Projekt 17494/01

Programm zur Auslegung thermischer Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

Projektdurchführung

Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH
Stralauer Platz 33 - 34
10243 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Bereich der privaten Haushalte gewinnen Solaranlagen zur kombinierten Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung, sogenannte Kombianlagen, zunehmend an Relevanz. Diese Kombianlagen besitzen typischerweise eine Kollektorfläche von etwa 10-30 m2 und Speichervolumina im Bereich von 0,7-1,5 m3.
Durch den Einsatz von Kombianlagen kann ein wesentlich größerer Beitrag zur Wärmeversorgung geleistet werden als durch Solaranlagen, die ausschließlich der Brauchwassererwärmung dienen. Der durch den Einbau einer Kombianlage bedingte relativ ausgeprägte Eingriff in den Energiehaushalt eines Gebäudes erfordert jedoch eine sorgfältige Dimensionierung und Planung der Anlage. Dies kann nur dann gewährleistet werden, wenn dem Anlagenplaner während der Projektierungsphase geeignete Simulationsprogramme zur Verfügung stehen.
Als zentrale Aufgabe dieses Projektes soll daher das Simulationsprogramm T*SOL auf die Beschreibung des thermischen Verhaltens von Kombianlagen erweitert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBesondere Arbeitsschwerpunkte stellen die mathematische bzw. nummerische Beschreibung der Kom-ponenten Kombispeicher und Regler dar. Die Randbedingungen und nummerischen Rechenmodelle müssen an die zukünftigen europäischen Normen für Solaranlagen (prEN 12964, 12976, 12977) ange-passt werden. Damit zuverlässige Berechnungsergebnisse ermittelt werden können, müssen die zentralen Komponenten (Kollektor, Speicher, Regler) zuvor experimentell geprüft werden - soweit das nicht bereits erfolgt ist. Die hierbei ermittelten Parameter werden in ein zu erstellendes Speichermodell im Programm T*SOL übertragen und bilden die Basis für die Berechnungen.


Ergebnisse und Diskussion

Als Basis für die Implementierung von individuellen Kombianlagen einzelner Hersteller in das Simulationsprogramm T*SOL sind am ITW neben der Kollektorprüfung detaillierte thermische Prüfungen der Komponenten Kombispeicher und Regelung durchgeführt worden. Die Messreihen der Prüfung sind so gewählt, dass sukzessive einzelne Parameter bestimmt werden können. Diese werden als Startwerte für eine Identifikation über alle Parameter für das nummerische Modell in T*SOL gewählt. Für die Durchführung dieser Parameteridentifikation wurde ein eigenes Optimierungsverfahren auf der Basis der Evolutionsstrategie entwickelt und in einem Programm implementiert. Als Ergebnis dieser Parameteridentifikation erhält man Parameter, die in Verbindung mit den entsprechenden neu entwickelten nummerischen Rechenmodellen in T*SOL eine detaillierte Beschreibung des thermischen Verhaltens der einzelnen Komponenten ermöglichen. Diese Ergebnisse wurden anhand einer weiteren Messreihe durch Vergleich von Simulation und Messung validiert.
In T*SOL können aufgrund dieses Verfahrens alle auf dem Markt verfügbaren Kombianlagen sowie die hydraulischen und regelungstechnischen Besonderheiten einer firmenspezifischen Anlage implementiert werden. Die Komponenten werden mit den zuvor bei der Prüfung gemessen Werten und mittels Parameteridentifikation ermittelten Kennwerten parametrisiert. Damit ist eine sehr schnelle Auslegung und Simulation möglich, da nur unter wenigen, komplett vorparametrisierten Komponenten ausgewählt werden muss.
Die Besonderheiten von unterschiedlichen Bauweisen von Kombispeichern sowie von Anlagenkonzepten sind durch die Simulation nachvollziehbar und energetisch vergleichbar geworden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Erweiterung von T*SOL für Kombianlagen. Informationsveranstaltung 5.10.1999, ITW, Stuttgart
2. T*SOL für Kombianlagen. Informationsveranstaltung am 05.07.2001 im Rahmen der Messe Intersolar in Freiburg
3. Integration von Kombianlagen in T*SOL. Workshop mit interessierten Firmen am 26.6.2003 im Rahmen der Messe Intersolar in Freiburg.
4. G. Valentin, Ermittlung des Deckungsanteils nach EnEV für Solaranlagen zur Heizungsunterstützung durch Simulationsprogramme, Tagungsband zur 6. DGS-Fachtagung Solares Heizen 2002, DGS München 2002.
5. G. Valentin, B. Gatzka, Erweiterung der Systembibliothek von T*SOL durch Kombianlagen, Tagung Solares Heizen und Kühlen 2004 DGS, München.
6. G. Valentin, B. Gatzka, Modellanpassung der Kombispeicher in T*SOL auf Basis konkreter Speichervermessungen. OTTI, 14. Symposium Thermische Solarenergie 2004.


Fazit

Durch die experimentelle Prüfung einer solaren Kombianlage und die anschließende Parameteridentifikation zur Verifizierung des Speichermodells und der Regelungsstrategie in T*SOL ist eine genaue Ab-bildung einer Kombianlage möglich.
Das thermische Verhalten und die Leistungsfähigkeit der einzelnen Anlagen werden durch das Programm zuverlässig wiedergegeben, da die Kennwerte der einzelnen Komponenten im Rahmen von detaillierten Prüfungen ermittelt wurden. Ebenso werden Besonderheiten in der hydraulischen Verschaltung sowie im Regelkonzept in T*SOL implementiert. Nur auf dieser Basis kann der Anwender bzw. potentielle Solarenergienutzer die einzelnen Anlagen objektiv vergleichen und eine geeignete Anlage auswählen.
Der Planer kann die Auslegung der Kombianlage mit geringem Zeitaufwand durchführen, da die herstellerspezifischen Anlagen bzw. Komponenten (Kollektoren, Speicher) aus einer, bereits im Programm verfügbaren Bibliothek ausgewählt werden können.
Aufgrund der durchgeführten Arbeiten ist es möglich, weitere Kombianlagen nach der entwickelten Methodik aufzunehmen und damit einem breiten Anwenderkreis zur genauen und effektiven Auslegung und Planung von Kombianlagen zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse des Projektes sind somit ein wichtiger Schritt zur Verbreitung dieser Technologie.