SolarCheck

Entwicklung eines einheitlichen Verfahrens und eines anschaulichen Indikators zur Feststellung der Funktionsfähigkeit thermischer Solaranlagen für Trinkwarmwasserbereitung und kombinierte Heizungsunterstützung

Kurzbeschreibung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines einheitlichen Verfahrens, das die Leistungs- und Funktionsfähigkeit eines solar unterstützten Wärmeversorgungssystems in einer anschaulichen Kennzahl darstellen kann.

Bisher können Betreiber, Nutzer oder Installateure ohne sehr tiefe Fachkenntnisse kaum einordnen, ob eine thermische Solaranlage verhältnismäßig gut oder schlecht funktioniert. Bei PV-Anlagen genügen schon einfache kWh-Zähler und entsprechende Onlineportale, die die Erträge darstellen und vergleichen, um die Funktionsfähigkeit der Anlage überprüfen zu können. In der Solarthermie steht ein vergleichbares Instrument zur Leistungsbewertung bisher nicht zur Verfügung, da aufgrund des Einflusses von Nachheizung, Regelung, Speicherung und tatsächlichem Verbrauch hier einfach zu ermittelnde Größen wie die eingespeiste solare Energie nicht aussagekräftig sind. Auch viele andere in der Solarthermie genutzte Kennzahlen wie die eingesparte konventionelle Energie (als relative Größe durch fsave angegeben), solarer Nutzungsgrad o.ä. sind system-, standort- und bedarfsabhängig und lassen sich für verschiedene Anlagen nicht direkt miteinander vergleichen.

Die Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des gesamten Wärmeversorgungssystems anhand dieser Kennzahlen und der Performance von mehreren Anlagen untereinander zu vergleichen, ist somit nicht gegeben. Um ein einheitlich einsetzbares und vergleichbares Maß für die Funktionsfähigkeit zu erhalten, wird daher die Entwicklung eines FSC-basierten Leistungsindikators vorgeschlagen. Dieser wird im Rahmen eines automatisierten Funktionskontrollverfahrens ermittelt und gibt an, welchen Ertrag die Anlage tatsächlich liefert – relativ zu einem theoretisch zu erwartenden Ertrag, der dynamisch unter Beachtung der tatsächlich vorliegenden Randbedingungen solare Einstrahlung und Verbrauch berechnet wird.

Die Innovation der geplanten FSC-basierten Funktionskontrolle gegenüber bisherigen Ansätzen liegt vor allem in folgenden Merkmalen:

  • Das Verfahren bewertet die Performance des Gesamtsystems inkl. der Nachheizung und nicht nur die Leistung des Solarkreises.
  • Es wird somit nicht nur geprüft, ob einzelne Komponenten funktionstauglich sind, sondern es wird beurteilt, ob das System auch als Ganzes bestimmungsgemäß arbeitet. Da dem Verfahren eine automatische Ertragsbewertung zugrunde liegt, liefert es Nutzern, Handwerkern und Herstellern die Information, die sie vermutlich am meisten interessiert: Funktioniert die Anlage wie vorgesehen und erbringt sie die bestmöglichen Einsparungen?
  • Es soll lediglich die ohnehin für die Anlagenregelung vorhandene Sensorik verwendet werden (mit ggf. sehr moderaten Erweiterungen, z.B. durch zusätzliche Temperatursensoren).
  • Die Anforderungen an die Installationsgenauigkeit der Sensoren sind gering.
  • Die FSC-Datenauswertung kann mit Datenlogging in den Reglern erfolgen oder auf entsprechenden Webportalen. Somit werden fast ausschließlich bereits vorhandene Strukturen genutzt.

Insgesamt ergeben sich damit nur vernachlässigbare Zusatzkosten, was besonders bei Kleinanlagen relevant ist. Dies ermöglicht eine breite bis vollständige Marktdurchdringung. Der FSC-basierte Leistungsindikator stellt eine Größe zur Verfügung, die einheitlich verwendet werden kann, um die Funktionstüchtigkeit und Leistungsfähigkeit der Wärmeversorgungsanlagen den Endkunden gegenüber zu kommunizieren. Der Indikator lässt außerdem faire und leicht verständliche Leistungsvergleiche verschiedener Anlagen zu. Durch eine breite Verwendung des Indikators sind sowohl eine (weitere) Qualitätserhöhung als auch die Stärkung des Kundenvertrauens und damit eine positive Marktentwicklung zu erwarten.

Am Projektende soll das erarbeitete FSC-basierte Funktionskontrollverfahren der gesamten Branche zur Verfügung gestellt werden.

Dem geplanten Leistungsindikator liegt das FSC-Verfahren zugrunde, welches im Rahmen des IEA SHC Task 26 entwickelt wurde, um solarthermische Kombianlagen mit verschiedenen Hydrauliken und an verschiedenen Standorten in Europa zu vergleichen. Dazu wurde die namensgebende Größe „Fractional Solar Consumption“ (FSC) definiert, die (unter gewissen Randbedingungen) den maximal möglichen Solar-Anteil am Endenergiebedarf für Trinkwarmwasser und Raumheizung angibt (vgl. Abbildung 1). Dabei wird beachtet, dass je nach Einstrahlung (bzw. Standort) und Kollektorfläche sowie -aufstellung im Winter nur ein Bruchteil des Bedarfs solar bereitgestellt werden kann, solare Überschusswärme im Sommer dagegen nicht genutzt werden kann.

FSC-Berechnungsbasis (c)
Abbildung 1: Referenzwärmebedarf, solare Einstrahlung sowie Schnittmengen daraus als Flächen; Basis für die Berechnung des FSC-Wertes

Der Wert des FSC ist also abhängig von Kollektorfläche, Standort (inkl. Ausrichtung) sowie dem Referenzendenergiebedarf, jedoch unabhängig vom Systemdesign o.ä. Ausgehend vom FSC lässt sich auf dieser Basis für jeden Anlagentyp ein theoretisch erreichbarer fsave-Wert über Korrelationen ermitteln. Die Korrelationen sind in sehr guter Näherung unabhängig von Kollektorfläche, Standort und Referenzenergiebedarf, sie repräsentieren aber jeweils lediglich einen bestimmten Anlagentyp. Beispiele für solche Korrelationen sind in Abbildung 2 dargestellt.

Korrelationen zwischen fsave und FSC (c)
Abbildung 2: Darstellung der Korrelationen, die die Abhängigkeit der eingesparten konventionellen Endenergie fsave mit FSC verknüpfen, für verschiedene solare Kombisysteme aus Task 26

Laufzeit

10/2016 - 12/2020

 

Projektpartner

Koordination des Projektes:

  • Universität Kassel, Institut für Thermische Energietechnik, Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik

Wissenschaftliche Projektpartner:

  • INES - Institut National de l'Energie Solaire

Teilnehmende Firmen:

  • Bosch Solarthermie GmbH, Wernau
  • Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, Remscheid
  • Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf
  • RESOL – Elektronische Regelungen GmbH, Hattingen
  • SOLVIS GmbH, Braunschweig
  • WILO SE, Dortmund
  • Enertracting GmbH, Kassel

Assoziierte Partner:

  • Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e. V.
  • BSW - Bundesverband Solarwirtschaft e.V.

Das Vorhaben ist auch nach Projektbeginn offen für weitere industrielle Partner.

 

Danksagung

Das Projekt SolarCheck wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich (PTJ) unter dem Förderkennzeichen 0325870A/B gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung und übernehmen die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung.

Kontakt

Dr.-Ing. Harald Drück
 

Dr.-Ing. Harald Drück

Koordinator Forschung und Arbeitsgruppenleiter

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