Planungswerkzeuge für solar-aktive Komponenten und Speicher

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1 Planungswerkzeuge für solar-aktive Komponenten und Speicher Dr.-Ing. G. Valentin Dipl.-Math. B. Gatzka Stralauer Platz 34, D Berlin Tel.: ( ) , Fax: ( ) Internet: 1. Einleitung Für Aktiv-Solarhäuser werden Deckungsanteile für Warmwasser und Heizung über 50% angestrebt, d.h. die Solaranlage soll mehr als die Hälfte der benötigten Wärme liefern. Die Erträge der Solarkollektoren im Sommer müssen mit Hilfe gut gedämmter Wärmespeicher für die Heizperiode bereitgestellt werden. Hierbei ist es wichtig, den Wärmebedarf mit Hilfe entsprechender architektonischer Maßnahmen und unter Ausnutzung passiver solarer Gewinne zu minimieren. Der Einsatz von Planungswerkzeugen zur optimalen Abstimmung der solar-aktiven Komponenten und Speicher an den Wärmebedarf ist hierbei unerlässlich. In diesem Beitrag wird die Wechselwirkung zwischen Wärmebedarf einerseits und den solar-aktiven Komponenten und der Speicher andererseits anhand von Beispielberechnungen aufgezeigt. Für die Berechnungen nutzen wir als Planungswerkzeug das dynamische Simulationsprogramm T*SOL zur Auslegung und Optimierung von solarthermischen Anlagen. 2. Beispielhaus Für das Beispielhaus am Standort Würzburg haben wir ein Einfamilienhaus mit 140m² angenommen, ausgestattet mit guter Dämmung und überwiegend nach Süden ausgerichteten Fenstern. Alle Berechnung werden für drei Ausstattungsvarianten mit den spezifischen Heizwärmebedarfen 15, 30 und 45

2 kwh/m²/a durchgeführt (s. Abb.1). Als Heizsystem wird eine Fußbodenheizung (40/25) verwendet. Der Trinkwarmwasserbedarf wird mit 160 Litern bei 50 C ohne Zirkulation angenommen (17 kwh/m²/a). Abbildung 1: Heiz- und Trinkwarmwasserwärmebedarf 3. Systemtechnik Als Systemtechnik wird ein Solarpuffer mit einem nachgeschalteten Gasbrennwertkessel eingesetzt (s. Abb. 2). Aus dem Puffer wird ein kleiner Trinkwarmwasserspeicher beladen. Beide Speicher stehen innerhalb der thermischen Hülle, d.h. die Speicherverluste werden während der Heizperiode mit dem Heizwärmebedarf verrechnet. Abbildung 1: Hydraulikschema des verwendeten Systems

3 Als solar-aktive Komponenten werden alternativ Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Die Aufstellung ist nach Süden mit 45 Aufstellwinkel. Die zugrundegelegte Systemtechnik entspricht einer durchschnittlichen Qualität. 4. Vorgehensweise Für die drei Heizwärmebedarfe wird für beide Kollektortypen jeweils eine Variationsreihe durchgeführt: Für die Kollektorbruttofläche werden 8 Werte von 5m² bis 40m² und für das Puffervolumen 5 Werte von 4m³ bis 20m³ verwendet. Zu jeder Variation wird eine Jahressimulation durchgeführt und als Ergebnis der erreichte Deckungsanteil abgespeichert. Insgesamt ergeben sich so 2 x 3 x 8 x 5 = 240 Jahressimulationen. 5. Ergebnis der Jahressimulationen Abbildung 3 zeigt die erreichten Deckungsanteile für alle Variationen mit dem gewählten Flachkollektor, Abbildung 4 analog für den gewählten Röhrenkollektoren. Beide Grafiken zeigen die erreichten Deckungsanteile für Warmwasser und Heizung für das gesamte Jahr - aufgetragen über der Kollektorfläche. Es sind je drei übereinanderliegende Linienbündel zu erkennen, die jeweils für einen vorgegeben Heizwämebedarf stehen (45, 30 und 15 kwh/m² von unten nach oben). Die Linien Innerhalb eines Bündels stehen für die verschiedenen Speichervolumina (4m³ bis 20m³ von unten nach oben). Qualitativ sind sich die beiden Diagramme sehr ähnlich: Für alle gegebenen Puffervolumina nimmt mit steigender Kollektorfläche der Deckungsanteil zu, wobei sich die Zunahme abschwächt. Eine Erhöhung des Puffervolumen erhöht ebenfalls den Deckungsanteil. Die Bündel spreizen sich mit zunehmender Kollektorfläche, d.h. dass die Erhöhung des Deckungsanteils sich vor allem bei einer großen Kollektorfläche auswirkt. Je niedriger der Heizwärmebedarf ist, desto höher ist der Deckungsanteil.

4 Abbildung 3: Variationsrechnungnen für einen Flachkollektor Abbildung 4: Variationsrechnungnen für einen Röhrenkollektor

5 Mit Röhrenkollektoren sind höhere Deckungsanteile erreichbar als mit Flachkollektoren. Obwohl die Ergebnisse von Beispielrechnungen keine Allgemeingültigkeit haben können, zeigen sie jedoch die erreichbaren Größenordnungen auf: Hohe Deckungsanteile über 80% erfordern einen Wärmebedarf kleiner 15kWh/m² und den Einsatz von Röhrenkollektoren. Deckungsanteile von 60%-80% erfordern einen Wärmebedarf kleiner 30kWh/m² und sind für beide Kollektortypen erreichbar. Deckungsanteile von 40%-60% erfordern einen Wärmebedarf kleiner 45 kwh/m² und sind für beide Kollektortypen erreichbar. Unterstellt man feste Werte für Kollektorfläche und Puffervolumen, so lassen sich erreichbare Deckungsanteile angeben (s. Abb. 5). Abbildung 5: Erreichbare Deckungsanteile bei 30m² Kollektorfläche und 12m³ Puffervolumen Wie man in den Abbildungen 3 und 4 sieht, kann man einen vorgegebenen Deckungsanteil mit unterschiedlichsten Auslegungen erreichen. Die Entscheidung, welche davon die für den Bauherrn günstigste ist, lässt sich nur über die Preise entscheiden.

6 6. Systemverhalten für hohe Deckungsanteile Hohe Deckungsraten haben ihren Preis, kaufmännisch aber auch systemtechnisch (s. Abb.6). Mit steigendem Deckungsanteil sinkt der Systemnutzungsgrad auf niedrige Werte unter 20%. Abbildung 6: Röhrenkollektorsystem mit 12m³ Puffer Abbildung 7: Betriebsverhalten über das Jahr bei 30m² Kollektorfläche und 12m³ Puffervolumen

7 Abbildung 7 zeigt den Jahresverlauf für Deckungsanteil, Nutzungsgrad und Speicherdurchschnittstemperatur. Die beste Ausnutzung der Einstrahlung ist Ende Februar erreicht. Im Mai ist der Speicher voll durchgeladen auf 90 C. Die Volldeckung geht bis Ende November. Dies zeigt, dass die Einstrahlung von Juni bis September de facto ungenutzt im Kollektorkreis verpufft. Wenn es möglich ist, sollte diese Wärme anderweitig genutzt werden, beispielsweise für eine Poolheizung oder eine Gebäudekühlung auf Basis solar versorgter Kältemaschinen. 7. Zusammenfassung Hohe Deckungsanteile für Heizung und Trinkwarmwasser sind bei geeigneter Architektur und Systemtechnik möglich. Beispielsweise kann mit einer Solaranlage ausgestattet mit 30m² Röhrenkollektoren und 12m³ Puffervolumen ein Deckungsanteil über 80% erreicht werden, wenn der Heizwärmebedarf 15kWh/m/a beträgt. Mit Hilfe von Planungswerkzeugen lassen sich zu vorgegeben Anforderungen an den solaren Deckungsanteil Auslegungsvarianten ermitteln, die als Grundlage für eine Wirtschaftlichkeitsanalyse zur Verfügung stehen.