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Berechnungsgrundlagen

Einleitung

Zur Berechnung des Solarertrages wird eine Jahressimulation im Sub-Stundenzeitbereich durchgeführt. Bei dieser wird der Zustand der kompletten Anlage für jeden Zeitpunkt eines Jahres berechnet, die Ergebnisse werden zusammengefasst und dargestellt.

Diese Erläuterungen gliedern sich in verschiedene Abschnitte:

  1. In der Solar-Toolbox verwendete Komponenten (d.h. Kollektor, Speicher, Leitungen, Verbraucher)
  2. Verwendete Wetterdaten
  3. Simulationsablauf

 

1. Verwendete Komponenten

Die Eigenschaften der in der Solar-Toolbox hinterlegten Solarkomponenten wurden von uns basierend auf marktgängigen, typischen Komponenten definiert. So sind z.B. für die Solarspeicher die marktgängigen Einbaugrössen hinterlegt. Die Komponenten im Detail:

1.1 Sonnenkollektoren


 Brutto-
fläche		 Apertur-
fläche		 Absorber-
fläche		 eta0 a1
(ohne Wind)		 a1
(mit Wind)		 a2 X-IAM Y-IAM Wärme-
kapazität

m2 m2 m2 # W/(m2K) W/(m2K) W/(m2K2) # # J/K
Flachkollektor 2.2 2.0 2.0 0.81 2.9 3.4 0.010 0.90 0.90 6000
Röhrenkollektor 2.4 2.0 1.6 0.78 1.0 1.1 0.005 0.92 1.05 10000

1.2 Solarleitung


 Innendurchmesser Aussendurchmesser Dämmdicke Material

mm mm mm  
Edelstahlwellrohr 25 25.4 31.8 17.0 PU-Weichschaum

1.3 Solarspeicher


 Inhalt Höhe Dämm-
stärke		 Dämm-
wert		 Solar-
tauscher		 Pos.
 Zusatz-
tauscher		 Pos.
Höhe
Rücklauf		 Höhe
Vorlauf		 interner
Speicher

Liter m m W/(mK) m2 m m2 m m m Liter
Boiler 300 300 1.6 0.15 0.03 0.8 0.5 0.8 1.4 - - -
Boiler 400 400 1.7 0.15 0.03 1.0 0.5 1.0 1.5 - - -
Boiler 500 500 1.8 0.15 0.03 1.3 0.5 1.3 1.6 - - -
Boiler 600 600 1.9 0.15 0.03 1.5 0.6 1.5 1.7 - - -
Boiler 800 800 2.0 0.15 0.03 2.0 0.6 2.0 1.8 - - -
Boiler 1000 1000 2.1 0.15 0.03 2.5 0.6 2.5 1.9 - - -
Boiler 1250 1250 2.2 0.15 0.03 3.1 0.7 3.1 2.0 - - -
Boiler 1500 1500 2.3 0.15 0.03 3.8 0.7 3.8 2.1 - - -
Boiler 1750 1750 2.4 0.15 0.03 4.4 0.7 4.4 2.2 - - -
Boiler 2000 2000 2.5 0.15 0.03 5.0 0.8 5.0 2.3 - - -
Kombispeicher 1000 1000 2.1 0.15 0.03 2.5 0.6 1.7 1.9 0.8 2.0 200
Kombispeicher 1250 1250 2.2 0.15 0.03 3.1 0.7 2.1 2.0 0.9 1.8 250
Kombispeicher 1500 1500 2.3 0.15 0.03 3.8 0.7 2.5 2.1 0.9 1.8 300
Kombispeicher 1750 1750 2.4 0.15 0.03 4.4 0.7 2.9 2.2 1.0 2.0 350
Kombispeicher 2000 2000 2.5 0.15 0.03 5.0 0.8 3.3 2.3 1.0 2.0 400
Kombispeicher 2250 2250 2.6 0.15 0.03 5.6 0.8 3.8 2.3 1.0 2.1 450
Kombispeicher 2500 2500 2.7 0.15 0.03 6.2 0.8 4.2 2.4 1.1 2.1 500
Kombispeicher 3000 3000 2.8 0.15 0.03 6.8 0.8 5.0 2.5 1.1 2.2 600
Kombispeicher 3500 3500 2.9 0.15 0.03 7.4 0.9 5.8 2.6 1.2 2.3 700
Kombispeicher 4000 4000 3.0 0.15 0.03 8.0 0.9 6.7 2.7 1.2 2.4 800

1.4 Zusatzheizungen

Wirkungsgrad
  %
Öl-Standardkessel
 0.90
Öl-Brennwertkessel 1.03
Gas-Standardkessel
 0.93
Gas-Brennwertkessel
 1.05
Pelletskessel 0.85
Stückholzkessel 0.80
Luft-Wasser-Wärmepumpe

*)
Sole-Wasser-Wärmepumpe *)
Strom 0.99

*) Wirkungsgrad abhängig von der Betriebsweise, die Wärmepumpen werden basierend auf den EN255- bzw. EB 14511-Stützstellen mittels Carnot-Interpolation gerechnet

1.5 Energieträger


 Heizwert CO2-Äquivalent
Öl 10 kWh / Liter 2.767 kg / Liter
Gas 10 kWh / m3 2.095 kg / m3
Strom 1 kWh / kWh 0.501 kg / kWh
Holz, mittelhart 1500 kWh / Ster 38.4 kg / Ster

1.6 Warmwasserprofil

Stunde 1..3 4..7 8..10 11..12 13..15 16..17 18..20 21..24

% % % % % % % %
Tages-
spitzen		 0.0 2.3 8.0 2.3 8.0 2.3 8.0 2.4

1.7 Gebäudehülle


 Wand-
U-Wert		 Boden-
U-Wert		 Dach-
U-Wert		 Fenster-
U-Wert		 Fenster
Norden		 Fenster
Osten		 Fenster
Süden		 Fenster
Westen		 G-Wert

W/(m2K) W/(m2K) W/(m2K) W/(m2K) % % % % %
herkömmlich
gedämmt		 0.50 0.50 0.30 2.50 13 25 25 6 80
gut
gedämmt		 0.35 0.35 0.20 1.50 13 25 25 6 70
Minergie 0.15 0.20 0.15 1.00 10 20 30 20 60
Passivhaus 0.12 0.15 0.12 0.70 10 20 30 20 60

 

2. Wetterdaten

Zuverlässige Wetterdaten ("Meteodaten") bilden die Grundlage für jeder Solarsimulation. Bei der Solar-Toolbox basieren die Meteodaten auf Meteonorm 6, einem weit verbreiteten und weltweit anerkannten Standard für Meteodaten.

Dabei werden Mittelwerte und Referenzmonate einer 15-jährigen Messperiode zur Erzeugung eines Referenzjahres verwendet. Weltweit speisen über 8000 Messstandorte sowie feinauflösende Satellitenbilder die Meteonorm-Datenbank.

Daraus werden für beliebige Standortkoordinaten Wetterprofile interpoliert und mittels eines ausgefeilten Wettersimulators in Stundenauflösung generiert.

Die so ermittelte Global- und Diffusstrahlung, Umgebungs- und Himmelstemperatur, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit bilden die Basis der in der Solar-Toolbox verwendeten Meteodaten.

3. Simulationsablauf

Das der Solar-Toolbox zugrundeliegende Tachion-Simulationsframework rechnet auf Basis einer dynamischen Zeitschrittsimulation. Der Ablauf ist für jeden Zeitschritt wie folgt:

  • Sonnenstand aufgrund der Ortskoordinaten berechnen (zeitliche Auflösung: vier Minuten)
  • Momentane Strahlungsverteilung ermitteln unter Berücksichtigung von Bewölkung, Nebel, Dunst (-> siehe Abschnitt Wetterdaten), des Schneebedeckungsgrades des Bodens (Albedo), sowie der Verschattung durch Berge und Hügel (Fernhorizont)
  • Kollektoreinstrahlung aufgrund der solaren Direkt- und hemisphärischen Diffusstrahlung berechnen (abgekürzt "Esol")
  • Kollektorfeldertrag aufgrund der Gesamteinstrahlung, Aussen- und Kollektortemperatur, sowie des Volumenstroms berechnen (abgekürzt "Qsol")
  • Solarleitungsverluste anhand des Dämmwertes und der Temperaturverhältnisse berechnen
  • Wärmeabgabe und Einschichtung der Nutzenergie in den Solarspeicher (abgekürzt "Ssol")
  • Je nach Steuerungsparameter: Nachheizen des Speichers mit Zusatzenergie, unter Verwendung detaillierter Verbrennungsmodelle, bzw. Wärmepumpenmodelle
  • Resultierende Temperaturverteilung im Speicher berechnen
  • Aktuellen Warmwasser- und Zirkulations-Energieverbrauch berechnen (abgekürzt "Quse")
  • Bei Heizungsunterstützung: Aktuellen Energiebedarf und Volumenstrom des Gebäudes ermitteln unter Berücksichtigung der Solarstrahlungsgewinne, Wärmeverluste durch Lüftung, Wand-, Fenster-, Boden- und Dach-Transmission, sowie Berechnung der Gebäude-, Fussboden-, Radiator- und Raum-Temperaturen.
  • Entnahme der Energie aus dem Speicher
  • Aktualisierung der Temperaturverteilung im Speicher
  • nächster Zeitschritt

"    Sonnenstand aufgrund der Ortskoordinaten berechnen (zeitliche Auflösung: vier Minuten)
"    Momentane Strahlungsverteilung ermitteln unter Berücksichtigung von Bewölkung, Nebel, Dunst (-> siehe Abschnitt Wetterdaten), des Schneebedeckungsgrades des Bodens (Albedo), sowie der Verschattung durch Berge und Hügel (Fernhorizont)
"    Kollektoreinstrahlung aufgrund der solaren Direkt- und hemisphärischen Diffusstrahlung berechnen (abgekürzt "Esol")
"    Kollektorfeldertrag aufgrund der Gesamteinstrahlung, Aussen- und Kollektortemperatur, sowie des Volumenstroms berechnen (abgekürzt "Qsol")
"    Solarleitungsverluste anhand des Dämmwertes und der Temperaturverhältnisse berechnen
"    Wärmeabgabe und Einschichtung der Nutzenergie in den Solarspeicher (abgekürzt "Ssol")
"    Je nach Steuerungsparameter: Nachheizen des Speichers mit Zusatzenergie, unter Verwendung detaillierter Verbrennungsmodelle, bzw. Wärmepumpenmodelle
"    Resultierende Temperaturverteilung im Speicher berechnen
"    Aktuellen Warmwasser- und Zirkulations-Energieverbrauch berechnen (abgekürzt "Quse")
"    Bei Heizungsunterstützung: Aktuellen Energiebedarf des Gebäudes ermitteln unter Berücksichtigung der Solarstrahlungsgewinne, Wärmeverluste durch Lüftung, Wand-, Fenster-, Boden- und Dach-Transmission, sowie Berechnung der Gebäude-, Fussboden-, Radiator- und Raum-Temperaturen.
"    Entnahme der Energie aus dem Speicher
"    Aktualisierung der Temperaturverteilung im Speicher
"    nächster Zeitschritt
 
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