Programm Dokumentation/Berechnung/Solarthermie

Was berechnet wird

Ein Solarkollektorfeld wandelt Einstrahlung in Nutzwärme. Der Lauf ermittelt zuerst für jede Stunde 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 Ladung, der verworfene Überschuss und der Deckungsanteil an der Jahreswärme.

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
Vorlauf, Rücklauf	°C	derselbe Abschnitt
Aperturfläche je Kollektor	m²	Kollektorkatalog, Feld „Aperturfläche"
Konversionsfaktor h₀	—	Kollektorkatalog
Wärmeverlustkoeffizient k₁	W/(m²·K)	Kollektorkatalog
Temperaturabhängiger Verlustkoeffizient k₂	W/(m²·K²)	Kollektorkatalog
Einfallswinkelkorrektur Kdir(50°)	—	Kollektorkatalog
Wärmesenken und Ladeaufträge	—	Simulationskonfiguration, Karte des Kollektorfelds
Ladepriorität	1…99	Simulationskonfiguration; Vorgabe 10 für die Solarthermie

Rechenweg

Gerechnet wird im festen Jahresraster von 8 760 Stunden. 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 dem Boden-Albedo 0,2 — dieselbe Rechnung wie im einfachen PV-Modell:

G_t = DNI · cosθ + DHI · (1 + cos β)/2 + GHI · 0,2 · (1 − cos β)/2

mit β = Neigung und θ = Einfallswinkel auf die Kollektorebene. Bei Nacht ist G_t = 0.

Schritt 2 — Einfallswinkelkorrektur (IAM)

Aus dem Katalogwert K_dir bei 50° wird der b₀-Beiwert der üblichen Näherung für Flachkollektoren gebildet:

b0  = (1 − K_dir50) / (1/cos 50° − 1)
IAM = 1 − b0 · (1/cosθ − 1)                      auf 0…1 begrenzt

Der Nenner ist gegen 0 abgesichert (cosθ wird bei mindestens 0,001 gehalten), damit ein flacher Einfall keine Division durch null erzeugt.

Schritt 3 — Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975

ΔT  = T_Speicher − T_Außen
η   = h0 · IAM − k1 · ΔT / G_t − k2 · ΔT² / G_t
q   = G_t · η                                     [W/m²], negative Werte auf 0

T_Speicher ist im Modell fest 50 °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

A_gesamt = Aperturfläche je Kollektor · Anzahl Kollektoren           [m²]
Q_pot    = q · A_gesamt · 0,92 / 1000                                [kWh je Stunde]

Der Faktor 0,92 sind pauschale Leitungsverluste des Solarkreises. Auch er ist fest verdrahtet und nicht einstellbar.

Schritt 5 — Wohin die Wärme geht

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

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  → verworfen

Nutzbarer Ertrag = Direktdeckung + Speicherladung

Ein Feld ohne Direktsenke deckt nichts und lädt ausschließlich. Mit dem Vorgaberang 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.

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

Grenzen und Annahmen

• Die Speichertemperatur ist fest 50 °C. Der Wirkungsgrad hängt damit nicht vom

 tatsächlichen Speicherzustand ab. Ein kalter Speicher am Morgen brächte real mehr Ertrag, ein
 voller weniger; das Modell rechnet beides gleich.

• Die Leitungsverluste sind pauschal 8 % (Faktor 0,92) und nicht einstellbar.
• Keine Stagnation, keine Kollektorabschaltung. Wärme, die niemand aufnimmt, wird als

 Überschuss verworfen; eine Begrenzung der Kollektortemperatur oder ein Abschaltkriterium gibt es
 nicht.

• Keine Solarkreispumpe. Ihr Stromverbrauch geht nicht in die Bilanz ein.
• Kein Wärmeübertrager zum Speicher. Die Übertragung ist verlustfrei, abgesehen vom

 pauschalen Leitungsfaktor.

• Eine Ausrichtung je Feld. Neigung und Azimut hängen an der Anlagenzeile.
• Die Einstrahlung ist isotrop — anders als beim erweiterten PV-Modell gibt es hier keine

 Hay-Davies-Transposition.

• K_dfu („K_diff") rechnet nicht mit. Der Katalog führt den Wert und der

 Editor pflegt ihn; der Kollektorwirkungsgrad benutzt nur h₀, k₁, k₂ und Kdir.

• „Modulfläche" ist nicht die Rechengröße. Gerechnet wird mit der Aperturfläche mal der

 Anzahl Kollektoren; die Modulfläche ist Anzeige.

• Vor- und Rücklauf des Katalogs rechnen nicht mit — der Lauf nimmt die Werte der Projektzeile.
• 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

• Simulationsergebnis, Reiter „Solarthermie" — je Kollektorfeld Name, Gesamtfläche, Anzahl,

 nutzbarer Jahresertrag und verworfener Überschuss.

• Simulationsergebnis, Reiter „Übersicht" — der Deckungsanteil der Solarthermie an der

 Jahreswärme.

• Simulationsergebnis, Reiter „Wärmegang" — Direktdeckung und Speicherladung im Stapel der

 Erzeuger.

• Simulationsprotokoll — nicht lesbare Klimaregion, Felder ohne Senke.
• Bericht und Wirtschaftlichkeit — der Ertrag als vermiedene Brennstoffmenge.

Bezüge

• Solarthermie — Bedienung von Katalog, Projektdialog und Ganglinienverwaltung
• Berechnung: Simulationsablauf — Kaskade, Phasen der Stundenschleife, Ladeordnung
• Berechnung: Pufferspeicher — Abschaltschwelle, Reservezone und die Zurechnung der Entladung
• Berechnung: Photovoltaik — dieselbe Sonnengeometrie und Zeitbasis, anderes Ertragsmodell
• Berechnung: Wärmebedarf — woher der Bedarf kommt, den die Kollektoren decken
• Klimadaten — Herkunft und Pflege der Strahlungsreihen