TGA EDV

TGA Ausgabe 06-2008
Software für Solarthermie-Großanlagen

Erst simulieren, dann montieren

Abb. 1

Simulationsprogramme versprechen eine optimale Auslegung und Konfiguration solarthermischer Anlagen. Wir zeigen, was aktuelle Lösungen tatsächlich können und wo noch Entwicklungsbedarf besteht.

Sonnenenergie liegt im Trend. Doch was bei Solaranlagen „hinten“ herauskommt, ist nicht konstant. Da die Energiequelle Sonne jahreszeitlichen und wetterbedingten Veränderungen unterliegt, liefern solarthermische Anlagen über das Jahr verteilt Wärmeenergie in unterschiedlicher Menge. Zu den relevanten Variablen zählen die Globalstrahlung der Sonne in Abhängigkeit von Tages- und Jahreszeit, die Bewölkung, vegeta­tionsbedingte Verschattung, die Lufttemperatur oder Windgeschwindigkeit und andere Faktoren. Auch der Energiebedarf bzw. der Warmwasserverbrauch unterliegt periodischen Veränderungen.

Solarsysteme müssen darum so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Rahmenbedingungen sowie den Anforderungen an den Ertrag, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit genügen. Zudem sind insbesondere nicht dem Standard entsprechende Großanlagen komplexe Systeme, deren Funktionstüchtigkeit zahlreiche Faktoren beeinflussen. Konventionelle Auslegungs- und Rechenmethoden geraten da schnell an ihre Grenzen. Deshalb stehen Ingenieuren, Anlagenplanern und -herstellern seit einigen Jahren Planungs- und Simulationsprogramme zur Seite.

Was Solar-Simulationssoftware kann

Neben Basisdaten (Welche Ausrichtung und Neigung der Solarmodule ist optimal? Welche Kollektorfläche und Speichergröße ist erforderlich? etc.), liefert Software zur Anlagenplanung und -simulation auch Antworten zu Detailfragen: Welche maximalen Solarspeicher-Temperaturen werden erreicht? Wie wirkt sich die Änderung des Verbrauchsverhaltens aus? etc. Dazu werden Solaranlagen-Komponenten mithilfe mathematischer Modelle rechnerintern abgebildet, so dass diese einem simulierten „Härtetest“ unterzogen und technisch optimiert werden können. Gegenüber der statischen Planung hat eine dynamische Simulation den Vorteil, dass einzelne Komponenten, wie die Kollektorfläche, Speichergröße etc. variiert und so die Wechselwirkungen auf das Gesamtsystem sowie den Ertrag deutlich werden.

Als Ergebnis erhält man eine technisch optimierte Solaranlage mit in ihrer Größe präzise aufeinander abgestimmten Komponenten. Auch eine gewisse wirtschaftliche Entscheidungssicherheit kann Solarsoftware bieten: Ab welchem Zeitpunkt sich eine Solaranlage „rechnet“, hängt nämlich von einigen Unwägbarkeiten ab, wie etwa der Entwicklung des Öl- und Gaspreises. Eine Simulation des Ertrages im frühen Projektstadium kann dazu beitragen, Investitionsrisiken zu minimieren, Bauherren oder Investoren zu überzeugen und so Projekte zu verwirklichen. Neben der Auslegung und Optimierung leistet Solarsoftware auch bei der nachträglichen Analyse bestehender Anlagen, der Akquisition, Schulung oder Entwicklung gute Dienste.

Nach ihrem Einsatzzweck und Funktionsumfang teilen sich die aktuellen Software-Werkzeuge zur Solaranlagenplanung in Lösungen für die ­Grobauslegung, in Zeitschrittsimulations-Programme sowie in Gebäudesimulations-Systeme auf. Während sich die meist online aufrufbaren Grobauslegungs-Hilfen eher für die überschlägige Dimensionierung einfacher Systeme zur Trink­wassererwärmung mit oder ohne Heizungsunterstützung eignen und für die meisten Standardfälle auch genügen (siehe Info-Kasten), können Lösungen für die Anlagensimulation auch Nahwärme- oder Hybridsysteme, Großanlagen oder solarthermische Kraftwerke berechnen. Da man bei diesen Anlagen stets auf spezielle Problemstellungen stößt, sind flexible Simulations­lösungen erforderlich, die eine individuelle ­Anlagenbeschreibung und Aufgabenstellung ermöglichen. Von den hier vorgestellten Programmen eignen sich INSEL, POLYSUN, T* SOL Expert und die Gebäudesimulationssoftware TRNSYS auch für die Simulation von Großanlagen.

Wann Solarsoftware eingesetzt wird

Auslegungshilfe: „Gewöhnliche“ Solarthermieanlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser lassen sich mit Auslegungshilfen der Hersteller und eigenen Erfahrungswerten auch ohne Software-Hilfe planen. Sobald solarthermische Anlagen aber vom Standard abweichen, was insbesondere bei Großanlagen zutrifft, ist Solarsoftware für den Fachmann gefordert, die auch detaillierte technische Parameter berücksichtigt. Stehen mehrere Anlagen-Varianten zur Auswahl, können diese schnell durchgerechnet werden, um die unter energetischen oder ökonomischen Gesichtspunkten beste Lösung zu bestimmen.

Ertragsrechnung: Zu den wichtigsten Funktio­nen gehört eine Prognose über den zu erwartenden Ertrag. Zwar verfügen alle Lösungen über eine entsprechende Funktion, jedoch ist die Qualität und Präzision der Aussagen unterschiedlich. „Echte“ Solar-Simulationsprogramme ermitteln wichtige Werte in Zeitschritten, d.h. sie berechnen die Anlagenzustände und Energiesummen in Zeitabständen von Stunden oder gar Minuten. Je genauer Rahmendaten wie Globalstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Verschattung oder Verbrauchswerte berücksichtigt werden und je höher die zeitliche Auflösung ist, desto präziser und aussagekräftiger sind die Ergebnisse.

Optimierung: Wer Solaranlagen „am Reißbrett“ optimiert, spart Investitionskosten. So kann bei vorgegebenem solarem Ertrag die Größe der Kollektorfläche bereits durch die Ermittlung des besten Standorts, Neigungswinkels und der Ausrichtung gegenüber einer Standardauslegung deutlich verkleinert werden. Alle hier vorgestellten Programme helfen bei der Optimierung sowohl einzelner Komponenten als auch der Gesamtanlage. Dabei kann der Anwender den Einfluss mehrerer Parameter auf eine Zielgröße ermitteln und anzeigen lassen.

Wirtschaftlichkeit: Neben einer einwandfreien technischen Funktion und dem Ertrag interessiert Bauherren und Investoren auch die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. Zu den Einflussgrößen zählen die Investitionskosten, Zinsen, Betriebskosten, die Steuerersparnis, der Standort, der Anlagenwirkungsgrad etc. Im Hinblick auf die Akquisition sollte auch der Planer daran interessiert sein, die finanziellen Vorteile eines Projekts attraktiv zu präsentieren. Diagramme zur Finanzierung, zu den laufenden Kosten, Amortisationszeiten, Vergütungen etc. sorgen für Transparenz und belegen, dass Solar­anlagen in wenigen Jahren Gewinn abwerfen.

Analyse: Anlagen, die zwar funktionieren, aber nicht den gewünschten Ertrag liefern, können im Detail unter die Lupe genommen werden. Auf der Suche nach Schwachstellen in der Auslegung kommt man einer fehlerhaften Anlagendimensionierung oder einem ­mangelhaften Zusammenspiel einzelner Komponenten schnell auf die Spur. So lassen sich für die Überprüfung garantierter Erträge oder für Vergleiche von messtechnisch ermittelten und theoretisch möglichen Erträgen Messwerte wie Einstrahlung, Temperatur, Verbrauch einlesen. Darüber hinaus können die einzelnen Energieströme innerhalb der Anlage überprüft und Komponenten mit fehlerhafter Funktion identifiziert werden.

Entwicklung: Noch höher als bei der An­lagenanalyse sind die Anforderungen an die Software, wenn es um die Entwicklung geht. Sollen Komponenten oder Anlagen neu entwickelt oder verbessert werden, teure Fehlentwicklungen ­vermieden und die Notwendigkeit von Versuchsaufbauten minimiert werden, bieten sich ebenfalls Simulationsprogramme an. So lassen sich Solaranlagen durch die virtuelle Verschaltung von Komponenten wie in der Realität testen und ergänzen oder ersetzen damit so manchen Versuch. Allerdings ist nur ein Teil der Produkte dafür geeignet (z.B. INSEL, T*SOL Expert etc.), alle Zustands­größen eines Systems in einer hohen zeitlichen Auflösung zu berechnen.

Akquisition: Einige Computerprogramme eignen sich aufgrund ihrer ansprechenden grafischen Oberfläche, einfachen Bedienung und attraktiven Ausgabe auch für Vorführungen beim Kunden. ­Grafisch aufbereitete Wirtschaftlichkeits- und Emissionsberechnungen liefern aussagekräftige Projektunterlagen, die die Professionalität der Anlagenplanung unterstreichen können. Wer allerdings seinem Bauherren die gewählte Solaranlage auf seinem Dach virtuell visualisieren will, für den bietet Solarsoftware bisher keine sinnvolle Lösung.

Was Solarsoftware (noch) nicht kann

Seit den ersten DOS-basierenden Lösungen Anfang der 1990er-Jahre, die zunächst nur für eine überschlägige Auslegung getaugt haben, hat sich einiges getan im Bereich Solarsoftware. In vielen Ingenieurbüros haben sich die Programme längst als professionelle, effiziente Planungswerkzeuge etabliert. Doch es gibt auch Entwicklungsbedarf: So enthalten nahezu alle Programme neben den rein technischen Berechnungen noch kein überzeugendes Werkzeug, mit der man Bauherren/Investoren vorher anschaulich zeigen kann, wie die auf dem Dach oder an der Fassade montierte Anlage später aussehen wird. Über wenig attraktive Schema-Darstellungen kommen entsprechende Funktionen nicht hinaus.

So müssen sich Planer und ausführende Handwerker häufig mit externen Bildbearbeitungs-, CAD- bzw. Visualisierungsprogrammen behelfen. Das ist schon deswegen umständlich, weil die bereits ausgewählten Komponenten, Abmessungen, Fabrikate etc. erneut definiert werden müssen. Auch im Hinblick auf eine einfache (windowsorientierte) Bedienung haben einige Programme noch Nachholbedarf. So hat man bei einzelnen Lösungen den Eindruck, dass dem ursprünglichen DOS-Programm über die Jahre peu à peu neue Funktionen an mehr oder weniger passenden Stellen hinzugefügt wurden und die Übersichtlichkeit und Bedienungsfreundlichkeit dadurch auf der Strecke blieb.

Das bietet der Markt

Trotz beachtlicher Wachstumsraten ist der Markt für Solarsoftware relativ klein und heterogen. Während einige Programme auf geförderten Projekten oder Hochschulentwicklungen basieren, waren andere von Beginn an kommerziell ausgerichtet. Damit lässt sich auch die Fluktuation erklären: Anbieter, die von Software und Schulungen „leben“, sind auf die Fortentwicklung und Aktualisierung ihrer Produkte angewiesen, während Produkte, die keine regelmäßigen Updates/Upgrades erfahren, erfahrungsgemäß schnell vom Markt verschwinden. Derzeit gibt es relativ wenige deutschsprachige solarthermische Lösungen, die in der Mehrheit ein großes Spektrum abdecken. Auch mit Gebäudesimulations-Programmen, die in einer anderen „Liga“ spielen (siehe TGA Fachplaner 1-2007), lassen sich komplexe Anlagen simulieren (z.B. TRNSYS).

Zielgruppen von Solarsoftware sind Ingenieure, Architekten, TGA-Planer, Handwerker oder Entwickler. Ausgewählte Programme werden zusätzlich in einer „Firmenversion“ offeriert, die eine Auslegung mit den Komponenten eines Herstellers ermöglicht (ESOP/Viessmann etc.). Die tabellarische Markt­übersicht enthält zwar wichtige Anbieter „professioneller“ Software, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie ist lediglich für eine erste Orientierung konzipiert und bildet den Funktionsumfang der Programme nur begrenzt ab. Detaillierte Informationen bieten die Online-Präsentationen der Unternehmen oder können über die Web- bzw. E-Mail-Adresse angefordert werden.

Was die Tabelle aussagt

Da man aufgrund der Kaufentscheidung mit dem Anbieter eine längerfristige Beziehung eingeht (Updates/Upgrades, Wartungsverträge, Software-Anpassungen etc.), sollte man sich neben der Software auch ihn genauer anschauen. Basis-Marktdaten geben eine gewisse Sicherheit: Seit wann ist der Anbieter auf dem Markt? Wie viele Lizenzen werden bereits eingesetzt? Die Kategorie gibt an, ob es sich um ein Zeitschrittsimulationsprogramm oder um ein Gebäudesimulations-System handelt. Der Anlagentyp gibt an, welche Anlagen (von Standard- bis Großanlage) berechnet werden können. In der Zeile Berechnung steht beispielhaft, was berechnet werden kann.

Automatismen erleichtern die Eingabe oder ermöglichen Plausibilitätsprüfungen. Optimierungen von Solaranlagen sind nur mithilfe einer dynamischen Simulation möglich. Klimadaten sollten für das Land/die Region, für das/die man die Software einsetzen will, möglichst reichhaltig sein. Das gilt auch für Komponenten-Bibliotheken wie Kollektoren/Module, Speicher, Pumpen, Wärmetauscher etc., die eine strukturierte Auswahl ermöglichen und in Zusammenarbeit mit Herstellern in regelmäßigen Intervallen aktualisiert werden sollten.

Zur Ausgabe gehören Berichte oder Visualisierungen auf einen Windows-Drucker oder in einem gängigen Ausgabe-Format für eventuelle Weiterbearbeitung oder den Versand per E-Mail. Wichtig für die Genauigkeit der Ergebnisse ist deren zeitliche Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Jahr). Zum Basis-Service gehört ein Telefon- und E-Mail-Support. Per Update-Download können neueste Programm-Korrekturen oder Verbesserungen heruntergeladen werden. Upgrades (Aufstieg auf die nächste Version) sollten individuell oder per Pflegevertrag möglich sein. Der Preis für die Komplettversion sollte alle wichtigen Programm-Module beinhalten.

Fazit

Einfache Solarthermieanlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser lassen sich auch ohne Software-Hilfe planen. Schneller und präziser in der Aussage ist man jedoch mit Simulationssoftware – auch bei Standardanlagen. Bei netzgekoppelten Systemen, Hybridsystemen, Großanlagen etc. ist Simulationssoftware unerlässlich, denn nur damit können Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden. Ob das Ergebnis später der Realität entspricht, hängt jedoch auch davon ab, wie präzise Anlage und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Ist der Input falsch oder ungenau (Verschattung, Ausrichtung, Neigungswinkel, Energiebedarf, Leitungslängen etc.), können Simulationsprogramme erhebliche Fehlvorhersagen liefern. Deshalb sollte das Ergebnis in jedem Fall vom Fachmann kritisch hinterfragt und zusätzlich anhand vergleichbarer Anlagen oder – wenn möglich – mithilfe eines zweiten Simulationsprogramms überprüft werden. Marian Behaneck

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Erst simulieren, dann montieren
  2. Teil: Solares im Web
  • Stundenwerte an ver­schiedenen Messpunkten zur Optimierung der Anlagen bzw. von Komponenten.
  • Am Monitor lassen sich Komponenten zu einer kompletten Anlage verschalten und diese anschließend simulieren.
  • Alles auf einen Blick: In einem Übersichts­report werden die Berechnungs­ergebnisse zusammengestellt.
  • Auslegungs-Assistenten helfen Schritt für Schritt bei der Definition der Anlagendaten.
  • Grafiken und Diagramme veranschaulichen für Bauherren oder Investoren komplexe Zusammenhänge.
  • Über die Anlagensimulation hinaus ermöglichen Gebäudesimulationsprogramme Profis die umfassende Untersuchungen des Gesamtsystems Gebäude.
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