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Programm Dokumentation/Berechnung/Solarthermie: Unterschied zwischen den Versionen

Aus wiki.epos-plan.de
#250/#251: Fachseite beschreibt nur die Funktion, wie sie ist; keine Hersteller- und Produktdaten
Sammel-Upload 1.2.0.12 (30.10.2026): Repo-Quelle Projekte/Wiki, Stand c7d3132ce
 
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<!-- EPOS-Plan Hilferubrik Berechnung | Seite: Solarthermie | Fassung 3 | Rechenkern:
<!-- EPOS-Plan Hilferubrik Berechnung | Seite: Solarthermie | Fassung 4 | Rechenkern:
     EPOS.Kern/Allgemein/Simulation/SimulationSolarthermie.cs, EPOS.Kern/Allgemein/SolarPVGISCalculator.cs,
     EPOS.Kern/Allgemein/Simulation/SimulationSolarthermie.cs, EPOS.Kern/Allgemein/Simulation/Solarkreis.cs,
     EPOS.Kern/Allgemein/Simulation/SolarZeitbasis.cs, Ladeordnung.cs;
    EPOS.Kern/Allgemein/SolarPVGISCalculator.cs,
     EPOS.Kern/Allgemein/Simulation/SolarZeitbasis.cs, Ladeordnung.cs, SimulationPufferspeicher.cs (T_unten);
     Katalogverwendung: EPOS.Kern/Allgemein/Katalog/ParameterVerwendung.cs -->
     Katalogverwendung: EPOS.Kern/Allgemein/Katalog/ParameterVerwendung.cs -->


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{{Anker|was}}
{{Anker|was}}


Ein Solarkollektorfeld wandelt Einstrahlung in Nutzwärme. Der Lauf ermittelt zuerst für jede Stunde
Ein Solarkollektorfeld wandelt Einstrahlung in Nutzwärme. Der Lauf ermittelt zu Beginn jeder Stunde das '''Bruttopotenzial''' des Feldes — es hängt vom Wetter, von der Ausrichtung, von den Kollektorkennwerten und von der '''Arbeitstemperatur''' des Kollektors ab, nicht vom Bedarf der Stunde — und entscheidet danach, wohin diese Wärme geht: '''Direktdeckung''', '''Speicherladung''' oder '''Überschuss''' (verworfene Wärme). Die Arbeitstemperatur ist wahlweise fest 50&nbsp;°C oder folgt dem Speicher: der untersten Zone des Puffers, den das Feld lädt, am Ende der Vorstunde.
das '''Bruttopotenzial''' des Feldes — es hängt allein vom Wetter, von der Ausrichtung und von den
Kollektorkennwerten ab, nicht vom Bedarf und nicht vom Speicherfüllstand — und entscheidet erst
danach, wohin diese Wärme geht: '''Direktdeckung''', '''Speicherladung''' oder '''Überschuss'''
(verworfene Wärme).


Ergebnisgrößen sind der nutzbare Jahresertrag je Kollektorfeld, seine Aufteilung auf Deckung und
Ergebnisgrößen sind der nutzbare Jahresertrag je Kollektorfeld, seine Aufteilung auf Deckung und Ladung, der verworfene Überschuss, der Deckungsanteil an der Jahreswärme und — mit gepflegter Solarkreispumpe — der Pumpenstrom.
Ladung, der verworfene Überschuss und der Deckungsanteil an der Jahreswärme.


== Eingangsgrößen ==
== Eingangsgrößen ==
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| Neigung, Azimut || ° || derselbe Abschnitt
| Neigung, Azimut || ° || derselbe Abschnitt
|-
|-
| Vorlauf, Rücklauf || °C || derselbe Abschnitt
| Leistung der Solarkreispumpe, Verluste des Solarkreises || W, % || derselbe Abschnitt
|-
|-
| Aperturfläche je Kollektor || m² || Kollektorkatalog, Feld „Aperturfläche"
| Arbeitstemperatur (fest oder aus dem Speicher), Grädigkeit des Wärmeübertragers, Spreizung des Kollektorkreises || —, K, K || derselbe Abschnitt
|-
|-
| Konversionsfaktor h₀ || — || Kollektorkatalog
| Aperturfläche und Modulfläche je Kollektor, Bezugsfläche der Kennwerte || m², — || Kollektorkatalog
|-
|-
| Wärmeverlustkoeffizient k₁ || W/(m²·K) || Kollektorkatalog
| Konversionsfaktor <math>h_{0}</math> || — || Kollektorkatalog
|-
|-
| Temperaturabhängiger Verlustkoeffizient k₂ || W/(m²·K²) || Kollektorkatalog
| Wärmeverlustkoeffizient <math>k_{1}</math> || W/(m²·K) || Kollektorkatalog
|-
|-
| Einfallswinkelkorrektur K<sub>dir</sub>(50°) || — || Kollektorkatalog
| Temperaturabhängiger Verlustkoeffizient <math>k_{2}</math> || W/(m²·K²) || Kollektorkatalog
|-
| Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung <math>K_{\mathrm{dir}}</math>(50°) und der Diffusstrahlung <math>K_{\mathrm{diff}}</math> || — || Kollektorkatalog
|-
| unterste Zone des Senkenpuffers, Rücklauf des Heizkreises || °C || Lauf (Pufferspeicher, Anlagenkopplung)
|-
|-
| Wärmesenken und Ladeaufträge || — || Simulationskonfiguration, Karte des Kollektorfelds
| Wärmesenken und Ladeaufträge || — || Simulationskonfiguration, Karte des Kollektorfelds
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{{Anker|zeichen}}
{{Anker|zeichen}}


Die Schreibweise ist die der ganzen Rubrik: <math>t</math> ist die Stunde des Jahres
Die Schreibweise ist die der ganzen Rubrik: <math>t</math> ist die Stunde des Jahres (1…8&nbsp;760), <math>G</math> eine Bestrahlungsstärke, <math>q</math> eine flächenbezogene Leistung, <math>Q</math> eine Wärmemenge, <math>\vartheta</math> eine Temperatur in Grad Celsius, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> Neigung und Azimut. Umlaute stehen in den Formeln in ASCII-Umschrift — der Überschuss heißt dort <math>Q_{\mathrm{ueber}}</math>.
(1…8&nbsp;760), <math>G</math> eine Bestrahlungsstärke, <math>q</math> eine flächenbezogene
Leistung, <math>Q</math> eine Wärmemenge, <math>\vartheta</math> eine Temperatur in Grad Celsius,
<math>\eta</math> ein Wirkungsgrad, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> Neigung und Azimut.
Umlaute stehen in den Formeln in ASCII-Umschrift — der Überschuss heißt dort
<math>Q_{\mathrm{ueber}}</math>.


=== Parameter ===
=== Parameter ===
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| <math>\gamma</math> || Azimut der Kollektorebene || ° || derselbe Abschnitt, Feld „Azimut"
| <math>\gamma</math> || Azimut der Kollektorebene || ° || derselbe Abschnitt, Feld „Azimut"
|-
|-
| <math>A_{\mathrm{Ap}}</math> || Aperturfläche eines Kollektors || m² || Kollektorkatalog, Feld „Aperturfläche" — '''nicht''' die Modulfläche
| <math>A_{\mathrm{Bez}}</math> || Bezugsfläche eines Kollektors: die Fläche, auf die <math>h_{0}</math>, <math>k_{1}</math> und <math>k_{2}</math> bezogen sind || m² || Kollektorkatalog: die Aperturfläche, wenn die Bezugsfläche der Kennwerte „Aperturfläche" ist (Vorgabe), sonst die Modulfläche (Bruttofläche)
|-
|-
| <math>h_{0}</math> || Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) || — || Kollektorkatalog
| <math>h_{0}</math> || Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) || — || Kollektorkatalog
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| <math>k_{2}</math> || temperaturabhängiger Verlustkoeffizient || W/(m²·K²) || Kollektorkatalog
| <math>k_{2}</math> || temperaturabhängiger Verlustkoeffizient || W/(m²·K²) || Kollektorkatalog
|-
|-
| <math>K_{\mathrm{dir50}}</math> || Einfallswinkelkorrektur bei 50° || — || Kollektorkatalog, Feld K<sub>dir</sub>(50°)
| <math>K_{\mathrm{dir50}}</math> || Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung bei 50° || — || Kollektorkatalog, Feld <math>K_{\mathrm{dir}}</math>(50°)
|-
| <math>K_{\mathrm{d}}</math> || Einfallswinkelkorrektur der Diffusstrahlung, unabhängig vom Winkel || — || Kollektorkatalog, Feld <math>K_{\mathrm{diff}}</math>; '''0 = unbekannt''', dann gilt <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math> aus (3)
|-
| <math>\vartheta_{\mathrm{fest}}</math> || feste Arbeitstemperatur || °C || '''Konstante: 50''' — gilt mit der Wahl „fest 50&nbsp;°C" (Vorgabe) und als Rückfall ohne Senkentemperatur
|-
| <math>\Delta\vartheta_{\mathrm{WT}}</math> || Grädigkeit des Wärmeübertragers zum Speicher || K || Dialog „Solarkollektoren", Feld „Grädigkeit"; '''Vorgabe: 5''' (externer Plattenübertrager; innenliegendes Glattrohr etwa 10)
|-
| <math>\Delta\vartheta_{\mathrm{Koll}}</math> || Spreizung des Kollektorkreises, Austritt minus Eintritt || K || Dialog „Solarkollektoren", Feld „Spreizung"; '''Vorgabe: 10'''
|-
|-
| <math>\vartheta_{\mathrm{Sp}}</math> || Arbeitstemperatur, gegen die der Kollektor rechnet || °C || '''Konstante: 50''' — fest verdrahtet, im Dialog nirgends einstellbar
| <math>v_{\mathrm{L}}</math> || Verluste des Solarkreises || % || Dialog „Solarkollektoren", Feld „Verluste"; '''Vorgabe: 8'''
|-
|-
| <math>f_{\mathrm{L}}</math> || Leitungsverlustfaktor des Solarkreises || — || '''Konstante: 0,92''' — fest verdrahtet
| <math>P_{\mathrm{P}}</math> || elektrische Leistung der Solarkreispumpe || W || Dialog „Solarkollektoren", Feld „Leistung Solarkreispumpe"; leer = kein Pumpenstrom oder, wo gepflegt, der Hilfsenergieanteil der Anlage
|-
|-
| <math>\rho</math> || Boden-Albedo der isotropen Transposition || — || '''Konstante: 0,2''' — fest verdrahtet; es gibt hier keine Hay-Davies-Transposition
| <math>\rho</math> || Boden-Albedo der isotropen Transposition || — || Dialog „Solarkollektoren", Feld „Albedo [-]"; leer = 0,2 (Gras). Es gibt hier keine Hay-Davies-Transposition
|-
|-
| — || keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung, keine Solarkreispumpe || — || '''fest verdrahtet''' — dafür gibt es keinen Parameter und keine Formel
| — || keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung || — || '''fest verdrahtet''' — dafür gibt es keinen Parameter und keine Formel
|-
|-
| <math>\theta_{\mathrm{ref}}</math> || Bezugswinkel der <math>b_{0}</math>-Näherung || ° || '''Konstante: 50'''
| <math>\theta_{\mathrm{ref}}</math> || Bezugswinkel der <math>b_{0}</math>-Näherung || ° || '''Konstante: 50'''
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|}
|}


Die vier Zeilen mit „fest verdrahtet" sind die '''vier Annahmen dieses Rechenwegs, die im Dialog
Die Zeile mit „fest verdrahtet" ist die '''Annahme dieses Rechenwegs, die im Dialog nirgends steht''': der Verzicht auf Stagnation; dazu rechnet die Einstrahlung isotrop. Wer die Zahlen der Seite nachrechnet, braucht sie — im Programm sieht er sie nicht. Alle übrigen Größen stehen im Dialog oder im Katalog; ein leeres Feld rechnet seine Vorgabe.
nirgends stehen''': die Arbeitstemperatur 50&nbsp;°C, die pauschalen Leitungsverluste, die isotrope
Einstrahlung mit Albedo 0,2 und der Verzicht auf Stagnation und Pumpenstrom. Wer die Zahlen der
Seite nachrechnet, braucht sie — im Programm sieht er sie nicht.


=== Variablen ===
=== Variablen ===
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|-
|-
| <math>\theta(t)</math> || Einfallswinkel der Direktstrahlung auf die Kollektorebene || ° || Sonnenstand aus Längen- und Breitengrad, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math>
| <math>\theta(t)</math> || Einfallswinkel der Direktstrahlung auf die Kollektorebene || ° || Sonnenstand aus Längen- und Breitengrad, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math>
|-
| <math>G_{\mathrm{b}}(t)</math> || Direktstrahlung in der Kollektorebene || W/m² || (1)
|-
| <math>G_{\mathrm{dr}}(t)</math> || Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene || W/m² || (1)
|-
|-
| <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> || Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene || W/m² || (1)
| <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> || Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene || W/m² || (1)
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| <math>b_{0}</math> || Beiwert der IAM-Näherung für Flachkollektoren || — || (2)
| <math>b_{0}</math> || Beiwert der IAM-Näherung für Flachkollektoren || — || (2)
|-
|-
| <math>\mathrm{IAM}(t)</math> || Einfallswinkelkorrektur der Stunde || — || (3)
| <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math> || Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung in der Stunde || — || (3)
|-
|-
| <math>\Delta\vartheta(t)</math> || Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung || K || (4)
| <math>\vartheta_{\mathrm{unten}}(t)</math> || Temperatur der untersten Zone des Senkenpuffers am Ende der Vorstunde; ohne Puffer der Rücklauf des Heizkreises || °C || Lauf (Pufferspeicher, Anlagenkopplung)
|-
|-
| <math>\eta(t)</math> || Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975 || — || (5)
| <math>\vartheta_{\mathrm{m}}(t)</math> || Arbeitstemperatur: mittlere Fluidtemperatur des Kollektors || °C || (4)
|-
| <math>\Delta\vartheta(t)</math> || Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung || K || (5)
|-
|-
| <math>q(t)</math> || flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors || W/m² || (6)
| <math>q(t)</math> || flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors || W/m² || (6)
|-
|-
| <math>A_{\mathrm{ges}}</math> || Aperturfläche des ganzen Feldes || m² || (7)
| <math>A_{\mathrm{ges}}</math> || rechnende Fläche des ganzen Feldes || m² || (7)
|-
|-
| <math>Q_{\mathrm{pot}}(t)</math> || Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde || kWh || (8)
| <math>Q_{\mathrm{pot}}(t)</math> || Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde || kWh || (8)
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|-
|-
| <math>Q_{\mathrm{nutz}}(t)</math> || nutzbarer Ertrag der Stunde || kWh || (10)
| <math>Q_{\mathrm{nutz}}(t)</math> || nutzbarer Ertrag der Stunde || kWh || (10)
|-
| <math>E_{\mathrm{P}}(t)</math> || Pumpenstrom der Stunde || kWh || (11)
|}
|}


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{{Anker|rechenweg}}
{{Anker|rechenweg}}


Gerechnet wird im festen Jahresraster von '''8&nbsp;760 Stunden'''; <math>t</math> ist in allen
Gerechnet wird im festen Jahresraster von '''8&nbsp;760 Stunden'''; <math>t</math> ist in allen Gleichungen dieser Seite die laufende Stunde des Jahres und wird deshalb in den Legenden nicht wiederholt. Die Klimadatenreihe wird — wie bei der Photovoltaik — in '''Ortszeit''' gelesen: Die gespeicherte Reihe steht in UTC, gelesen wird sie um eine Stunde (Normalzeit) beziehungsweise zwei Stunden (Sommerzeit) versetzt; Sonnenstand und Einfallswinkel rechnen weiter auf der UTC-Zeitmarke jeder Zeile. Ohne diese Verschiebung stünde die Kollektorreihe ein bis zwei Stunden vor dem Wärmebedarf — die Jahressumme bliebe richtig, die stundenscharfe Deckung nicht.
Gleichungen dieser Seite die laufende Stunde des Jahres und wird deshalb in den Legenden nicht
wiederholt. Die Klimadatenreihe wird — wie bei der Photovoltaik — in '''Ortszeit''' gelesen: Die
gespeicherte Reihe steht in UTC, gelesen wird sie um eine Stunde (Normalzeit) beziehungsweise zwei
Stunden (Sommerzeit) versetzt; Sonnenstand und Einfallswinkel rechnen weiter auf der UTC-Zeitmarke
jeder Zeile. Ohne diese Verschiebung stünde die Kollektorreihe ein bis zwei Stunden vor dem
Wärmebedarf — die Jahressumme bliebe richtig, die stundenscharfe Deckung nicht.


=== Schritt 1 — Einstrahlung auf die Kollektorebene ===
=== Schritt 1 — Einstrahlung auf die Kollektorebene ===


Isotrop, mit dem Boden-Albedo <math>\rho = 0{,}2</math> — dieselbe Rechnung wie im einfachen
Isotrop, mit der Boden-Albedo <math>\rho</math> der Anlagenzeile (leer = 0,2) — dieselbe Rechnung wie im einfachen PV-Modell. Der Direktanteil und der Rest aus Diffus- und Bodenreflexstrahlung bleiben getrennt, weil der Kollektor sie verschieden aufnimmt (Schritt 3):
PV-Modell:


: <math>\displaystyle G_{\mathrm{t}}(t) = \mathrm{DNI}(t) \cdot \cos\theta(t) + \mathrm{DHI}(t) \cdot \frac{1 + \cos\beta}{2} + \mathrm{GHI}(t) \cdot \rho \cdot \frac{1 - \cos\beta}{2}</math> &nbsp;&nbsp;(1)
: <math>\displaystyle G_{\mathrm{b}}(t) = \mathrm{DNI}(t) \cdot \cos\theta(t) \qquad G_{\mathrm{dr}}(t) = \mathrm{DHI}(t) \cdot \frac{1 + \cos\beta}{2} + \mathrm{GHI}(t) \cdot \rho \cdot \frac{1 - \cos\beta}{2} \qquad G_{\mathrm{t}}(t) = G_{\mathrm{b}}(t) + G_{\mathrm{dr}}(t)</math> &nbsp;&nbsp;(1)
:: <math>G_{\mathrm{b}}(t)</math> – Direktstrahlung in der Kollektorebene [W/m²]
:: <math>G_{\mathrm{dr}}(t)</math> – Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene [W/m²]
:: <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> – Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene [W/m²]
:: <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> – Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene [W/m²]
:: <math>\mathrm{DNI}(t)</math> – Direktstrahlung (senkrecht zur Sonne) [W/m²]
:: <math>\mathrm{DNI}(t)</math> – Direktstrahlung (senkrecht zur Sonne) [W/m²]
Zeile 163: Zeile 166:
:: <math>\beta</math> – Neigung der Kollektorebene [°]
:: <math>\beta</math> – Neigung der Kollektorebene [°]
:: <math>\mathrm{GHI}(t)</math> – Globalstrahlung auf die Horizontale [W/m²]
:: <math>\mathrm{GHI}(t)</math> – Globalstrahlung auf die Horizontale [W/m²]
:: <math>\rho</math> – Boden-Albedo [–], Konstante 0,2
:: <math>\rho</math> – Boden-Albedo [–], Feld der Anlage, leer = 0,2


Bei Nacht — Sonne unter dem Horizont — ist <math>G_{\mathrm{t}}(t) = 0</math>.
Bei Nacht — Sonne unter dem Horizont — ist <math>G_{\mathrm{t}}(t) = 0</math>.


=== Schritt 2 — Einfallswinkelkorrektur (IAM) ===
=== Schritt 2 — Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung ===


Aus dem Katalogwert <math>K_{\mathrm{dir50}}</math> wird der <math>b_{0}</math>-Beiwert der
Aus dem Katalogwert <math>K_{\mathrm{dir50}}</math> wird der <math>b_{0}</math>-Beiwert der üblichen Näherung für Flachkollektoren gebildet (EN ISO 9806):
üblichen Näherung für Flachkollektoren gebildet:


: <math>\displaystyle b_{0} = \frac{1 - K_{\mathrm{dir50}}}{\frac{1}{\cos\theta_{\mathrm{ref}}} - 1}</math> &nbsp;&nbsp;(2)
: <math>\displaystyle b_{0} = \frac{1 - K_{\mathrm{dir50}}}{\frac{1}{\cos\theta_{\mathrm{ref}}} - 1}</math> &nbsp;&nbsp;(2)
Zeile 177: Zeile 179:
:: <math>\theta_{\mathrm{ref}}</math> – Bezugswinkel der Näherung [°], Konstante 50
:: <math>\theta_{\mathrm{ref}}</math> – Bezugswinkel der Näherung [°], Konstante 50


: <math>\displaystyle \mathrm{IAM}(t) = \min\left( \max\left( 1 - b_{0} \cdot \left( \frac{1}{\max\left( \cos\theta(t) , c_{\mathrm{min}} \right)} - 1 \right) , 0 \right) , 1 \right)</math> &nbsp;&nbsp;(3)
: <math>\displaystyle K_{\mathrm{b}}(t) = \min\left( \max\left( 1 - b_{0} \cdot \left( \frac{1}{\max\left( \cos\theta(t) , c_{\mathrm{min}} \right)} - 1 \right) , 0 \right) , 1 \right)</math> &nbsp;&nbsp;(3)
:: <math>\mathrm{IAM}(t)</math> – Einfallswinkelkorrektur der Stunde; auf 0…1 begrenzt [–]
:: <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math> – Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung in der Stunde; auf 0…1 begrenzt [–]
:: <math>b_{0}</math> – Beiwert aus (2) [–]
:: <math>b_{0}</math> – Beiwert aus (2) [–]
:: <math>\theta(t)</math> – Einfallswinkel der Stunde [°]
:: <math>\theta(t)</math> – Einfallswinkel der Stunde [°]
:: <math>c_{\mathrm{min}}</math> – untere Klemme des Kosinus [–], Konstante 0,001
:: <math>c_{\mathrm{min}}</math> – untere Klemme des Kosinus [–], Konstante 0,001


Die Klemme <math>c_{\mathrm{min}} = 0{,}001</math> hält den Nenner endlich, damit ein flacher
Die Klemme <math>c_{\mathrm{min}} = 0{,}001</math> hält den Nenner endlich, damit ein flacher Einfall keine Division durch null erzeugt.
Einfall keine Division durch null erzeugt.


=== Schritt 3 — Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975 ===
=== Schritt 3 — Arbeitstemperatur und Kollektorleistung nach EN ISO 9806 ===


: <math>\displaystyle \Delta\vartheta(t) = \vartheta_{\mathrm{Sp}} - \vartheta_{\mathrm{Luft}}(t)</math> &nbsp;&nbsp;(4)
Die Kennlinie des Kollektors bezieht sich auf die '''mittlere Fluidtemperatur''' <math>\vartheta_{\mathrm{m}}</math>. Mit der Wahl „fest 50&nbsp;°C" ist sie <math>\vartheta_{\mathrm{fest}} = 50</math>&nbsp;°C für das ganze Jahr. Mit der Wahl „aus dem Speicher" sieht der Kollektor den kalten Teil des Speichers: Er tritt mit der Temperatur der untersten Zone plus der Grädigkeit des Wärmeübertragers ein und erwärmt sich um die Spreizung (EN 15316-4-3):
 
: <math>\displaystyle \vartheta_{\mathrm{m}}(t) = \vartheta_{\mathrm{unten}}(t) + \Delta\vartheta_{\mathrm{WT}} + \frac{\Delta\vartheta_{\mathrm{Koll}}}{2}</math> &nbsp;&nbsp;(4)
:: <math>\vartheta_{\mathrm{m}}(t)</math> – Arbeitstemperatur des Kollektors [°C]; mit der Wahl „fest" gilt 50
:: <math>\vartheta_{\mathrm{unten}}(t)</math> – Temperatur der untersten Zone des Senkenpuffers am Ende der Vorstunde, ohne Puffer der gerechnete Rücklauf des Heizkreises [°C]
:: <math>\Delta\vartheta_{\mathrm{WT}}</math> – Grädigkeit des Wärmeübertragers [K], Vorgabe 5
:: <math>\Delta\vartheta_{\mathrm{Koll}}</math> – Spreizung des Kollektorkreises [K], Vorgabe 10
 
Die unterste Zone ist die des Puffers mit dem kleinsten Rang unter den Senken des Feldes. Bei mehreren Zonen gilt die Temperatur der untersten. Führt der Puffer eine Zone, ist ihre Temperatur <math>\vartheta_{\mathrm{RL}} + \frac{\mathrm{SOC}}{Q_{\mathrm{max}}} \cdot \left( \vartheta_{\mathrm{VL}} - \vartheta_{\mathrm{RL}} \right)</math> mit dem Temperaturpaar des Puffers. Lädt das Feld keinen Puffer und ist kein Gebäude mit dem Heizkreis gekoppelt, rechnet es mit 50&nbsp;°C und sagt es im Simulationsprotokoll.
 
: <math>\displaystyle \Delta\vartheta(t) = \vartheta_{\mathrm{m}}(t) - \vartheta_{\mathrm{Luft}}(t)</math> &nbsp;&nbsp;(5)
:: <math>\Delta\vartheta(t)</math> – Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung [K]
:: <math>\Delta\vartheta(t)</math> – Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung [K]
:: <math>\vartheta_{\mathrm{Sp}}</math> – Arbeitstemperatur des Kollektors [°C], Konstante 50
:: <math>\vartheta_{\mathrm{m}}(t)</math> – Arbeitstemperatur aus (4) [°C]
:: <math>\vartheta_{\mathrm{Luft}}(t)</math> – Außentemperatur der Stunde [°C]
:: <math>\vartheta_{\mathrm{Luft}}(t)</math> – Außentemperatur der Stunde [°C]


: <math>\displaystyle \eta(t) = h_{0} \cdot \mathrm{IAM}(t) - k_{1} \cdot \frac{\Delta\vartheta(t)}{G_{\mathrm{t}}(t)} - k_{2} \cdot \frac{\Delta\vartheta(t)^{2}}{G_{\mathrm{t}}(t)}</math> &nbsp;&nbsp;(5)
: <math>\displaystyle q(t) = \max\left( 0 , h_{0} \cdot \left( K_{\mathrm{b}}(t) \cdot G_{\mathrm{b}}(t) + K_{\mathrm{d}} \cdot G_{\mathrm{dr}}(t) \right) - k_{1} \cdot \Delta\vartheta(t) - k_{2} \cdot \Delta\vartheta(t)^{2} \right)</math> &nbsp;&nbsp;(6)
:: <math>\eta(t)</math> – Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975 [–]
:: <math>q(t)</math> – flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors [W/m²]; ohne Einstrahlung 0
:: <math>h_{0}</math> – Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) des Katalogs [–]
:: <math>h_{0}</math> – Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) des Katalogs [–]
:: <math>\mathrm{IAM}(t)</math> – Einfallswinkelkorrektur aus (3) [–]
:: <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math> – Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung aus (3) [–]
:: <math>G_{\mathrm{b}}(t)</math> – Direktstrahlung in der Kollektorebene aus (1) [W/m²]
:: <math>K_{\mathrm{d}}</math> – Einfallswinkelkorrektur der Diffusstrahlung des Katalogs [–]; ohne Katalogwert gilt <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math>
:: <math>G_{\mathrm{dr}}(t)</math> – Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene aus (1) [W/m²]
:: <math>k_{1}</math> – Wärmeverlustkoeffizient [W/(m²·K)]
:: <math>k_{1}</math> – Wärmeverlustkoeffizient [W/(m²·K)]
:: <math>\Delta\vartheta(t)</math> – Übertemperatur aus (4) [K]
:: <math>\Delta\vartheta(t)</math> – Übertemperatur aus (5) [K]
:: <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> – Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene aus (1) [W/m²]
:: <math>k_{2}</math> – temperaturabhängiger Verlustkoeffizient [W/(m²·K²)]
:: <math>k_{2}</math> – temperaturabhängiger Verlustkoeffizient [W/(m²·K²)]


: <math>\displaystyle q(t) = \max\left( 0 , G_{\mathrm{t}}(t) \cdot \eta(t) \right)</math> &nbsp;&nbsp;(6)
Die Diffusstrahlung kommt aus allen Richtungen des Himmels; ihr Korrekturfaktor <math>K_{\mathrm{d}}</math> ist deshalb ein fester Wert, während <math>K_{\mathrm{b}}(t)</math> mit dem Sonnenstand wandert. Führt der Katalogsatz keinen Wert für <math>K_{\mathrm{diff}}</math>, bekommt die Diffusstrahlung den Faktor der Direktstrahlung.
:: <math>q(t)</math> – flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors [W/m²]
:: <math>G_{\mathrm{t}}(t)</math> – Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene [W/m²]
:: <math>\eta(t)</math> – Kollektorwirkungsgrad aus (5) [–]
 
'''<math>\vartheta_{\mathrm{Sp}}</math> ist im Modell fest 50&nbsp;°C''' und '''keine''' Eingabe.
Das ist die maßgebliche Vereinfachung dieser Seite: Der Kollektor rechnet gegen eine
gleichbleibende Arbeitstemperatur, nicht gegen den tatsächlichen Zustand seines Speichers.


=== Schritt 4 — Bruttopotenzial des Feldes ===
=== Schritt 4 — Bruttopotenzial des Feldes ===


: <math>\displaystyle A_{\mathrm{ges}} = A_{\mathrm{Ap}} \cdot n</math> &nbsp;&nbsp;(7)
: <math>\displaystyle A_{\mathrm{ges}} = A_{\mathrm{Bez}} \cdot n</math> &nbsp;&nbsp;(7)
:: <math>A_{\mathrm{ges}}</math> – Aperturfläche des ganzen Feldes [m²]
:: <math>A_{\mathrm{ges}}</math> – rechnende Fläche des ganzen Feldes [m²]
:: <math>A_{\mathrm{Ap}}</math> – Aperturfläche eines Kollektors [m²]
:: <math>A_{\mathrm{Bez}}</math> – Bezugsfläche eines Kollektors: Aperturfläche oder Bruttofläche, je nach Bezugsfläche der Kennwerte [m²]
:: <math>n</math> – Anzahl Kollektoren des Feldes [Stück]
:: <math>n</math> – Anzahl Kollektoren des Feldes [Stück]


: <math>\displaystyle Q_{\mathrm{pot}}(t) = \frac{q(t) \cdot A_{\mathrm{ges}} \cdot f_{\mathrm{L}}}{1\,000}</math> &nbsp;&nbsp;(8)
: <math>\displaystyle Q_{\mathrm{pot}}(t) = \frac{q(t) \cdot A_{\mathrm{ges}}}{1\,000} \cdot \frac{100 - v_{\mathrm{L}}}{100}</math> &nbsp;&nbsp;(8)
:: <math>Q_{\mathrm{pot}}(t)</math> – Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde [kWh]
:: <math>Q_{\mathrm{pot}}(t)</math> – Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde [kWh]
:: <math>q(t)</math> – flächenbezogene Nutzleistung aus (6) [W/m²]
:: <math>q(t)</math> – flächenbezogene Nutzleistung aus (6) [W/m²]
:: <math>A_{\mathrm{ges}}</math> – Aperturfläche des Feldes aus (7) [m²]
:: <math>A_{\mathrm{ges}}</math> – rechnende Fläche des Feldes aus (7) [m²]
:: <math>f_{\mathrm{L}}</math> – Leitungsverlustfaktor des Solarkreises [–], Konstante 0,92
:: <math>v_{\mathrm{L}}</math> – Verluste des Solarkreises [%], Vorgabe 8
:: <math>1\,000</math> – Umrechnung von W in kW [W/kW]
:: <math>1\,000</math> – Umrechnung von W in kW [W/kW]


Der Faktor <math>f_{\mathrm{L}} = 0{,}92</math> sind pauschale '''Leitungsverluste''' des
Die Kennwerte <math>h_{0}</math>, <math>k_{1}</math> und <math>k_{2}</math> gehören zu der Fläche, auf die das Datenblatt sie bezieht: Ältere Datenblätter nach EN 12975 nennen meist die Aperturfläche, Prüfberichte nach EN ISO 9806:2017 meist die Bruttofläche. Passen Fläche und Kennwerte nicht zusammen, liegt der Ertrag um das Verhältnis der beiden Flächen daneben — bei Flachkollektoren rund 0,85 bis 0,95. Ist die Bruttofläche gewählt, der Katalogsatz führt aber keine Modulfläche, rechnet der Lauf mit der Aperturfläche und sagt es. Die Division durch 1 000 rechnet W in kW um; über eine Stunde ist das die kWh dieser Stunde.
Solarkreises. Auch er ist fest verdrahtet und nicht einstellbar. Die Division durch 1 000 rechnet W
in kW um; über eine Stunde ist das die kWh dieser Stunde.


=== Schritt 5 — Wohin die Wärme geht ===
=== Schritt 5 — Wohin die Wärme geht ===


Das Potenzial der Stunde steht jedem Feld zunächst voll zur Verfügung. Danach gilt in der
Das Potenzial der Stunde steht jedem Feld zunächst voll zur Verfügung. Danach gilt in der Stundenschleife, in dieser Reihenfolge:
Stundenschleife, in dieser Reihenfolge:


# '''Direktdeckung''' über die Direktsenken des Feldes (bei „beides" mit Warmwasservorrang)
# '''Direktdeckung''' über die Direktsenken des Feldes (bei „beides" mit Warmwasservorrang)
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:: <math>Q_{\mathrm{lad}}(t)</math> – Speicherladung der Stunde [kWh]
:: <math>Q_{\mathrm{lad}}(t)</math> – Speicherladung der Stunde [kWh]


Ein Feld '''ohne''' Direktsenke deckt nichts und lädt ausschließlich. Mit dem Vorgaberang
Ein Feld '''ohne''' Direktsenke deckt nichts und lädt ausschließlich. Mit dem Vorgaberang <math>r = 10</math> ist die Solarthermie der '''erste''' Lader der Kaskade — vor Wärmepumpe (20), BHKW (30) und Heizkessel (40). Der Grund steht in der Rangfolge selbst: Ihre Grenzkosten sind praktisch null, und nicht genutzte Einstrahlung ist verloren. Wo am Speicher eine '''Reservezone''' gepflegt ist (die Abschaltschwelle für nachrangige Anlagen), laden die übrigen Erzeuger nur bis dorthin und lassen den oberen Teil für die Solarthermie frei. Ist das Feld leer und lädt die Solarthermie den Speicher vorrangig, gilt für die nachrangigen Erzeuger die Automatik '''30&nbsp;%''' der nutzbaren Kapazität; ohne Solarthermie am Speicher gilt bei leerem Feld die Abschaltschwelle.
<math>r = 10</math> ist die Solarthermie der '''erste''' Lader der Kaskade — vor Wärmepumpe (20),
 
BHKW (30) und Heizkessel (40). Der Grund steht in der Rangfolge selbst: Ihre Grenzkosten sind
Was der Speicher später an den Bedarf abgibt, wird dem Erzeuger zugerechnet, der geladen hat — die Solarthermie erhält davon ihren Anteil. <math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> plus dieser Anteil ist ihr '''Eigenanteil''' an der Bedarfsdeckung; der Restwärmebedarf wird ausdrücklich aus <math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> gebildet, sonst würde er negativ und die Deckung überschritte 100&nbsp;%.
praktisch null, und nicht genutzte Einstrahlung ist verloren. Wo am Speicher eine '''Reservezone'''
 
gepflegt ist (die Abschaltschwelle für nachrangige Anlagen), laden die übrigen Erzeuger nur bis
=== Schritt 6 — Pumpenstrom des Solarkreises ===
dorthin und lassen den oberen Teil für die Solarthermie frei.
 
Die Solarkreispumpe läuft in jeder Stunde, in der das Feld Wärme abgibt (VDI 6002 Blatt 1, EN 15316-4-3):
 
: <math>\displaystyle E_{\mathrm{P}}(t) = \frac{P_{\mathrm{P}} \cdot 1\,\mathrm{h}}{1\,000} \quad \mathrm{wenn} \quad Q_{\mathrm{nutz}}(t) > 0 \text{, sonst } 0</math> &nbsp;&nbsp;(11)
:: <math>E_{\mathrm{P}}(t)</math> – Pumpenstrom der Stunde [kWh]
:: <math>P_{\mathrm{P}}</math> – elektrische Leistung der Solarkreispumpe [W]
:: <math>Q_{\mathrm{nutz}}(t)</math> – nutzbarer Ertrag der Stunde aus (10) [kWh]


Was der Speicher später an den Bedarf abgibt, wird dem Erzeuger zugerechnet, der geladen hat — die
Ohne gepflegte Pumpenleistung gilt hilfsweise der Hilfsenergieanteil der Anlage in Prozent der genutzten Wärme <math>Q_{\mathrm{nutz}}(t)</math>; ohne beides rechnet der Lauf keinen Pumpenstrom. Der Pumpenstrom ist ein Verbraucher am Anschluss: Er geht an der Stelle der Solarthermie in der Kaskade in den Strombedarf und damit in Netzbezug, Eigenverbrauch und Strombilanz.
Solarthermie erhält davon ihren Anteil. <math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> plus dieser Anteil ist ihr
'''Eigenanteil''' an der Bedarfsdeckung; der Restwärmebedarf wird ausdrücklich aus
<math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> gebildet, sonst würde er negativ und die Deckung überschritte
100&nbsp;%.


== Grenzen und Annahmen ==
== Grenzen und Annahmen ==
{{Anker|grenzen}}
{{Anker|grenzen}}


* '''Die Arbeitstemperatur ist fest <math>\vartheta_{\mathrm{Sp}} = 50</math>&nbsp;°C.''' Der
* '''Die Arbeitstemperatur folgt dem Speicher am Ende der Vorstunde''' (Wahl „aus dem Speicher"), nicht dem Verlauf innerhalb der Stunde; mit der Wahl „fest 50&nbsp;°C" rechnet der Kollektor das ganze Jahr gegen 50&nbsp;°C und sieht den Speicherzustand nicht.
  Wirkungsgrad (5) hängt damit nicht vom tatsächlichen Speicherzustand ab. Ein kalter Speicher am
* '''Die Verluste des Solarkreises sind ein Prozentsatz''' des Bruttopotenzials (Vorgabe 8&nbsp;%); Leitungslänge und Dämmung gehen nicht als eigene Größen ein.
  Morgen brächte real mehr Ertrag, ein voller weniger; das Modell rechnet beides gleich.
* '''Keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung.''' Wärme, die niemand aufnimmt, wird als Überschuss <math>Q_{\mathrm{ueber}}</math> verworfen; eine Begrenzung der Kollektortemperatur oder ein Abschaltkriterium gibt es nicht.
* '''Die Leitungsverluste sind pauschal 8&nbsp;%''' (<math>f_{\mathrm{L}} = 0{,}92</math>) und
* '''Der Wärmeübertrager ist eine Grädigkeit''', kein eigenes Übertragermodell: Er hebt mit der Wahl „aus dem Speicher" die Arbeitstemperatur; mit der Wahl „fest" wirkt er nicht.
  nicht einstellbar.
* '''Die Pumpe läuft stundenweise''' mit ihrer vollen Leistung, sobald das Feld in der Stunde Wärme abgibt; Drehzahlregelung und Laufzeit innerhalb der Stunde gehen nicht ein.
* '''Keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung.''' Wärme, die niemand aufnimmt, wird als
* '''Eine Ausrichtung je Feld.''' <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> hängen an der Anlagenzeile.
  Überschuss <math>Q_{\mathrm{ueber}}</math> verworfen; eine Begrenzung der Kollektortemperatur
* '''Die Einstrahlung ist isotrop''' — anders als beim erweiterten PV-Modell gibt es hier keine Hay-Davies-Transposition; (1) ist die einzige Transpositionsformel dieser Seite.
  oder ein Abschaltkriterium gibt es nicht.
* '''Die Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung ist die <math>b_{0}</math>-Näherung''' aus dem Katalogwert bei 50°; eine gemessene Kurve über alle Winkel geht nicht ein.
* '''Keine Solarkreispumpe.''' Ihr Stromverbrauch geht nicht in die Bilanz ein.
* '''Vor- und Rücklauf des Kollektors sind keine Eingabe.''' Die Temperatur des Kollektors entsteht aus der Arbeitstemperatur (4), nicht aus einem gepflegten Temperaturpaar.
* '''Kein Wärmeübertrager zum Speicher.''' Die Übertragung ist verlustfrei, abgesehen von
* '''Mit einer zugeordneten Solarthermie-Ganglinie''' rechnet der Lauf deren Stundenwerte als Potenzial statt des Kollektorfelds; Arbeitstemperatur, Kennwerte, Verluste und Pumpe gelten dann nicht.
  <math>f_{\mathrm{L}}</math>.
* '''Eine Ausrichtung je Feld.''' <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> hängen an der
  Anlagenzeile.
* '''Die Einstrahlung ist isotrop''' — anders als beim erweiterten PV-Modell gibt es hier keine
  Hay-Davies-Transposition; (1) ist die einzige Transpositionsformel dieser Seite.
* '''K<sub>dfu</sub> („K<sub>diff</sub>") rechnet nicht mit.''' Der Katalog führt den Wert und der
  Editor pflegt ihn; (5) benutzt nur <math>h_{0}</math>, <math>k_{1}</math>, <math>k_{2}</math>
  und <math>K_{\mathrm{dir50}}</math>.
* '''„Modulfläche" ist nicht die Rechengröße.''' In (7) steht die '''Aperturfläche''' mal der Anzahl
  Kollektoren; die Modulfläche ist Anzeige.
* '''Vor- und Rücklauf des Katalogs sind die Vorbelegung:''' Beim Anlegen der Anlage im Projekt
  werden sie aus dem Katalogsatz übernommen und können dort für das Projekt geändert werden.
  Gerechnet wird mit den Werten der Projektzeile (Anlage), nicht mit dem Katalogsatz.
* '''Die Solarthermie-Ganglinien sind kein Rechenweg.''' Die Zeitreihen, die sich einem Projekt
  zuordnen lassen, werden gepflegt, kopiert und exportiert — der Simulationslauf liest sie
  '''nicht'''. Er rechnet den Ertrag aus Klimadaten und Kollektorkennwerten. Wer eine gemessene
  Reihe einsetzen will, kann das über diesen Weg heute nicht.


== Ergebnisse und wo sie stehen ==
== Ergebnisse und wo sie stehen ==
{{Anker|ergebnisse}}
{{Anker|ergebnisse}}


* '''Simulationsergebnis, Reiter „Solarthermie"''' — je Kollektorfeld Name, Gesamtfläche
* '''Simulationsergebnis, Reiter „Solarthermie"''' — Wärmebedarf, '''Kollektorertrag brutto''' (die Jahressumme von <math>Q_{\mathrm{pot}}</math> nach (9), also genutzt plus Überschuss), '''davon genutzt''' (<math>Q_{\mathrm{nutz}}</math> nach (10)), '''Überschuss''', Restwärmebedarf und Wärmebedarfsdeckung; je Kollektorfeld Name, rechnende Fläche <math>A_{\mathrm{ges}}</math>, Anzahl, nutzbarer Jahresertrag und verworfener Überschuss; mit gepflegter Pumpe der Pumpenstrom des Jahres.
  <math>A_{\mathrm{ges}}</math>, Anzahl, nutzbarer Jahresertrag und verworfener Überschuss.
* '''Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht"''' — der Deckungsanteil der Solarthermie an der Jahreswärme.
* '''Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht"''' — der Deckungsanteil der Solarthermie an der
* '''Simulationsergebnis, Reiter „Ergebnis", Blatt „Wärmebedarfsdeckung"''' — <math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> und <math>Q_{\mathrm{lad}}</math> im Stapel der Erzeuger.
  Jahreswärme.
* '''Simulationsprotokoll''' — nicht lesbare Klimaregion, Felder ohne Senke, der Puffer, aus dem ein Feld seine Arbeitstemperatur bildet, ein Feld ohne Senkentemperatur und eine Bruttofläche ohne Modulfläche.
* '''Simulationsergebnis, Reiter „Wärmegang"''' — <math>Q_{\mathrm{direkt}}</math> und
  <math>Q_{\mathrm{lad}}</math> im Stapel der Erzeuger.
* '''Simulationsprotokoll''' — nicht lesbare Klimaregion, Felder ohne Senke.
* '''Bericht''' und '''Wirtschaftlichkeit''' — der Ertrag als vermiedene Brennstoffmenge.
* '''Bericht''' und '''Wirtschaftlichkeit''' — der Ertrag als vermiedene Brennstoffmenge.


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* [[Programm Dokumentation/Solarthermie|Solarthermie]] — Bedienung von Katalog, Projektdialog und Ganglinienverwaltung
* [[Programm Dokumentation/Solarthermie|Solarthermie]] — Bedienung von Katalog, Projektdialog und Ganglinienverwaltung
* [[Grundlagen/Solarkollektoren|Grundlagen: Solarkollektoren]] — Bauarten, Kennlinie und Einsatz
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Simulationsablauf|Berechnung: Simulationsablauf]] — Kaskade, Phasen der Stundenschleife, Ladeordnung
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Simulationsablauf|Berechnung: Simulationsablauf]] — Kaskade, Phasen der Stundenschleife, Ladeordnung
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Pufferspeicher|Berechnung: Pufferspeicher]] — Abschaltschwelle, Reservezone und die Zurechnung der Entladung
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Pufferspeicher|Berechnung: Pufferspeicher]] — Abschaltschwelle, Reservezone, Schichten und die Zurechnung der Entladung
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Photovoltaik|Berechnung: Photovoltaik]] — dieselbe Sonnengeometrie und Zeitbasis, anderes Ertragsmodell
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Photovoltaik|Berechnung: Photovoltaik]] — dieselbe Sonnengeometrie und Zeitbasis, anderes Ertragsmodell
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Wärmebedarf|Berechnung: Wärmebedarf]] — woher der Bedarf kommt, den die Kollektoren decken
* [[Programm Dokumentation/Berechnung/Wärmebedarf|Berechnung: Wärmebedarf]] — woher der Bedarf kommt, den die Kollektoren decken
* [[Programm Dokumentation/Klimadaten|Klimadaten]] — Herkunft und Pflege der Strahlungsreihen
* [[Programm Dokumentation/Klimadaten|Klimadaten]] — Herkunft und Pflege der Strahlungsreihen

Aktuelle Version vom 30. Oktober 2026, 02:28 Uhr


Was berechnet wird

Ein Solarkollektorfeld wandelt Einstrahlung in Nutzwärme. Der Lauf ermittelt zu Beginn jeder Stunde das Bruttopotenzial des Feldes — es hängt vom Wetter, von der Ausrichtung, von den Kollektorkennwerten und von der Arbeitstemperatur des Kollektors ab, nicht vom Bedarf der Stunde — und entscheidet danach, wohin diese Wärme geht: Direktdeckung, Speicherladung oder Überschuss (verworfene Wärme). Die Arbeitstemperatur ist wahlweise fest 50 °C oder folgt dem Speicher: der untersten Zone des Puffers, den das Feld lädt, am Ende der Vorstunde.

Ergebnisgrößen sind der nutzbare Jahresertrag je Kollektorfeld, seine Aufteilung auf Deckung und Ladung, der verworfene Überschuss, der Deckungsanteil an der Jahreswärme und — mit gepflegter Solarkreispumpe — der Pumpenstrom.

Eingangsgrößen

Größe Einheit Herkunft im Programm
Globalstrahlung, Direktstrahlung, Diffusstrahlung, Außentemperatur W/m², °C Klimadatenreihe der Klimaregion, 8 760 Stundenwerte
Längengrad, Breitengrad ° Klimaregion des Projekts (Sonnenstand)
Anzahl Kollektoren Stück Dialog „Solarkollektoren", Abschnitt „Kollektor"
Neigung, Azimut ° derselbe Abschnitt
Leistung der Solarkreispumpe, Verluste des Solarkreises W, % derselbe Abschnitt
Arbeitstemperatur (fest oder aus dem Speicher), Grädigkeit des Wärmeübertragers, Spreizung des Kollektorkreises —, K, K derselbe Abschnitt
Aperturfläche und Modulfläche je Kollektor, Bezugsfläche der Kennwerte m², — Kollektorkatalog
Konversionsfaktor h0 — Kollektorkatalog
Wärmeverlustkoeffizient k1 W/(m²·K) Kollektorkatalog
Temperaturabhängiger Verlustkoeffizient k2 W/(m²·K²) Kollektorkatalog
Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung Kdir(50°) und der Diffusstrahlung Kdiff — Kollektorkatalog
unterste Zone des Senkenpuffers, Rücklauf des Heizkreises °C Lauf (Pufferspeicher, Anlagenkopplung)
Wärmesenken und Ladeaufträge — Simulationskonfiguration, Karte des Kollektorfelds
Ladepriorität 1…99 Simulationskonfiguration; Vorgabe 10 für die Solarthermie

Formelzeichen und Parameter

Die Schreibweise ist die der ganzen Rubrik: t ist die Stunde des Jahres (1…8 760), G eine Bestrahlungsstärke, q eine flächenbezogene Leistung, Q eine Wärmemenge, ϑ eine Temperatur in Grad Celsius, β und γ Neigung und Azimut. Umlaute stehen in den Formeln in ASCII-Umschrift — der Überschuss heißt dort Queber.

Parameter

Eingaben, Katalogwerte, Vorgaben und Konstanten. Sie ändern sich innerhalb eines Laufs nicht.

Symbol Bedeutung Einheit Herkunft
n Anzahl Kollektoren des Feldes Stück Dialog „Solarkollektoren", Abschnitt „Kollektor", Feld „Anzahl"
β Neigung der Kollektorebene ° derselbe Abschnitt, Feld „Neigung"
γ Azimut der Kollektorebene ° derselbe Abschnitt, Feld „Azimut"
ABez Bezugsfläche eines Kollektors: die Fläche, auf die h0, k1 und k2 bezogen sind m² Kollektorkatalog: die Aperturfläche, wenn die Bezugsfläche der Kennwerte „Aperturfläche" ist (Vorgabe), sonst die Modulfläche (Bruttofläche)
h0 Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) — Kollektorkatalog
k1 Wärmeverlustkoeffizient W/(m²·K) Kollektorkatalog
k2 temperaturabhängiger Verlustkoeffizient W/(m²·K²) Kollektorkatalog
Kdir50 Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung bei 50° — Kollektorkatalog, Feld Kdir(50°)
Kd Einfallswinkelkorrektur der Diffusstrahlung, unabhängig vom Winkel — Kollektorkatalog, Feld Kdiff; 0 = unbekannt, dann gilt Kb(t) aus (3)
ϑfest feste Arbeitstemperatur °C Konstante: 50 — gilt mit der Wahl „fest 50 °C" (Vorgabe) und als Rückfall ohne Senkentemperatur
ΔϑWT Grädigkeit des Wärmeübertragers zum Speicher K Dialog „Solarkollektoren", Feld „Grädigkeit"; Vorgabe: 5 (externer Plattenübertrager; innenliegendes Glattrohr etwa 10)
ΔϑKoll Spreizung des Kollektorkreises, Austritt minus Eintritt K Dialog „Solarkollektoren", Feld „Spreizung"; Vorgabe: 10
vL Verluste des Solarkreises % Dialog „Solarkollektoren", Feld „Verluste"; Vorgabe: 8
PP elektrische Leistung der Solarkreispumpe W Dialog „Solarkollektoren", Feld „Leistung Solarkreispumpe"; leer = kein Pumpenstrom oder, wo gepflegt, der Hilfsenergieanteil der Anlage
ρ Boden-Albedo der isotropen Transposition — Dialog „Solarkollektoren", Feld „Albedo [-]"; leer = 0,2 (Gras). Es gibt hier keine Hay-Davies-Transposition
— keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung — fest verdrahtet — dafür gibt es keinen Parameter und keine Formel
θref Bezugswinkel der b0-Näherung ° Konstante: 50
cmin untere Klemme des Kosinus in der IAM-Rechnung — Konstante: 0,001 — sie verhindert die Division durch null bei flachem Einfall
r Ladepriorität des Feldes in der Ladeordnung — Simulationskonfiguration; Vorgabe: 10 — der erste Lader der Kaskade

Die Zeile mit „fest verdrahtet" ist die Annahme dieses Rechenwegs, die im Dialog nirgends steht: der Verzicht auf Stagnation; dazu rechnet die Einstrahlung isotrop. Wer die Zahlen der Seite nachrechnet, braucht sie — im Programm sieht er sie nicht. Alle übrigen Größen stehen im Dialog oder im Katalog; ein leeres Feld rechnet seine Vorgabe.

Variablen

Größen, die der Lauf je Stunde oder je Kollektorfeld bildet.

Symbol Bedeutung Einheit berechnet in
t Stunde des Jahres, 1…8 760 — Laufindex der Stundenschleife
GHI(t), DNI(t), DHI(t) Global-, Direkt- und Diffusstrahlung W/m² Klimadatenreihe (Eingang)
ϑLuft(t) Außentemperatur °C Klimadatenreihe (Eingang)
θ(t) Einfallswinkel der Direktstrahlung auf die Kollektorebene ° Sonnenstand aus Längen- und Breitengrad, β und γ
Gb(t) Direktstrahlung in der Kollektorebene W/m² (1)
Gdr(t) Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene W/m² (1)
Gt(t) Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene W/m² (1)
b0 Beiwert der IAM-Näherung für Flachkollektoren — (2)
Kb(t) Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung in der Stunde — (3)
ϑunten(t) Temperatur der untersten Zone des Senkenpuffers am Ende der Vorstunde; ohne Puffer der Rücklauf des Heizkreises °C Lauf (Pufferspeicher, Anlagenkopplung)
ϑm(t) Arbeitstemperatur: mittlere Fluidtemperatur des Kollektors °C (4)
Δϑ(t) Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung K (5)
q(t) flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors W/m² (6)
Ages rechnende Fläche des ganzen Feldes m² (7)
Qpot(t) Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde kWh (8)
Qdirekt(t) Anteil, der unmittelbar Bedarf deckt kWh (9)
Qlad(t) Anteil, der in einen Pufferspeicher geht kWh (9)
Queber(t) Überschuss — verworfene Wärme kWh (9)
Qnutz(t) nutzbarer Ertrag der Stunde kWh (10)
EP(t) Pumpenstrom der Stunde kWh (11)

Rechenweg

Gerechnet wird im festen Jahresraster von 8 760 Stunden; t ist in allen Gleichungen dieser Seite die laufende Stunde des Jahres und wird deshalb in den Legenden nicht wiederholt. Die Klimadatenreihe wird — wie bei der Photovoltaik — in Ortszeit gelesen: Die gespeicherte Reihe steht in UTC, gelesen wird sie um eine Stunde (Normalzeit) beziehungsweise zwei Stunden (Sommerzeit) versetzt; Sonnenstand und Einfallswinkel rechnen weiter auf der UTC-Zeitmarke jeder Zeile. Ohne diese Verschiebung stünde die Kollektorreihe ein bis zwei Stunden vor dem Wärmebedarf — die Jahressumme bliebe richtig, die stundenscharfe Deckung nicht.

Schritt 1 — Einstrahlung auf die Kollektorebene

Isotrop, mit der Boden-Albedo ρ der Anlagenzeile (leer = 0,2) — dieselbe Rechnung wie im einfachen PV-Modell. Der Direktanteil und der Rest aus Diffus- und Bodenreflexstrahlung bleiben getrennt, weil der Kollektor sie verschieden aufnimmt (Schritt 3):

Gb(t)=DNI(t)⋅cos⁡θ(t)Gdr(t)=DHI(t)⋅1+cos⁡β2+GHI(t)⋅ρ⋅1−cos⁡β2Gt(t)=Gb(t)+Gdr(t)   (1)
Gb(t) – Direktstrahlung in der Kollektorebene [W/m²]
Gdr(t) – Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene [W/m²]
Gt(t) – Bestrahlungsstärke in der Kollektorebene [W/m²]
DNI(t) – Direktstrahlung (senkrecht zur Sonne) [W/m²]
θ(t) – Einfallswinkel der Direktstrahlung auf die Kollektorebene [°]
DHI(t) – Diffusstrahlung auf die Horizontale [W/m²]
β – Neigung der Kollektorebene [°]
GHI(t) – Globalstrahlung auf die Horizontale [W/m²]
ρ – Boden-Albedo [–], Feld der Anlage, leer = 0,2

Bei Nacht — Sonne unter dem Horizont — ist Gt(t)=0.

Schritt 2 — Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung

Aus dem Katalogwert Kdir50 wird der b0-Beiwert der üblichen Näherung für Flachkollektoren gebildet (EN ISO 9806):

b0=1−Kdir501cos⁡θref−1   (2)
b0 – Beiwert der IAM-Näherung für Flachkollektoren [–]
Kdir50 – Einfallswinkelkorrektur des Katalogs bei 50° [–]
θref – Bezugswinkel der Näherung [°], Konstante 50
Kb(t)=min⁡(max⁡(1−b0⋅(1max⁡(cos⁡θ(t),cmin)−1),0),1)   (3)
Kb(t) – Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung in der Stunde; auf 0…1 begrenzt [–]
b0 – Beiwert aus (2) [–]
θ(t) – Einfallswinkel der Stunde [°]
cmin – untere Klemme des Kosinus [–], Konstante 0,001

Die Klemme cmin=0,001 hält den Nenner endlich, damit ein flacher Einfall keine Division durch null erzeugt.

Schritt 3 — Arbeitstemperatur und Kollektorleistung nach EN ISO 9806

Die Kennlinie des Kollektors bezieht sich auf die mittlere Fluidtemperatur ϑm. Mit der Wahl „fest 50 °C" ist sie ϑfest=50 °C für das ganze Jahr. Mit der Wahl „aus dem Speicher" sieht der Kollektor den kalten Teil des Speichers: Er tritt mit der Temperatur der untersten Zone plus der Grädigkeit des Wärmeübertragers ein und erwärmt sich um die Spreizung (EN 15316-4-3):

ϑm(t)=ϑunten(t)+ΔϑWT+ΔϑKoll2   (4)
ϑm(t) – Arbeitstemperatur des Kollektors [°C]; mit der Wahl „fest" gilt 50
ϑunten(t) – Temperatur der untersten Zone des Senkenpuffers am Ende der Vorstunde, ohne Puffer der gerechnete Rücklauf des Heizkreises [°C]
ΔϑWT – Grädigkeit des Wärmeübertragers [K], Vorgabe 5
ΔϑKoll – Spreizung des Kollektorkreises [K], Vorgabe 10

Die unterste Zone ist die des Puffers mit dem kleinsten Rang unter den Senken des Feldes. Bei mehreren Zonen gilt die Temperatur der untersten. Führt der Puffer eine Zone, ist ihre Temperatur ϑRL+SOCQmax⋅(ϑVL−ϑRL) mit dem Temperaturpaar des Puffers. Lädt das Feld keinen Puffer und ist kein Gebäude mit dem Heizkreis gekoppelt, rechnet es mit 50 °C und sagt es im Simulationsprotokoll.

Δϑ(t)=ϑm(t)−ϑLuft(t)   (5)
Δϑ(t) – Übertemperatur des Kollektors gegen die Umgebung [K]
ϑm(t) – Arbeitstemperatur aus (4) [°C]
ϑLuft(t) – Außentemperatur der Stunde [°C]
q(t)=max⁡(0,h0⋅(Kb(t)⋅Gb(t)+Kd⋅Gdr(t))−k1⋅Δϑ(t)−k2⋅Δϑ(t)2)   (6)
q(t) – flächenbezogene Nutzleistung des Kollektors [W/m²]; ohne Einstrahlung 0
h0 – Konversionsfaktor (optischer Wirkungsgrad) des Katalogs [–]
Kb(t) – Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung aus (3) [–]
Gb(t) – Direktstrahlung in der Kollektorebene aus (1) [W/m²]
Kd – Einfallswinkelkorrektur der Diffusstrahlung des Katalogs [–]; ohne Katalogwert gilt Kb(t)
Gdr(t) – Diffus- und Bodenreflexstrahlung in der Kollektorebene aus (1) [W/m²]
k1 – Wärmeverlustkoeffizient [W/(m²·K)]
Δϑ(t) – Übertemperatur aus (5) [K]
k2 – temperaturabhängiger Verlustkoeffizient [W/(m²·K²)]

Die Diffusstrahlung kommt aus allen Richtungen des Himmels; ihr Korrekturfaktor Kd ist deshalb ein fester Wert, während Kb(t) mit dem Sonnenstand wandert. Führt der Katalogsatz keinen Wert für Kdiff, bekommt die Diffusstrahlung den Faktor der Direktstrahlung.

Schritt 4 — Bruttopotenzial des Feldes

Ages=ABez⋅n   (7)
Ages – rechnende Fläche des ganzen Feldes [m²]
ABez – Bezugsfläche eines Kollektors: Aperturfläche oder Bruttofläche, je nach Bezugsfläche der Kennwerte [m²]
n – Anzahl Kollektoren des Feldes [Stück]
Qpot(t)=q(t)⋅Ages1000⋅100−vL100   (8)
Qpot(t) – Bruttopotenzial des Feldes in dieser Stunde [kWh]
q(t) – flächenbezogene Nutzleistung aus (6) [W/m²]
Ages – rechnende Fläche des Feldes aus (7) [m²]
vL – Verluste des Solarkreises [%], Vorgabe 8
1000 – Umrechnung von W in kW [W/kW]

Die Kennwerte h0, k1 und k2 gehören zu der Fläche, auf die das Datenblatt sie bezieht: Ältere Datenblätter nach EN 12975 nennen meist die Aperturfläche, Prüfberichte nach EN ISO 9806:2017 meist die Bruttofläche. Passen Fläche und Kennwerte nicht zusammen, liegt der Ertrag um das Verhältnis der beiden Flächen daneben — bei Flachkollektoren rund 0,85 bis 0,95. Ist die Bruttofläche gewählt, der Katalogsatz führt aber keine Modulfläche, rechnet der Lauf mit der Aperturfläche und sagt es. Die Division durch 1 000 rechnet W in kW um; über eine Stunde ist das die kWh dieser Stunde.

Schritt 5 — Wohin die Wärme geht

Das Potenzial der Stunde steht jedem Feld zunächst voll zur Verfügung. Danach gilt in der Stundenschleife, in dieser Reihenfolge:

  1. Direktdeckung über die Direktsenken des Feldes (bei „beides" mit Warmwasservorrang)
  2. Speicherladung über die Ladeaufträge, bis zur Abschaltschwelle des Speichers
  3. Überschuss — alles, was weder gedeckt noch gespeichert werden konnte, ist verworfen
Qpot(t)=Qdirekt(t)+Qlad(t)+Queber(t)   (9)
Qpot(t) – Bruttopotenzial des Feldes aus (8) [kWh]
Qdirekt(t) – Anteil, der unmittelbar Bedarf deckt [kWh]
Qlad(t) – Anteil, der in einen Pufferspeicher geht [kWh]
Queber(t) – Überschuss; weder gedeckt noch gespeichert, also verworfen [kWh]
Qnutz(t)=Qdirekt(t)+Qlad(t)   (10)
Qnutz(t) – nutzbarer Ertrag der Stunde [kWh]
Qdirekt(t) – Direktdeckung der Stunde [kWh]
Qlad(t) – Speicherladung der Stunde [kWh]

Ein Feld ohne Direktsenke deckt nichts und lädt ausschließlich. Mit dem Vorgaberang r=10 ist die Solarthermie der erste Lader der Kaskade — vor Wärmepumpe (20), BHKW (30) und Heizkessel (40). Der Grund steht in der Rangfolge selbst: Ihre Grenzkosten sind praktisch null, und nicht genutzte Einstrahlung ist verloren. Wo am Speicher eine Reservezone gepflegt ist (die Abschaltschwelle für nachrangige Anlagen), laden die übrigen Erzeuger nur bis dorthin und lassen den oberen Teil für die Solarthermie frei. Ist das Feld leer und lädt die Solarthermie den Speicher vorrangig, gilt für die nachrangigen Erzeuger die Automatik 30 % der nutzbaren Kapazität; ohne Solarthermie am Speicher gilt bei leerem Feld die Abschaltschwelle.

Was der Speicher später an den Bedarf abgibt, wird dem Erzeuger zugerechnet, der geladen hat — die Solarthermie erhält davon ihren Anteil. Qdirekt plus dieser Anteil ist ihr Eigenanteil an der Bedarfsdeckung; der Restwärmebedarf wird ausdrücklich aus Qdirekt gebildet, sonst würde er negativ und die Deckung überschritte 100 %.

Schritt 6 — Pumpenstrom des Solarkreises

Die Solarkreispumpe läuft in jeder Stunde, in der das Feld Wärme abgibt (VDI 6002 Blatt 1, EN 15316-4-3):

EP(t)=PP⋅1h1000wennQnutz(t)>0, sonst 0   (11)
EP(t) – Pumpenstrom der Stunde [kWh]
PP – elektrische Leistung der Solarkreispumpe [W]
Qnutz(t) – nutzbarer Ertrag der Stunde aus (10) [kWh]

Ohne gepflegte Pumpenleistung gilt hilfsweise der Hilfsenergieanteil der Anlage in Prozent der genutzten Wärme Qnutz(t); ohne beides rechnet der Lauf keinen Pumpenstrom. Der Pumpenstrom ist ein Verbraucher am Anschluss: Er geht an der Stelle der Solarthermie in der Kaskade in den Strombedarf und damit in Netzbezug, Eigenverbrauch und Strombilanz.

Grenzen und Annahmen

  • Die Arbeitstemperatur folgt dem Speicher am Ende der Vorstunde (Wahl „aus dem Speicher"), nicht dem Verlauf innerhalb der Stunde; mit der Wahl „fest 50 °C" rechnet der Kollektor das ganze Jahr gegen 50 °C und sieht den Speicherzustand nicht.
  • Die Verluste des Solarkreises sind ein Prozentsatz des Bruttopotenzials (Vorgabe 8 %); Leitungslänge und Dämmung gehen nicht als eigene Größen ein.
  • Keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung. Wärme, die niemand aufnimmt, wird als Überschuss Queber verworfen; eine Begrenzung der Kollektortemperatur oder ein Abschaltkriterium gibt es nicht.
  • Der Wärmeübertrager ist eine Grädigkeit, kein eigenes Übertragermodell: Er hebt mit der Wahl „aus dem Speicher" die Arbeitstemperatur; mit der Wahl „fest" wirkt er nicht.
  • Die Pumpe läuft stundenweise mit ihrer vollen Leistung, sobald das Feld in der Stunde Wärme abgibt; Drehzahlregelung und Laufzeit innerhalb der Stunde gehen nicht ein.
  • Eine Ausrichtung je Feld. β und γ hängen an der Anlagenzeile.
  • Die Einstrahlung ist isotrop — anders als beim erweiterten PV-Modell gibt es hier keine Hay-Davies-Transposition; (1) ist die einzige Transpositionsformel dieser Seite.
  • Die Einfallswinkelkorrektur der Direktstrahlung ist die b0-Näherung aus dem Katalogwert bei 50°; eine gemessene Kurve über alle Winkel geht nicht ein.
  • Vor- und Rücklauf des Kollektors sind keine Eingabe. Die Temperatur des Kollektors entsteht aus der Arbeitstemperatur (4), nicht aus einem gepflegten Temperaturpaar.
  • Mit einer zugeordneten Solarthermie-Ganglinie rechnet der Lauf deren Stundenwerte als Potenzial statt des Kollektorfelds; Arbeitstemperatur, Kennwerte, Verluste und Pumpe gelten dann nicht.

Ergebnisse und wo sie stehen

  • Simulationsergebnis, Reiter „Solarthermie" — Wärmebedarf, Kollektorertrag brutto (die Jahressumme von Qpot nach (9), also genutzt plus Überschuss), davon genutzt (Qnutz nach (10)), Überschuss, Restwärmebedarf und Wärmebedarfsdeckung; je Kollektorfeld Name, rechnende Fläche Ages, Anzahl, nutzbarer Jahresertrag und verworfener Überschuss; mit gepflegter Pumpe der Pumpenstrom des Jahres.
  • Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht" — der Deckungsanteil der Solarthermie an der Jahreswärme.
  • Simulationsergebnis, Reiter „Ergebnis", Blatt „Wärmebedarfsdeckung" — Qdirekt und Qlad im Stapel der Erzeuger.
  • Simulationsprotokoll — nicht lesbare Klimaregion, Felder ohne Senke, der Puffer, aus dem ein Feld seine Arbeitstemperatur bildet, ein Feld ohne Senkentemperatur und eine Bruttofläche ohne Modulfläche.
  • Bericht und Wirtschaftlichkeit — der Ertrag als vermiedene Brennstoffmenge.

Bezüge