Die präzise Dimensionierung der Absorberfläche ist eine anspruchsvolle Aufgabe. In der PACER-Publikation «Solare Warmwassererzeugung» wird zwar auf die Dimensionierung von Standard-So-laranlagen eingegangen, für die Dimensionierung von Anlagen mit grossen Verbrauchsschwankun-gen besteht aber eine grosse Unsicherheit, da entsprechende Publikationen oder einfache Soft-ware bis jetzt fehlen. In der Praxis führte dies zu teilweise stark überdimensionierten und entspre-chend teuren Anlagen.
Die nachfolgend beschriebene Methode zeigt eine Möglichkeit, den solaren Bruttoertrag einer Kollek-toranlage abzuschätzen und diese Werte für die Grössenbestimmung zu verwenden. In der tabella-rischen Darstellung wird nicht – wie bei einer Heiz-kesselbestimmung üblich – mit Leistungs-, son-dern mit Energiewerten gearbeitet. Das Strah-lungsangebot variiert je nach Witterung und Son-nenstand zwischen 3 und 100%. Im Monatsverlauf sind die Abweichungen jedoch deutlich geringer.
Aus diesem Grund wird mit ausreichender Genau-igkeit mit den Monatswerten gearbeitet.
2.5.1 Abschätzung des solaren Brutto-ertrages
Durch die tabellarische Aufstellung der möglichen Kollektorerträge in Bezug auf den
Bruttoenergie-bedarf kann eine qualitative Aussage über den zu erwartenden jährlichen solaren Bruttoertrag ge-macht werden. Ziel ist dabei nicht höchste Genau-igkeit (welche entsprechend der nötigen Annah-men nie zu erreichen ist), sondern eine Abschät-zung der Ertragsdaten mit einer Genauigkeit von plus oder minus 15%. Ergebnisse von Computer-simulationen können so auf ihre Glaubwürdigkeit hin überprüft werden.
Um die Ertragsabschätzung mit geringem Auf-wand durchzuführen, wurde auf eine umfassende Datenerhebung (wie z.B. Beschattung) verzichtet.
Nettoenergiebedarf
Aufgrund bestehender Verbrauchsmessungen oder aus von Vergleichsobjekten bekannten Ver-brauchsdaten wird der Nettoenergiebedarf in kWh bestimmt (siehe auch Kap. 1).
Speicher- und Verteilverluste
In der Regel sind die Speicherverluste nicht be-kannt. Je nach Speichergrösse, Anzahl Speicher, solarem Deckungsgrad und der mittleren Spei-chertemperatur können die Verluste bis zu 30% des Nettoenergiebedarfs betragen. Als Richtwert wird für 1-Speicher-Anlagen von 15% und für 2-Spei-cher-Anlagen von 20% ausgegangen. Wesentlich grösser sind die Verteilverluste (z.B. Warmwasser-Zirkulation). Abbildung 2.23 gibt Auskunft über die Verteilverluste.
Rohrweite 3/8" 1/2" 3/4" 1" 5/4" 1 1/2" 2"
Dämmstärke
ungedämmt ca. 0.55 ca. 0.7 ca. 0.9 ca. 1.15 ca. 1.45 ca. 1.65 ca. 2
20 mm 0.18 0.21 0.24 0.28 0.33 0.36 0.43
30 mm 0.15 0.17 0.20 0.23 0.26 0.29 0.33
40 mm 0.13 0.15 0.17 0.20 0.22 0.24 0.28
Quelle: VSSH Handbuch Abbildung 2.23
Wärmeabgabe von Stahlrohren [W/mK]
Vorsicht: Alle Werte ohne Rohrbefestigungen und Wanddurchbrüche (Wärmebrücken)
Bruttowärmeertrag (BWE)
Die entsprechenden Bruttowärmeertragstabellen können von den Kollektorlieferanten angefordert werden, den Leistungsdaten aller in Rapperswil (ITR-SPF) getesteten Kollektoren entnommen oder mit der geeigneten Software selber generiert wer-den (z.B. Polysun). Sind keine kollektorspezifi-schen Daten verfügbar, gibt Abbildung 2.12 An-haltspunkte über den BWE eines durchschnittli-chen, selektiv beschichteten Flachkollektors. Die mittlere Kollektortemperatur ist dabei für den Kol-lektorertrag von entscheidender Bedeutung. Ab-bildung 2.13 gibt entsprechende Angaben aufge-teilt nach Objekt und solarem Deckungsgrad.
Zeitliche Nutzung
Inbesondere in teilzeitlich genutzten Objekten und bei regelmässigen Betriebsunterbrüchen (z.B. Fe-rien) hat die Nutzungsdauer einen grossen Ein-fluss auf den solaren Ertrag. Auch in Phasen ohne Warmwasserbezug werden Speicher- und Verteil-verluste durch die Solaranlage gedeckt. Die zeitli-che Systemnutzung sinkt also im Normalfall nie auf 0 ab. Kurzfristige Bedarfsunterbrüche können zudem über den Speicher aufgefangen werden.
Wird die Anlage während mindestens 5 Tagen pro Woche genutzt, beträgt aus diesem Grund die zeitliche Nutzung 100%. Durch die höhere Be-triebstemperatur des Kollektors bei teilzeitich ge-nutzten Objekten (Abbildung 2.13) sind die daraus resultierenden Mindererträge bereits berücksich-tigt. Für längere Perioden soll der ihnen entspre-chende Minderbedarf an Wärmeenergie berück-sichtigt werden.
Beispiel: Ein Hotel ist im Mai während 15 Tagen geschlossen. Die Speicherverluste von rund 15%
und die Zirkulationsverluste von ca. 25% der dem Warmwasserbezug äquivalenten Energiemenge können während den Ferien fast vollumfänglich durch die Solaranlage gedeckt werden. Die zeit-liche Nutzung der Solaranlage beträgt deshalb im Mai an 15 Tagen 100% und an den 15 Ferientagen 28%. Im Monatsdurchschnitt ergibt sich eine zeit-liche Nutzung von 64%.
stehen. Im umgekehrten Fall, wenn die Kollektor-fläche verkleinert wird, steigt die zeitliche Nutzung, da die Kollektoranlage weniger Überschüsse pro-duziert.
Kollektorertrag
Die nun in Monatsschritten vorliegende zeitliche Nutzung in % wird mit den bereits ermittelten Bruttowärmeertragswerten übertragen. Als Er-gebnis erhält man nun den Kollektorertrag [kWh/
m2] in Monatsschritten.
Kollektorkreisverluste
Zur Berechnung des solaren Bruttoertrages müs-sen die Kollektorkreisverluste abgeschätzt wer-den. Eine genaue Berechnung ist zu diesem Zeit-punkt noch nicht möglich. Die Systemverluste sind von vielen Parametern abhängig (Qualität der Wärmedämmung, Masse der Rohrleitungen, Ver-brauchs-Charakteristik, mittlere Systemtempera-turen usw.). Die Wärmeverluste im Kollektorkreis sollen jedoch 5% des Kollektorertrages nicht über-steigen.
Für die Berechnung des solaren Bruttoertrages werden deshalb 5% des Kollektorertrages als Kol-lektorkreisverlust in Abzug gebracht.
Solarer Bruttoertrag
Als Ausgangsbasis zur Bestimmung der Kollektor-fläche erhält man nun den solaren Bruttoertrag [kWh/m2] in Monatsschritten. Entsprechend der gesetzten Zielsetzung kann die benötigte Absor-berfläche nun errechnet werden.
Im folgenden Beispiel wird das oben beschriebene Vorgehen dargestellt:
Objekt: Hotel mit 60 Betten, Standort: Mittelland (Kloten)
Durschnittliche Belegung: 35 Gäste und 6 Angestellte Verbrauchs-Charakteristik: Betrieb: 7 Tage pro Woche
Betriebsferien: je 2 Wochen im Mai und September
Durchschnittlicher WW-Bedarf an Betriebstagen: 2200 l/d (à 55 °C) Nettoenergiebedarf Warmwasserbezug: 38 900 kWh/a
Speicherverluste: 5904 kWh/a
Zirkulationsverluste: 9720 kWh/a
Kollektoraufstellung: Flachdach: Orientierung: Süd; Neigung: 45° Kollektorkreisverluste (Annahme): 5% des Kollektorertrages
Gewünschter solarer Deckungsgrad: 40%
Jan. Feb. März April Mai Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez. Jahr
Nettoenergiebedarf
WW-Bezug [kWh] 3600 3300 3600 3500 1800 3500 3600 3600 1700 3600 3500 3600 38900 Speicherverluste [kWh] 492 492 492 492 492 492 492 492 492 492 492 492 5904 Zirkulationsverluste [kWh] 810 810 810 810 810 810 810 810 810 810 810 810 9720 Bruttoenergiebedarf [kWh] 4902 4602 4902 4802 3102 4802 4902 4902 3002 4902 4802 4902 54524 mittlere
Kollektortempera-tur [°C] (Abbildung 2.13) 30 30 40 40 50 50 60 60 50 40 30 30
-Bruttowärmeertrag
[kWh/m2] (Abbildung 2.12) 11 28 43 60 69 76 77 60 60 39 19 7 549
zeitliche Nutzung [%] 100 100 100 100 64 100 100 100 64 100 100 100
-Kollektorertrag [kWh/m2] 11 26 43 60 44 76 77 60 36 39 19 7 502
Kollektorkreisverluste [5%] 1 1 2 3 2 4 4 3 2 2 1 0 25
Solarer Bruttoertr. [kWh/m2] 10 27 41 57 42 72 73 57 36 37 18 7 477 Abbildung 2.24
Ermittlung des spezifischen solaren Bruttoertrages
Für einen solaren Deckungsgrad von 40% werden rund 45.7 m2 Absorberfläche (Flachkollektoren, selektiv) benötigt. Die Investitionsmehrkosten be-laufen sich auf rund Fr. 77 690.– (Preisstand 1996).
Berechnung der Absorberfläche und der Investitionsmehrkosten:
Spezifischer solarer Bruttoertrag bei Neigung 45° und Orientierung Süd (Abbildung 2.24): 477 kWh/m2a Erforderlicher solarer Bruttoertrag bei 40% solarem Deckungsgrad (54 524 kWh/a x 40%: 28 810 kWh/a Benötigte Absorberfläche (21 810 kWh/a : 477 kWh/m2a): 45.7 m2 Solare Investitionsmehrkosten gemäss Abbildung 2.06 (45.7 m2 x 1700.– Fr./m2): Fr. 77 690.–
2.5.2 Dimensionierung mit Computer-Un-terstützung
Auf dem Markt werden verschiedene Computer-Programme zur Berechnung von Sonnenkollektor-anlagen angeboten. In der Schweiz sind vor allem die für Anlagen mit Flach- und Vakuumröhren-Kollektoren anwendbaren Programme POLYSUN (Hersteller: Bundesamt für Energiewirtschaft / SPF Interkantonales Technikum Rapperswil) und G3 (Hersteller: Université de Genève, Académie inter-nationale de l’environnement, 1231 Conches) ver-breitet. Mit den bisher verfügbaren Software kön-nen allerdings Anlagen für komplexe Nutzungen mit entsprechend unkonventioneller Verbrauchs-Charakteristik noch nicht oder nur bedingt und sehr aufwendig simuliert werden.
Für den ungeübten Planer ist die Arbeit mit Pro-grammen zur Simulation von Anlagen nicht unbe-dingt eine Erleichterung: Meistens wird eine gros-se Zahl von Eingabeparametern verlangt, die nicht immer einfach verfügbar sind und deren Relevanz oft schwer einzuschätzen ist. Voraussetzung für eine erfolgreiche Planung von Solaranlagen ist daher auch bei der Unterstützung durch den Com-puter, dass ein Planer die nötige Erfahrung und Sicherheit mitbringt, um realistische Annahmen zu treffen. Auch das beste Programm ist nicht in der Lage, eine sorgfältige Bestimmung des Ver-brauchs und ein zweckmässiges Anlagenlayout, d.h. eine sinnvolle hydraulische Einbindung in die übrige Haustechnik, selber vorzunehmen.
In jedem Fall empfiehlt sich die Ergebnisse einer Computer-Simulation mit jenen der Abschät-zungsmethode zu verifizieren.
Abbildung 2.25
Definition der Speicherbereiche für Anlagen zur WW-Bereitung