Solarkollektoren

Eine thermische Solaranlage besteht aus dem Kollektorfeld, dem Speicher als Wärmeabnahmestelle und der Regelung. Anders als bei Photovoltaik ist die Wärme nicht beliebig verschiebbar: Was nicht zeitnah genutzt oder eingespeichert wird, geht verloren. Deshalb entscheidet nicht die installierte Fläche über den Nutzen, sondern das Zusammenspiel von Fläche, Speicher und Bedarfsprofil.

Kollektortypen

Flachkollektoren sind der Standard für Warmwasser und Heizungsunterstützung im Wohnbau: robust, preiswert, mit guter Leistung bei mäßigen Temperaturdifferenzen. Vakuumröhrenkollektoren haben geringere Wärmeverluste und bleiben deshalb bei hohen Betriebstemperaturen oder niedrigen Außentemperaturen im Vorteil – etwa für Prozesswärme oder solare Heizungsunterstützung im Winter –, sind dafür teurer. Welcher Typ günstiger abschneidet, hängt vom geforderten Temperaturniveau ab und lässt sich mit den hinterlegten Kennwerten direkt vergleichen.

Ausrichtung und Neigung

Im Idealfall ist das Kollektorfeld nach Süden ausgerichtet; Abweichungen bis etwa 30 Grad kosten nur wenige Prozent Ertrag. Die Neigung bestimmt die jahreszeitliche Verteilung: Flache Aufstellung begünstigt den Sommerertrag und damit die Warmwasserbereitung, eine steilere Aufstellung von etwa 45 bis 60 Grad verschiebt den Ertrag in die Übergangszeit und unterstützt die Heizung. EPOS-Plan berechnet für jede Stunde den Einfallswinkel auf die geneigte Fläche aus dem Sonnenstand und der Ausrichtung, sodass sich Varianten unmittelbar vergleichen lassen.

Wirkungsgradmodell

Die Ertragsberechnung folgt dem Kollektorwirkungsgrad nach EN 12975. Vom optischen Wirkungsgrad – dem Anteil der Einstrahlung, der überhaupt in den Kollektor gelangt – werden die temperaturabhängigen Verluste abgezogen, die linear und quadratisch mit der Differenz zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur wachsen. Bei geringer Einstrahlung und großer Temperaturdifferenz wird der Wirkungsgrad null: Der Kollektor liefert dann nichts. Ergänzt wird das Modell um den Einfallswinkelkorrekturfaktor, der die flachen Einstrahlwinkel in den Morgen- und Abendstunden berücksichtigt, sowie um Leitungsverluste zwischen Kollektorfeld und Speicher.

Die maßgeblichen Kennwerte – optischer Wirkungsgrad, die beiden Verlustkoeffizienten und der Einfallswinkelkorrekturwert – stammen aus den Prüfberichten der Hersteller und sind im Kollektorkatalog hinterlegt. Eigene Datensätze lassen sich anlegen, Herstellerdaten nach VDI 3805 einlesen.

Speicher und Nutzung

Der Speicher entkoppelt Ertrag und Bedarf. Für reine Warmwasserunterstützung genügen kleine Volumina, für Heizungsunterstützung sind größere Speicher und eine saubere Schichtung nötig. In Kombination mit einem BHKW oder einer Wärmepumpe konkurrieren die Erzeuger um denselben Speicher – die Solarthermie senkt dann die Laufzeiten des Grundlasterzeugers, was bei einem BHKW dessen Wirtschaftlichkeit beeinflusst. Genau dieser Zielkonflikt lässt sich in der Simulation quantifizieren, indem Reihenfolge der Erzeuger und Speicherschwellen variiert werden.

Abbildung in EPOS-Plan

Ein Kollektorfeld wird über Kollektortyp, Modulanzahl, Apertur- und Modulfläche sowie Neigung und Azimut beschrieben; mehrere Felder mit unterschiedlicher Ausrichtung sind möglich. Die Simulation weist neben der genutzten Wärmeproduktion und dem Deckungsanteil auch den Überschuss aus – die Wärme, die im jeweiligen Zeitschritt nicht verwertet werden kann. Diese Größe ist der eigentliche Maßstab für die Dimensionierung: Steigt sie deutlich an, ist das Feld für das vorhandene Bedarfs- und Speicherprofil zu groß.

Die hydraulische Einbindung, etwa die Ladung der unteren Pufferzone oder die Kombination mit einer Booster-Wärmepumpe, zeigen die Prinzipschemata unter Hydraulikschemata.