500 300 bis 450 200 bis 300 200 bis 300 150 bis 250 Flachkollektor
einfachverglast, selektiv 330 bis 400 450 bis 600 350 bis 500 250 bis 400 250 bis 400 200 bis 350 oder zweifach verglast
Vakuumröhren-Kollektor 300 bis 400 450 bis 650 400 bis 600 350 bis 550 300 bis 500 250 bis 450 Beckenwasserer- wärmung von Frei- bädern (reine Sommernutzung) Warmwasser-Vor- wärmung in Wohn- bauten – Deckungs- grad: unter 35% Warmwasserberei- tung in Wohnbau- ten – Deckungs- grad: 35 bis 50% Warmwasserberei- tung in Wohnbau- ten – Deckungs- grad: 50 bis 60% Warmwasser + Raumheizung in Wohnbauten – Deckungsgrad unter 30% Warmwasser + Raumheizung in Wohnbauten – Deckungsgrad über 30%
Abbildung 2.10
Kennwerte für den solaren Bruttoertrag [kWh/m2a] 2.3.3 Detaillierte Ertragsermittlung
Für Warmwasseranlagen mit konstantem Ver-brauchsprofil genügen in der Regel die obigen Kennwerte. Handelt es sich jedoch um grössere Objekte mit komplexer Nutzungsstruktur, sollte eine detaillierte Ertragsermittlung vorgenommen werden. Dabei wird versucht, die Einflüsse der Verbrauchs-Charakteristik (siehe Kap. 2.4), des Kollektorwirkungsgrades sowie des Anlagetyps (siehe Kap. 3) genauer zu erfassen.
Der Einfluss des Kollektorproduktes auf den Ertrag kann dank der Bruttowärmeertrags-Tabellen weit-gehend quantifiziert werden. Benutzerfreundliche Hilfsmittel, die unterschiedliche Anlagesysteme und das Nutzungsprofils berücksichtigen, sind noch nicht erhältlich.
Aufgrund dieser Ausgangslage ist es wenig er-staunlich, dass sich viele Planer von Solaranlagen bei der Wahl der Absorberfläche in Ermangelung weiterer konkreter Werte weitgehend auf die in den Testreihen ermittelten Bruttowärmeerträge der Kollektoren stützen. Sicher ist dieses Vorgehen nicht falsch; es soll aber nicht dazu führen, die Bruttowärmeerträge überzubewerten und dabei die anderen wesentlichen Einflussfaktoren auf den Ertrag aus den Augen zu verlieren.
Abbildung 2.12b
Typische spezifische Bruttowärmeerträge eines
durchschnitt-Zur Bestimmung des Kollektorertrages wird mit den monatlichen Bruttowärmeerträgen gearbei-tet. Es wird so vorgegangen, dass für jeden Monat eine mittlere Kollektortemperatur über die effekti-ve Betriebsdauer angenommen wird. In den Brut-towärmeertrags-Tabellen sind die Werte für mittle-re Kollektortemperatumittle-ren von 30 °C, 40 °C, 50 °C und 100 °C aufgeführt. Dazwischen liegende Be-triebstemperaturen erfordern eine Interpolation der Bruttowärmeerträge. Die nachfolgende Tabel-le vermittelt typische Werte für KolTabel-lektor-Betriebs- Kollektor-Betriebs-temperaturen. Höhere solare Deckungsgrade er-geben immer auch höhere durchschnittliche Be-triebstemperaturen.
Nutzung solarer
Deckungs-grad Jan. Feb. März April Mai Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez.
unter 35% 20 30 30 30-40 40 50 50 50 40 30 30 20
35 – 50% 30 30 40 40 50 50-60 50-60 50-60 40-50 40 30 30 50 – 60% 30 40 40 40-50 50-60 60-70 60-80 60-80 40-50 50 30-40 30
unter 30% 30-40 30-40 30-40 40-50 50-60 60-70 60-80 60-70 40-50 40 30-40 30-40 30 – 50% 30-40 40 40 50 60-70 70-80 70-90 70-90 50 40 30-40 30-40
unter 35% 20 30 40 40 50 60 60 60 50 40 30 20
35 – 50% 30 40 50 50 60 60 70 70 50 40 30 30
Warmwasser-Berei-tung in Objekten mit konstantem Tages-verbrauchs-Profil (Wohnbauten, Hei-men und Spitälern) WW-Bereitung und Heizungsunter-stützung in Wohn-bauten (System nach Abbildung 3.05) WW-Bereitung in Objekten mit un-regelmässigem Wochenverbrauchs-profil (Schulen, Dienstleistungs- und Gewerbebauten) Abbildung 2.13
Mittlere monatliche Kollektor-Betriebstemperatur [°C]
Werte aus Simulationen und Beobachtungen
2.3.4 Berücksichtigung der Kollektororien-tierung und der Kollektorneigung Die Jahreszeiten werden durch den wechselnden Sonnenstand bestimmt. Der Sonnenstand und die Sonnenscheindauer beeinflussen aber nicht nur das Klima, sondern auch den Ertrag einer Solaran-lage.
Mit zunehmender Strahlungsdauer im Frühjahr steigt der Kollektorertrag. Im Frühsommer erreicht die Sonneneinstrahlung höchste Werte von über 7 kWh/m2d. Die Kollektoranlage vermag die Ein-strahlung allerdings nicht verlustfrei umzusetzen.
Ein technisch nutzbares Maximum von ca. 70% der Einstrahlung liesse sich als Wärmegewinn mit ei-ner der Sonne nachgeführten Kollektoranlage bei tiefen Kollektortemperaturen erzielen.
Nachgeführte Systeme haben sich aus Kosten-und Platzgründen nicht durchgesetzt. Der Mehrer-trag rechtfertigt die hohen Mehrkosten nicht.
Die Kollektoranlage wird darum in der Regel ent-sprechend den örtlichen Gegebenheiten fix mon-tiert. Dabei kann die Orientierung und Neigung ausser bei Flachdächern selten frei gewählt wer-den. Die optimale Ausrichtung ist nach Süden mit einem Kollektorneigungswinkel je nach Anwen-dung von 30° bis 60°.
Solaranlagen, welche hauptsächlich zur Raumhei-zung genutzt werden, erzielen die maximalen En-ergiegewinne bei Südorientierungen mit einem Kollektorneigungswinkel von 45° bis 60°.
Falls die Kollektoren frei aufgestellt werden kön-nen, kann die Kollektorneigung dem Jahresver-brauchsprofil angepasst werden. Mit einer steilen Kollektrorneigung von über 60° kann auch die Kollektorleistung in den Sommermonaten be-wusst begrenzt werden.
Meist muss bei der Kollektoraufstellung auf die bestehende Gebäudesituation Rücksicht genom-men werden. Die Kollektorausrichtung kann daher unter Umständen stark vom Optimum abweichen.
So können steile Kollektorneigungswinkel von über 45° selten realisiert werden. Gründe dafür sind die in der Schweiz im Gegensatz zu einigen Nachbarländern üblichen Dachneigungswinkel
Der Anlagenplaner muss trotz diesen Einschrän-kungen das Sonnenenergiepotential abschätzen können.
Die Bruttowärmeertragstabellen der Publikation
«Leistungsdaten thermischer Sonnenkollektoren”
decken einen grossen Teil der von Süden abwei-chenden Orientierungen ab. Eine Simulation mit kollektorspezifischen Daten für andere Ausrich-tungen kann mit einer geeigneten Software (z.B.
Polysun) erfolgen.
Abbildung 2.14 bis Abbildung 2.16 sollen die Zu-sammenhänge zwischen Kollektorausrichtung und resultierendem Bruttowärmeertrag verdeut-lichen.
Bruttowärmeertrag (40 °C)
kWh/m2
0°/15° 0°/30° 0°/45° 0°/60° 0°/90°
0
Einfluss der Kollektorneigung auf den Kollektorertrag im Monat März (Südorientierung).
Die Schreibweise «0°/15°» bedeutet: Abweichung von der Südorientierung 0°, Neigung 15°.
Bruttowärmeertrag (50 °C)
kWh/m2
0°/15° 0°/30° 0°/45° 0°/60° 0°/90°
0 20 40 60 80 100
Bruttowärmeertrag (40 °C)
kWh/m2
–90°/30°–45°/30° 0°/30° 45°/30° 90°/30°
0 10 20 30 40 50
Abbildung 2.15
Einfluss der Kollektorneigung auf den Kollektorertrag im Monat Juni (Südorientierung)
Abbildung 2.16
Einfluss der Kollektororientierung auf den Kollektor-ertrag im Monat März (30° Neigungswinkel)
Anlagentyp max. Südabweichung Neigungswinkel
Ganzjahresnutzung WW mit Deckungsgrad unter 50% +/– 90° 0 (15*) bis 60° Ganzjahresnutzung WW mit Deckungsgrad über 50% +/– 60° 15 bis 60°
Schwerpunkt Winternutzung +/– 45° 30 bis 90°
Schwerpunkt Sommernutzung +/– 90° 0 (15*) bis 45°
Abbildung 2.17
Empfohlener Bereich für die Kollektor-Positionierung
* Neigungswinkel unter 15° sind für Flachkollektoren kritisch, da die minimale Belüftung des Kollektorinnen-raumes nicht mehr gewährleistet ist.