Programm Dokumentation/Solarthermie

Der Dialog Eingabe der Solarkollektoren beschreibt die Kollektorfelder des Projekts. Aus Kollektortyp, Modulanzahl, Bezugsfläche, Neigung, Azimut und Arbeitstemperatur berechnet EPOS-Plan den Ertrag nach dem Wirkungsgradmodell der EN ISO 9806; die Solarkreispumpe zählt als Stromverbraucher.

Wie ein Kollektor Einstrahlung in Wärme wandelt und wovon sein Wirkungsgrad abhängt, beschreibt Grundlagen/Solarkollektoren; diese Seite zeigt, wie Sie ein Kollektorfeld in EPOS-Plan einbinden und einstellen und wie es mit Speicher und Nachheizung zusammenwirkt.

Einbindung in EPOS-Plan

Ein Kollektorfeld entsteht in fünf Schritten; erst seine Senkenliste entscheidet, wohin die Wärme geht.

1. Katalog – Kollektortypen mit Apertur- und Modulfläche, den Kennwerten $h_0$, $k_1$, $k_2$, $K_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{r}}$ und $K_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}}$ nach EN 12975 bzw. ISO 9806 und der Bezugsfläche der Kennwerte (Aperturfläche oder Bruttofläche) stehen unter Administration → Wärme- und Kälteerzeugung → Solarkollektoren; Herstellerdaten nach VDI 3805 liest Administration → Daten & Import → Import Solarthermie VDI 3805 ein, die Bezugsfläche setzt der Import, wo die Datei sie nennt.
2. Kollektorfeld – auf der Startseite im Reiter Energieerzeuger die Kachel Solarthermie mit der Wahl Profil öffnen. In Eingabe der Solarkollektoren holt In das Projekt übernehmen einen Kollektortyp aus Auswahl in DB:; jede Zeile unter Auswahl in Projekt: ist ein Feld mit einer Ausrichtung. In der Gruppe Kollektor tragen Sie Modulanzahl:, Neigung [°]: und Azimut [°]: ein, nach Bedarf die Felder des Solarkreises (Eingaben), dann Übernehmen und OK.
3. Kaskade – in der Simulation Konfiguration (Startseite, Reiter Simulation, Knopf Simulation Konfiguration...; ebenso Menü Projekt → Simulation…) steht das Feld als Karte unter Komponenten der Simulation. Die Reihenfolge der Karten ist die Kaskade: Die oberste Karte deckt den Bedarf einer Stunde zuerst. Eine noch nie gespeicherte Kaskade schlägt die angelegten Erzeuger in der Folge der Ladeprioritäten Solarthermie, Wärmepumpe, BHKW, Heizkessel vor, die Solarthermie also vorn; Konfiguration speichern legt sie fest (Fallstricke).
4. Wärmesenken – ein Doppelklick auf die Karte öffnet Wärmesenke - <Name>. Rang 1 Heizkreis (direkte Deckung des Bedarfs) deckt zeitgleich, die Bedarfsart wählt Heizung, Warmwasser oder beides. Eine Puffersenke auf Rang 2 – Ziel Pufferspeicher für Heizung, Brauchwasser, Prozesswärme oder Kombi – nimmt auf, was darüber hinausgeht. Ein neues Feld erhält beim Speichern die Senke Heizkreis (Heizung + Warmwasser), wenn das Projekt Heiz- oder Warmwasserbedarf führt, bei Prozesswärmebedarf außerdem oder allein die Senke Prozesswärme.
5. Pufferspeicher – Pufferspeicher anlegen… im Senkendialog oder Pufferspeicher anlegen / verwalten… in der Konfiguration öffnet Pufferspeicher im Projekt. Seine Verwendung muss den Kanal der Senke enthalten; Einzelheiten stehen unter Pufferspeicher.

Gerechnet wird Stunde für Stunde: zuerst das Bruttopotenzial des Felds aus Einstrahlung, Außentemperatur und Kollektorkennwerten – unabhängig von Bedarf und Speicherstand –, dann die Verteilung: die Direktsenken in Rangfolge, danach die Puffersenken bis zur Obergrenze des Speichers. Was übrig bleibt, ist Überschuss und wird verworfen.

Ganglinie statt Kollektorfeld. Statt aus dem Kollektorfeld kann der Ertrag aus einer fertigen Solarthermieganglinie kommen: Die Wahl Ganglinie der Kachel öffnet den Dialog Solarthermieganglinien: Er ordnet dem Projekt eine Ganglinie aus dem Katalog zu, und an derselben Stelle wird der Katalog gepflegt (siehe Eingaben). Jeder ihrer 8 760 Stundenwerte ist die Wärmeleistung der Stunde in kW, also die Wärmemenge der Stunde in kWh, ohne Bezug auf eine Fläche. Ist dem Projekt eine vollständige Ganglinie zugeordnet, rechnet die Simulation sie anstelle des Kollektorfelds; sonst rechnet das Kollektorfeld. Die Ganglinie ersetzt nur das Bruttopotenzial – die Verteilung auf Direktsenken, Puffer und Überschuss bleibt dieselbe:

• Mit einem Kollektorfeld im Projekt gelten dessen Wärmesenken, Pufferspeicher und Platz in der Kaskade für die Ganglinie; bei mehreren Feldern die des zuerst angelegten, die übrigen Felder rechnen dann nicht.
• Ohne Kollektorfeld deckt die Ganglinie Heizung, Warmwasser und Prozesswärme direkt, ohne Puffer. Die Solarthermie braucht auch dann einen Platz in der Kaskade; die Konfiguration schlägt ihn vor.
• Im Reiter Solarthermie der Ergebnisse und im Bericht steht die Ganglinie als eine Zeile „Solarthermie-Ganglinie ‚Name‘“ mit Bruttoertrag, genutzter Wärme und Überschuss; Fläche und Modulanzahl hat sie nicht.

Einbindung der Solarthermie in Beispiel B

Kollektorfeld
50 m², 35° Süd

Senken→

Rang 1: Heizkreis
Warmwasser direkt

Rang 2: Speicher 1
3 000 l

vorgewärmt→

BHKW 1
60 kW thermisch

Kessel 1 und 2
je 150 kW

Rest→

Warmwasser
220 MWh/a

Prinzipbild. Rang 1 deckt das Warmwasser zeitgleich, Rang 2 lädt Speicher 1; was fehlt, decken BHKW 1 und die Kessel in der Reihenfolge der Kaskade. EPOS-Plan bilanziert dabei Wärmemengen je Kanal, keine Temperaturstufen.

Beispiel

Das Hotel der Beispielanlage B (80 Zimmer, 420 MWh Heizwärme und 220 MWh Trinkwarmwasser im Jahr) wärmt sein Trinkwarmwasser mit 50 m² Flachkollektoren vor. Nachgeheizt wird mit BHKW 1 (30 kW elektrisch, 60 kW thermisch) und den Kesseln 1 und 2 mit je 150 kW; Speicher 1 fasst 3 000 l.

Dialog	Feld	Wert	Warum
Eingabe der Solarkollektoren	Auswahl in DB: → In das Projekt übernehmen	Flachkollektor, 2,5 m² Apertur je Modul	für Warmwasser genügt ein Flachkollektor; die Kennwerte kommen aus dem Katalog
Eingabe der Solarkollektoren	Modulanzahl:	20	20 × 2,5 m² = 50 m²; Aperturfläche [m²]: zeigt 50
Eingabe der Solarkollektoren	Neigung [°]: / Azimut [°]:	35 / 0	Süddach; der Ertrag fällt vor allem im Sommerhalbjahr an, wenn nur Warmwasser gebraucht wird
Simulation Konfiguration	Reihenfolge unter Komponenten der Simulation	1 Solarthermie, 2 BHKW, 3 Heizkessel	die Solarthermie deckt zuerst, das BHKW vor den Kesseln; die Vorwahl stellt sie hinter BHKW und Kessel – zweimal mit dem Pfeil nach vorn, dann Konfiguration speichern
Wärmesenke - Kollektorfeld	Rang 1: Ziel / Bedarfsart	Heizkreis (direkte Deckung des Bedarfs) / nur Warmwasser	zeitgleiche Deckung des Warmwassers; die Heizung erhält keine Solarwärme
Wärmesenke - Kollektorfeld	Rang 2: Ziel / Pufferspeicher / Ladeprio	Pufferspeicher Brauchwasser / Speicher 1 / nach Vorgabe (10 - Solarthermie)	der Ertrag über dem Momentanbedarf wird gespeichert statt verworfen; als vorrangiger Lader füllt das Feld bis zur Abschaltschwelle
Pufferspeicher im Projekt	Verwendung: / Vorlauf [°C]: / Rücklauf [°C]:	Brauchwasser / 60 / 35	passt zur Senke; 25 K Spreizung, der Dialog zeigt $Q_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ 87,0 kWh
Pufferspeicher im Projekt	… nachrangig [%]:	leer	Automatik 30 %: nachrangige Lader füllen höchstens 26 kWh, der Raum bis 95 % bleibt der Solarthermie
Pufferspeicher im Projekt	Mindestfüllstand/Notreserve [%]:	10	wirkt hier, weil BHKW 1 den Speicher lädt: die untersten 10 % bleiben als Vorrat stehen
Wärmesenke - BHKW 1	Rang 2: Ziel / Pufferspeicher / Ladeprio	Pufferspeicher Brauchwasser / Speicher 1 / nach Vorgabe (30 - BHKW)	Rang 1 bleibt Heizkreis mit Warmwasservorrang; als nachrangiger Lader füllt das BHKW bis 30 %, und dieser Speicherraum lässt es auch bei kleinem Bedarf laufen (BHKW: Beispiel)
Wärmesenke - Kessel 1, Kessel 2	Rang 1	Heizkreis (direkte Deckung des Bedarfs) / Beides (Warmwasser zuerst)	die Kessel decken nur den Rest und laden den Speicher nicht

Was zu erwarten ist und wo Sie es prüfen. Als Abschätzung, nicht als Rechenergebnis: 50 m² liefern an einem Standort in Deutschland rund 20 bis 25 MWh im Jahr, gut ein Zehntel des Trinkwarmwassers – im Hochsommer knapp ein Fünftel, im Winter wenige Prozent. Weil das Hotel auch im Sommer mehr Warmwasser zapft, als das Feld liefert, bleibt der Überschuss klein. Der Reiter Solarthermie der Simulationsergebnisse zeigt Kollektorertrag brutto:, davon genutzt:, Überschuss:, Restwärmebedarf: und Wärmebedarfsdeckung: – bezogen auf den ganzen Wärmebedarf des Projekts, hier also nur rund 3 bis 4 % –, darunter die Tabelle je Kollektorfeld mit Fläche, Anzahl und den Jahreswerten brutto, genutzt und Überschuss. Ergebnis → Autarkie Analyse stellt die Monate im Bild Wärmebedarf & Deckung dar, mit der Zeile Solare Deckung je Monat. Was das Feld dem BHKW an Laufzeit nimmt, zeigen im Reiter BHKW die Vollbenutzungsstunden. Der Knopf CSV… in der Leiste des Diagramms speichert die Jahresganglinie (Simulationsergebnisse: Diagrammbedienung).

Beispiel B: Solarertrag je Monat und Anteil am Trinkwarmwasser

Solarertrag je Monat, volle Höhe rund 3,6 MWh

2 %

Jan

5 %

Feb

9 %

Mär

14 %

Apr

17 %

Mai

19 %

Jun

19 %

Jul

17 %

Aug

12 %

Sep

7 %

Okt

3 %

Nov

1 %

Dez

Zahl über der Säule: Anteil am Trinkwarmwasser des Monats

Solarertrag, direkt und über Speicher 1 genutzt

Beispielwerte, gerundet: Abschätzung mit mittleren Monatswerten, kein Rechenergebnis von EPOS-Plan. Im Jahr rund 23 MWh, ein Zehntel des Trinkwarmwassers.

Zusammenspiel mit anderen Technologien

Zwei Reihenfolgen bestimmen, was ein Kollektorfeld deckt: die Kaskade für die Direktdeckung einer Stunde und die Ladeprio für die Speicherladung. Mit der Vorgabe 10 lädt die Solarthermie vor Wärmepumpe (20), BHKW (30) und Heizkessel (40).

Technik	Wirkung auf …	Wirkung von …	So rechnet EPOS-Plan
Pufferspeicher	die Solarthermie füllt ihn bis zur Abschaltschwelle	er nimmt auf, was über den Momentanbedarf hinausgeht; ohne ihn wird dieser Teil verworfen	Puffersenke mit Ladeprio; lädt die Solarthermie vorrangig und ist … nachrangig [%] leer, laden alle übrigen Lader nur bis 30 % (Schwellen)
BHKW	die Solarthermie deckt vor ihm und füllt den gemeinsamen Speicher; das BHKW verliert Laufzeit, vor allem im Sommer	darf das BHKW den Speicher über eine hoch gepflegte Grenze füllen, nimmt es der Solarthermie den Platz	das BHKW schaltet gegen den offenen Bedarf plus den freien Speicherraum bis zu seiner Obergrenze; was es in dieser Stunde einzulagern plant, ist für die übrigen Lader reserviert
Heizkessel	die Solarthermie senkt die Kesselwärme	ein Kessel mit Puffersenke lädt mit seiner freien Leistung bis zu seiner Obergrenze	steht der Kessel am Ende der Kaskade und ohne Puffersenke, deckt er nur den Rest
Wärmepumpe	die Solarthermie deckt vor ihr und füllt den gemeinsamen Speicher	lädt die Wärmepumpe denselben Speicher, gilt für sie die Nachrang-Grenze	eine Wärmepumpe im Betriebsmodus PV-optimiert mit einem Puffer auf Rang 1 wird in Stunden mit PV-Überschuss vorrangig, wenn ihre Priorität unter Bei PV-Überschuss: kleiner ist als die der Solarthermie; ist … nachrangig [%] gepflegt, lädt die Solarthermie in diesen Stunden nur bis zu diesem Wert
Wärmebedarf	–	Warmwasser gibt es auch im Sommer; Heizwärme fehlt, wenn die Sonne am meisten liefert	die Bedarfsart der Direktsenke und die Verwendung des Speichers legen fest, welche Kanäle das Feld beliefert

Fallstricke

• Nicht in der Kaskade oder hinten eingereiht. Ein Feld ohne Platz unter Komponenten der Simulation rechnet nicht mit; die Konfiguration nennt nicht aufgenommene Erzeuger über den Karten, der Lauf im Protokoll. Solange Sie die Reihenfolge nicht selbst geordnet haben, schlägt die Konfiguration die Solarthermie vor allen anderen Erzeugern vor. In einer von Hand gepflegten Kaskade bleibt sie dort, wo Sie sie hingesetzt haben; steht sie hinter BHKW und Kessel, findet ihre Direktsenke den Bedarf schon gedeckt; ohne Puffersenke deckt das Feld praktisch nichts, und der Ertrag erscheint als Überschuss. Schieben Sie die Karte mit dem Pfeil nach vorn.
• Ohne Puffersenke nur zeitgleich. Was über den Momentanbedarf hinausgeht, wird verworfen. Die Karte trägt dann den Hinweis Konfiguration prüfen mit der Empfehlung, einen Pufferspeicher anzuschließen.
• Nachrang zu hoch. Darf ein nachrangiger Lader den Speicher bis 80 % oder höher füllen – über … nachrangig [%] oder eine eigene Ladeobergrenze –, halten Kessel oder BHKW ihn in der Heizzeit fast voll, und die Solarwärme kommt nur in Höhe des Momentanbedarfs durch; die Karte der Solarthermie meldet das. Leeren Sie das Feld (Automatik 30 %) oder senken Sie den Wert.
• Überschuss ist der Maßstab. Steigt der Überschuss im Reiter Solarthermie deutlich, ist das Feld für Bedarf und Speicher zu groß. Deckt ein Feld nur Heizwärme, fällt der Sommerertrag größtenteils weg: In einem gerechneten Gebäude mit 68 MWh Heizwärme ohne Warmwasser, 80 m² Kollektorfläche und 3 000 l Puffer wurden von rund 38 MWh Bruttoertrag nur 11 MWh genutzt.
• Übernehmen vergessen. Modulanzahl, Neigung und Azimut gelangen erst mit Übernehmen in das Feld; OK speichert nur, was übernommen ist.
• Azimut 0° ist Süden. Negative Werte zeigen nach Osten, positive nach Westen – anders als bei den Bauteilen des Gebäudes, wo 0° Norden bedeutet.
• Ganglinie zugeordnet, aber unvollständig. Eine Ganglinie mit weniger oder mehr als 8 760 Werten oder mit leeren oder negativen Werten rechnet nicht; der Lauf meldet den Mangel im Protokoll und rechnet mit dem Kollektorfeld. Ohne Kollektorfeld liefert die Solarthermie dann nichts, und der Statuspunkt der Kachel bleibt grau.
• Ganglinie und Kollektorfeld zugleich. Ist eine vollständige Ganglinie zugeordnet, rechnet sie – auch wenn die Kachel auf Profil steht. Die Wahl der Kachel öffnet nur den Dialog; wer wieder mit dem Kollektorfeld rechnen will, entfernt die Ganglinie mit Ganglinie und Aus dem Projekt entfernen aus dem Projekt.
• Arbeitstemperatur fest oder aus dem Speicher. Mit fest 50 °C rechnet der Kollektor das ganze Jahr gegen 50 °C – ein kalter Speicherboden oder eine Vorwärmstufe bringt dann keinen Mehrertrag, ein Puffer mit hohem Rücklauf keinen Minderertrag. aus dem Speicher folgt der untersten Zone des Puffers, den das Feld lädt; das ist die genauere Wahl, sobald ein Puffer da ist.
• Bezugsfläche passend zu den Kennwerten. Stehen $h_0$, $k_1$ und $k_2$ im Datenblatt auf der Bruttofläche, gehört im Katalog Bruttofläche (Modulfläche) gewählt und die Modulfläche gepflegt; sonst liegt der Ertrag um das Verhältnis der beiden Flächen daneben.
• Was EPOS-Plan nicht abbildet. Es gibt keine Stagnation und keine Kollektorabschaltung; die Verluste des Solarkreises sind ein Prozentsatz ohne Leitungslänge, der Wärmeübertrager ist eine Grädigkeit. Die Einstrahlung auf die geneigte Fläche wird isotrop gerechnet, und Vor- und Rücklauf des Kollektors sind keine Eingabe – seine Temperatur folgt aus der Arbeitstemperatur.

Eingaben

• Auswahl in Projekt: und Auswahl in DB: – oben die Kollektorfelder des Projekts, darunter der Kollektorkatalog mit Bezeichner, Hersteller, Kollektortyp, $A_{\mathrm{a}\mathrm{p}}$, ${\eta }_0$ und $k_1$, je Spalte sortier- und filterbar. In das Projekt übernehmen legt aus dem markierten Katalogsatz ein Kollektorfeld an, Aus dem Projekt entfernen nimmt das markierte Feld heraus; die Projektkopie wird erst mit OK gelöscht, und Abbrechen nimmt in dieser Sitzung neu angelegte Felder zurück.
• Kollektor in DB neu... und Kollektor in DB löschen – legen einen Katalogsatz unter neuem Namen an bzw. löschen den markierten nach Rückfrage.
• Modul – Name und Kennwerte des markierten Kollektors. Bearbeiten... öffnet seinen Katalogsatz; Alle Daten anzeigen klappt alle Kennwerte auf, die sich dort mit Speichern ändern lassen. Investitionskosten… und Betriebskosten… führen zu den Kosten des Felds.
• Kollektor – nur bei einem markierten Kollektorfeld des Projekts: Modulanzahl:, Aperturfläche [m²]: als Anzeige (Aperturfläche eines Moduls mal Modulanzahl, die Rechengröße), Neigung [°]: (0° waagerecht, 90° senkrecht) und Azimut [°]: (0° Süd, negativ nach Osten, positiv nach Westen) und Albedo [-]: (Bodenalbedo vor dem Feld, 0 bis 1, leer = 0,2). Dazu der Solarkreis: Leistung Solarkreispumpe [W]: (leer = kein Pumpenstrom, außer die Anlage führt einen Hilfsenergieanteil; der Strom zählt in jeder Stunde, in der das Feld Wärme abgibt), Verluste Solarkreis [%]: (leer = 8 %), Arbeitstemperatur: mit fest 50 °C oder aus dem Speicher und, nur mit aus dem Speicher, Grädigkeit Wärmeübertrager [K]: (leer = 5 K für einen externen Plattenübertrager; ein innenliegendes Glattrohr liegt bei etwa 10 K) und Spreizung Kollektorkreis [K]: (leer = 10 K). Die Zeile Senken: nennt die Wärmesenken des Felds. Übernehmen schreibt die Werte in das Feld; gespeichert wird mit OK, Abbrechen verwirft.
• Dialog Solarthermieganglinien – oben Ausgewählt im Projekt, darunter der Katalog mit Bezeichner, Beschreibung, Jahresarbeit [MWh] und Spitze [kW], je Spalte sortier- und filterbar; In das Projekt übernehmen und Aus dem Projekt entfernen ordnen zu. Unter dem Katalog: Vergleichen stellt die mit Strg-Klick markierten Ganglinien nebeneinander, Schloss setzen…/Schloss aufheben… schaltet den Schreibschutz eines Auslieferungssatzes, Ganglinie Löschen löscht nach Rückfrage – gesperrt für Auslieferungssätze und für Ganglinien, die ein Projekt verwendet; der Knopf nennt den Grund. Import… liest eine Jahresreihe aus einer Text-, CSV- oder Excel-Datei: 8 760 Stundenwerte oder 35 040 Viertelstundenwerte in kW (Viertelstunden werden je Stunde gemittelt), eine Spalte oder mit Trennzeichen (Semikolon, Tabulator, senkrechter Strich, Komma), Dezimalpunkt oder Dezimalkomma, wahlweise mit Kopfzeile und Zeitstempelspalte – das Format erkennt EPOS-Plan selbst. Der Dateiname wird der Name der Ganglinie, die Kopfzeile ihre Beschreibung; ein schon vergebener Name wird nicht überschrieben. Nach dem Einlesen ist die neue Ganglinie gewählt, und eine Zeile nennt das erkannte Format, die Zahl der Werte, das Raster, die Jahresarbeit und die Spitze. Derselbe Dialog öffnet sich ohne Projekt über Administration → Profile & Lastgänge → Solarthermieganglinie; dann zeigt er nur den Katalog und schließt mit Beenden.

Siehe auch

• Grundlagen/Solarkollektoren – die fachlichen Hintergründe
• Programm Dokumentation/Pufferspeicher – Speicher, Schwellen und Ladereihenfolge
• Simulation: Wärmesenken einer Anlage – Senkenliste und Ladeverhalten
• Hydraulikschemata – die hydraulische Einbindung als Prinzipschema

Berechnung

Die Ertragsberechnung folgt dem Wirkungsgradmodell nach EN ISO 9806 mit dem optischen Wirkungsgrad, den beiden Verlustkoeffizienten und den Einfallswinkelkorrekturen der Direkt- und der Diffusstrahlung. Für jede Stunde wertet EPOS-Plan die Einstrahlung auf die geneigte Fläche und die Temperaturdifferenz zwischen der Arbeitstemperatur – fest 50 °C oder aus der untersten Zone des Speichers plus Grädigkeit und halber Spreizung – und der Außenluft aus und zieht die Verluste des Solarkreises ab (Vorgabe 8 %); die Solarkreispumpe geht in jeder Betriebsstunde in den Strombedarf. Der Kollektorertrag aus Einstrahlung und Kollektorkennlinie steht unter Berechnung: Solarthermie.