Benutzerhandbuch

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I

Inhaltsverzeichnis I

Abbildungsverzeichnis IV

Tabellenverzeichnis X

Videoverzeichnis XII

1 Aufbau von Polysun, Benutzerhilfe 1

1.1 Erste Schritte 1

1.2 Polysun-Menüleiste 3

1.3 Polysun-Hauptfenster (Benutzeroberfläche) 12

1.4 Wizard 17

1.5 Wetterdaten 27

1.6 Benutzerstufen 33

1.7 Mit dem Designer arbeiten 34

1.8 Updater 37

2 Photovoltaik und elektrische Komponenten 38

2.1 PV-Module 40

2.2 Wechselrichter 43

2.3 Externes Stromnetz 48

2.4 Elektrische Verbraucher 49

2.5 Batterien 51

2.6 Elektromobilität 55

2.7 Generatoren 61

2.8 Dachplaner 62

2.9 Systeme 65

3 Solarthermie und konventionelle Heiztechnik 80

3.1 Solarkollektoren 80

3.2 Warmwasserspeicher 89

3.3 Heizkessel 100

3.4 Allgemeine Systemkomponenten 102

II

3.5 Wärmeverbraucher 113

3.6 Systeme 128

4 Wärmepumpen und Geothermie 141

4.1 Luft/Wasser-Wärmepumpen 141

4.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpen 149

4.3 Erdsonden 150

4.4 Grundwassersonden 152

4.5 Systeme 154

5 Sonstige Komponenten und Systeme 161

5.1 Kühlsysteme 161

5.2 Eisspeicher 171

5.3 Blockheizkraftwerk 172

5.4 Luft/Wasser-Wärmetauscher 174

6 Steuerungen 176

6.1 Übersicht 176

6.2 Steuerung Solarkreis 181

6.3 Steuerung Drehzahlgesteuerte Pumpe 188

6.4 Steuerung Zusatzheizung 193

6.5 Steuerung Mischventil 195

6.6 Steuerung Heizkreislauf 200

6.7 Steuerung Temperatur mit UND-/ODER-Verknüpfung 206

6.8 Steuerung Durchsatz 212

6.9 Steuerung Einstrahlung 216

6.10 Programmierbare Steuerung 220

6.11 Plugin-Steuerung 233

III

7 Simulationsresultate und –analyse 240

7.1 Abkürzungen in den Polysun-Simulationsresultaten 240

7.2 Resultate-Übersicht und Variantenvergleich 243

7.3 System-Resultate 245

7.4 Komponenten-Resultate 246

7.5 Tabellarische Auswertung 246

7.6 Grafische Auswertung 246

7.7 Fluid-Übersicht 249

7.8 Energieflussdiagramm 251

7.9 Report 252

7.10 Energielabel 261

7.11 Simulationsanalyse 265

7.12 Loggen und Parametrisieren 266

8 Wirtschaftlichkeitsberechnung 273

8.1 Eingaben 273

8.2 Berechnungsformeln 274

8.3 Resultate 280

8.4 Begriffe der Wirtschaftlichkeit 284

8.5 Tipps und Tricks bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung 288

Literaturverzeichnis 290

IV

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Projekt-Baum und Vorlagen

Abb. 2: Polysun-Hauptfenster

Abb. 3: Wizard-Icon

Abb. 4: Projekt-Definition im Wizard

Abb. 5: Vorlagenauswahl

Abb. 6: Auswahl der Energie-Erzeuger

Abb. 7: Beispiel für Vorlagen-Layout im Wizard

Abb. 8: Warmwasserbedarfseinstellungen für solarthermische Systeme

Abb. 9: Kollektor- und Speicherauswahl im Wizard

Abb. 10: Auslegung des Wärmeerzeugers

Abb. 11: Standort der Anlage

Abb. 12: Standort-Angaben

Abb. 13: Wetterdatenprofile

Abb. 14: Benutzerdefinierte Wetterdaten

Abb. 15: Polysun-Log

Abb. 16: Horizont und Verschattung können mit dem Horizont-Editor definiert werden

Abb. 17: Verschiedene Arten von Solarzellen

Abb. 18: Funktionsschema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage

Abb. 19: Einfluss von Einstrahlung und Temperatur auf ein kristallines Modul

Abb. 20: PV Auslegung

Abb. 21: Wechselrichterauslegung

Abb. 22: Typische Kurve der Anzahl Zyklen zur Entladungstiefe eines Batteriedatenblatts

Abb. 23: Vorlagen für Elektromobilität

Abb. 24: Dialogfenster für die E-Mobilitäts-Komponente

Abb. 25: Dialogfenster zum Bearbeiten der E-Mobilitäts-Profile

Abb. 26: Variante mit zwei Elektrofahrzeugen

Abb. 27: Komponenten-Resultate für elektrische Fahrzeuge

Abb. 28: Grafische Auswertung für das zweite Elektrofahrzeug

Abb. 29: Simulationsanalyse für Elektrofahrzeuge

Abb. 30: Tool-Palette für den Dachplaner

Abb. 31: Übernehmen der Vorlage

Abb. 32: Benennung der Dachfläche

Abb. 33: Dachkoordinaten einfügen und editieren

Abb. 34: Auswahl eines Hindernisses

Abb. 35: Einfügen der Module auf der Dachfläche

V

Abb. 36: Wechselrichter-Assistent

Abb. 37: Auswahl eines Systems mit Netzanschluss

Abb. 38: Auswahl der Energie-Erzeuger

Abb. 39: Anlagen-Spezifikation

Abb. 40: Vorlagenauswahl

Abb. 41: Auswahl des Stromnetzes

Abb. 42: Auswahl des PV-Moduls

Abb. 43: Generatorfeld definieren

Abb. 44: Automatische Wechselrichterauslegung

Abb. 45: Auslegungsvarianten

Abb. 46: Berechnung der Kabelverluste

Abb. 47: Überprüfung der elektrischen Grenzwerte der Auslegung

Abb. 48: Elektrische Verbrauchsprofile hinzufügen

Abb. 49: Simulationsresultate-Übersicht

Abb. 50: Detaillierte Komponenten-Resultate

Abb. 51: Stromnetzbeschreibung

Abb. 52: Dialogfenster der Photovoltaik-Komponente

Abb. 53: Dialogfenster des Stromnetzes

Abb. 54: Dialogfenster der Batterien

Abb. 55: Schematische Darstellung eines verglasten Flachkollektors.

Abb. 56: Schematische Darstellung eines Vakuumröhrenkollektors.

Abb. 57: Definition der Kugelkoordinaten

Abb. 58: Wirkungsgradkennlinie eines verglasten Flachkollektors.

Abb. 59: Verlauf der Wirkungsgradkennlinie verschiedener Kollektor-Typen

Abb. 60: Dialogfenster zur Festlegung der Kollektorausrichtung

Abb. 61: Kollektormodell (A:Einzel-Rohrlänge, B:Sammelrohre, C:Einzelrohr)

Abb. 62: Dialog PVT-Kollektor

Abb. 63: Auswahl zum Definieren eines neuen Speichers

Abb. 64: Speicher-Variationen

Abb. 65: Beispiele für Speicher mit Mantelwärmetauscher

Abb. 66: Speicherbemassung und Schichten

Abb. 67: Anordnung der Stutzen

Abb. 68: Anordnung der Wendelwärmetauscher

Abb. 69: Positionierung interner Elemente

Abb. 70: Bemassung und Anordnung der Schichtlanzen

Abb. 71: Bemassung und Anordnung des Speichers[liegend] mit Mantelwärmetauscher

Abb. 72: Speicherdialog

Abb. 73: Plattenwärmetaucher und Schichtlanze

VI

Abb. 74: Rücklaufanhebung

Abb. 75: Kaltwasserhahn-Symbol im Anlagenschema

Abb. 76: Kaltwasserzufuhr-Profil aus einem Katalog auswählen

Abb. 77: Kaltwasserzufuhr-Profil aus einem Katalog editieren

Abb. 78: Kaltwasserzufuhr-Profil aus Datei auswählen

Abb. 79: Excel-Datei mit Kaltwassertemperaturen in 60-Minuten-Schritten

Abb. 80: Auswählen des geänderten Profils

Abb. 81: Kaltwasser-Temperaturen in den Komponenten-Resultaten

Abb. 82: Rohrdialog

Abb. 83: Abmessungen eines Wellrohrs

Abb. 84: Fluidströme in Dreiwegventilen

Abb. 85: Warmwasserdialog

Abb. 86: Profildialog

Abb. 87: Dialogfenster Gebäude

Abb. 88: Installation der thermischen Komponenten

Abb. 89: Grafische Veranschaulichung der Bedeutung von Wärmeverlusten

Abb. 90: Beispiel einer Wärmepumpe, die in einem unbeheizten Raum installiert wurde

Abb. 91: Auswahl des Energiebedarfsmodells in der Polysun-Benutzeroberfläche

Abb. 92: Fehlermeldung – Energiebedarfsmodell in Stundenwerten-Eingabedatei fehlt

Abb. 93: Einfluss von Wind und relativer Luftfeuchtigkeit

Abb. 94: Standardvorlagen

Abb. 95: Standardvorlagen-Baum

Abb. 96: Steuerungs-Einstellungen

Abb. 97: Stagnationstemperatur im Solarkollektor

Abb. 98: Pumpen-Einstellung

Abb. 99: Beispiel für die Wärmeerzeuger-Steuerung

Abb. 100: Pumpen-Einstellung

Abb. 101: Beispiele Dreiwegeventile

Abb. 102: Auswahl Luft/Wasser-Wärmepumpe

Abb. 103: Beispiel-Daten Heizleistung in Abhängigkeit der Aussentemperatur

Abb. 104: Auswahl der unbeheizten Räume im Wärmepumpen-Dialogfenster

Abb. 105: Auswahl der Mitteltemperatur in den unbeheizten Räumen

Abb. 106: Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Abb. 107: Erdsonde

Abb. 108: Grundwassersonde

Abb. 109: Schema der Grundwassersonde

Abb. 110: Auswahl einer Vorlage mit Wärmepumpe im Wizard

VII

Abb. 111: Erdwärme- und Grundwasserparameter

Abb. 112: Bodengeologie-Dialog

Abb. 113: Auswahl der Erdwärmesonde

Abb. 114: Erdwärmesondenauslegung gemäss des Schweizer Standards SIA 384/6

Abb. 115: Erdwärmesondenauslegung gemäss der deutschen Richtlinie VDI 4650

Abb. 116: Auswahl des Professionellen Reports

Abb. 117: Berechnung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650

Abb. 118: Sole/Wasser-Wasser-Wärmepumen-Einstellungen

Abb. 119: Kompressionskühlung

Abb. 120: Thermische Kältemaschine

Abb. 121: Wasser-Wasser-Wärmepumpendialogfenster

Abb. 122: Vorlage mit Heizung, Warmwasser und Kühlung

Abb. 123: Thermische Kältemaschine (links) und Kühlturm (rechts)

Abb. 124: Solares Absorptionskühlsystem

Abb. 125: Absorptionskältemaschine mit sechs Anschlüssen

Abb. 126: Dialogfenster Absorptionskältemaschine

Abb. 127: Programmablaufplan des Simulationsmodells der Absorptionskältemaschine

Abb. 128: Dialogfenster des Nasskühlturms

Abb. 129: Die Betriebskurve eines drehzahlgesteuerten Ventilators

Abb. 130: Kennkurven der Absorptionskältemaschine

Abb. 131: Dialogfenster des Luft/Wasser-Wärmetauschers

Abb. 132: Steuerungs-Auswahl

Abb. 133: Steuerung Mischventil Verbrühungsschutz

Abb. 134: Steuerung Schaltuhr

Abb. 135: Blockdiagramm Messgrössen Solarkreislauf

Abb. 136: Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Durchsatz“

Abb. 137: Steuerungs-Eingabemaske „Spezifischer Durchsatz“

Abb. 138: Steuerungs-Eingabemaske „Matched Flow“

Abb. 139: Blockdiagramm Messgrössen/Stellgrössen Drehzahlgesteuerte Pumpe

Abb. 140: Steuerungs-Eingabemaske „Fixe Solltemperatur“

Abb. 141: Steuerungs-Eingabemaske „Variable Solltemperatur“

Abb. 142: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Zusatzheizungssteuerung

Abb. 143: Eingabemaske Zusatzheizungssteuerung

Abb. 144: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Mischventil-Steuerung

Abb. 145: Definition Mischventil

Abb. 146: Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Abb. 147: Steuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 148: Verwendung Ventil als Schaltventil

VIII

Abb. 149: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Heizkreislauf

Abb. 150: Steuerungs-Eingabemaske

Abb. 151: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Temperatur-Steuerung Und-/Oder-Verknüpfung

Abb. 152: Steuerungs-Eingabemaske ohne logischen Bezug

Abb. 153: Steuerungs-Eingabemaske ohne logischen Bezug

Abb. 154: Steuerungs-Eingabemaske mit logischem Bezug

Abb. 155: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Durchsatz

Abb. 156: Durchsatzsteuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Abb. 157: Durchsatzsteuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 158: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Einstrahlung

Abb. 159: Strahlungssteuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Abb. 160: Strahlungssteuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 161: Verlauf der Leistungsflüsse in einem Haushalt

Abb. 162: Dynamische Anpassung der PV-Persistenz-Prognose im Laufe des Tages

Abb. 163: Dynamische Anpassung der Lastprognose im Laufe des Tages

Abb. 164: Dynamische Anpassung der Batterielade- und Entladeplanung im Laufe des Tages

Abb. 165: Grenzen für die Berechnungen der Deckungsgrade

Abb. 166: Projektbaum mit Referenzvariante

Abb. 167: Resultatevergleich verschiedener Systeme

Abb. 168: Graphische Analyse der Simulationsresultate

Abb. 169: Wechsel zur Zeitschritt-basierten grafischen Auswertung

Abb. 170: Dialogfenster grafische Auswertung

Abb. 171: Hüllkurven in der grafischen Darstellung

Abb. 172: Beispiel Fluiddomäne und Fluidkreislauf

Abb. 173: Auswahl des Energieflussdiagramms

Abb. 174: Beispiel für ein Energieflussdiagramm

Abb. 175: Beispiel für ein EU-Energielabel

Abb. 176: Auswahl der Simulationsanalyse

Abb. 177: Beispiel für eine Simulationsanalyse

Abb. 178: Aktivierung der Log- und Parametrisierungs-Funktion in Polysun

Abb. 179: Beispiel für die Eingabe der Werte

Abb. 180: Einstellungen des Parametrisierungs-Wizards

Abb. 181: Beispielhafte Darstellung von Ergebnissen

Abb. 182: Auswahl der Parameter in einem Ausgangsgrössen-Dialog

Abb. 183: Hinzufügen der zu loggenden Zeiträume

Abb. 184: Beispiel der geloggten Werte der ausgewählten Parameter

Abb. 185: Graphische Darstellung von geloggten Werten

Abb. 186: Diagramm mit eingezeichnetem IRR, der NVP=0 ergibt

IX

Abb. 187: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF

Abb. 188: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF

Abb. 189: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF

Abb. 190: Resultateübersicht mit NPV-Sensitivitätsanalyse

Abb. 191: Grafische Darstellung der Zusammensetzung der Energiegestehungskosten

Abb. 192: Übersicht über die Jahreswerte der wirtschaftlichen Parameter

Abb. 193: Wirtschaftlichkeits-Variantenvergleich mit tabellarischer und grafischer Darstellung

Abb. 194: Aktivierung/Deaktivierung der Varianten bzw. Festlegung als Referenz-Variante

Abb. 195: Auswahl der Varianten, die miteinander verglichen werden sollen

Abb. 196: Beispiel für den Vergleich von Amortisationszeiträumen

X

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Energie-Erzeuger

Tab. 2: Anlagen-Spezifikationen

Tab. 3: Berechnungsgrundlagen des Gebäudemodells

Tab. 4: Parameter des Solarthermie-Systems

Tab. 5: Wirkungsgrade verschiedener Typen von Solarzellen

Tab. 6: Elektrische Grenzwerte für die Auswahl der Auslegungsvarianten

Tab. 7: Übersicht über die Einstellungen für die manuelle Wechselrichterauslegung

Tab. 8: Thermische Komponenten

Tab. 9: Eingänge für die programmierbare Steuerung

Tab. 10: PV-Anlagen-Spezifikation

Tab. 11: Filterung der Auslegungsresultate

Tab. 12: Auslegungskonzepte

Tab. 13: Kollektor-Datenbank nach Europäischer Norm

Tab. 14: Warmwasserbedarfsprofiltypen

Tab. 15: Modulations-Arten für Luft/Wasser-Wärmepumpen

Tab. 16: Betriebsmodi

Tab. 17: Auslegungsdaten der Absorptionskältemaschine

Tab. 18: Steuerungsoptionen für das Blockheizkraftwerk

Tab. 19: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 20: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 21: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 22: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 23: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 24: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 25: Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 26: Logische Operationen

Tab. 27: Mathematische Operationen

Tab. 28: Funktionen, die in den Formeln verwendet werden können

Tab. 29: Variablen

Tab. 30: Grundeinheiten für Steuerungs-Eingänge

Tab. 31: Grundeinheiten für Steuerungs-Ausgänge

Tab. 32: Simulationszeit und Steuerungsaufrufzeit für verschiedene Plugin-Steuerungstypen

Tab. 33: Steuerungsaufrufzeit für verschiedene Pythoninterpreter und RPC-Protokolle

Tab. 34: Bedeutung der verschiedenen Buchstaben und Positionen

Tab. 35: Resultate der verschiedenen Kreisläufe

XI

Tab. 36: Lastprofile gemäss EU-Verordnung

Tab. 37: Klassen für die Temperaturregelung gemäss EU-Verordnung

Tab. 38: Ausgangsgrössen im Parametrisierungs-Wizard

XII

Videoverzeichnis

Polysun-Videos

Kap. 1.5 Standort und Wetterdaten

Kap. 1.5 Nahverschattung

Kap. 1.7 Neue Hydraulik erstellen

Kap. 1.7 Eigene Hydrauliken abspeichern

Kap. 2.4 Gemessene elektrische Lastprofile einlesen

Kap. 2.4 Eigenverbrauchsoptimierung

Kap. 2.4 Kombination thermischer und elektrischer Verbraucher

Kap. 2.4 Photovoltaik kombiniert mit Wärmepumpe zur Erhöhung des Eigenverbrauchs

Kap. 2.6 Elektromobilität

Kap. 2.9 Photovoltaik-Systeme

Kap. 2.9 Ost-West-Modulfelder simulieren

Kap. 3.1 Hybride Kollektorsysteme (PVT)

Kap. 3.2 Warmwasserspeicher-Modell

Kap. 3.5 Thermische Lasten frei definieren

Kap. 3.5 Nahwärmenetze und mehrere thermische Verbraucher

Kap. 4.1 Luftwärmepumpe

Kap. 4.2 Energiequellen für Sole-Wärmepumpen

Kap. 4.3 Sole-Wärmepumpe und Erdwärmesonde

Kap. 5.1 Heizen und Kühlen

Kap. 5.1 Passive Kühlung

Kap. 5.3 Blockheizkraftwerke

Kap. 6.10 Programmierbarer Regler

Kap. 7.6 Grafische Auswertung

Kap. 7.9 Report-Einstellungen

Kap. 8.5 Wirtschaftlichkeitsberechnung

1

1 Aufbau von Polysun, Benutzerhilfe

1.1 Erste Schritte Herzlich willkommen bei Polysun! Diese Benutzerdokumentation enthält technisches Hintergrundwissen und alle wichtigen Hinweise zur Benutzung des Programms. Sie wird durch die Polysun-Videos

ergänzt; indem Sie auf den Titel des Videos klicken, werden Sie direkt zu unserem YouTube-Kanal weitergeleitet. Ihr Vertriebspartner steht Ihnen für weiterführende Erklärungen zur Verfügung. Wenn Sie das erste Mal mit Polysun arbeiten, empfiehlt es sich, den Assistenten zu verwenden, der Sie bei der Erstellung eines Projekts von der Wahl des Standorts und der Anlage über die Eingabe der Verbraucherwerte bis zur ersten Simulation führt. Automatisch werden die Resultate angezeigt, die in verschiedenen Ausgabeformaten vorliegen. Nähere Informationen dazu finden Sie im Kapitel über das Menü Resultate. Anschliessend können Sie das Projekt im Polysun-Hauptfenster weiter bearbeiten und optimieren. Viel Erfolg beim Arbeiten mit Polysun wünscht Ihnen Ihr Vela Solaris-Team

1.1.1 Einführung Polysun Polysun ist ein Programm zur Simulation solarthermischer, photovoltaischer und geothermischer Systeme. Um die vielfältigen Funktionen und Möglichkeiten des Programms gewinnbringend einzusetzen, gibt das vorliegende Dokument Aufschluss über die Arbeitsweise von Polysun. Im Detail werden Beschreibungen der einzelnen Komponenten, sowie deren zugrunde liegende Modelle geliefert. Auf technische Fragen zur Bedienung von Polysun wird in einem separaten Hilfe-Dokument eingegangen (erreichbar aus dem Programm heraus über das Drücken der F1-Taste). Tipp: Für eine schnelle Hilfe wurden für einen Grossteil der Funktionalitäten, Buttons etc. Tooltips hinterlegt. Einfach den Mauszeiger über dem gewünschten Objekt positionieren und kurz verweilen. Darauf wird eine Kurzbeschreibung des jeweiligen Objektes eingeblendet.

2

1.1.2 Umgang mit Projekt, Vorlagen und Varianten

In Polysun definiert ein Projekt die Standortangaben und die Verbraucher einer Solaranlage. Zudem enthält es verschiedene Varianten. Ein Projekt kann über die Menüzeile Projekt – Neues Projekt oder Projekt-Assistent erstellt werden. Mit der Funktion Projekt – Projekt speichern kann das Projekt gespeichert werden. Eine Variante definiert alle Komponenten und die Verschaltung der Solaranlage. Eine Variante kann über die Menüzeile Variante – Neue Variante erstellen (ab Designer-Stufe), Varianten-Assistent oder wenn eine Vorlage angezeigt wird über Vorlage als Variante erstellt werden. Jede Variante kann einzeln simuliert und deren Resultate angezeigt werden. Eine Variante ist immer in ein Projekt eingebettet und kann nur zusammen mit diesem gespeichert werden. In der Regel werden einem Projekt mehrere Varianten hinzugefügt, um diese zu vergleichen und optimieren. Polysun stellt eine Reihe vorgefertigter Vorlagen zur Verfügung. Eine Vorlage definiert (wie eine Variante) eine Solaranlage. Vorlagen können in ein Projekt übernommen werden, sie werden dann als Varianten bezeichnet und können nun verändert und simuliert werden.

Abb. 1: Projekt-Baum und Vorlagen

Varianten

Projekt

Vorlagen

3

1.2 Polysun-Menüleiste Die Polysun-Menüleiste umfasst die Hauptmenüs Projekt, Variante, Resultate, Kataloge, Extras und ?, die nachstehend erläutert werden.

1.2.1 Projekt Ein Projekt umfasst alle Daten, die zur Simulation erforderlich sind. Ein Projekt kann beispielsweise für ein Haus erstellt werden, für das der Benutzer den Standort fest definiert hat, aber mehrere Anlage-Varianten erstellt. Zur Erstellung eines Projekts bitte Kapitel 1.4 „Wizard“ beachten. 1.2.1.1 Neues Projekt Erster Schritt zur Erstellung eines Projekts ohne Verwendung des Assistenten. Projekt benennen und mit OK bestätigen. Dieser Befehl kann entweder über das Menü Projekt ausgewählt werden oder indem mit der rechten Maustaste auf den Namen eines bereits bestehenden Projektes geklickt wird. Im letztgenannten Fall wird das bestehende Projekt geschlossen. Sollte das Projekt noch nicht gespeichert worden sein, fragt Polysun den Benutzer, ob das bestehende Projekt gespeichert werden soll. 1.2.1.2 Projekt öffnen Damit können Polysun-Projekte im *.pse-Dateiformat geöffnet werden. Dieser Befehl kann entweder über das Menü Projekt ausgewählt werden oder indem mit der rechten Maustaste auf den Namen eines bereits geöffneten Projektes geklickt wird. Im letztgenannten Fall wird das bereits geöffnete Projekt geschlossen. Sollte das Projekt noch nicht gespeichert worden sein, fragt Polysun den Benutzer, ob das bereits geöffnete Projekt gespeichert werden soll. Es können nicht zwei Projekte gleichzeitig geöffnet werden. Es ist aber möglich, zwei Polysun-Installationen auf demselben PC parallel zu betreiben, wenn die entsprechenden Installationsverzeichnisse unterschiedlich benannt werden. Auf diese Art und Weise kann an zwei Projekten gleichzeitig gearbeitet werden. 1.2.1.3 Projekt schliessen Dieser Befehl kann entweder über das Menü Projekt ausgewählt werden oder indem mit der rechten Maustaste auf den Projektnamen geklickt wird. Bevor nicht gespeicherte Polysun-Projekte geschlossen werden, fragt Polysun den Benutzer, ob das Projekt gespeichert werden soll.

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1.2.1.4 Projekt speichern/Projekt speichern unter Dieser Befehl kann entweder über das Menü Projekt ausgewählt werden oder indem mit der rechten Maustaste auf den Projektnamen geklickt wird. Mit diesem Befehl werden Polysun-Projekte als *.pse-Datei gespeichert. 1.2.1.5 Projekt umbenennen Dieser Befehl kann entweder über das Menü Projekt ausgewählt werden oder indem mit der rechten Maustaste auf den Projektnamen geklickt wird. Projekt neu benennen und mit OK bestätigen. 1.2.1.6 Fotografie des Objektes laden Hier kann eine externe Fotografie geladen werden, die als *.jpg-, *gif- oder *.png-Datei vorliegt. Sie erscheint anschliessend in der Projekt-Übersicht und in den PDF-Reports. 1.2.1.7 Drucken Von der ausgewählten Seite wird eine PDF-Datei angezeigt (siehe Kapitel Drucken). 1.2.1.8 Beenden Mit diesem Befehl wird Polysun beendet.

1.2.2 Variante Eine Variante ist ein Anlagenschema, das durch die Einstellungen in den Dialogen der einzelnen Komponenten in Verbindung mit den sonstigen Projektdaten simuliert werden kann. Ein Projekt kann eine beliebige Anzahl von Varianten beinhalten. 1.2.2.1 Neue Variante erstellen Mit dieser Funktion, die nur im Designer verfügbar ist, kann eine Variante komplett neu erstellt werden, wobei der Benutzer mit einer leeren Seite beginnt. Bitte im Kapitel Mit dem Designer arbeiten weiterlesen. 1.2.2.2 Vorlage ins Projekt übernehmen Eine Vorlage kann ins Projekt übernommen werden, indem sie direkt in der Vorlagen-sammlung links unten markiert (rosa unterlegt) wird. Nach Benennung der neuen Variante und Bestätigen mit OK wird die Vorlage zu einer Variante, d.h. sie wird mit den spezifischen Projektdaten verknüpft.

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1.2.2.3 Variante umbenennen

Dazu muss die Variante, die umbenannt werden soll, markiert (rosa unterlegt) werden. Anschliessend gibt es zwei Möglichkeiten:

a) über Anklicken von "Variante umbenennen" im Menü Variante; b) mit der rechten Maustaste auf den Namen der Variante klicken, "Variante

umbenennen" auswählen. In beiden Fällen den neuen Namen eingeben und mit OK bestätigen. 1.2.2.4 Variante kopieren Dazu muss die Variante, die kopiert werden soll, markiert (rosa unterlegt) werden. Anschliessend gibt es zwei Möglichkeiten:

a) über Anklicken von "Variante kopieren" im Menü Variante; b) mit der rechten Maustaste auf den Namen der Variante klicken, "Variante kopieren"

auswählen. In beiden Fällen den Namen der Kopie eingeben und mit OK bestätigen. Tipp: Wenn zwei Anlagen, die sich nur durch eine oder zwei Einstellungen voneinander unterscheiden, miteinander verglichen werden sollen, empfiehlt es sich, zuerst nur eine Variante zu erstellen, diese zu kopieren und anschliessend in der Kopie lediglich die gewünschte Einstellung zu verändern. Die Simulationsresultate der beiden Varianten können so sinnvoll miteinander verglichen werden, da sichergestellt ist, dass alle sonstigen Einstellungen gleich sind. 1.2.2.5 Variante löschen Dazu muss die Variante, die gelöscht werden soll, markiert (rosa unterlegt) werden. Anschliessend gibt es zwei Möglichkeiten:

a) über Anklicken von "Variante löschen" im Menü Variante; b) mit der rechten Maustaste auf den Namen der Variante klicken, "Variante löschen"

auswählen. In beiden Fällen mit Ja bestätigen. 1.2.2.6 Variante als Referenz Eine Variante muss als Referenz gesetzt werden, wenn zwei Varianten in einem Diagramm miteinander verglichen werden sollen. Bitte wie folgt vorgehen:

Eine Variante auswählen und kopieren.

Änderungen in den Komponenten-Dialogen der neuen Variante vornehmen.

Eine Variante als Referenz setzen. Dazu muss die Variante, die als Referenz gesetzt werden soll, markiert (rosa unterlegt) werden. Anschliessend gibt es zwei Möglichkeiten:

o über Anklicken von "Variante als Referenz" im Menü Variante; o mit der rechten Maustaste auf den Namen der Variante klicken, "Variante

als Referenz" auswählen.

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Resultat-Übersicht im Menü Resultate für die ursprüngliche, blau gekennzeichnete Variante aufrufen. Die Variante wird simuliert.

Referenz-Variante simulieren. Entsprechende Meldung mit OK bestätigen.

Es wird die Resultat-Übersicht mit zwei Datenblättern angezeigt. Einige der abrufbaren Diagramme zeigen die beiden Systeme im Vergleich.

Tipp: Es empfiehlt sich stets, die energetisch unvorteilhaftere Variante als Referenz zu setzen. Die Referenz-Variante kann als normale Variante zurückgesetzt werden, indem erneut auf "Variante als Referenz" geklickt wird oder eine andere Variante als Referenz ausgewählt wird. In jedem Projekt kann gleichzeitig nur eine Variante als Referenz gesetzt werden. 1.2.2.7 Kommentar zur Variante Hier kann ein Kommentar zur Variante eingetragen und mit OK bestätigt werden. Dieser Kommentar erscheint auf der Seite Projekt-Übersicht und in den PDF-Reports. 1.2.2.8 Anlagenschema speichern Das Bild des Anlagenschema der markierten (rosa unterlegten) Variante kann als *.png-Datei abgespeichert werden. 1.2.2.9 Anlagenschema drucken Das Anlagenschema der markierten (rosa unterlegten) Variante wird als PDF-Datei angezeigt (siehe Kapitel Drucken). 1.2.2.10 Anlagenschema zoomen Das Anlagenschema der markierten (rosa unterlegten) Variante wird vergrössert oder verkleinert. Das Verkleinern des Anlagenschemas empfiehlt sich bei besonders komponentenreichen Systemen, die in der Grundeinstellung nicht komplett auf dem Bildschirm abgebildet werden können. Tipp: Bei gedrückter Ctrl-Taste kann mit dem Mausrad die Grösse des Anlagen-schemas eingestellt werden.

1.2.3 Resultate Simulationsresultate werden für die jeweils ausgewählte Variante angezeigt. Die

Resultate können entweder über das Menü Resultate oder über den Knopf (Resultatauswahl anzeigen), der sich oben im Fenster befindet, aufgerufen werden.

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Zur Bedeutung der einzelnen Werte finden Sie weitere Informationen in der Benutzerdokumentation im Kapitel Simulationsresultate. Achtung: Zur Anzeige der Resultate muss stets eine Variante markiert (rosa unterlegt) sein. Anschliessend kann im Menü Resultate die gewünschte Anzeige aufgerufen werden. Das Programm simuliert die Variante erneut, wenn seit der letzten Simulation Daten geändert worden sind oder Dialogfenster geöffnet und Daten durch OK bestätigt worden sind. Sind dagegen keine Daten geändert oder neu bestätigt worden, werden die Resultate direkt angezeigt. Wenn die Anlage falsch ausgelegt worden ist, werden während oder nach der Simulation Fehlermeldungen eingeblendet. Die Meldung "Energiebedarf nicht gedeckt" weist darauf hin, dass der berechnete Energiebedarf in einer erheblichen Anzahl von Zeitschritten nicht gedeckt ist, d.h. zu oft steht nicht die Energiemenge zur Verfügung, die zur Deckung des Bedarfs notwendig wäre. Eine detaillierte Analyse der Komponenten-Resultate gibt Aufschluss über die Fehlerquelle. In den meisten Fällen sind Komponenten falsch geregelt. Tipp: Überprüfen Sie die Einstellungen in den Vorlagen und vergleichen Sie sie mit Ihren Einstellungen. Lesen Sie in der Benutzerdokumentation im Kapitel Steuerungen nach. Die Resultate können in unterschiedlicher Form angezeigt werden. Je nach Benutzerstufe sind nicht alle Tabellen und Grafiken verfügbar.

Für alle Resultateansichten gilt: Durch Anklicken des Knopfes (Drucken) wird eine

PDF-Datei angezeigt (siehe Kapitel Drucken). Mit dem Knopf (Resultate exportieren) können die Resultate als *txt-Datei abgespeichert werden. Tipp: Durch Markieren der jeweiligen Datenblatt-Überschrift (der Titel des Datenblattes wird blau umrandet) und die Tastenkombination Ctrl-C können die Resultate in die Zwischenablage kopiert und von dort in andere Programme wie zum Beispiel Microsoft Excel eingefügt werden. 1.2.3.1 Resultat-Übersicht Die Resultat-Übersicht verschafft dem Benutzer einen ersten Eindruck darüber, ob die Anlage richtig ausgelegt worden ist. Es werden nur die wichtigsten Ergebnisse angezeigt, wobei die Jahreswerte tabellarisch aufgelistet werden. Die Werte der in der Tabelle ausgewählten Zeile werden unten als Balkendiagramm dargestellt. Der Resultat-Übersicht kommt eine besondere Bedeutung zu, wenn zwei Anlagen in einem Diagramm miteinander verglichen werden sollen. Dazu muss eine Variante als Referenz gesetzt werden. 1.2.3.2 System-Resultate Hier werden die Monatswerte der Gesamtanlage sowie der einzelnen Fluid- und Stromkreise sowohl tabellarisch als auch als Balkendiagramm angezeigt. Diese Ansicht vermittelt einen guten Überblick über die wichtigsten Werte.

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1.2.3.3 Komponenten-Resultate Hier werden die Monatswerte der einzelnen Komponenten sowohl tabellarisch als auch als Balkendiagramm (jeweils die Werte der in der Tabelle ausgewählten Zeile) angezeigt. Diese Ansicht ist bei der Analyse der Funktionsweise der einzelnen Komponenten und der Suche nach Fehlerquellen hilfreich. 1.2.3.4 Tabellarische Auswertung Diese umfangreiche Tabelle, die nur im Designer verfügbar ist, zeigt die Stundenwerte aller Komponenten an.

Tipp: Durch Anklicken des Knopfes (Auswahlfenster anzeigen) wird ein Ordnerbaum der einzelnen Komponenten angezeigt. Gewünschte Komponente doppelklicken. Anschliessend einen Wert auswählen und mit OK bestätigen. Die Tabelle zeigt die entsprechende Spalte an. 1.2.3.5 Grafische Auswertung Diese Funktion ermöglicht eine detaillierte und personalisierte grafische Auswertung der Simulationsresultate. Bitte wie folgt vorgehen:

Woche oder Monat auswählen.

Knopf "Kurve hinzufügen" anklicken.

Es wird ein Fenster mit dem Ordnerbaum der einzelnen Komponenten angezeigt. Gewünschte Komponente doppelklicken. Anschliessend einen Wert auswählen und mit OK bestätigen.

Es erscheint eine Kurve mit den Stundenwerten der ausgewählten Komponente des angegebenen Zeitraums.

Zum Datenvergleich können weitere Kurven hinzugefügt werden.

Mit dem Knopf "Kurve löschen" können markierte (rosa unterlegte) Kurven gelöscht werden.

Kurven verschieben und Skalierung optimieren

Mit den Knöpfen und können Kurven verschoben und die Skalierung optimiert werden. Tipp: Skalierung vertikal optimieren, wenn Kurven über den oberen oder unteren Rand der Grafik hinausgehen. Woche oder Monat Je kürzer der ausgewählte Zeitraum ist, desto genauer ist die grafische Darstellung der Stundenwerte. Eine präzise Jahreskurve kann nicht abgebildet werden, da die Pixel der Grafik nicht ausreichen, um alle Werte darzustellen. Tipp: Zoomen Sie in die Grafik, um noch aufschlussreichere Daten zu erhalten. Zeichnen Sie dazu mit gedrückter linker Maustaste ein Viereck von links oben nach rechts unten über einen Teil der Kurve und lassen Sie anschliessend die Maustaste los. Einheiten und Achsen Die Grafik verfügt über zwei vertikale Achsen. Dadurch können Kurven mit bis zu zwei unterschiedlichen Einheiten sinnvoll miteinander verglichen werden. Durch Anklicken

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des Winkelpfeils in der Spalte Achse kann die jeweilige Bezugsachse gewechselt werden. Farben und Linien Dem Benutzer steht eine große Auswahl an Farben und Linien zur persönlichen Gestaltung der Grafik zur Verfügung. Durch Anklicken können die jeweilige Farbe oder Linie einfach geändert werden. Grafik speichern

Durch Anklicken des Knopfes (Grafik speichern) kann die ausgewählte Grafik als *.png-Datei abgespeichert werden. 1.2.3.6 Fluid-Übersicht Der Ordnerbaum, der beim Auswählen dieser Ansicht erscheint, gibt an, welcher Wärmeträger durch welchen Kreislauf fliesst und aus welchen Komponenten sich die betreffenden Kreisläufe zusammensetzen.

Mit dem Knopf (Wärmeträger bearbeiten) kann das Fluid geändert werden. 1.2.3.7 PDF-Reporte Je nach Benutzerstufe stehen unterschiedliche Reporte im PDF-Format (siehe Kapitel Drucken) zur Verfügung, welche sich im Detaillierungsgrad unterscheiden. Diese Reporte eignen sich, um die Ergebnisse dem Kunden zu präsentieren. Er sollte erst erstellt werden, wenn der Benutzer mit den Simulationsresultaten zufrieden ist und diese über die anderen Resultatausgabeformate analysiert hat.

1.2.4 Kataloge Für alle Anlagenkomponenten verfügt Polysun über separate Kataloge (Datenbanken), in denen die Produkte mit ihren spezifischen Daten in Tabellenform aufgelistet sind. Die Kataloge umfassen sowohl anonyme Komponentenbeispiele als auch auf dem Markt erhältliche Produkte mit Angaben des Herstellers oder des Testinstituts. 1.2.4.1 Katalogeinträge einsehen Die Kataloge können entweder direkt über das Menü Kataloge oder über die Komponenten-Dialoge eingesehen werden. Das Symbol weist auf Kataloge hin: Durch doppeltes Anklicken der nebenstehenden Produktbezeichnung kann der entsprechende Katalog geöffnet werden. Viele Kataloge sind hierarchisch gegliedert, d.h. sie beinhalten Unterkataloge, die durch das Symbol gekennzeichnet sind. Tipp: Wenn man mit der Maus auf einer bestimmten Spalte verharrt, wird ein Tool-Tipp eingeblendet, der nützliche Informationen zum jeweiligen Wert liefert. Die Spaltenbreite kann in der Kopfzeile mit der Maus angepasst werden. Je nach Benutzerstufe sind nicht alle Katalogdaten sichtbar.

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1.2.4.2 Katalogeinträge verwenden Die Katalogeinträge können nur über die jeweiligen Komponenten-Dialoge verwendet werden. Soll in einer Variante ein Produkt durch ein anderes ausgetauscht werden, muss im Arbeitsbereich die betreffende Komponente der bereits bestehenden Variante doppelgeklickt werden. Dadurch öffnet sich das Dialogfenster. Anschliessend bitte wie folgt vorgehen:

Das Symbol weist auf bestehende Kataloge hin. Die dort angegebene Produktbezeichnung doppelklicken. Der entsprechende Katalog öffnet sich.

Das gewünschte Produkt markieren. Die markierte Zeile wird rosa unterlegt.

Mit Übernehmen bestätigen.

Der Katalog wird geschlossen und das ausgewählte Produkt erscheint im Dialogfenster. Gegebenenfalls weitere Einstellungen vornehmen.

Mit OK Einstellungen bestätigen. Das Dialogfenster wird geschlossen. Tipp: Gewünschte Katalogeinträge können durch Verwenden des Filters schneller gefunden werden. Ausserdem werden durch Anklicken der blauen Kopfzeile die Werte in den betreffenden Spalten alphabetisch oder numerisch geordnet. Dadurch können Kataloge leichter gelesen werden. Achtung: Bei besonders umfangreichen Katalogen (z.B. Standorte-Katalog) nimmt der Ordnungsprozess einige Sekunden Zeit in Anspruch. 1.2.4.3 Katalogeinträge erstellen Grundsätzlich müssen zum Erstellen neuer Katalogeinträge stets bestehende Katalogeinträge abgeändert werden. Tipp: Es ist hilfreich, einen möglichst ähnlichen Eintrag zum Abändern auszusuchen.

Einen bestehenden Eintrag markieren. Die markierte Zeile wird rosa unterlegt.

Mit dem Knopf (Markierte Zeile kopieren) die markierte Zeile kopieren.

Eine Bezeichnung für den neuen Katalogeintrag eingeben. Mit OK bestätigen.

Mit dem Knopf (Markierte Zeile ändern) die kopierte Zeile zum Editieren freigeben. Die betreffende Zeile muss rot erscheinen.

Die Änderungen direkt in den Feldern vornehmen und mit der Eingabetaste oder durch Übernehmen bestätigen.

1.2.4.4 Katalogeinträge löschen Es können nur eigene benutzerdefinierte Katalogeinträge gelöscht werden. Dazu bitte wie folgt vorgehen:

Einen selbst erstellten Eintrag markieren. Die markierte Zeile wird rosa unterlegt.

Den Knopf (Markierte Zeile löschen) anklicken.

Die Frage "Soll die markierte Zeile gelöscht werden?" mit Ja bestätigen.

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1.2.5 Extras und Hilfe 1.2.5.1 Einstellungen Projekt Hier können Sie entscheiden, ob nach dem Start von Polysun automatisch der Assistent, das letzte Projekt oder ein Standard-Projekt geöffnet werden soll. Das

Standard-Projekt kann durch Anklicken des Knopfes ausgewählt werden. Simulation Soll die Referenz-Variante nach Abfrage, ohne Abfrage oder nie simuliert werden? Der Simulations-Vorlauf sorgt dafür, dass bei Simulationsbeginn (1. Januar) eine realistische Situation gegeben ist, sich die Anlage also schon eingeschwungen hat und nicht erst zum Jahreswechsel in Betrieb genommen worden ist. Reports Die Firmenbezeichnung, die E-Mail-Adresse und die Telefonnummer, die hier angegeben werden, werden in den PDF-Reports zusammen mit dem Namen und der Anschrift des Lizenzinhabers erscheinen. Ausserdem kann durch Anklicken des

Knopfes das eigene Firmenlogo ausgewählt werden, das ebenfalls in den PDF-Reports abgebildet wird. Bei Umzug kann die Anschrift des Lizenzinhabers geändert werden, indem die Lizenz neu abgeholt wird (siehe Abschnitt Lizenz hinzufügen). Anzeige Weitere Einstellungen wie die automatische Suche nach Updates, die Anzeige der Tool-Tipps, die Sprache, die Einheiten und die Währung können hier vorgenommen werden. 1.2.5.2 Lizenz hinzufügen Wenn eine Lizenz hinzugefügt oder erneuert werden soll, zum Beispiel nach Abschluss eines Polysun-Abonnements, müssen hier wie bei der Erstabholung der Lizenz die User-ID und die E-Mail-Adresse eingegeben werden. Bitte überprüfen Sie auf der nachfolgenden Seite Ihre Daten. Es ist wichtig, dass sie korrekt sind, da sie im Report erscheinen und Ihre Lizenz mit diesen Daten registriert wird. Holen Sie daher Ihre Lizenz erneut ab und korrigieren Sie Ihre Daten, wenn Sie umgezogen sind oder sich Ihre E-Mail-Adresse geändert hat. Zum Abholen der Lizenz muss eine Internetverbindung hergestellt werden. Stellen Sie sicher, dass beim Lizenzbezug und Betrieb von Polysun immer die gleiche Netzwerkkarte aktiv ist (nach Möglichkeit nicht die Wireless-Netzwerkkarte). 1.2.5.3 Abonnement / Upgrade Wenn Ihr Polysun-Abonnement abgelaufen ist oder Sie Ihr Polysun upgraden möchten (z.B. von Professional auf Designer), können Sie hier die entsprechenden Produkte bestellen. Ihr Vertriebspartner steht Ihnen bei Fragen jederzeit zur Verfügung. Nach Abschluss des Abonnements können Sie unter Lizenz hinzufügen Ihre Lizenz erneuern.

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1.2.5.4 Support und Hilfe In diesem Kapitel wird das Menü ? behandelt. 1.2.5.5 Benutzerdokumentation Die Benutzerdokumentation enthält technisches Hintergrundwissen und grundlegende Hilfestellungen zur Benutzung von Polysun. 1.2.5.6 Support-Website Über diesen Link gelangen Sie auf die Webseite von Vela Solaris, die die häufigsten Fragen zu Polysun beantwortet (FAQ Frequently Asked Questions). 1.2.5.7 Support-Anfrage Wenn Sie in der Hilfe, der Benutzerdokumentation oder den FAQ keine Antwort auf Ihre Frage gefunden haben, wird Ihnen sicherlich Ihr Vertriebspartner weiterhelfen können. In diesem Dialog finden Sie die Kontaktdaten Ihres Vertriebspartners und Ihre Benutzer-Nummer (User-ID), die Sie bei jeder Anfrage angeben sollten.

Mit dem Knopf (Support-Datei erstellen) kann eine Support-Datei erstellt werden, die Ihrem Vertriebspartner bei der Lösung Ihrer Probleme helfen kann. Eine Meldung gibt Ihnen nach dem Anklicken des Knopfes den Pfad an, unter dem die Datei abgespeichert worden ist. 1.2.5.8 Info Hier finden Sie Informationen zum Copyright und den Partnern von Polysun. Unter Lizenz sind Ihre eigenen Daten gespeichert. Wenn Sie beispielsweise Ihre User-ID vergessen haben sollten, können Sie sie hier jederzeit nachlesen.

1.3 Polysun-Hauptfenster (Benutzeroberfläche) Die Benutzeroberfläche von Polysun ist im Wesentlichen dreigeteilt: links oben die Projektdaten, links unten die Vorlagensammlung und rechts der Arbeitsbereich. Die Trennlinien zwischen den genannten Bereichen lassen sich mit der Maus verschieben, so dass das Hauptfenster benutzerfreundlich angepasst werden kann.

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Abb. 2: Polysun-Hauptfenster

1. Menüleiste 2. Symbolleiste 3. Projektdaten (Ordnerbaum) 4. Arbeitsbereich 5. Vorlagensammlung 6. Meldebereich 7. Statuszeile

1.3.1 Projektdaten 1.3.1.1 Projekt-Übersicht Fotografie des Objektes Wenn mit der rechten Maustaste auf das Feld links oben geklickt wird und der dann erscheinende Befehl "Fotografie des Objektes laden" mit der linken Maustaste bestätigt wird, können externe Fotografien geladen werden, die als *.jpg-, *gif- oder *.png-Dateien vorliegen. Um die Fotografie aus der Projektübersicht zu löschen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Bild und wählen "Fotografie entfernen" aus.

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Bemerkungen zum Projekt Hier können Anmerkungen eingetragen werden, die für das betreffende Projekt von Interesse sind. Varianten Dieses Feld enthält eine Liste der bereits erstellten Varianten. Wenn eine Variante markiert (blau unterlegt) wird, erscheint im Feld rechts unten der Kommentar zur Variante. Der Kommentar kann über das Menü Variante (Kommentar zur Variante) geändert werden. 1.3.1.2 Standort Standort Ein Standort ist aus der Datenbank wählbar oder kann mit der Hilfe von „openstreetmaps.com“ gefunden werden. Dafür ist eine Internetverbindung nötig. Wetterdaten Wenn „aus Standort“ angeklickt wird, werden die Wetterdaten des ausgewählten Standorts nach Meteotest berechnet. Wenn "aus Datei" angeklickt wird, werden die Daten einer Datei mit Stundenwerten entnommen, die im Anwendungsordner der Polysun-Installation abgespeichert ist. Für weitere Informationen bitte den Katalog "Profil" öffnen. Tipp: Wenn Sie in der Auswahlliste des Standortes einen Buchstaben tippen, wird die Auswahl zum ersten Ort mit diesem Anfangsbuchstaben geschoben. Wenn sie schnell hintereinander mehrere Buchstaben eingeben, wird nach dieser Buchstabengruppe gesucht. Horizont Mit den Schiebereglern kann der Sonnenstand des ausgewählten Standorts für jede Uhrzeit und jeden Tag des Jahres graphisch dargestellt werden. Die gelbe Kurve ist die Bahn der Sonne an dem ausgewählten Tag. Die rote Linie ist der Horizont, der durch Anklicken der Grafik oder durch genaue Eingabe der Horizont-Punkte in der Tabelle gezeichnet werden kann. Tipp: Mit der Tastenkombination Ctrl-C können mehrere Werte (mit Semikolon getrennt) aus der Zwischenablage direkt in die Tabelle eingefügt werden. 1.3.1.3 Varianten Hier werden alle Varianten des Projekts aufgelistet. Die jeweils markierte (rosa unterlegte) Variante wird im Arbeitsbereich angezeigt. Zur Erstellung von Varianten bitte im Kapitel Variante (Polysun-Menüleiste) weiterlesen.

1.3.2 Vorlagen Im Hauptfenster links unten befindet sich die Vorlagensammlung von Polysun. Je nach Benutzerstufe sind nicht alle Vorlagen verfügbar.

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Eine Vorlage ist ein Anlagenschema, das erst durch Übernahme ins Projekt zur Variante und damit simulierbar wird. Die Vorlagen sind in drei Hauptgruppen (Vela Solaris, Spezial, Firmen) unterteilt, durchnummeriert und nach Anlagenkategorien geordnet. Wenn mit der Maus über die Liste gefahren wird, erscheinen die Anlagenschemata als Voransicht. Die Vorlagen können direkt aus der Liste ausgewählt und ins Projekt aufgenommen werden, indem sie angeklickt und die entsprechende Meldung bestätigt wird (siehe auch Kapitel Variante, Abschnitt Vorlage ins Projekt übernehmen). Tipp: Die Auswahl der gewünschten Vorlage wird durch die Verwendung des Assistenten erleichtert.

1.3.3 Arbeitsbereich

Der Arbeitsbereich nimmt den grössten Teil des Hauptfensters ein. In ihm werden die Projekt-Übersicht, die Angaben zum Standort, sowie die Anlagenschemata der Vorlagen und Varianten abgebildet. 1.3.3.1 Anlagenschemata Ein Anlagenschema stellt alle Komponenten einer Anlage grafisch dar. In Polysun können alle Komponenten einer Variante angeklickt werden:

durch einfaches Anklicken wird die Komponente markiert, was durch vier rote Punkte am Rand der Komponente gekennzeichnet wird (siehe auch Mit dem Designer arbeiten);

durch einen Doppelklick wird der jeweilige Komponenten-Dialog geöffnet. Achtung: Nur die Komponenten einer Variante können geöffnet werden. Beim Anklicken einer Vorlage wird der Benutzer gefragt, ob die Vorlage ins Projekt übernommen werden soll. 1.3.3.2 Komponenten/Steuerungsdialoge Dialoge sind die Eingabefenster, die erscheinen, wenn die Komponenten einer Variante doppelgeklickt werden. In den Dialogen kann der Benutzer

Einstellungen vornehmen, die die jeweilige Komponente betreffen;

Kataloge öffnen und gegebenenfalls andere Katalogeinträge verwenden oder neue Katalogeinträge für die jeweilige Komponente erstellen. Das Symbol weist auf einen Katalog hin. Durch einen Doppelklick auf den nebenstehenden Katalogeintrag wird der betreffende Katalog geöffnet;

ein Dropdown-Menü öffnen. Das Symbol weist auf ein Dropdown-Menü hin: Durch Anklicken der nebenstehenden Bezeichnung kann die entsprechende Auswahl geöffnet werden.

Bei Doppelklick auf eine Steuerung öffnet sich ein modifiziertes Dialogfenster. Es sind ebenfalls die zuvor beschriebenen Editierfunktionen vorhanden. Zusätzlich gibt es die

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Möglichkeit, ein spezielles Zeitprofil zu laden. Dafür muss die Funktion "Profil Freigabezeiten" aktiviert sein. Ein Doppelklick auf den Profilnamen öffnet ein Katalogmenü. Bitte beachten Sie die umfangreichen Hinweise in der Benutzerdokumentation zur richtigen Wahl der Einstellungen in den verschiedenen Komponenten-Dialogen 1.3.3.3 Speedbuttons Am oberen Rand des Fensters erscheinen die folgenden Knöpfe (von links nach rechts) die als „Quick Links“ verwendet werden können und die, die Funktionalitäten aus dem Menu aufrufen:

Assistent

Neues Projekt

Projekt speichern

Projekt öffnen

Variante kopieren

Variante umbenennen

Anlagenschema speichern

Variante löschen

Anlagenschema zoomen

Simulations-Vorlauf 1.3.3.4 Meldebereich In dem Feld unter dem Arbeitsbereich werden die Simulationsvorgänge mitprotokolliert. Mit dem Befehl "Meldebereich kopieren" im Menü Extras können die Meldungen kopiert werden. Mit dem Befehl "Meldebereich löschen" im Menü Extras werden alle Meldungen gelöscht. 1.3.3.5 Statuszeile Am unteren Ende des Fensters befindet sich die Statuszeile. Sobald das Projekt gespeichert wurde, wird links der Dateiname in schwarzer Schrift angezeigt. Nach einer Änderung wechselt die Schrift auf Grau, um anzuzeigen, dass das aktuelle Projekt nicht gespeichert wurde. Wenn eine Variante simuliert wurde, wird rechts der Endenergiebedarf an das System in schwarzer Schrift angezeigt. Nach einer Änderung wechselt die Schrift auf Grau, um anzuzeigen, dass der Wert nicht mehr aktuell ist und erneut simuliert werden müsste.

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1.3.3.6 Polysun-Komponentensymbolleiste (nur Designer) Im Designer erscheint am linken Rand des Arbeitsbereichs eine senkrechte Leiste mit den Symbolen für alle Anlagenkomponenten. Wenn die Maus über die Symbole bewegt wird, werden die jeweiligen Komponentenbezeichnungen eingeblendet. Die Komponenten können wie folgt im Arbeitsbereich platziert werden:

Gewünschte Komponente anklicken.

Im Arbeitsbereich auf die Zeichenfläche klicken. Die gewünschte Komponente wird platziert.

Durch Doppelklick auf die im Arbeitsbereich platzierte Komponente öffnet sich der Dialog und die Komponente kann bearbeitet werden.

Zur Erstellung einer Variante bitte im Kapitel Mit dem Designer arbeiten weiterlesen.

1.4 Wizard Polysun erlaubt es, Ihr Projekt mithilfe des Wizards zu starten. Der Wizard hilft Ihnen, Ihr System nach Ihren jeweiligen Bedürfnissen Schritt für Schritt zu dimensionieren. Die Prozedur ist leicht nachvollziehbar: Sie füllen die erforderlichen Daten in jedem Tab aus und gehen auf diese Weise von Tab zu Tab. Der Wizard öffnet sich automatisch nach dem Start von Polysun. Alternativ können Sie ihn mit einem Klick auf das Wizard-Icon (“Zauberstab”) in der oberen linken Ecke starten.

Abb. 3: Wizard-Icon

Geben Sie Ihrem Projekt dabei zunächst einen Namen und beschreiben Sie es kurz. Als nächstes müssen Sie eine “Standort-Auswahl” für das Projekt treffen. Ihren Standort können Sie dabei aus der Datenbank oder von der Karte aussuchen. Allerdings können nicht alle auf der Karte verzeichneten Standorte über die Such-Funktion („Name des Standorts“) gefunden werden. Sollte das auch bei Ihnen der Fall sein, müssen Sie den Standort Ihres Projekts manuell aus der Karte heraussuchen. Sollte bei Ihnen die Fehlermeldung Nr. 191/24 „Keine Abdeckung“ erscheinen, bezieht sich das nur auf die Daten des natürlich vorhandenen Horizonts. Es können trotzdem Wetterdaten interpoliert und die Ertragsdaten in einer Simulation berechnet werden.

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Abb. 4: Projekt-Definition im Wizard

Wenn sie Ihren Standort ausgewählt haben, klicken Sie auf „Weiter“ um zum nächsten Schritt zu gelangen. Im nächsten Dialog-Fenster können Sie sich die passende Vorlage für Ihr dadurch aussuchen, dass Sie Angaben zu den Energie-Erzeugern, Verbrauchern/Lasten bzw. zur Anlagen-Spezifikation machen.

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Abb. 5: Vorlagenauswahl

In den Drop-Down-Listen können Sie zunächst festlegen, welche Energie-Erzeuger in Ihrem Projekt verwendet werden sollen. Dafür können Sie eine oder mehrere Technologien verwenden. Beispielsweise Solarthermie und eine Wärmepumpe. „Ja“ bedeutet dabei, dass der Energie-Erzeuger in Ihrem Projekt verwendet werden soll. „Nein“ bedeutet, dass der Energie-Erzeuger nicht in Ihrem Projekt verwendet werden soll. „k. A.“ (keine Angabe) bedeutet, dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein dieser Energieerzeuger für die Filterung der rechts erscheinenden Anlagen keine Rolle spielen soll.

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Abb. 6: Auswahl der Energie-Erzeuger

Im nächsten Schritt müssen Sie den Typ des oder der zuvor gewählten Energie-Erzeuger(s) angeben. Folgende Typen stehen für die gewählten Energie-Erzeuger zur Verfügung: Tab. 1: Energie-Erzeuger

ENERGIE-ERZEUGER TYPEN

PHOTOVOLTAIK - Photovoltaik - PVT-Kollektor

SOLARTHERMIE - Solarthermie - Prozesswärme - PVT-Kollektor

KESSEL (ÖL, GAS, HOLZ, EL.) - Heizkessel - Durchlauferhitzer

WÄRMEPUMPE - Luft-Wasser-Wärmepumpe - Grundwassersonde + Wärmepumpe - Erdwärmesonde + Wärmepumpe - WP-System-Modul

KÄLTEMASCHINE - Kompression - Adsorption - Absorption - Passiv

Um eine grössere Auswahl an Vorlagen zu haben, können sowohl der Kessel als auch die Wärmepumpe zunächst als mögliche Optionen (k. A.) gesetzt werden: der Kessel kann später durch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe substituiert werden, ohne dass das System dadurch modifiziert werden muss. Folgende Verbraucher/Lasten-Optionen werden Ihnen für Ihr Projekt angeboten:

Elektrische Verbraucher

Warmwasser

Gebäudeheizung

Schwimmbad

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Im nächsten Schritt, können Sie die Anlagen-Spezifikationen wie folgt definieren: Tab. 2: Anlagen-Spezifikationen

ANLAGEN-SPEZIFIKATION TYP

ANLAGEGRÖSSE - Kleinanlagen - Grossanlagen

KOLLEKTOR-/GENERATOR-FELD - Ein Feld - Mehrere Felder

WARMWASSERAUFBEREITUNG - Trinkwasserspeicher - Speicher mit Frischwasserstation - Pufferspeicher mit Wendel/Tank

VORLAGEN-QUELLE / FIRMA - Alle Standardvorlagen - Alle Firmenvorlagen

Auf der rechten Seite des Dialogfensters werden Ihnen daraufhin die Vorlagen angezeigt, die zu den von Ihnen gemachten Angaben passen. Eine Vorausschau der jeweiligen Vorlage können Sie sich anschauen, wenn Sie den Cursor kurz über dem Namen des jeweiligen Profils verweilen lassen. Das Profil, das Ihren Wünschen am ehesten entspricht, wählen Sie mit einem Doppel-Klick aus.

Abb. 7: Beispiel für Vorlagen-Layout im Wizard

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Solarthermie-System-Wizard Dieser Abschnitt beschreibt, wie Sie den Wizard dazu einsetzen, ein Solarthermie-System zu planen. Wenn Sie eine Solarthermie-Vorlage gewählt haben, öffnet der Wizard neue Tabs, die für diese Technologie relevant sind. Im nächsten Tab für solarthermische Systeme wird der Warmwasserbedarf definiert.

Abb. 8: Warmwasserbedarfseinstellungen für solarthermische Systeme

Zunächst muss dabei die Berechnungsgrundlage gewählt werden: der Warmwasser- oder der Primärenergie-Bedarf. Für den Warmwasserbedarf müssen dabei Angaben zu den folgenden Parametern gemacht werden:

- Anzahl Personen, um den Warmwasserbedarf zu schätzen. Es ist ebenfalls möglich, an stelle dieser Schätzung den Warmwasserbedarf direkt im Feld „Täglicher Warmwasserbedarf [l]“ anzugeben. Später können genauere Angaben (etwa Tagesprofil) gemacht werden,

- Temperatur [°C] des zu entnehmenden Warmwassers. Wenn diese Temperatur nicht erreicht wird, wird ein Defizit errechnet;

- Der Warmwasserbedarf kann mittels eines täglichen Warmwasserbedarfs geschätzt werden oder als jährlicher Warmwasserbedarf angegeben werden. Dafür werden Ihnen mehrere Profile aus einem Katalog angeboten (etwa: Einfamilienhaus, Krankenhaus etc.)

- Abwesenheitszeiten, in denen dem System kein Warmwasser entnommen wird. Auch hierfür bietet Ihnen das Programm mehrere Profile aus einem Katalog.

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Für den Endenergiebedarf müssen die folgenden Parameter spezifiziert werden:

- Gebäudelänge und Gebäudebreite in Metern, - Anzahl Stockwerke, - Beheizte/Gekühlte Wohnfläche [m²], - Spezifischer Endenergiebedarf, das heißt die für Warmwasser verbrauchte

Energie, - Temperatur [°C] des gezapften Warmwassers. Wenn diese Temperatur nicht

erreicht wird, wird ein Defizit errechnet. Wenn Sie alle Angaben gemacht haben, klicken Sie auf „Weiter“ um zum nächsten Tab zu gelangen. Im nächsten Schritt lässt Sie Wizard Ihr Gebäudemodell parametrisieren. Der Energiebedarf für die zu beheizende Wohnfläche kann mittels der folgenden Parameter geschätzt werden: Tab. 3: Berechnungsgrundlagen des Gebäudemodells

BERECHNUNGSGRUNDLAGE BESCHREIBUNG

HEIZWÄRMEBEDARF Heizwärmebedarf ohne WW ist der gesamte Energiebedarf des Gebäudes (ohne Warmwasser). Wenn der Brennstoff-Verbrauch berücksichtigt werden soll, muss er mit dem Wirkungsgrad des Kessels multipliziert werden (z. B. 70 %). Energieverluste Transmission + Lüftung sind die gesamten Energieverluste des Gebäudes durch die Gebäudehülle und durch Ventilation/Infiltration. Dieser Wert ist stets größer als der jährliche Energiebedarf und schwankt entsprechend dem Gebäudetyp und dem Klima. Als Daumenregel für gemässigte Klimazonen kann angenommen werden, dass dieser Wert üblicherweise zwei bis acht Mal höher ist als der jährliche Energiebedarf. Die Soll-Raumtemperatur ist die als komfortabel empfundene, festgelegte Temperatur, die regelmäßig zwischen 19 und 22°C (66-72°F) liegt.

BRENNSTOFFVERBRAUCH Der Energieträger muss ausgewählt werden: Öl, Gas, Pellets, Brennholz, Elektrizität. Jährlicher Verbrauch ist der Heizenergiebedarf des Gebäudes. Wärmeerzeuger: Hier wird für einen neuen Generatore in Wirkungsgrad von 85 %, für einen alten einer von 60 % angenommen Die Soll-Raumtemperatur ist die als komfortabel empfundene, festgelegte Temperatur, die regelmäßig zwischen 19 und

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22°C (66-72°F) liegt. HEIZLAST Maximaler Leistungsbedarf ist der

Heizbedarf bei der niedrigsten Umgebungstemperatur. Die Soll-Raumtemperatur ist die als komfortabel empfundene, festgelegte Temperatur, die regelmäßig zwischen 19 und 22°C (66-72°F) liegt.

MONATLICHER ENERGIEBEDARF/VERLUST

ist der monatliche Heizwärmebedarf Qh des Gebäudes (ohne Warmwasser). Energieverluste (Transmission und Lüftung) sind monatliche Energieverluste des Gebäudes Qt durch die Gebäudehülle sowie durch Belüftung und Infiltration. Dieser Wert ist stets höher als der jährliche Energiebedarf des Gebäudes und hängt vom Gebäudetyp und Klima ab. In gemässigten Klimazonen ist dieser Wert gewöhnlich 2-8 mal so hoch wie der jährliche Energiebedarf.

GEBÄUDEDIMENSIONEN Die Gebäudeart kann aus einem Katalog ausgewählt werden. Die Soll-Raumtemperatur ist die als komfortabel empfundene, festgelegte Temperatur, die regelmäßig zwischen 19 und 22°C (66-72°F) liegt.

Im nächsten Schritt dimensioniert der Wizard das Solarthermie-System.

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Abb. 9: Kollektor- und Speicherauswahl im Wizard

Tab. 4: Parameter des Solarthermie-Systems

PARAMETER BESCHREIBUNG

PRÜFNORM Die zutreffende Prüfnorm (z. B. Europa, Nordamerika, China) kann über ein Drop-Down-Menü ausgewählt werden.

KOLLEKTOR Ein Solarkollektor kann aus dem Katalog ausgewählt werden.

AUSRICHTUNG Abweichung von der Süd-Ausrichtung (Süd-Ausrichtung bedeutet 0°, Ost-Ausrichtung bedeutet +90°).

ANSTELLWINKEL Winkel zwischen der Kollektorneigung und dem Boden. Entsprechend hat ein Fassadenkollektor hat einen Neigungswinkel von 90°. Tipp: Der ideale Neigungswinkel für Heißwasser-Systeme entspricht etwa dem Breitengrad des Standortes. Bei Kombi-Systemen (mit solar unterstützter Raumheizung) sollte der Neigungswinkel größer als der Breitengrad sein. Um den optimalen Neigungswinkel zu errechnen wird empfohlen, Einstellungen zu vergleichen, beginnend mit dem Breitengrad minus zehn Prozent und dann in Fünf- oder Zehn-Grad-Schritten aufwärts. Der optimale Neigungswinkel hängt vor allem vom

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örtlichen Klima des Standortes und von den Verbrauchswerten des Systems ab.

SOLARER DECKUNGSGRAD

Diese Einstellung hilft Ihnen dabei, Ihr System zu dimensionieren. Die ideale Kollektorgröße und das empfohlene Speichervolumen richten sich nach dem Standort, dem Bedarf (Anzahl der Bewohner des Hauses) und der Kollektor-Ausrichtung. Entsprechend der hier getroffenen Wahl (niedrig, mittel oder hoch) empfiehlt Ihnen Polysun verschiedene Systemgrößen.

EMPFOHLENE ANZAHL KOLLEKTOREN

Zahl der Kollektoren pro Kollektorfeld. Polysun empfiehlt Ihnen diese Anzahl entsprechend dem gewählten Standort, Vorlage und Nutzlast, aber der Wert kann von Ihnen entsprechend Ihrer Systemvoraussetzungen überschrieben werden.

BRUTTOGESAMTFLÄCHE Gesamtfläche aller Module. Das größte projektierte Kollektorfeld ohne zusätzliche Befestigungen und ohne hydraulische Verbindungen.

EMPFOHLENES SPEICHERVOLUMEN

Empfohlene Speichergrößen liegen bei Kleinanlagen bei 50 bis 100 Liter pro Quadratmeter bzw. 2 Gallonen pro Quadratfuß für ein optimal ausgerichtetes Kollektorfeld. Die empfohlene Speichergröße wird nicht automatisch in die Simulation einbezogen. Lediglich die tatsächlich angegebene Speichergröße im nächsten Feld wird simuliert.

SPEICHER Ein Speicher kann aus einem Katalog ausgesucht werden. Wird ein System mit zwei Speichern gewählt, hilft der Wizard nur bei der Dimensionierung des Solar-Speichers. Der Reserve-Speicher muss vom Benutzer händisch eingestellt werden, nachdem der Wizard beendet wurde.

Im nächsten Tab des Wizard kann der Wärmeerzeuger dimensioniert werden.

Abb. 10: Auslegung des Wärmeerzeugers

Zunächst wird die empfohlene Auslegung für den Kessel angezeigt, die für ein ideales Design gelten würde, jedoch nicht für Durchlauferhitzer gilt. Die nötige Auslegung des Kessels hängt von der Verfügbarkeit von Warmwasser und vom Nutzerverhalten ab.

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Im zweiten Feld kann das Kessel-Modell aus einem Katalog ausgewählt werden. Der ausgewählte Kessel wird in die Simulation einbezogen. Durch Anklicken des Knopfes „Übernehmen“ wird die Auswahl bestätigt und automatisch die erste Simulation ausgeführt, deren Ergebnisse anschliessend überprüft und optimiert werden können. Überprüfung der Photovoltaik Im Wizard gibt es das Tabsheet Photovoltaik. Polysun überprüft alle Parameter der PV-Module und des Wechselrichters auf deren Kompatibilität. Mit einem grünen Haken signalisiert Polysun eine Übereinstimmung und mit einem gelben Ausrufezeichen eine Abweichung zwischen Photovoltaikfeld und Wechselrichter. Es werden folgende Parameter des Wechselrichters überprüft:

minimale und maximale Eingangsspannung: beschreibt den möglichen Leistungsbereich des Wechselrichter DC-seitig.

minimale und maximale MPP-Spannung: Beschreibt den möglichen Arbeitsbereich des MPP-Trackers.

maximaler Eingangsstrom

maximale Systemspannung

minimaler und maximaler Strangsicherungswert

maximale Phasenschieflast

1.5 Wetterdaten Einer der ersten Schritte beim Aufsetzen des Projektes ist es, die Wetterdaten auszuwählen. Polysun stellt Ihnen dafür zuverlässige Ertragsprognosen für über 8.400 Orte weltweit zur Verfügung. Zusätzlich lässt es das Programm zu, gespeicherte meteorologische Daten aus einer Datei einzulesen, stündliche meteorologische Daten aus externen Monatswerten zu berechnen und meteorologische Daten für den jeweiligen Ort von der Internet-Webseite Meteonorm einzulesen.

Polysun-Video

Standort und Wetterdaten

1.5.1 Standortwahl Das Dialogfenster zum Auswählen der Wetterdaten öffnet sich im Projekt-Fenster oben links unter „Standort der Anlage“.

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Abb. 11: Standort der Anlage

Sie können die geografische Lage Ihrer Anlage entweder aus einer Karte oder aus einer Datenbank auswählen. Um die Lage aus einer Datenbank auszuwählen, müssen Sie Kontinent, Land und Örtlichkeit der Anlage angeben. Eine Weltkarte mit einer Auflösung von 3 km steht Ihnen zur Verfügung. Allerdings können nicht alle Örtlichkeiten über die Suchfunktion gefunden werden. In diesem Fall müssen Sie sie auf der Karte anklicken, die Wetterdaten werden dann interpoliert. Die Lage umfasst Kontinent, Land und Ortschaft. Sie können auch angeben, ob Sie die Sommerzeit (Zeitumstellung) berücksichtigen wollen oder nicht. Für Wetterdaten gibt es fünf Auswahlmöglichkeiten: „aus Standort (gemäss Meteonorm-Version 7.2)“, „aus Standort (gemäss Meteonorm-Version 6)“, „Profil“, „Externe Monatswerte“ und „Webservice“. Über die Auswahlmöglichkeit “aus Standort (gemäss Meteonorm-Version 6)“ können

Wetterdaten für den gewählten Ort durch die eingebettete Meteonorm-Prozedur

berechnet werden.

In der Meteonorm-Version 6 stammen die zugrundeliegenden Wetterdaten aus dem

Zeitraum 1986-2005. Die Einstrahlungs-Parameter sind von 1986-2005, die restlichen

Parameter aus dem Zeitraum 1996-2005.

Die Auswahlmöglichkeit „aus Standort (gemäss Meteonorm-Version 7.2)“ kann gewählt

werden, um auf Wetterprofile zuzugreifen, die es für mehr als 7.500 Orte gibt. Bei dieser

Auswahlmöglichkeit muss der Ort aus der Drop-Down-Liste ausgewählt werden, nicht

über die Karte.

Die Option ‚Meteonorm-Version 7.2’ wird empfohlen, weil sie die aktuelleren Daten

anbietet. Die Option ‚Meteonorm-Version 6‘ wird beibehalten, um eine

Abwärtskompatibilität zu gewährleisten. Wenn der Ort von der Karte ausgewählt werden

muss, wird die „Webservice“-Option empfohlen, weil darüber die aktuellsten Daten

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erhältlich sind. Allerdings muss für die „Webservice“-Option ein Zugang zum Internet

zur Verfügung stehen.

Bei der Option Meteonorm-Version 7.2 stammen die Einstrahlungs-Daten aus den

Jahren 1991-2010, für einige Länder sogar aus den Jahren 1996-2015, alle anderen

Parameter stammen aus den Jahren 2000-2009.

Für genauere Informationen besuchen Sie bitte www.meteonorm.com.

Abb. 12: Standort-Angaben

Es gibt zahlreiche andere Quellen für Wetterdaten ausser den im Polysun-Programm hinterlegten. Die Option „Profil“ erlaubt Ihnen, Meteodaten aus CSV-Dateien (CSV für Comma Separated Values, einem Microsoft-Excel-Dateiformat) zu importieren. Darüber können auch die tatsächlich an dieser Örtlichkeit gemessenen Messwerte eingelesen werden. Die Software fragt die folgenden stündlichen Wetterdaten ab: Gh Globalstrahlung [Wh/m2] Dh Diffusstrahlung [Wh/m2] Lh Langwellenstrahlung [Wh/m2] Tamb Umgebungstemperatur [°C] Vwnd Wind [m/s] Hrel Luftfeuchtigkeit [%]

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Abb. 13: Wetterdatenprofile

Sie können eines der angebotenen Profile aussuchen. Bitte beachten Sie, dass Sie anschliessend den Standort der Anlage (unter „Standort der Anlage“) ggf. an den Standort des importierten Datensatzes anpassen müssen, weil die Software die Sonnenbahn hieraus berechnet. Sie können auch eines der angebotenen meteorologischen Datenprofile mittels der Kopieren-Schaltfläche unter einem anderen Namen speichern, öffnen und die Daten entsprechend der verfügbaren tatsächlichen Messwerte anpassen. Die Option „Externe Monatswerte“ lässt Änderungen der importierten Monatswerte zu. Wenn Sie sich für diese Option entscheiden, werden die Stunden-Werte mittels des in der Software enthaltenen Meteonorm-Verfahrens aus den Monatswerten errechnet.

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Abb. 14: Benutzerdefinierte Wetterdaten Schliesslich erlaubt Polysun Ihnen, die aktuellsten Wetterdaten vom Meteonorm-“Webservice” zu importieren. Diese Wetterdaten sind dynamisch und werden auf der Meteonorm-Webseite ständig aktualisiert. Dazu wählen Sie zunächst „Webservice“ und wechseln dann zu einer Projektvariante. Nach etwa zehn bis 15 Sekunden zeigt Ihnen das Polysun-Log, dass die Wetterdaten erfolgreich heruntergeladen wurden.

Abb. 15: Polysun-Log

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1.5.2 Horizont und Verschattung Um die Berechnung des Energieertrag der Solaranlage möglichst genau zu machen, müssen mögliche Hindernisse wie benachbarte Häuser, Bäume, Berge etc. berücksichtigt werden. Diese Hindernisse beeinträchtigen den Ertrag einer Solaranlage besonders im Winter, weil die Sonne dann tiefer steht. Deshalb ermöglicht es die Software, auch den 21. Dezember jedes Jahres, der kürzeste Tag auf der Nordhalbkugel, zur Abschattungs-Berechnung als „worst case scenario“ heranzuziehen. Das Profil des Horizonts kann ebenso wie benachbarte Hindernisse und Eigenverschattungen mit dem „Horizont Editor“ simuliert werden, der die umgebende Topografie berücksichtigt. Die Objekte werden mit Entfernung und Höhe erfasst. Die Ausmasse der Objekte werden dann auf der Horizont-Linie dargestellt, was eine grössere Präzision der Standortdaten und der Ertragsberechnung ermöglicht. Um den Horizont Ihrer Anlage zu definieren, klicken Sie im Projektfenster oben links auf „Standort der Anlage“ und dann unter „Horizont“ auf die „Bearbeiten“-Schaltfläche. Der sich daraufhin öffnende Horizont-Editor ist in vier Teile aufgeteilt. In der oberen linken Ecke befindet sich eine Horizont-Linie, die durch eine rote Linie abgebildet wird und die Sonnenbahn, dargestellt durch eine gelbe Linie. Durch Verschieben der Regler im oberen rechten Feld kann die Sonnenbahn an einzelnen Tagen und der Sonnenstand zu bestimmten Stunden eingestellt werden. Über die Maske im unteren linken Feld können Hindernisse und Eigenverschattungen eingegeben werden. Über die Schaltfläche „Hindernisse“ können Gebäude oder andere abschattende Objekte in der Nähe Ihrer PV-Module oder Sonnenkollektoren eingegeben werden. Sie können auch bereits bestehende Horizont-Daten im Feld ganz unten rechts importieren, etwa von Meteonorm den Horizont der gewählten Örtlichkeit. Zusätzlich können neue abschattende Objekte über die Hindernis-Schaltfläche mit Entfernung, Höhe und Azimut-Winkel eingegeben werden. Über die Schaltfläche Eigenverschattungen kann die genaue Aufstellung der PV-Module oder Solarkollektoren angegeben werden. Dazu geben Sie den Abstand zwischen den Reihen, den Neigungswinkel und die Eigenverschattung ein, welche die Schatten verursacht. Die Eigenverschattung hängt von der Abweichung der Dachausrichtung von der Südrichtung ab (a), der Entfernung der Reihen voneinander (d), dem Neigungsgrad (α) und der Höhe der Solarkollektoren oder PV-Module, die die Eigenverschattung verursachen (w). Mit einem Klick auf „Hinzufügen“ ergänzen Sie das jeweilige Hindernis oder die Eigenverschattung zu Ihrer Horizontlinie. Durch manuelles Verstellen der Azimut- und Neigungswinkel im unteren rechten Fenster kann das Horizont-Profil zusätzlich modifiziert werden. Mit einem Klick auf „Zurücksetzen“ ganz unten rechts werden alle Änderungen wieder zurückgenommen. Sie können das Horizont-Profil auch aus einer Datei importieren, die Sie möglicherweise aus anderen Programmen generieren können.

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Abb. 16: Horizont und Verschattung können mit dem Horizont-Editor definiert werden

Polysun-Video

Nahverschattung

1.6 Benutzerstufen Polysun Simulationssoftware gibt es in zwei Benutzerstufen: Designer und Professional: Benutzerstufe Professional: Das Verkaufs- und Planungsinstrument für den täglichen Gebrauch: einfachste Handhabung, Resultate-Report mit eigenem Firmenlogo und Adresse, Offerten in Minutenschnelle erstellt. Diese Benutzerstufe schliesst die intuitive Benutzerführung mittels des „Wizard“ ein und ermöglicht den Zugriff auf eine Vielzahl Hersteller-spezifischer Hydraulikschemata und Produkte. Diese Benutzerstufe ist besonders geeignet für Aussendienst-Mitarbeiter, Verkäufer und Installateure. Benutzerstufe Designer: Maximale Flexibilität bei der Planung und beim Verkauf erneuerbarer Energiesysteme: exaktes Nachbilden der Anlagen im Baukastenprinzip, Modularität im Aufbau der Hydrauliken, Vorlagen für Grossanlagen, Prozesswärme, Fernwärme. Verbesserte Modularität und Präzision beim Design thermischer Systeme im Baukastenprinzip. Fortgeschrittenes Tool für die Auslegung von Wechselrichtern und die Simulation von Abschattungen für Polysun PV. Plus alle Vorzüge der Professional Version. Diese Benutzerstufe ist perfekt geeignet für Planer, Entwicklungsingenieure, Energieberater, weil sie eine umfassende Planung und Beurteilung der Anlage erlaubt.

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In der Vollversion von Polysun sind alle Technologie-Arten zur Nutzung erneuerbarer Energie verfügbar: Solarthermie, Photovoltaik und Geothermie. Die Vollversion von Polysun ermöglicht die Kombination verschiedener Technologien in einem Hybrid-System. Das Design von Kühlsystemen ist nur in der Vollversion möglich. Neben der Vollversion sind folgende einzelne Module der Polysun Software erhältlich: Die Polysun Solarthermie-Simulation beinhaltet: Warmwasser-Aufbereitung, Raumheizungs- und Schwimmbaderwärmungs-Systeme, weltweite Wetterdaten, grosse Auswahl an Vorlagen für Hydraulikschemata, regelmäßig aktualisierter Kollektor-Katalog (Flach-, Röhren-, konzentrierende und nicht abgedeckte Kollektoren). Die Polysun Geothermie-Simulation bietet Ihnen: Berechnung von Erdwärme- und Grundwasser-Sonden sowie Wasser/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen. Regelmäßig aktualisierte Kataloge zertifizierter Wärmepumpen. Genaue Berechnung des Wirkungsgrades (Coefficient of Performance, COP). Die Polysun Photovoltaik-Simulation enthält regelmäßig aktualisierte Modul- und Wechselrichter-Kataloge, weltweite Wetterdaten, Abschattungs-Simulations-Tool, ein dem aktuellen Stand der Technik entsprechender Assistent zur Auslegung des Wechselrichters. Es ist schliesslich möglich, zwei oder drei unterschiedliche Module miteinander zu kombinieren, um die Modularität und die Vielseitigkeit des entworfenen Systems zur Nutzung erneuerbarer Energien zu erhöhen. Polysun eignet sich dadurch besonders gut zur Simulation hybrider Systeme, so können Sie Ihren Kunden effiziente und zuverlässige Lösungen zur Verfügung zu stellen.

1.7 Mit dem Designer arbeiten Mit dem Designer können die Hydrauliken bestehender Varianten verändert und Anlagenschemata komplett neu erstellt werden.

1.7.1 Anlagenschemata verändern Dazu geht der Benutzer von einer bestehenden Vorlage aus, die er als Variante ins Projekt übernimmt (siehe Vorlage ins Projekt übernehmen). Anschliessend kann er Komponenten der Variante löschen, neue Komponenten hinzufügen, Komponenten miteinander verbinden und Verbindungen lösen.

1.7.2 Neue Komponenten hinzufügen

Gewünschte Komponente in der Komponenten-Symbolleiste anklicken.

Im Arbeitsbereich auf die Zeichenfläche klicken. Die gewünschte Komponente wird platziert.

Durch Doppelklick auf die im Arbeitsbereich platzierte Komponente öffnet sich der Dialog und die Komponente kann bearbeitet werden.

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1.7.3 Komponenten auswählen Mit einem Mausklick auf eine Komponente wird diese ausgewählt, was durch vier rote Punkte am Rand des Komponentensymbols gekennzeichnet wird. Mit gehaltener Shift-Taste können so mehrere Komponenten ausgewählt werden, mit der Tastenkombination Ctrl-A werden alle ausgewählt.

1.7.4 Komponenten verschieben oder drehen Mit gedrückter linker Maustaste kann eine zuvor markierte Komponente auf der Zeichenfläche verschoben werden. Bei gedrückter Ctrl-Taste können die ausgewählten Elemente mit den Pfeilen auf der Tastatur verschoben werden. Mit einem Klick mit der rechten Maustaste auf ein Element können zusätzliche Funktionen zur Ausrichtung und Drehung ausgewählt werden.

1.7.5 Komponenten löschen

Komponente durch einfaches Anklicken markieren, was durch vier rote Punkte am Rand der Komponente gekennzeichnet wird;

mit der rechten Maustaste auf die markierte Komponente klicken;

aus dem Auswahlfenster Löschen auswählen – die Komponente wird gelöscht.

1.7.6 Komponenten miteinander verbinden

Mit der Maus auf den quadratischen Anschluss einer Komponente klicken. Der Anschluss wird rot gekennzeichnet.

Auf den Anschluss einer anderen Komponente klicken. Die beiden Komponenten werden miteinander verbunden.

Tipp: Bei der Verbindung von zwei Komponenten, die nur mit Hilfe eines Rohrs miteinander verbunden werden können, zeichnet Polysun automatisch das dazugehörige Rohr. Dadurch können grosse Anlagen zeitsparend gezeichnet werden. – Wenn mit gedrückter linker Maustaste auf eine bestimmte Stelle eines Rohres geklickt wird, kann ein Bogen eingefügt werden.

1.7.7 Verbindungen lösen Durch Doppelklicken der Anschlüsse bestehender Verbindungen (schwarze Punkte) werden Verbindungen gelöst.

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1.7.8 Anlagenschemata komplett neu erstellen Mit dem Befehl Neue Variante erstellen im Menü Variante kann eine Variante komplett neu erstellt werden, indem der Benutzer mit einer leeren Seite beginnt. Das Hinzufügen und Verbinden der Komponenten erfolgt wie oben beschrieben. Tipp: Es empfiehlt sich, mit der Bearbeitung bestehender Varianten zu beginnen und die vorgegebenen Einstellungen zu überprüfen. Der Benutzer sollte Schritt für Schritt vorgehen und häufige Simulationstestläufe durchführen, um die Änderungen besser nachvollziehen zu können.

Polysun-Video

Neue Hydraulik erstellen

Polysun-Video

Eigene Hydrauliken abspeichern

1.7.9 Besonderheiten bei gewissen Komponenten

Speicher: Wenn der Benutzer einen neuen Speicher platzieren möchte, stellt sich ihm die Wahl zwischen "Speicher neu definieren" und "Speicher aus dem Katalog wählen". Letztgenannte Option sieht die Wahl eines bereits bestehenden Speichers aus dem Katalog vor. Wird dagegen "Speicher neu definieren" ausgewählt, öffnet sich ein weiteres Fenster zur Konfiguration des Speichers. Zuerst wird die Grundstruktur des Speichers definiert. Nach Bestätigung mit OK wird der Speicher auf der Zeichenfläche abgebildet. Anschliessend kann er durch Doppelklick weiter bearbeitet werden (siehe dazu Polysun-Dialoge und Kataloge).

Wenn ein Speicher gelöscht wird, werden automatisch auch die Temperaturfühler mit gelöscht. Bei Platzieren eines neuen Speichers müssen in den betroffenen Steuerungen die Temperaturfühler neu gesetzt werden, d.h. die Eingänge neu definiert werden.

Steuerungen: Bei Platzieren einer Steuerung muss der Benutzer die passende auswählen. Auch hier empfiehlt es sich, von den Grundeinstellungen der Vorlagen zu lernen.

Wärmeerzeuger: Kessel oder Wärmepumpe, jeweils mit oder ohne integrierte Pumpe. Bitte darauf achten, ob im betreffenden Kreislauf bereits ein Durchflusserzeuger vorliegt.

Bitte lesen Sie unbedingt die ausführlichen Erläuterungen zu den einzelnen Komponenten und zu den Steuerungen in der Benutzerdokumentation.

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1.8 Updater Polysun wird regelmässig geupdatet. Diese Updates betreffen nicht nur die Katalogdaten, sondern auch die Funktionalität der Software, die ständig erweitert wird. Es empfiehlt sich daher, Polysun stets auf dem neuesten Stand zu halten. Der Benutzer hat ein Anrecht auf kostenlose Updates, wenn seit der Erstabholung der Lizenz oder dem Abschluss des letzten Abonnements noch keine zwölf Monate vergangen sind. Wenn Ihre Lizenz abgelaufen sein sollte, erscheint eine entsprechende Meldung. Bitte erneuern Sie Ihr Abonnement oder kontaktieren Sie Ihren Vertriebspartner. Wenn unter Anzeige in den Einstellungen im Menü Extras in der ersten Zeile (Nach dem Start von Polysun) der Befehl "nach Update suchen" ausgewählt worden ist, wird Polysun automatisch überprüfen, ob auf dem Server Updates vorliegen. Grundvoraussetzung dafür ist natürlich, dass mit dem Computer eine Internet-Verbindung hergestellt worden ist. Wenn ein Update vorliegt, erscheint eine entsprechende Meldung. Gehen Sie anschliessend wie folgt vor:

Beenden Sie Polysun.

Starten Sie den Polysun-Updater. Öffnen Sie dazu das Programmmenü Ihres Computers und suchen Sie Polysun. Wenn Polysun mit der Maus markiert wird, erscheint rechts davon ein Fenster mit folgender Auswahl: Polysun (zum Starten des Programms) – Polysun Deinstallation – Polysun Updater. Wählen Sie den Updater aus.

Stellen Sie sicher, dass eine stabile Internet-Verbindung hergestellt worden ist.

Der Updater gibt an, welches Update verfügbar ist. Klicken Sie auf Weiter, um das Update herunterzuladen und automatisch zu installieren.

Abschliessend klicken Sie auf Beenden, um den Polysun-Updater zu beenden.

Starten Sie Polysun erneut. Im Startfenster sehen Sie, welche Version installiert ist.

Wenden Sie sich bei weiteren Fragen bitte an Ihren Vertriebspartner.

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2 Photovoltaik und elektrische Komponenten Im Gegensatz zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie wird bei der Photovoltaik Sonnenlicht direkt in Strom umgewandelt. Dieser „photovoltaische Effekt“ kann mit Halbleitermaterialien wie Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid erzeugt werden. Sobald Sonnenlicht auf eine Solarzelle aus solchem Material fällt, werden Elektronen von – nach + transportiert, so dass ein Gleichstrom entsteht. Dabei findet kein Verschleiss des Materials statt, es entstehen keine Emissionen oder Geräusche und es gibt auch keine beweglichen Teile. Der photovoltaische Effekt wurde im Jahre 1839 vom französischen Physiker A.E. Becquerel entdeckt. Die Spannung einer Solarzelle beträgt etwa 0.6 V und der maximale Kurzschlussstrom über 3 A. Da sich mit dieser geringen Spannung keine normalen Verbraucher betreiben lassen, werden die Solarzellen in Serie zu einem Solarmodul geschaltet (gängiger Wert 36 Zellen). Heutzutage wird auf der ganzen Welt nach neuen Herstellungsverfahren und Solarzellentypen geforscht. Dominierend sind klar die Silizium-Solarzellen, wobei die Monokristallinen immer noch den höchsten Marktanteil aufweisen. Den zweiten Platz belegt die polykristalline Technologie, gefolgt von der amorphen Zelle. Neue Technologien, wie z.B. CIS und CaTe-Zellen sind auch auf dem Markt erhältlich.

Abb. 17: Verschiedene Arten von Solarzellen

Ein wichtiger Faktor einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad, welcher das Verhältnis angibt zwischen einfallender solarer Leistung und umgewandelter elektrischer Leistung. Die Tabelle unten zeigt Wirkungsgrade verschiedener Zelltechnologien.

Typischer Wirkungsgrad

Maximal aufgezeichnet

Maximal im Labor gemessen

Monokristallin 15-18% 22.7% 24% Polykristallin 13-16% 18% 18.6% Amorphes Silizium 5- 7% 10.2% 12.7% Kadmiumtellurid (CdTe)

7- 8.5% 13% 16%

Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)

9- 11% 13% 18.8%

Tab. 5: Wirkungsgrade verschiedener Typen von Solarzellen

Solarmodule werden hauptsächlich durch ihren Wirkungsgrad und ihre STC-Nennleistung definiert. Die STC-Nennleistung entspricht der Leistung des Moduls bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2, einer Modultemperatur von 25°C und einer AirMass von 1. Diese Bedingungen werden im Betrieb nur sehr selten, z.B. an sonnigen

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Frühlingstagen erreicht. Den grössten Teil ihrer Betriebsdauer herrschen schlechtere Licht- und Temperaturverhältnisse, d.h. die Leistung des Solarmoduls liegt unter dem STC-Wert. Die Solarmodule werden miteinander in Serie und parallel verschaltet, wobei eine serielle Verschaltung einer Anzahl Module String genannt wird. Bei netzgekoppelten Anlagen wird der Strom dann auf einen Wechselrichter geführt, welcher den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und in das öffentliche Stromnetz einspeist. Bei einer Netzverbundanlage werden verschiedene Wechselrichter-Konzepte eingesetzt. Bei einem Zentral-Wechselrichter werden alle Solarmodule über einen Klemmenkasten auf den Wechselrichter verkabelt. Strang-Wechselrichter ersetzen den Klemmenkasten und wandeln jeden einzelnen Strang in Wechselstrom um.

Abb. 18: Funktionsschema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage (Quelle: Leitfaden Photovoltaische Anlagen; Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2007)

Eine Photovoltaik-Anlage mit 1 kWp installierter Leistung (ca. 8 m2 Solarmodule) produziert auf einem Süddach im Schweizer Mittelland ca. 900 kWh Strom pro Jahr. In der Südschweiz und in höheren Lagen ab ca. 1000 m.ü.M. ist die Produktion aufgrund der höheren Sonneneinstrahlung deutlich höher. Nach ca. 4 Jahren hat die Anlage dieselbe Menge Strom produziert, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde (Quelle: N. Jungbluth et. al.; Life Cycle Assessment of Photovoltaics; Update of the ecoinvent Database, 2007). Die Lebensdauer von Solarstrom-Anlagen beträgt mindestens 25 bis 30 Jahre, das heisst sie produziert ca. 6 bis 7 mal mehr Energie als zu ihrer Herstellung benötigt wurde. Am Ende der Lebensdauer kann ein grosser Teil der Komponenten der Anlage (Solarzellen, Glas, Aluminiumteile) recycliert werden. Das Photovoltaikmodul in Polysun erlaubt die Berechnung der Stromproduktion von Photovoltaikanlagen. Eine Solarmodul- und eine Wechselrichterdatenbank mit einer grossen Auswahl an Modulen und Wechselrichtern können genutzt werden, um ein PV-Feld zu definieren.

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2.1 PV-Module Es können PV-Felder mit jeweils einem Wechselrichter und mehreren in Serie und parallel verschalteten Modulen erstellt werden. Jedes PV-Feld hat eine einheitliche Ausrichtung und Neigung, sowie ein einheitliches Montagesystem. Es können mehrere PV-Felder in einer Variante definiert werden, um verschiedene Ausrichtungen und Wechselrichter kombinieren zu können. Alternativ dazu, kann nach Auswahl eines Moduls über die Schaltfläche Wizard ein Assistent zugeschaltet werden, der eine Vorauswahl an passenden Wechselrichtern bietet.

2.1.1 Parameter PV-Module Als wichtigster Parameter für die Definition eines PV-Felds wird aus der Solarmodul-Datenbank ein Solarmodul ausgesucht, oder selbst definiert, sowie die Anzahl Module festgelegt. Optional kann auch die DC-Nennleistung oder die Solarmodulfläche angegeben werden, Polysun berechnet daraus automatisch die Anzahl Module. Zusätzlich wird die Ausrichtung des Moduls (Süden ist 0°, Osten ist +90°, Westen ist -90°) und der Anstellwinkel (Boden ist 0°, Fassade ist 90°) definiert. Mit Polysun ist es auch möglich, den Ertrag von nachgeführten Anlagen (einachsig und zweiachsig) zu berechnen. Es wird davon ausgegangen, dass die Anlage nach dem Sonnenstand nachgeführt wird (nicht nach dem hellsten Punkt), und dass der Tracker den gesamten Sonnenverlauf nachführt und nicht nur einen eingeschränkten Winkel. Eine bildliche Darstellung zu diesem Prinzip findet sich im Kapitel 2.1.2 „Tracking“. 2.1.1.1 Parameter Bezugsgrösse für die Fläche Die Leistung des Photovoltaik Generatorfeldes kann durch die Anzahl Module, gesamte Nennleistung oder Bruttogesamtfläche. Die Anzahl Module entspricht der Menge an PV-Modulen des gewählten Modultyps. Mit gesamter Nennleistung wird die Leistung in kW der PV-Module ohne Kabel- und Wechselrichterverluste beschrieben. Die Bruttogesamtfläche beschreibt die Fläche des Generatorfeldes in m2. 2.1.1.2 Temperatureffekt und Hinterlüftung Die Leistung der Solarmodule hängt sowohl von der Einstrahlung wie auch von der Modultemperatur ab. Die Leistung nimmt annähernd linear mit der Einstrahlung zu. Der Temperatureinfluss ist geringer und hängt von der Zelltechnologie ab. Eine Temperatur-erhöhung um 10°C führt bei kristallinen Zellen zu einem Rückgang der Leistung von ca. 4 bis 5%. Amorphe Zellen sind praktisch nicht temperaturabhängig.

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Abb. 19: Einfluss von Einstrahlung und Temperatur auf ein kristallines Modul (Quelle: R. Kröni et.al.; Final Report PV P+D, DIS 47456 / 87538 , February 2005; Energy Rating of Solar Modules)

Wegen der Temperaturabhängigkeit der Module führt eine gute Hinterlüftung zu einem höheren Ertrag. Als Parameter können verschiedene Hinterlüftungsarten definiert werden:

Schlecht: z.B. dachintegrierte Anlage mit sehr wenig Hinterlüftung. Bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2 liegt die Modultemperatur 40°C über der Lufttemperatur.

Mittel: z.B. Aufdach-Anlage mit ca. 10 bis 20cm Hinterlüftung. Bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2 liegt die Modultemperatur 30°C über der Lufttemperatur.

Gut: frei aufgeständerte Anlage mit mehr als 20cm Bodenfreiheit. Bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2 liegt die Modultemperatur 20°C über der Lufttemperatur.

2.1.1.3 Degradation und Verschmutzung Dem PV-Feld kann eine Degradation und Verschmutzung zugeordnet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verschmutzung von Solarmodulen in den ersten Wochen nach der Installation oder Reinigung schnell zunimmt und dann auf einem Niveau von 2 bis 6% relativ stabil bleibt (Quelle: H. Becker, W. Vassen, W. Hermann: „Reduced Output of Solar Generators due to Pollution“. Proc. 14th EU PV Conf., Barcelona, 1997). Die Verschmutzungsrate entspricht der prozentualen Reduktion des DC-Ertrags der Anlage. Die Degradation der Solarmodule sowie der gesamten Anlage wird als linearer Prozess angenommen. Im Durchschnitt beträgt der Ertragsrückgang durch Degradation 0.2%/Jahr (Quelle: Leitfaden Photovoltaische Anlagen; Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Landesverband Berlin Brandenburg e.V.; DGS Berlin 2005.).

50W/m2

260W/m2

470W/m2

680W/m2

890W/m2

1100W/m2

-5°C5°C

15

°C

25

°C

35

°C

0 W

10 W

20 W

30 W

40 W

50 W

60 W

70 W

80 W

90 W

power

irradiance

temperature

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2.1.1.4 Resultate Der Ertrag der Solaranlage wird mit dem H.G. Beyer Modell berechnet. (Quelle: Beyer, H.G., Betcke, J., Drews, A., Heinemann, D., Lorenz, E., Heilscher, G., Bofinger, S., 19th European Photovolatic Solar Energy Conference & Exhibition, Paris 7.6.-11.6.2004. Identification of a General Model for the MPP Performance of PV-Modules for the Application in a Procedure for the Performance Check of Grid Connected Systems). Dieses Modell basiert auf folgenden Eingangsdaten:

3 Wirkungsgrade des Moduls bei unterschiedlichen Einstrahlungen

3 Wirkungsgrade des Wechselrichters bei unterschiedlichen Lasten

installierte Leistung

Temperaturkoeffizient der Module Aus den Stützpunkten wird jeweils eine Wirkungsgradkurve für die Module und den Wechselrichter gefittet. Aus diesen Kurven, der installierten Leistung und dem Temperaturkoeffizienten kann der Ertrag in Abhängigkeit der Einstrahlung und der Modultemperatur berechnet werden. Die Modultemperatur wird aus der Umgebungstemperatur, der Einstrahlung und dem Parameter gamma für die Hinterlüftungssituation berechnet: Modultemperatur = Umgebungstemperatur + gamma x Einstrahlung/1000 W/m2 Vom resultierenden Ertrag werden folgende Faktoren abgezogen:

Verschmutzung (Default-Wert 2%, kann im PV-Feld definiert werden): Die Verschmutzung in Prozent, beschreibt der jährliche Leistung Verlust des PV-Generatorfeldes durch Verschmutzung auf der Panel Oberfläche.

Degradation (Default-Wert 0.5%, kann im PV-Feld definiert werden): Die Degradation beschreibt den natürlichen Leistung Verlust der Zellen durch verschieden Alterungsprozesse.

Kabelverluste: Der Kabelverlust kann man durch einen prozentualen Verlust der gesamten Systemleistung berechnen oder mit der Option „Kabelschnitt“. Im Wizard ist möglich verschieden Kabelabschnitte und Typen zu definieren. Dies ermöglicht es Polysun die Kabelverluste näher an der Realität abzubilden und zu simulieren.

2.1.2 Tracking

Durch Nachführung der Kollektoren kann der solare Wärmeertrag optimiert werden. Je nach Anwendung und Ort lohnt sich das Nachführen von Kollektoren mehr oder weniger. Je näher am Äquator und je grosser die Anlage desto mehr lohnt sich das Nachführen von Kollektoren. Da diese Gebiete höhere jährliche Strahlungserträge haben und die Initialkosten der Nachführung dann kleiner ist. Im Dialogfester zur Festlegung von Kollektoreigenschaften können drei verschiedene Arten von Nachführungen angewählt werden.

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Einachsige Nachführung nach Ausrichtung Der Kollektor richtet sich bezüglich der vertikalen Achse der Sonne nach.

Einachsige Nachführung nach

Anstellwinkel Der Kollektor richtet sich bezüglich der horizontalen Achse der Sonne nach.

Zweiachsige Nachführung Der Kollektor richtet sich bezüglich der horizontalen und vertikalen Achse der Sonne nach.

Bei Simulationen mit nachgeführtem Kollektor werden Rechenaufwendige IAM-Faktoren berechnet. Dies geht auf die Lasten der Simulationszeit, welche sich stark verlängern kann.

2.2 Wechselrichter

2.2.1 Automatische Wechselrichterauslegung Für die Wechselrichterauslegung steht in Polysun der „Wechselrichterassistent“ zur Verfügung. Sie können diesen einerseits über den Assistenten (Seite Photovoltaik) und andererseits über die Photovoltaik- bzw. PVT-Komponente starten (durch Doppelklick auf die Komponente und anschliessendes Anklicken des Assistenten-Symbols).

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Der Wechselrichterassistent schlägt dem Benutzer eine Liste von Auslegungen (im Folgenden Auslegungsvarianten genannt) vor. Das untenstehende Menü, wird angezeigt, falls sie mit der automatischen Wechselrichterauslegung gearbeitet wird.

Abb. 20: PV Auslegung

Ausgangslage: Bei der Berechnung der Auslegungsvarianten sind folgende Grössen gegeben:

Standort

Modultyp

Anzahl Module Ausserdem werden für die Berechnung der max. DC-Leistung (sowie teilweise auch für die Berechnung der min. und max. Modultemperatur und damit der max. MPP-Spannung und des max. DC-Stroms) noch folgende Werte berücksichtigt: Orientierung, Neigungswinkel, Nachführung, Verschmutzungsgrad, Degradation, Windanteil, und Hinterlüftung. Resultat der Auslegung – Auslegungsvarianten: Die Auslegungsvarianten werden durch folgende Grössen charakterisiert:

Wechselrichtertyp

Anzahl Wechselrichter

Anzahl benutzte MPP-Tracker

Anzahl Stränge (pro Wechselrichter oder pro MPP-Tracker)

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Anzahl benutzte MPP-Tracker: Bei Multistring-Wechselrichtern versucht Polysun eine volle oder teilweise Belegung der MPP-geregelten Eingänge zu erreichen. Das Auslegungsprogramm geht hier von einer gleichmässigen Strangaufteilung aus. Zusätzlich werden im Wechselrichterassistenten noch folgende Grössen angezeigt: Wechselrichter-Hersteller, Anzahl Module pro Strang und Leistungsverhältnis. Leistungsverhältnis: Unter Leistungsverhältnis wird in Polysun das Verhältnis zwischen der Generatorleistung bei Standardbedingungen STC und der maximalen DC Leistung des Wechselrichters verstanden. Elektrische Grenzwerte: Die Auswahl der Auslegungsvarianten erfolgt im Wesentlichen aufgrund der elektrischen Grenzwerte. Grundsätzlich werden nur Kombinationen wiedergegeben, welche die untenstehenden Grenzwerte (fallweise bei bestimmten Betriebs- und Wetterbedingungen) erfüllen. Die Spitzenwerte der Spannungen und Ströme werden jeweils anhand der im Katalog hinterlegten Temperaturkoeffizienten berechnet. Tab. 6: Elektrische Grenzwerte für die Auswahl der Auslegungsvarianten

Nr. Komponente Grenzwert Betrieb Wetterbedingungen

1 Wechselrichter Max. DC-Leistung Max. Strahlung

2 Wechselrichter Max. DC-Spannung Leerlauf Min. Lufttemperatur

3 Wechselrichter Min. MPP-Spannung MPP Max. Lufttemperatur

4 Wechselrichter Max. MPP-Spannung

MPP Min. Modultemperatur

5 Wechselrichter Max. DC-Strom MPP Max. Modultemperatur

6 Modul Max. Systemspannung

Leerlauf Min. Lufttemperatur

7 Netz Max. Phasenschieflast

Berechnung der Modultemperatur: Die Modultemperatur wird in Polysun berechnet. Dabei werden folgende Grössen berücksichtigt: Lufttemperatur, Strahlung, Gamma des Moduls, Windanteil und Hinterlüftung. Bei PVT-Kollektoren wird für die Wechselrichterauslegung hingegen eine feste minimale (10°C) und maximale Temperatur (80°C) angenommen. Phasenschieflast: Die maximale Phasenschieflast kann manuell in kW und dem Cosinus angegeben werden. Sie muss sich mit den örtlichen Vorschriften decken. Dünnschichtmodule – Galvanische Trennung: Dünnschichtmodule sollten ausschliesslich mit Trafo bzw. mit galvanischer Trennung betrieben werden. Diese Regel wird bei allen Wechselrichterauslegungen befolgt. Filter/Toleranzen: Die Auslegungsvarianten werden schliesslich gefiltert, bzw. es werden bestimmte Toleranzwerte zugelassen.

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Filter/Toleranzen Wechselrichterassistent: Im Wechselrichterassistent wird der folgende fest eingestellte Filter angewendet: 0.75 <= Leistungsverhältnis <= 1.25. Ausserdem besteht bezüglich maximale Eingangsleistung eine fest vorgegebene Toleranz von 10%. Für alle anderen Maximalwerte gilt eine Toleranz von 0%. Es besteht keine Gewähr dafür, dass über die automatische Wechselrichterauslegung jede Lösung gefunden wird, die ein Herstellertool vorschlägt. Ein Grund dafür ist, dass sich je nach Ausgangslage umfangreiche Zwischenresultate ergeben können, und dass Polysun in der Folge wegen der beschränkten Ressourcen (Speicher, Rechenzeit etc.) Einschränkungen vornehmen muss. Für diese Fälle sollte der Benutzer auf die manuelle Wechselrichterauslegung zurückgreifen (Abschnitt 2.2.2).

2.2.2 Manuelle Wechselrichterauslegung

Wenn Sie auf das Photovoltaik-Icon im Hauptfenster doppelklicken, können Sie u. a. auswählen, ob die Wechselrichterauslegung über den ‚Wizard‘ oder ‚Manuell‘ erfolgen soll. Häufig wird ein Projekt zunächst mit einem vom Wizard vorgeschlagenen Wechselrichter geplant und die vorgeschlagene Wechselrichterauslegung anschliessend manuell modifiziert. Auch wenn nur kleinere Änderungen an einem bereits entworfenen System vorgenommen werden sollen, ist dieses Verfahren sinnvoll.

Abb. 21: Wechselrichterauslegung

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Wenn Sie sich für die manuelle Wechselrichterauslegung entscheiden, können Sie folgende Einstellungen vornehmen: Tab. 7: Übersicht über die Einstellungen für die manuelle Wechselrichterauslegung

EINSTELLUNG BESCHREIBUNG

ZAHL WECHSELRICHTER-TYPEN

Legt die Zahl der Wechselrichter-Auslegungen (Unter-Auslegungen) in einer kombinierten Auslegung fest. Bis zu drei Unter-Auslegungen sind möglich. Jede Wechselrichter-Auslegung (Unter-Auslegung) ist definiert durch den Wechselrichter-Typ, die Anzahl der Wechselrichter, die Zahl der Stränge und die Zahl der Module pro MPP-Tracker.

AUSLEGUNG: WECHSELRICHTER

Auswahl eines Wechselrichters aus dem Katalog.

AUSLEGUNG: ZAHL DER WECHSELRICHTER

Zahl der parallel geschalteten Wechselrichter.

AUSLEGUNG: ZAHL DER STRÄNGE

Zahl der parallelen Stränge pro Wechselrichter. Der maximale Strom des PV Generator(felde)s sollte den maximalen Eingangs-Strom jedes einzelnen Wechselrichters nicht übersteigen, weil das den Verschleiss des Wechselrichters deutlich erhöhen würde.

AUSLEGUNG: ZAHL DER MODULE PRO STRANG

Anzahl der Module pro Strang.

AUSLEGUNG: AUSRICHTUNG

Azimut Winkel (0°=Süden, +90°=Osten, -90°=Westen, +/-180°=Norden). Diese Einstellung ermöglicht es, für jeden MPP-Tracker-Eingang einen eigenen Wert festzulegen. Die optimale Ausrichtung hängt von den örtlichen Wetter- und Klima-Bedingungen ab, grundsätzlich sollten die Module für Standorte auf der Nordhalbkugel nach Süden ausgerichtet werden.

AUSLEGUNG: ANSTELLWINKEL

Festgelegter Winkel, um den die PV-Module geneigt werden (0°=waagrecht (Flachdach), 90°=senkrecht (Fassade)). Diese Einstellung ermöglicht es, für jeden MPP-Tracker-Eingang einen unterschiedlichen Wert anzugeben. Der Anstellwinkel sollte so gewählt werden, dass die PV-Module so häufig wie möglich der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.

COS Φ Legt Cos φ (das Verhältnis zwischen Wirkleistung und scheinbar vorhandener Leistung, auch Leistungsfaktor genannt) fest. Standardmässig auf “1” gesetzt, was bedeutet, dass es keine Blindleistung gibt. Der nutzbare Strom ist die Wirkleistung. Der Netzbetreiber kann bestimmte cos φ-Werte fordern, um hohe zusätzliche Einspeisungen zu vermeiden, die nicht zum Betrieb elektrischer Geräte verwendet werden kann.

ENERGIEQUELLE Energiequelle, die als Referenz herangezogen wird, um die wirtschaftlichen und ökologischen Resultate zu berechnen.

NETZANSCHLUSSART Legt fest, wie Ein-Phasen-Wechselrichter ans Netz angeschlossen werden, wenn es dafür mehr al seine Option gibt. Das trifft nur auf die Einphasen-Dreileiter- und High Leg Delta-Netzformen zu. Auswahlmöglichkeiten für die Einphasen-Dreileiter-Netzform: 1. “Split” oder Aussenleiter-Neutralleiter (120V) 2. “Standard” oder Aussenleiter-Aussenleiter (240V) Auswahlmöglichkeiten für die High Leg Delta-Netzform: 1. „Split“ oder Aussenleiter-Neutralleiter (120V),

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2. „High Leg“ High Leg-Neutralleiter (208V) 3. “Standard” oder Aussenleiter-Aussenleiter (240V). Standardmässig ist die Option „Standard“ gesetzt.

Wenn Sie die Wechselrichterauslegung auf die hier beschriebene Weise manuell ändern, sollten Sie anschliessend mit dem Wizard überprüfen lassen, ob das System so funktionieren kann.

Eine manuelle Wechselrichterauslegung ist häufig für Wechselrichter mit mehrfachen MPP-Trackern erforderlich (Multistrang-Konzept). Multistrang-Wechselrichter werden dabei für den Simulationszweck wie ein Gerät mit mehrfachen, voneinander unabhängigen DC-Eingängen und einem AC-Ausgang behandelt. Polysun kann bis zu zehn MPP-Inputs berechnen. Es ist möglich, für jeden MPPT-Input des jeweiligen Wechselrichters manuell verschiedene Unter-Auslegungen festzulegen. Der automatische Auslegungs-Algorithmus verwendet dabei stets alle verfügbaren MPP-Tracker-Inputs. Im manuellen Modus können dagegen individuelle Orientierungen und Neigungswinkel für jeden MPP-Tracker-Eingang dadurch festgelegt werden, dass die automatisch vorgegebenen Einstellungen hierfür überschrieben werden. Derzeit können Multistrang-Wechselrichter nur für Felder mit einem Modultyp berechnet werden.

2.3 Externes Stromnetz In Polysun kann man das externe Stromnetz definieren. Dabei kann aus einer Auswahl das bevorzugte Netz ausgewählt werden. Zusätzlich kann eine Wirkleistungsbegrenzung, maximal Phasenschieflast und ein Netzprofil definiert werden.

2.3.1 Parameter Externes Stromnetz Mit dem Parameter externes Stromnetz kann man das Stromnetz auswählen. Die auzuwählenden Stromnetz esind durch die Phasenanzahl, die Spannung in Volt und die Frequenz in Hertz definiert. Die Nennspannung entspricht der örtlichen Netzspannung.

2.3.2 Parameter Örtliche Netzspannung Die örtliche Netzspannung muss mit den Vorgaben des lokalen Netzbetreibers übereinstimmen.

2.3.3 Parameter Profil Im Parameter Profil, wird ein Netzprofil definiert. Diese Einstellung wird verwendet, um temporäre Wirkleistungeinschränkungen und Stromausfälle abzubilden. Es können eigene Netzprofile, als .csv importiert werden. Dieser Parameter ist wichtig für die Simulation von Systemen zur Überbrückung von Stromausfällen und temporären gesetzlich vorgeschriebenen Wirkleistungseinschränkungen.

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2.3.4 Parameter Wirkleistungsbeschränkung Die Wirkleistungeinschränkung beschreibt das Verhältniss von installierter Leistung zu abgebener Leistung ins Netz. Es kann bestimmt werden ob die Wirkleistung vor oder nachdem Verbrauch berechnet wird. Die Funktion Wirkleistungbegrenzung vor Verbrauch berücksichtigt die Batterieladung und den Eigenverbrauch nicht. Die Wirkleistungbegrenzung nach Verbrauch hingegen schon.

2.4 Elektrische Verbraucher Man kann in der Komponente Internes Stromnetz und elektrische Verbraucher über Verbrauchsprofile den elektrischen Verbrauch angeben. Es können mehrere Verbrauchsprofile ausgewählt werden, die zu einem Zeitschritt jeweils addiert werden. Die Verbrauchsprofile können auf einen Jahreswert skaliert werden. Der Wert 0 setzt den jährlichen Verbrauch auf den ursprünglichen Wert des Profils zurück. Wenn kein elektrischer Verbrauch vorhanden ist, kann die Anzahl der Verbrauchsprofile auf 0 gesetzt werden. Profile in Polysun haben regelmässige Zeitabschnitte. Es werden zwei Zweitschritte unterstützt:

Jede Stunde

Alle 15 Minuten Der elektrische Energieverbrauch wird für einen Zeitabschnitt in kWh angegeben. Durch die Unterstützung von 15-Minuten-Profilen können Smartmeter-Messungen leicht in Polysun verwendet werden. In Polysun gibt es eine Reihe vordefinierter Profile, die verwendet werden können. Es können auch eigene Profile, z.B. vorhandene Referenzprofile, hinzugefügt werden. Falls ein spezielles Profil zur Simulation einer bestimmten Anlage notwendig ist, gibt es die Möglichkeit, ein solches Profil zu erstellen, beispielsweise mit dem Programm Load Profile Generator.1 Dieser Lastprofilegenerator erzeugt Profile basierend auf einem Wunschmodell (desire model) und erlaubt die Erstellung vielfältiger Profile.

2.4.1 Elektrische Verbrauchsprofile In der Komponente Internes Stromnetz und elektrische Verbraucher werden verschiedene Werte des Eigenverbrauchs berechnet und angezeigt. Die jeweiligen Tooltipps (zwei Sekunden mit der Maus über der betreffenden Zeile verweilen), zeigen die Definition der Werte und die zugrundeliegende Berechnung. In den Komponenten-

1 http://www-user.tu-chemnitz.de/~noah/index.php

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Resultaten wird der Eigenverbrauch und Gesamtverbrauch unter elektrische Verbraucher und internes Stromnetz folgendermassen aufgeschlüsselt:

Autarkiegrad (Raut = Eocs/Ecs): Der Autarkiegrad entspricht dem Verhältnis zwischen dem eigenen und dem gesamten Verbrauch.

Eigenverbrauchsverhältnis (Rocs = Eocs/Eacp): Das Eigenverbrauchsverhältnis entspricht dem Verhältnis zwischen dem Eigenverbrauch und der selbst produzierten Energie.

Eigenverbrauch (Eocs = min(Ecs,Eacp+Ebdis)): Der Eigenverbrauch entspricht dem Anteil, der durch die eigene Stromproduktion gedeckt wird.

Direktverbrauchsanteil (Rdcs = Edcs/Ecs): Entspricht dem Anteil in Prozent an eigenproduziertem Strom, der direkt verbraucht wird.

Direktverbrauch (Edcs = min(Ecs,Eacp)): Entspricht dem eigenproduzierten Strom in kWh, der direkt verbraucht wird.

Einspeiseanteil (Rocsp = 1-(Eocs/Eacp)): Ist der Anteil des eigenproduzierten Stroms, der nicht selbst verbraucht wird und der ins externe Stromnetz eingespeist wird.

Netzeinspeisung (Eteg = Eacp-Ecs-Ebch): Ist die ins Netz eingespeiste Energie.

Netzbezug (Efeg = Ecs-Eacp-Ebdis): Ist der Bezug vom externen Stromnetz.

Eigenstromproduktion (Eacp): Eigenproduzierter Wechselstrom.

Elektrischer Verbrauch von Profilen (Epcs): Summe des elektrischen Verbrauchs der stündlichen Profile.

Elektrischer Verbrauch (Ecs = Epcs+Ethcs): Summe des elektrischen Verbrauchs aus Profilen und thermischen Komponenten.

Polysun-Video

Gemessene elektrische Lastprofile einlesen

Polysun-Video

Eigenverbrauchsoptimierung

2.4.2 Elektrischer Verbrauch thermischer Komponenten Zusätzlich zu den vorgegebenen elektrischen Lastprofilen kann der elektrische Verbrauch der thermischen Komponenten miteinbezogen werden. Dazu kann die Eigenschaft Mit elektrischem Verbrauch der thermischen Komponenten auf der Komponente Internes Stromnetz und elektrische Verbraucher eingeschaltet werden. Diese Eigenschaft wird nur angezeigt, wenn thermische Komponenten in der Anlage vorhanden sind. Folgende thermische Komponenten werden beim elektrischen Verbrauch einbezogen, falls diese Funktion eingeschaltet ist:

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Tab. 8: Thermische Komponenten

Komponente Wert

Wärmepumpe Eaux

S/W oder W/W Wärmepumpe Eaux

Pumpe Epar

Interner Wärmeerzeuger (elektrisch) Eaux

Kühlturm Gebläseleistung

Polysun-Video

Kombination thermischer und elektrischer Verbraucher

Polysun-Video

Photovoltaik kombiniert mit einer Wärmepumpe zur Erhöhung des

Eigenverbrauchsanteils

2.5 Batterien Batterien speichern elektrische Energie. Polysun unterstützt die häufig eingesetzten und preiswerten Blei-Batterien. Batterien werden für Eigenverbrauchsoptimierung und für autarke Inselsysteme verwendet. Batterien werden alternativ auch als Akkumulatoren oder Akkus bezeichnet.

2.5.1 Blei-Batterien / KiBa Modell (KiBaM) Blei-Batterien werden in Polysun nach dem Kinetic Battery Modell (KiBaM) abgebildet. Das KiBaM bildet die Energie der Batterie als ein Zwei-Quellen-System ab, erstens mit schnell verfügbarer elektrischer Energie und zweitens mit langsamer chemischer Energie, die mit einer begrenzten Rate in elektrische Energie umgewandelt wird. In Polysun wurde das in [1] vorgeschlagene Modell, das die Energien und Leistungen beschreibt, umgesetzt. Spannungsänderungen werden nicht abgebildet. Der Artikel [2] geht direkt auf die Umsetzung in Polysun ein. Gemäss [1] arbeiten wir mit einer konstanten Batteriespannung. Die verfügbare und die chemisch gebundene Energie am Ende eines Zeitschrittes sind gegeben durch:

𝐸1,𝑡+1 = 𝐸1,𝑡 𝑒−𝑘∆𝑡 +(𝐸0,𝑡 ∙ 𝑘 ∙ 𝑐 − 𝑃) ∙ (1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

𝑘−

𝑃 ∙ 𝑐 ∙ (𝑘 ∙ ∆𝑡 − 1 + 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

𝑘

𝐸2,𝑡+1 = 𝐸2,𝑡 𝑒−𝑘∙∆𝑡 + 𝐸0,𝑡(1 − 𝑐) ∙ (1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡) −𝑃 ∙ (1 − 𝑐) ∙ (𝑘 ∙ ∆𝑡 − 1 + 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

𝑘

𝐸0,𝑡 = 𝐸1,𝑡 + 𝐸2,𝑡

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Wobei ∆𝑡der Zeitschritt in Stunden ist, 𝐸1,𝑡 𝐸2,𝑡 und 𝐸0,𝑡 sind die elektrisch verfügbare,

chemisch gebundene und die totale Energie der Batterie. 𝑃 ist die Lade/Entlade-Leistung. 𝑐 = 𝐸1,𝑡/𝐸2,𝑡 ist das Kapazitätsverhältnis (capacity ratio). 𝑘 ist die

Umwandlungsrate (rate constant parameter), die beschreibt, mit welcher Rate chemisch gebundene Energie elektrisch verfügbar wird. In diesem Batteriemodel gilt die

Konvention, 𝑃 ist während des Entladens positiv und während des Ladens negativ. KiBaM modelliert ebenfalls die maximale Lade- (𝑃𝑐ℎ,𝑚𝑎𝑥) und Entladeleistung (𝑃𝑑𝑖𝑠,𝑚𝑎𝑥)

als Funktion der gespeicherten Energie:

𝑃𝑑𝑖𝑠,𝑚𝑎𝑥 =𝑘 ∙ 𝐸1,𝑡 ∙ 𝑒−𝑘∙∆𝑡 + 𝐸0,𝑡 ∙ 𝑘 ∙ 𝑐 ∙ (1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡 + 𝑐 ∙ (𝑘 ∙ ∆𝑡 − 1 + 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

𝑃𝑐ℎ,𝑚𝑎𝑥 =−𝑘 ∙ 𝑐 ∙ 𝐸𝑚𝑎𝑥 + 𝑘 ∙ 𝐸1,𝑡 𝑒−𝑘∙∆𝑡 + 𝐸0,𝑡 ∙ 𝑘 ∙ 𝑐 ∙ (1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

1 − 𝑒−𝑘∙∆𝑡 + 𝑐 ∙ (𝑘 ∙ ∆𝑡 − 1 + 𝑒−𝑘∙∆𝑡)

Wobei 𝐸𝑚𝑎𝑥 die nominale Batteriekapazität ist. Mit dieser Notation ist der Ladezustand (State of Charge, SOC) definiert als:

𝑆𝑂𝐶𝑡 =𝐸0,𝑡

𝐸𝑚𝑎𝑥

Die Batterien in Polysun sind am Wechselstrom angeschlossen und verfügen über einen eigenen Wechselrichter. Die Wechselrichter werden über einfache Effizienzen abgebildet. Die Selbstentladung der Batterien wird als lineare Verminderung der Ladung abgebildet. Neue Batteriemodelle können im Katalog hinzugefügt werden. Wenn die Parameter c und k nicht verfügbar sind, können diese aus drei Entladekurven mit je konstantem Strom berechnet werden. Zur Berechnung kann das Battery Parameter Finder Programm2 benutzt werden.

2.5.2 Lebensdauerabschätzung Der Return of Investment einer Batterie ist von deren Lebensdauer abhängig. Deshalb kann die Lebensdauer einer Batterie anhand der Anzahl Zyklen abgeschätzt werden (Rainflow Cycle Counting Methode). Diese Abschätzung nimmt an, dass die Lebensdauer von der Tiefe und der Anzahl Lade-/Entladezyklen abhängt. Der Zusammenhang zwischen Zyklentiefe und Anzahl Fehler bis zum Ausfall wird in der Regel im Datenblatt der Batterie angegeben:

2 http://www.umass.edu/windenergy/research.topics.tools.software.kibam.php

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Abb. 22: Typische Kurve der Anzahl Zyklen zur Entladungstiefe eines Batteriedatenblatts

Die Beziehung von der Anzahl Zyklen bis zum Ausfall (number of cycles to failure) 𝐶𝐹 und den Entladebereichen (ranges of charge/discharge cycle) 𝑅 wird in Polysun als zweifache Exponentialfunktion modelliert:

𝐶𝐹 = 𝛼1 + 𝛼2 ∙ 𝑒−𝛼3∙𝑅 + 𝛼4 ∙ 𝑒−𝛼5∙𝑅

Die Parameter 𝛼1 bis 𝛼5 können direkt vom Batteriehersteller geliefert werden, oder sie können via nichtlineare Regression aus der Lebensdauergraphik der Datenblätter

bestimmt werden. Die Parameter 𝛼1 bis 𝛼5 sind optional. Wenn sie fehlen, findet keine Lebensdauerabschätzung statt. Zur Lebensdauerberechung in Polysun verwenden wir 20 Behälter (bins) von gleicher

Grösse, die die Anzahl Zyklen des entsprechenden Bereiches zählen. 𝑀𝑖 bezeichnet die jährliche Anzahl Zyklen mit dem Bereich (Range) 𝑅𝑖. 𝐶𝐹𝐿,𝑖 bezeichnet die entsprechende

Anzahl Zyklen eines Bereiches 𝑅𝑖 bis zum Ausfall. Mit jedem Zyklus der Batterie wird 1/𝐶𝐹𝐿,𝑖 der gesamten Batterielebensdauer verbraucht. Der kumulative jährliche Schaden

𝐷 ergibt sich aus:

𝐷 = ∑𝑀

𝐶𝐹𝐿,𝑖 𝑖

Beispielsweise, wenn D=0.5 am Ende der jährlichen Simulation ist, wurde die Hälfte der Lebensdauer der Batterie verbraucht. In anderen Worten, die Batterie muss nach zwei Jahren ersetzt werden. Da die Batterielebensdauer stark von tiefen Entladezyklen abhängt, werden nur Teile der verfügbaren Kapazität für die täglichen Zyklen

verwendet. Die Batterie wird nie tiefer als 𝑆𝑂𝐶𝑚𝑖𝑛 entladen. Es gilt 𝑆𝑂𝐶 ≥ 𝑆𝑂𝐶𝑚𝑖𝑛. Der 𝑆𝑂𝐶𝑚𝑖𝑛 ist typspezifisch und ist den Datenblättern der Hersteller zu entnehmen. In den Simulationsresultaten der Batterie werden die gesamthaft durchlaufenen und die tiefen Zyklen ausgegeben. Was als Tiefentladung gilt, wird mit dem Tiefentladungsschwellwert (deep cycle threshold) im Eigenschaftendialog der Batterie festgelegt.

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2.5.3 Regelung Die Batterien in Polysun haben standardmässig eine automatische Regelung eingebaut. Falls nötig, kann die Batterie mit der programmierbaren Steuerung selbst geregelt werden. Zur Regelung wird der Nettostrom des Systems Pn(t) = Produzierter Strom – verbrauchter Strom berechnet. Grundprinzip der automatischen Steuerung: Die Batterie wird geladen, wenn eigener Strom zur Verfügung steht und entladen, wenn ein Defizit besteht. Die Batterie wird nie via Netzstrom aufgeladen. Beschreibung der automatischen Steuerung:

1. Wenn in der Anlage mehr Strom produziert als verbraucht wird (Pn(t) > 0) gilt folgendes Lade-Verhalten:

a. Lade Batterie mit maximal möglichem und verfügbarem Strom, solange die Batterie geladen werden kann.

𝑃𝑐ℎ(𝑡) = min [𝑃𝑛(𝑡), 𝑃𝑐ℎ,𝑚𝑎𝑥(𝑡)] b. Speise die restliche Energie ins externe Netz ein.

𝑃𝑡𝑒𝑔(𝑡) = 𝑃𝑛(𝑡) − 𝑃𝑐ℎ(𝑡)

2. Wenn in der Anlage mehr Strom verbraucht als produziert wird (Pn(t) > 0) gilt

folgendes Entlade-Verhalten: a. Entlade Batterie mit maximal möglichem, solange die Batterie entladen

werden kann. 𝑃𝑑𝑖𝑠(𝑡) = min [|𝑃𝑛(𝑡)|, 𝑃𝑑𝑖𝑠,𝑚𝑎𝑥(𝑡)]

b. Beziehe die restliche Energie aus dem externen Netz. 𝑃𝑓𝑒𝑔(𝑡) = 𝑃𝑛(𝑡) + 𝑃𝑑𝑖𝑠(𝑡)

Die Batterie bietet zwei Eingänge für die programmierbare Steuerung: Tab. 9: Eingänge für die programmierbare Steuerung

Eingang Beschreibung Werte

Steuermodus Gibt an wie die Batterie gesteuert wird

0: Automatische Steuerung (Voreinstellung) 1: Die gesteuerte Leistung wird verwendet

Gesteuerte Leistung

Die Leistung der Batterie kann gesetzt werden.

> 0: Die Batterie wird geladen, Wert in [W] <=: Die Batterie wird entladen, Wert in [W]

Die Vorlage 50h ist ein Beispiel für die explizite Steuerung der Batterie.

2.5.4 Parameter PV-Leistungsquotient (Eigenverbrauchsoptimierung) Der Eingabeparameter PV-Leistungsquotient in den Eigenschaften der Batterie kann zur Eigenverbrauchsoptimierung verwendet werden. Dieser Wert bezieht sich auf das

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Leistungsverhältnis der aktuellen zur nominalen PV-Leistung. In Deutschland beispielsweise wird eine Netzeinspeisung, die über 70% der nominalen PV-Leistung liegt, schlechter vergütet. Das Ziel einer solchen Regelung ist das Brechen der „Mittagsspitze“. Mit dem Parameter PV-Leistungsquotient wird ein Schwellwert definiert, der angibt, ab wann die Batterie geladen wird. Ist der Schwellwert 0%, dann wird die Batterie immer geladen. Wird ein Schwellwert von 70% gesetzt, dann wird die Batterie erst ab 70% der nominalen PV-Leistung geladen. In der Vorlage 50h ist dasselbe Verhalten mit einer programmierbaren Steuerung umgesetzt, die zusätzlich noch die Batterieladung (SOC) berücksichtigt. Die Photovoltaik-Komponente stellt dazu den Ausgangsparameter PV-Leistungsquotient zur Verfügung.

2.6 Elektromobilität Elektromobilität bezeichnet Fahrzeuge, die von einem Elektro- oder einem Hybrid-Motor angetrieben werden, die ihrerseits mit Batterien oder mit Brennstoffzellen, die Wasserstoff in Strom umwandeln, betrieben werden. Zur Zeit setzen sich viele Länder Zielmarken, um die Zahl der Elektroautos zu erhöhen und damit eine gemeinsame Umwelt- und Wirtschafts-Strategie zu verfolgen. Elektromobilität soll Emissions-Kriterien erfüllen und dem Bedarf des Marktes zu noch bezahlbaren Preisen entsprechen. Der Markt für E-Mobilität hat ein grosses Wachstumspotenzial, deshalb wurde E-Mobilität als Komponente in Polysun aufgenommen. Polysun lässt seine Nutzer E-Mobilität in ihr Photovoltaiksystem einbeziehen und den Eigenverbrauch und den Autarkiegrad berechnen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Projekte mit Elektromobilität in Polysun erstellt werden können. Zur Einbindung von E-Mobilität empfehlen wir, eine geeignete Vorlage aus der Liste in der linken unteren Ecke der grafischen Benutzeroberfläche (des Hauptfensters) auszusuchen. Derzeit gibt es zwei verfügbare Vorlagen: 50s: E-Mobil, Laden mit Photovoltaik 50t: E-Mobil mit programmierbarer Ladesteuerung

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Abb. 23: Vorlagen für Elektromobilität

Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Vorlage 50s eine Ladung des Elektrofahrzeugs nur durch das Photovoltaik-System erlaubt. Die andere Vorlage erlaubt es zusätzlich, das Photovoltaik-Feld auch zum Aufladen von Batterien und anderen elektrischen Verbrauchern zu nutzen und das externe Stromnetz als Backup-Stromquelle zu nutzen. Der Energiebezug wird dabei durch eine programmierbare Ladesteuerung entsprechend vorher festgelegter Regeln geregelt, wie später in diesem Kapitel noch beschrieben wird. Wählen Sie die passende Vorlage mit einem Doppelklick aus. Sobald Sie eine Vorlage ausgewählt haben, können Sie sie entsprechend der Anforderungen Ihres Projekts anpassen. Das System umfasst das PV-Modul-Feld, den Wechselrichter, elektrische Verbraucher, das externe Stromnetz und E-Mobilität. Das Elektrofahrzeug ist dabei nicht als elektrischer Verbraucher, sondern als Batterie-Komponente definiert. Im Dialogfenster für die E-Mobilitäts-Komponente können Sie die folgenden Parameter festlegen:

Parameter Beschreibung

Typ AC ist ein elektrischer Speicher für Einzel- oder Hybrid-PV-Systeme

Elektrofahrzeug Die am häufigsten verkauften Elektrofahrzeuge auf dem Markt können aus einem Katalog ausgewählt werden. Es gibt auch die Möglichkeit, ein selbst definiertes Fahrzeug hinzuzufügen.

Ladestation Die passende Ladestation kann aus einem Katalog ausgewählt werden anhand der Kriterien Nennleistung und Hersteller. Im Katalog kann auch festgelegt werden, wie lange die Batterie aufgeladen werden muss, um den Eigenverbrauch zu optimieren.

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Mobilitätsprofil Das Mobilitätsprofil wird auf einer stündlichen oder wöchentlichen Basis bestimmt. Mobilitätsprofile können geöffnet werden, indem auf “Mobilitätsprofile“ geklickt wird oder auf das Symbol “Profil bearbeiten”. Über die Eingabemaske kann definiert werden, wann mit dem Elektrofahrzeug gefahren und wann es geladen wird. Die horizontale Achse steht dabei für die Stunden des Tages, die vertikale Achse den Tag der Woche. Die Ladezeit kann dabei ebenso bestimmt werden wie die Fahrzeiten und die mit dem Elektrofahrzeug gefahrenen Kilometer für jeden Tag der Woche.

Nutzungsgrad beim Laden der Batterie

Das ist eine vom Benutzer festgelegte Relation zwischen der sofort verfügbaren Solar-Energie und der gesamten Nenn-Leistung aller Generator-Felder. Das Ziel ist, Leistungsspitzen während der Mittagsstunden nicht ins externe Netz einzuspeisen. 0 % bedeutet dabei, dass die Batterie zu jeder Zeit geladen werden kann, 100 % bedeutet, dass die Batterie nie geladen wird.

Tiefentladungsschwellwert Beschreibt die Zyklentiefe einer Tiefentladung. Der Wert bezieht sich auf den Entladungsbereich der Batterie. 100 % ist dabei die volle Entladung der Batterie bis zur geringsten Batteriekapazität.

Abb. 24: Dialogfenster für die E-Mobilitäts-Komponente

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Abb. 25: Dialogfenster zum Bearbeiten der E-Mobilitäts-Profile

Mit Polysun können Sie auch Projekte mit mehreren Batterien und/oder Elektrofahrzeug-Komponenten entwerfen. Werden zwei oder mehr Elektrofahrzeuge angelegt, müssen die programmierbaren Laderegelungen für jedes Fahrzeug einzeln angelegt werden, vor allem wenn die Ladeprofile der Elektrofahrzeuge unterschiedlich sind. Die Fahrzeuge werden in derselben Reihenfolge geladen, in der sie zur Variante hinzugefügt wurden.

Abb. 26: Variante mit zwei Elektrofahrzeugen

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Die durch das PV-System generierte Elektrizität kann für elektrische Haushaltsgeräte und/oder für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Wenn das Elektrofahrzeug der einzige Verbraucher im System sein soll, muss die Zahl der Elektrizitäts-Profile für den Haushalt auf null gesetzt werden. Wenn das System Verbrauchs-Profile für elektrische Haushaltsgeräte ebenso enthält wie E-Mobilität, wird der Energiefluss wie folgt verteilt: 1. Priorität: E-Mobilität 2. Priorität: Verbrauchs-Profile (elektrische Haushaltsgeräte) 3. Priorität: Batterie 4. Priorität: überschüssige Elektrizität wird in das Stromnetz eingespeist. Diese vorgegebene Reihenfolge kann mittels der programmierbaren Laderegelung verändert werden. In der Vorlage 50t sind die Ladelogiken wie folgt in die programmierbare Laderegelung implementiert:

Zustand Bedingungen

1 Elektrofahrzeug wird mit PV-Strom geladen

PV-System stellt Energie von mehr als 100 kWh zur Verfügung UND Elektrofahrzeug ist betriebsbereit UND Ladestatus der Batterie ist mehr als 0,95

2 Elektrofahrzeug wird mit Strom aus dem Netz geladen

PV-System stellt Energie von weniger als 100 kWh zur Verfügung UND Elektrofahrzeug ist betriebsbereit UND Ladestatus der Batterie ist kleiner/gleich 0,8

3 Elektrofahrzeug wird entladen

Profil-Distanz ist grösser als null

4 Basiszustand Rückfall-Zustand. Wird verwendet um die Lücken in den definierten Logiken auszufüllen, sofern welche vorhanden sind. Wenn keine der oben genannten Bedingungen zutreffen, wird der Zustand „Basiszustand“ angewendet.

Simulation und Auswertung

Die hauptsächlichen Ergebnisse der Simulation werden in den Ergebnissen je Komponente gezeigt, ebenso wie Maximal- und Minimal-Werte für jede einzelne Komponente. Die wichtigsten Tabs sind dabei E-Mobil 1, E-Mobil 2, E-Mobil 3 und so weiter (genaue Bezeichnungen können vom Benutzer vergeben werden). Es gibt zusätzliche Tabs für jede E-Mobilitäts-Komponente und die Batterie Wenn nicht anders definiert, erfolgt die Reihenfolge der Beladung wie folgt: E-Mobil 1 hat die oberste Priorität, dann E-Mobil 2 und so weiter.

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Abb. 27: Komponenten-Resultate für elektrische Fahrzeuge

Die Ergebnisse für die einzelnen Komponenten zeigen die monatlichen und jährlichen Werte der Batterieladung an, die nötig ist, um das Elektrofahrzeug mit dem gegebenen Profil zu fahren (Batterieladung), die Energie, die durch das PV-System zur Verfügung gestellt wurde (Batterieladung PV) und die restliche Energie, die aus dem Stromnetz bezogen wurde (Batterieladung Netz). Die genaue Beschreibung jeder Zeile der Tabelle finden Sie in den Tool-Tipps. Die Verteilung dieser drei Werte kann für eine grafische Auswertung visualisiert werden. Die Abbildung macht deutlich, welcher Teil des gesamten Energiebedarfs (schwarz) durch PV-Strom (grün) abgedeckt wird, und bis zu welchem Grad der Backup-Strom aus dem Netz für ein zweites Fahrzeug des gegebenen Projekts erforderlich ist.

Abb. 28: Grafische Auswertung für das zweite Elektrofahrzeug

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Die detaillierte Analyse der Simulation zeigt die sofort verfügbare Energie des PV-Systems ebenso wie den Ladezustand der Batterie in Prozent und in kWh und die Distanz, die während eines bestimmten Zeitschritts mit einem Elektrofahrzeug zurückgelegt wurde. Die gezeigte Distanz ist dabei nicht kumulativ zu verstehen. Die gesamte Distanz pro Stunde ist im Mobilitätsprofil festgelegt.

Abb. 29: Simulationsanalyse für Elektrofahrzeuge

Polysun-Video

Elektromobilität

2.7 Generatoren Die Generatorkomponente erzeugt Strom. Energie aus Brennstoff wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Generatorkomponente kann als Spezialfall eines BHKW (Co-Generators, Kraft-Wärme-Kopplung) angesehen werden, wobei keine nutzbare Wärme erzeugt wird. Intern in Polysun wurde diese Gemeinsamkeit genutzt. Die Dokumentation des BHKW in Kapitel 6 kann, bis auf die Wärme-spezifische Funktionalität, auch auf den Generator angewendet werden. Wegen der Verwandtschaft mit den BHKW haben Generatoren Fluid-Anschlüsse. Diese Anschlüsse werden nicht gebraucht, sie müssen jedoch in einen Kreislauf eingebunden sein. In Polysun können Generatoren mit fixer Leistung und solche mit modulierender Leistung simuliert werden. Um ein Generator mit einer fixer Leistung zu erstellen, müssen die maximalen und minimalen Leistungparameter übereinstimmen, das heisst sie müssen die gleichen Werte aufweisen. Bei dynamischen Generatoren müssen, in den maximalen und minimalen Leistungsparameter die entbrechenden, beziehungsweise unterschiedlichen Werte eingetragen werden. Polysun berücksichtigt die Startzeit eines Dieselgenerators mit einer Verzögerung von 8-10 Sekunden.

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2.8 Dachplaner Für die Benutzerstufe Professional wird in einem PV-Feld zwar die Anzahl der Module eingegeben, die räumliche Anordnung der Module kann aber nicht editiert werden. In Polysun Designer hingegen können die PV-Modul auf einer Dachfläche platziert werden. Das Ziel dabei ist eine Visualisierung der Wechselrichter Stringbelegung. Für den Dachplaner gibt es die folgende separate Tool-Palette:

(1) Pfeil (2) PV-Katalog

(3) Dachkoordinaten einfügen und editieren (4) PV-Module einfügen (5) Bemassungen einfügen (6) Hindernisse einfügen

(7) Dachkoordinaten löschen (8) PV-Module löschen

(9) Bemassungen löschen (10) Hindernisse löschen (11) 3D Dachansicht (12) Assistent für Wechselrichterzuordnung (13) Auslegungen Abb. 30: Tool-Palette für den Dachplaner Standard-Vorgehensweise in Polysun Designer

1. Über das Menü „Projekt“ / „Projekt öffnen…“ wird ein neues Projekt erstellt 2. Aus den Vorlagen wird die Anlage „50a: Photovoltaik“ in ein Projekt

übernommen. Bei der Auslieferung von Polysun wird diese Vorlage als Favorit markiert, so dass diese Vorlage normalerweise im Ordner „Favoriten“ aufgeführt wird.

Abb. 31: Übernehmen der Vorlage

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3. In der Variante „50a: Photovoltaik“ wird ab Benutzerstufe Designer im

Projektbaum eine zusätzliche Position angezeigt für die Dachfläche. Mit der rechten Maustaste kann man der Dachfläche einen aussagekräftigen Namen zuweisen.

Abb. 32: Benennung der Dachfläche

4. Mit der Schaltfläche (3) „Dachkoordinaten einfügen und editieren“ können die

Eckpunkte der Dachfläche gesetzt oder verändert werden. Auch die Grunddaten des Daches können über diese Schaltfläche eingegeben werden. Dabei können neue Koordinatenpunkte gesetzt werden, wenn man mit der Maus auf die Randlinie des Daches klickt. Durch Mausklick und ziehen können die Koordinatenpunkte verschoben werden. In den Schaltflächen am oberen Rand des Dachplans können die Koordinaten auch als Zahlen eingegeben werden.

Abb. 33: Dachkoordinaten einfügen und editieren

5. Mit der Schaltfläche (6) können Hindernisse auf dem Dach eingefügt werden.

Dabei wählt man die Art des Hindernisses wie folgt

Abb. 34: Auswahl eines Hindernisses

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Das Hindernis wird dann mit der Maus auf der Dachfläche platziert. Mit der Schaltfläche (1) „Pfeil“ können die Hindernisse danach noch angeklickt und detailliert modifiziert werden.

6. Mit der Schaltfläche (2) „PV-Modul Katalog öffnen“ kann ein spezifisches PV-Modul aus dem Polysun Katalog ausgewählt werden.

7. Mit der Schaltfläche „PV-Module platzieren“ werden die verschiedenen

Möglichkeiten zum Einfügen der Module auf die Dachfläche angezeigt. Die Module werden entsprechend dieser Auswahl mäanderförmig über das Dach verteilt angeordnet.

Abb. 35: Einfügen der Module auf der Dachfläche

8. Mit der Schaltfläche (12) „Wechselrichter-Assistent“ steigt man in die Wechselrichterauslegung ein. Dabei werden die Anzahl Module aus der vorher durchgeführten automatischen Platzierung übernommen.

Abb. 36: Wechselrichter-Assistent

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2.9 Systeme

2.9.1 PV-Systeme mit Netzanschluss Ein solches Projekt können Sie über das Menü (Projekt – Neues Projekt) oder über den Wizard neu aufsetzen Im Wizard müssen Sie dabei zunächst den Standort der Anlage festlegen, entweder über die Karte oder über die Datenbank. Im nächsten Schritt können Sie dann die Parameter für das PV-System mit Netzanschluss angeben und sich eine entsprechende System-Vorlage auswählen.

Abb. 37: Auswahl eines Systems mit Netzanschluss

In den Drop-Down-Menüs des Dialogfensters oben links können Sie zunächst wählen, welche Energie-Erzeuger in Ihrem Projekt vorhanden sein sollen. Dabei können Sie eine oder mehrere Energie-Erzeuger angeben. Dabei bedeutet ‘Ja‘, dass dieser Energie-Erzeuger im Projekt verwendet werden soll, ‚Nein‘, dass dieser Energie-Erzeuger nicht im Projekt verwendet werden soll,

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‚k. A.‘, (keine Angabe), dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein dieser Energieerzeuger für die Filterung der rechts erscheinenden Anlagen keine Rolle spielen soll.

Abb. 38: Auswahl der Energie-Erzeuger

Im nächsten Schritt müssen Sie die Arten der Energieverbraucher/Lasten festlegen, die für Ihr Projekt vorhanden sind: Anschliessend legen Sie die System-Spezifikationen wie folgt fest: Tab. 10: PV-Anlagen-Spezifikation

ANLAGEN-SPEZIFIKATION TYP

ANLAGEGRÖSSE - Kleinanlagen - Grossanlagen

KOLLEKTOR-/GENERATOR-FELD - Ein Feld - Mehrere Felder

VORLAGEN-QUELLE / FIRMA - Alle Standardvorlagen - Alle Firmenvorlagen

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Abb. 39: Anlagen-Spezifikation

Auf der rechten Seite des Dialogfensters erscheinen daraufhin die Vorlagen, welche den von Ihnen gemachten Angaben entsprechen. Eine grafische Vorschau der Vorlagen erhalten Sie, wenn Sie mit dem Zeiger Ihrer Maus über den Namen der jeweiligen Vorlage verweilen. Wählen Sie die gewünschte Vorlage mit einem Doppel-Klick aus. Wird keine Vorlage angezeigt, die allen Ihren Anforderungen entspricht, wählen sie diejenige, die ihnen am nächsten kommt. Sie können sie später ändern.

Abb. 40: Vorlagenauswahl

Haben Sie sich für eine Vorlage entschieden, werden Sie im nächsten Schritt zunächst gebeten, Angaben zum Stromnetz (Netztyp) zu machen, indem Sie die nach Nennspannung und Nennfrequenz passende Variante dem Katalog entnehmen.

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Abb. 41: Auswahl des Stromnetzes

Dann geben Sie unter “Einspeisung – Phasen” die ‚Maximale Phasenschieflast‘ entsprechend der örtlichen Vorschriften ebenso ein wie ‚cos φ’. Die maximale Phasenschieflast ist wichtig für 1- und 2-phasige Wechselrichter, wenn die Last ausgeglichen werden muss. ‘Cos φ’ ist das Verhältnis zwischen Wirkleistung und scheinbar vorhandener Leistung (auch Leistungsfaktor genannt) zu einer Konstanten. Standardmässig ist cos φ auf “1” gesetzt, was bedeutet, dass es keine Blindleistung gibt. Der nutzbare Strom ist die Wirkleistung. In Wechselstrom-Netzen ist ein gewisser Grad an Blindleistung unvermeidlich. Der Netzbetreiber kann fordern, dass der cos φ-Wert einer Anlage zwischen 0,95 und 1 liegt, um hohe zusätzliche Einspeisungen zu vermeiden, die nicht zum Betrieb elektrischer Geräte verwendet werden kann. Blindleistung führt auch zu grösseren Leitungsverlusten. Mittels der Wirkleistungsbegrenzung kann die ‚Maximale Wirkleistung‘ des Systems bei Spitzen-Erzeugung begrenzt werden. Die Photovoltaik-Anlage darf dann nicht mehr tatsächlich ins Stromnetz einspeisen als die angegebene maximale Wirkleistung. Damit soll einer Überlastung durch zu viel Einspeisung während einer mittäglichen Spitzen-Erzeugung vorgebeugt werden. Als ‚Begrenzungsart‘ kann dann ‚vor/nach Verbrauch‘ gewählt werden. Vor Verbrauch meint dabei eine Begrenzung des Wechselrichter-Stroms unabhängig von Eigenverbrauch oder eines Aufladens der Batterien. Nach Verbrauch bedeutet, dass der Wechselrichter-Strom berücksichtigt, wie hoch der Eigenverbrauch und/oder der Strombedarf für das Laden der Batterie ist. In diesem Fall muss die Ladesteuerung zur Begrenzung des Stromflusses benutzt werden.

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Wird das Häkchen bei ‚unbegrenzt‘ gesetzt, wird die Einspeisung des erzeugten Stroms niemals gedrosselt. Im nächsten Schritt kann über den Wizard das Generatorenfeld festgelegt werden. Detailliertere Informationen über PV-Module und ihre Parameter finden Sie in den Abschnitten 2.1 und 2.1.1 dieser Benutzerdokumentation. Den jeweiligen Modultyp können Sie sich aus dem Katalog aussuchen.

Abb. 42: Auswahl des PV-Moduls

Die folgenden Parameter sind für die Auswahl Ihrer PV-Module besonders wichtig:

- Ausrichtung: horizontal oder vertikal - Anstellwinkel - Dachbreite (in Metern) - Dachtiefe (in Metern) - Anzahl der Module; diese kann manuell eingetragen oder automatisch für eine

vollständige Belegung des Daches berechnet werden.

Die maximale und minimale Modultemperatur sind wichtige Parameter für die Wechselrichter-Auslegung. Sie können manuell eingetragen oder durch den in Polysun enthaltenen Algorithmus berechnet werden.

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Abb. 43: Generatorfeld definieren

Beim nächsten Schritt im Wizard geht es um die Wechselrichter-Auslegung. Basierend auf Ihren Anforderungen macht Ihnen Polysun hier einige Vorschläge bezüglich geeigneter Auslegungen von Wechselrichter(n) und der Anzahl Stränge. Lesen Sie mehr zu Wechselrichtern im Abschnitt 2.2.

Abb. 44: Automatische Wechselrichterauslegung

71

Tab. 11: Filterung der Auslegungsresultate

FILTER

MIN.

LEISTUNGSVERHÄLTNIS

Filterung der Auslesungsresultate nach

Leistungsverhältnis im Intervall. Wird ignoriert, wenn

innerhalb dieses Intervalls keine Auslegung gefunden

wird. In Polysun ist das Leistungsverhältnis das

Verhältnis zwischen maximaler DC-Leistung des

Wechselrichters und Gesamtnennleistung des

Generatorfeldes (Anzahl Module pro Wechselrichter

mal Nennleistung Pmpp des Moduls). Ein grösseres

Verhältnis bedeutet, dass der Wechselrichter

überdimensioniert ist. Der optimale Wert ist unter

anderem abhängig von Neigungswinkel, Orientierung,

Region und Blindleistungseinspeisung.

MAX.

LEISTUNGSVERHÄLTNIS

HERSTELLER Der Produzent oder die Vertriebsfirma des

Wechselrichters können aus dieser Drop-down-Liste

ausgewählt werden.

MAX.

WECHSELRICHTERTYPEN

Polysun kann kombinierte Auslegungen mit bis zu drei

verschiedenen Wechselrichtertypen berechnen.

AUSLEGUNGSKONZEPT Wählen Sie eines der folgenden Konzepte:

Modulwechselrichter – 1 Modul pro

Wechselrichter

Strangwechselrichter – 1 Strang pro MPP-

Tracker

Zentralwechselrichter – mindestens 2 parallele

Stränge pro MPP-Tracker

Einheitlich – 1 Konzept pro Variante

Gemischt – erlaubt unterschiedliche Konzepte

pro Variante. Die Kombination verschiedener

Konzepte ist jedoch nicht möglich.

Nachdem Sie für alle Filter Einstellungen vorgenommen haben, zeigt Ihnen Polysun mögliche Auslegungsvarianten. Das Leistungsverhältnis wird dabei durch eine Prozentzahl angegeben, z. B. 100 %. Ein Klick auf die grauen Kästchen mit dem +-Zeichen links neben dem Ordner-Symbol oder ein Doppelklick auf die Zeile öffnet die Baum-Darstellung mit den Auslegungsdetails.

72

Abb. 45: Auslegungsvarianten

Die Sortierung der Auslegungsvorschläge erfolgt anhand der Sortierkriterien, die Sie unter „Extras“ – „Einstellungen“ – „Photovoltaik 2“ selbst festlegen können. Diese neue Möglichkeit von Polysun wird im Kapitel 2.8.1 detailliert beschrieben. Im nächsten Schritt werden die Kabelverluste definiert. Sie können den Verlustfaktor direkt eingeben oder für die relevanten Kabelabschnitte Verlustfaktoren bestimmen. ‚Verlustfaktor‘ ist definiert als der DC-Kabelverlust bei Nennleistung. Der effektive Verlustfaktor ist leistungsabhängig. Mit Hilfe dieses Faktors berechnet Polysun die Verluste DC-seitig so, dass sich bei Nennleistung dieser Prozentsatz ergibt. Die tatsächlichen Verluste sind deutlich niedriger als der Verlustfaktor, weil das System selten unter bei Nennleistung operiert, weshalb der Verlustfaktor keine Konstante ist. Unter ‚Kabelabschnitte‘ können Sie für die relevanten Kabelabschnitte die Kabelverluste manuell eingeben. Die Kabelabschnitts-Parameter, die Sie dafür angeben müssen, sind: In the ‘Detailed cable sections’ the cable sections which contribute to the calculation of the cable losses can be specified manually. The cable section parameters, which shall be specified are:

Kabel: Wählen Sie ein Kabel mit passendem Leiterquerschnitt aus dem Katalog;

Stromführung beschreibt, wie Polysun ben Stromfluss durch den jeweiligen Kabelabschnitt berechnet:

o Strang – DC Strom eines einzelnen Moduls bzw. Stranges; o N Stränge – DC Strom einer bestimmten Anzahl Stränge (z. B. wenn das

Kabel nur für einen Teil der Stränge verwendet wird); o Wechselrichter DC – Gesamter DC Strom aller Stränge am Eingang des

Wechselrichters; o Wechselrichter AC – AC Strom am Ausgang des Wechselrichters.

N Stränge – Anzahl Stränge für die Berechnung der Stromstärke. Nur auswählbar, wenn bei der Stromführung N Stränge ausgewählt ist;

73

Länge (hin und zurück) pro Einheit: o Pro einzelnem Strang (Stromführung “Strang”); o Pro Wechselrichter (Stromführung “N Stränge” oder “Wechselrichter DC”) o Pro Wechselrichter und Phase (“Wechselrichter AC”);

Menge: bestimmen Sie, wie Polysun die Gesamtlänge des Kabelabschnittes berechnen soll.

o Berechnen – Anzahl Einheiten automatisch aus Anzahl Stränge und/oder Anzahl Wechselrichter berechnen;

o Anzahl – Anzahl Einheiten manuell eingeben.

Anzahl Einheiten der angegebenen Länge

Gesamtlänge des Kabelabschnitts, wie sie für die Berechnung der Kabelverluste eingesetzt wird.

Abb. 46: Berechnung der Kabelverluste

Im nächsten Schritt des Wizard werden die elektrischen Grenzwerte der Auslegung (Wechselrichter/Stränge) überprüft. Das Ergebnis der Prüfung kann für jede Systemkomponente jeweils ein Ok (grüner Haken), eine Fehlermeldung oder ein Warnhinweis sein. Oberhalb der Tabelle steht das Ergebnis der Gesamtprüfung.

74

Abb. 47: Überprüfung der elektrischen Grenzwerte der Auslegung

In Wizard folgt der Schritt, bei dem zunächst die Anzahl der elektrischen Verbrauchsprofile und dann der jeweilige Verbrauchsprofil-Typ (aus dem Katalog) ausgewählt werden kann.

Abb. 48: Elektrische Verbrauchsprofile hinzufügen

75

Der Jahresverbrauch kann manuell geändert werden, das Profil wird entsprechend dem manuell eingegebenen Wert höher oder niedriger skaliert. Nach der Simulationsrechnung zeigt Ihnen Polysun den Ertrag des PV-Systems in einer Resultate-Übersicht.

Abb. 49: Simulationsresultate-Übersicht

Detailliertere Resultate können Sie sich über den Menüpunkt Resultate – Komponenten-Resultate anzeigen lassen.

Abb. 50: Detaillierte Komponenten-Resultate

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Die hauptsächlichen Komponenten eines PV-Systems mit Netzanschluss im Schaubild sind: Stromnetz

Der durch das PV-Feld erzeugte Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist, wenn im Stromnetz-Dialog die „Netzeinspeisung“ auf „ja“ gesetzt wird. Sie erreichen diesen Dialog, wenn Sie auf das Stromnetz-Symbol doppelklicken.

Abb. 51: Stromnetzbeschreibung

Photovoltaik-Komponenten: Wechselrichter und PV-Modulfeld

77

Alle durch den Wizard vorgenommenen Einstellungen können manuell wieder verändert werden. Machen Sie hierzu zunächst einen Doppelklick auf die Symboldarstellung der Photovoltaik-Komponenten. Nachdem Sie alle Ihre Änderungen eingegeben haben, sollten Sie sie durch den Wizard überprüfen lassen, um sicher zu stellen, dass Ihr System so funktioniert.

Abb. 52: Dialogfenster der Photovoltaik-Komponente

2.9.2 PV-Inselsysteme Für PV-Inselsysteme ist die Verfügbarkeit sehr wichtig, weil die Sonneneinstrahlung nicht konstant ist und nicht immer mit dem jeweiligen Stromverbrauch übereinstimmt. Um die optimale Systemgrösse zu finden, müssen die Kosten und die (künftigen) Strombedarfe berücksichtigt werden. Die Batteriegrösse sollte in Abhängigkeit von der akzeptablen Verfügbarkeit des Systems und der örtlichen Wetterbedingungen gewählt werden. Wenn nötig muss als Reserve für das PV-System ein Generator hinzugefügt werden, um die Verfügbarkeit zu verbessern. Inselsysteme sollten für ein „Worst Case-Szenario“ ausgelegt sein, also für die Zeiten, in denen das Verhältnis von Sonneneinstrahlung zu Energieverbrauch besonders schlecht ist.

78

Die Grösse des PV-Feldes wird bestimmt basierend auf der erforderlichen Spannung und dem Strom im System. PV-Inselsysteme können wie Systeme mit Netzanschluss über den Wizard oder manuell entworfen werden. Sie müssen lediglich darauf achten, im Dialogfeld zum Stromnetz die Einstellung „Einspeisung ins Stromnetz“ auf „nein“ zu setzen.

Abb. 53: Dialogfenster des Stromnetzes

Die Batterie ist ein weiterer wichtiger Bestandteil eines PV-Inselsystems. Sie wird detailliert im Abschnitt 2.5 beschrieben.

Abb. 54: Dialogfenster der Batterien

79

2.9.3 Sortier-Reihenfolge der Wechselrichter-Auslegungen Ein neues Feature von Polysun gestattet es Ihnen, die möglichen Wechselrichter-Auslegungen entsprechend der von Ihnen gewählten Anforderungen zu sortieren. Diese Möglichkeit haben Sie im Menüpunkt Extras – Einstellungen und dort im Tab Photovoltaik (2). Zunächst müssen Sie sich dabei für eines der folgenden Auslegungs-Konzepte entscheiden: Tab. 12: Auslegungskonzepte

AUSLEGUNGSKONZEPT BESCHREIBUNG

MODULWECHSELRICHTER 1 Modul pro Wechselrichter

STRANGWECHSELRICHTER 1 Strang pro MPP-Tracker. Parallele Stränge sind

nicht zulässig.

ZENTRALWECHSELRICHTER Mindestens 2 parallele Stränge pro MPP-Tracker.

GEMISCHT Erlaubt unterschiedliche Konzepte pro Variante. Die

Kombination verschiedener Konzepte ist jedoch

nicht möglich.

EINHEITLICH 1 Konzept pro Variante.

In einem zweiten Schritt können sie die Sortierkriterien wählen. Diese werden in aufsteigender Reihenfolge von 1 bis 4 berücksichtigt. Folgende Sortierkriterien stehen zur Verfügung:

- Anzahl der Kombinationen, ansteigend; - Gesamtzahl der Wechselrichter, ansteigend; - Gesamtzahl der Stränge, ansteigend; - MPP-Spannung, absteigend; - Relative MPP-Spannung, absteigend; - Nennspannungsabweichung, ansteigend; - Abweichung Leistungsverhältnis, ansteigend.

Die wichtigsten Parameter sind: 1) Zahl der Kombinationen, ansteigend; 2) MPP-Spannung, absteigend; 3) Gesamtzahl der Wechselrichter, ansteigend. Wenn es auch nach dem Sortieren noch mehr als 20 Resultate gibt, werden nur die ersten 20 Resultate angezeigt.

Polysun-Video

Photovoltaik-Systeme

Polysun-Video

Ost-West-Modulfelder simulieren

80

3 Solarthermie und konventionelle Heiztechnik

3.1 Solarkollektoren Die weiter oben in der Einführung erwähnten Einstrahlungswerte können von einem Kollektor natürlich nicht vollständig verwertet werden. Es gibt verschiedene Gründe, die dazu beitragen, dass ein Teil der eingestrahlten Energie nicht bis zur Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird:

Teilweise Reflexion am Abdeckglas (ca. 8 %), ausser bei nicht-abgedeckten Kollektoren

Nicht vollständige Absorption am Kollektor, je nach Beschichtung: minus 4-10 %

Nicht perfekte Kühlung des Absorbers, sogenannter F'-Faktor: minus 3-10 %

Thermische Emission von Wärmestrahlung, je nach Beschichtung und Temperatur

Thermische Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion, Verluste je nach Temperatur

Der Wirkungsgrad eines Kollektors hängt stark davon ab, wie gross die Differenz der mittleren Kollektor- und der Aussentemperatur ist. Wenn diese sehr gross ist (z.B. 80 °C), ist mit hohen Wärmestrahlungs- und Konvektionsverlusten zu rechnen. Bei kleinen Temperaturdifferenzen können aber Wirkungsgrade bis gegen 90 % erreicht werden. Wenn die Kollektortemperatur aufgrund des kalten Fluids unter der Umgebungstemperatur liegt, können sogar Wirkungsgrade „über 100 %“ auftreten. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird dann nicht nur von der Sonne, sondern auch von der Umgebungswärme erwärmt. Es wird zwischen drei verschiedenen Kollektortypen unterschieden. Je nach Anwendung ist der eine oder andere Kollektor besser geeignet.

Abb. 55: Schematische Darstellung eines verglasten Flachkollektors. In den dünnen Längsröhrchen fliesst die Wärmeträgerflüssigkeit.

Abb. 56: Schematische Darstellung eines Vakuumröhrenkollektors. In den dünnen Längsröhrchen fliesst die Wärmeträgerflüssigkeit.

Unverglaste Kollektoren: Flachkollektorbauweise, nicht abgedeckt. Unverglaste Kollektoren sind ideal zur Schwimmbadbeheizung und für gewisse Anwendungen der

81

Wasservorwärmung. In Gegenden, in denen starker Wind herrscht, ist mit noch grösseren konvektiven Verlusten zu rechnen. Auf der anderen Seite sind unverglaste Kollektoren kostengünstig und verursachen keine Reflexionen (was bei verglasten Kollektoren oft als Anlass für Einsprachen verwendet wird). Verglaste Kollektoren (siehe Abbildung links): Dies sind die am häufigsten verwendeten Kollektoren. Sie eignen sich sowohl zur Wasservorwärmung, zur Brauchwassererzeugung wie auch zur Heizungsunterstützung. Preislich sind sie etwas teurer als nicht-abgedeckte Kollektoren. Wegen ihrer guten Wärmedämmung eignen sie sich auch zum Einbau in Fassaden. (Vakuum-) Röhrenkollektoren (siehe Abbildung rechts): Eignen sich besonders zur Brauchwassererzeugung und in Gebieten mit eher niedrigen Aussentemperaturen (oder wenn ein erheblicher Anteil von Sonneneinstrahlung im Winter anfällt). Sie basieren auf der Grundidee, dass die Absorberfinne in einem evakuierten Rohr nur über Wärmestrahlung Energie verliert. Zudem führt das Reflexionsverhalten des Lichtes und die Geometrie des Glasrohres dazu, dass schräg einfallendes Licht im Vergleich zu Flachkollektoren besser auf den Absorber gelangt. Insgesamt sind die Röhrenkollektoren aber die teuersten, und für gewisse Anwendungen nicht so gut geeignet, wie Flachkollektoren. Nebst den thermischen Eigenschaften des Kollektors bestimmen auch geometrische und optische Eigenschaften dessen Leistungsfähigkeit. Zum einen wird bei flacheren Einfallswinkeln (wenn die Kollektorfläche „schräg von der Seite“ bestrahlt wird) die effektive Einstrahlungsfläche kleiner. Zum anderen reflektiert das Abdeckglas das Licht umso stärker, je flacher der Reflexionswinkel ist. Diese winkelabhängige Eigenschaft wird als IAM („Winkelfaktor“, engl. „incident angle modifier“) bezeichnet. Es kann durchaus vorkommen, dass die Wirkungsgradkennlinie bei einem Kollektor höher liegt als bei einem anderen, er aber aufgrund seines Spiegelungsverhaltens einen tieferen Jahresertrag erbringt. Daher ist der IAM ebenso wichtig für die Beschreibung eines Kollektors, wie der Wirkungsgrad selber. Bei einem Flachkollektor spielt es je nach Dimension keine grosse Rolle, ob der Winkel über die Längs- oder die Querachse (longitudinal oder transversal) abgefahren wird, solange das Glas nicht besonders strukturiert ist, oder der Kollektor eine längliche Form aufweist. Das physikalische Phänomen dieser Reflexion und Rand-Abschattung ist gut verstanden. Es lässt sich durch die Ambrosetti-Funktion K(θ) = 1−(tan(θ/2))a mit einem einzigen Parameter beschreiben. Oft wird dafür das Reflexionsverhalten unter einem Winkel von 50° verwendet. Bei diesem Winkel lässt sich der Wirkungsgrad experimentell noch mit grosser Genauigkeit bestimmen und der Winkeleffekt ausreichend gut feststellen.

82

Abb. 57: Definition der Kugelkoordinaten

Bei Röhrenkollektoren sind die beiden IAM-Verläufe unterschiedlich. In transversaler Richtung nimmt die Energieeinstrahlung wegen der Reflexionseigenschaft der Glasröhren weniger stark ab, als diese aufgrund der perspektivischen Verkürzung der Kollektorfläche zu erwarten wäre. Ab einem gewissen Punkt fällt der IAM aber drastisch ab, wegen der gegenseitigen Abschattung der Röhren. Die longitudinale Richtung wird ebenfalls mit der Ambrosetti-Funktion und einem Messpunkt bei 50° Neigung von der Normalen ermittelt. Für die transversale Richtung sind je nach Kollektorgeometrie mehrere Messpunkte erforderlich, die mit Hilfe einer kubischen Spline verbunden werden. Die Bedingungen an den Enden der Spline, (erste und zweite Ableitung), verhalten sich entsprechend einer Spiegelung an der z-Achse θ=0°. Alle IAM Werte zwischen der Longitudinalen und Transversalen sind mit der bekannten Form der McIntire-Funktion K(θl,θt) = K(θl,0) * K(0,θt) approximiert. Eine andere Form der Gleichung sieht so aus: K(θ,φ) = K(θl,0°) * cos2(φ) + K(θt,90°) * sin2(φ). Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, eigens aus Messungen oder Simulationen ermittelte IAM Tabellen einzufügen.

3.1.1 Kollektormodell nach Europäischer Norm (EN) Der Verlauf des Wirkungsgrades eines Kollektors wird durch die sogenannte „Wirkungsgradkennlinie“ dargestellt. Als Variabel wird die Temperaturdifferenz (der mittleren Kollektortemperatur Tm und Aussentemperatur Ta), geteilt durch die totale eingestrahlte Energiemenge Gk, verwendet: x = (Tm-Ta)/Gk Damit ergibt sich für einen normalen verglasten Flachkollektor das folgende Bild:

Abb. 58: Wirkungsgradkennlinie eines verglasten Flachkollektors. Der Wirkungsgrad nimmt ab, je höher die Kollektortemperatur ist. Die Bestrahlungsstärke beträgt Gk = 800 W/m

2

83

Dieser Kurvenverlauf lässt sich gut durch ein Polynom zweiter Ordnung beschreiben. Dieses ist durch drei Parameter, c0, c1 und c2, eindeutig bestimmt (oder durch η0, a1, a2; Werte gemessen bei Windgeschwindigkeiten von 2-4 m/s): η(x) = c0 – c1 * x – c2 * Gk * x

2 c0 ist der Wirkungsgrad, wenn die mittlere Kollektor- und die Umgebungstemperatur identisch sind. Dieser Wert soll also möglichst hoch sein. c1 und c2 drücken eine Kombination der verschiedenen Verlustfaktoren aus. Bei einem gut isolierten Kollektor sind diese Werte möglichst tief. Für den Betrieb einer Solaranlage muss man nun einen gewissen Kompromiss eingehen. Zum einen möchte man den Kollektor bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad betreiben können, zum anderen sollte das erzeugte Warmwasser eine Temperatur von 50-60°C haben. D.h. man kommt nicht umhin, den Kollektor auch bei diesen Temperaturen zu betreiben. Aus diesen Gründen ist es einfach zu verstehen, weshalb Sonnenenergie für grössere Gebäude oft als Wasservorwärmer genutzt wird. Wenn Kaltwasser von 10°C auf 30°C erwärmt wird, läuft ein Kollektor auf einem sehr hohen Wirkungsgrad. Vom Energieaufwand her spielt es keine Rolle, ob Wasser von 10 auf 30°C, oder von 30 auf 50°C erwärmt wird. Somit ist der Ertrag der Kollektoren bei der Vorwärmung sehr hoch. Solche Anlagen können sich bereits nach wenigen Jahren bezahlt machen. Wie oben bereits kurz erwähnt, gibt es drei Grundklassen von Kollektoren. Sie unterscheiden sich unter anderem in der Wirkungsgradkennlinie:

Verglaste (abgedeckte) Flachkollektoren: c0 = 0.75-0.85, c1 = 3-6 W/m2/K

Röhrenkollektoren: c0 = 0.65-0.80, c1 = 1-2 W/m2/K

Unverglaste (nicht-abgedeckte) Flachkollektoren: c0 = 0.90-0.95, c1 = 10 W/m2/K Die Grafik zeigt die jeweils leistungsstärksten Modelle dieser drei Kollektor-Typen:

Abb. 59: Verlauf der Wirkungsgradkennlinie verschiedener Kollektor-Typen: unverglaster Flachkollektor (steilste Linie), verglaster Flachkollektor, Röhrenkollektor (flachste Linie).

Ein Wert von x = 0.10 m2K/W entspricht bei einer Einstrahlung von 800 W/m2 einem Temperaturunterschied von Tm - Ta = 80°C. Der gezeigte Röhrenkollektor besitzt bei

84

diesen Betriebsbedingungen noch einen Wirkungsgrad von 60%, der abgedeckte Kollektor noch einen solchen von 40%, während der unverglaste Kollektor diese Temperaturen gar nicht mehr erbringen kann. 3.1.1.1 Kollektormodell für nicht-abgedeckte Kollektoren Nach neuer Messnorm (EN 12975) werden nicht-abgedeckte Kollektoren mit einem zusätzlichen Parameter versehen. Die Funktionskurve des Wirkungsgrades erhält folgende Form:

𝜂 = 𝜂0 ∗ (1 − 𝑏𝑢 ∗ 𝑢) −(𝑏1 + 𝑏2 ∗ 𝑢) ∗ (𝑡𝑚 − 𝑡𝑎)

𝐺′′

Die Koeffizienten η0, bu, b1 und b2 sind durch Anpassung einer Kurve zu ermitteln. G'' ist die gesamte einfallende Bestrahlungsstärke, die nach folgender Gleichung bestimmt wird:

𝐺′′ = 𝐺𝑘 + (𝜀

𝛼)(𝐸𝐿 − 𝜎𝑇𝑎

4)

EL ist die in der Kollektorebene gemessene lang wellige Bestrahlungsstärke und Ta die Umgebungstemperatur. Für ε/α ist 0.85 zu setzen, falls vom Hersteller nicht anders angegeben. 3.1.1.2 Eingabeparameter Die massgebenden Parameter, die die Leistung eines Kollektors beschreiben, umfassen nebst der Absorberfläche A, den Wirkungsgradparametern c0, c1 und c2 und den IAM-Werten KCH1 und KCH2 auch die spezifische Wärmekapazität des Kollektors. Letztere Grösse drückt aus, wie gross die „thermische Trägheit“ des Kollektors ist: besitzt ein Kollektor eine grosse Wärmekapazität, so dauert es länger, bis ein gewisses Mass an Sonneneinstrahlung den Kollektor erwärmt hat. Auf der anderen Seite gibt der Kollektor auch noch Wärme an das Fluid ab, wenn die Sonne gerade durch eine Wolke verdeckt wird. Ein Kollektor mit kleiner Wärmekapazität reagiert schneller auf Veränderungen der Einstrahlungsintensität. In vielen Fällen ist die Orientierung des Kollektors durch die Neigung des Daches und die Ausrichtung des Giebels vorgegeben. Es stellt sich allenfalls die Frage, ob der Kollektor nach Osten oder Westen (wenn keine Südausrichtung möglich ist) oder ob ein Kollektor in die Fassade integriert werden soll. Bei Flachdächern lassen sich aber Ausrichtung und Anstellwinkel frei wählen. Dort stellt sich im Besonderen die Frage, bei welchem Winkel der optimale Jahresertrag erzielt werden kann. Soviel vorweg: es gibt darauf keine eindeutige Antwort. Je nach Wasserverbrauch, Speichergrösse, Klima und vielen weiteren Randbedingungen kann die optimale Ausrichtung stark differieren. Zur Wahl der Ausrichtung steht in Polysun folgender Dialog zur Verfügung:

85

Abb. 60: Dialogfenster zur Festlegung der Kollektorausrichtung. Anstellwinkel und Orientierung können einzeln oder gemeinsam, für einzelne Monate oder das gesamte Jahr, optimiert werden. Für jede gewählte Ausrichtung können BWE-Tabellen berechnet werden. Röhrenkollektoren können hoch- oder quergestellt werden.

3.1.1.3 Kollektor-Datenbank-Eintrag in Polysun nach Europäischer Norm Tab. 13: Kollektor-Datenbank nach Europäischer Norm

Kollektortyp: Kapitel 4.1 beschreibt zwei Modelle für die Berechnung des Kollektorwirkungsgrades. Mit der Eingabe „Flach- oder Röhren-Kollektor“ zählt das Standardmodell mit den Werten eta0, A1 und A2, bei „Unverglast“ das nicht-abgedeckte-Kollektor-Modell mit den Werten b0, b1, b2 und Epsilon/Alpha.

Eta0 laminar (1); bu: „Eta0 laminar“ ist der Wirkungsgrad des Kollektors betrieben bei Umgebungstemperatur und laminaren Strömungsverhältnissen. „bu“ ist der Wind-Reduktionskoeffizient bei nicht-abgedeckten Kollektoren.

Eta0 turbulent: Der Wirkungsgrad des Kollektors betrieben bei Umgebungstemperatur und turbulenten Strömungsverhältnissen.

A1 (ohne Wind) (2); b1:

Koeffizient A1 bei Flach- und Röhrenkollektor, bzw. b1 bei nicht-abgedecktem Kollektor Modell.

A1 (mit Wind) ; b2: Koeffizient A1 bei Flach- und Röhrenkollektor, bzw. b2 bei nicht-abgedecktem Kollektor Modell.

A2 ; Epsilon/Alpha (3): Koeffizient A2 bei Flach- und Röhrenkollektor, bzw.

86

Epsilon/Alpha bei nicht-abgedecktem Kollektor Modell.

Dynamische Wärmekapazität (4):

Gerechneter Wert nach EN 12975-2, Section 6.1.6.2

Nsis-Axis: Die Ausrichtung (Röhrenverlauf bei 90° Elevation horizontal oder vertikal) bei Röhrenkollektoren. Bei Flachkollektoren meist irrelevant.

IAM-Modell: Für die Interpolation bei Flachkollektoren gilt das „Ambrosetti Modell“, beschrieben im Kapitel 1.3. Röhrenkollektoren werden mit einer kubischen Spline interpoliert.

Winkelfaktoren (5): IAM Daten werden über eine Tabelle eingelesen. Azimuth φ und Elevation θ sind in Kapitel 1.3 beschrieben.

Volumen: Gemessener Wert des Fluidvolumens im Kollektor inklusive Sammelrohre.

Innendurchmesser: Innendurchmesser der Wärmeübertragungsrohre im Kollektor. C in Abbildung 15.

Einzel-Rohrlänge (6): Die Länge eines Wärmeübertragungsrohrs im Kollektor. A in Abbildung 15.

Parallele Rohrleitungen:

Anzahl parallele Rohrleitungen im Kollektor. 5 in Abbildung 15.

Rohrrauhigkeit: Rauhigkeitsfaktor an der Innenseite.

Linearer Formfaktor: Der Formfaktor eines Rohres liegt je nach Biegungsradius im Bereich 1-1.5. Für gerade Rohre 1.

Widerstandsbeiwert: Der Widerstandsbeiwert bezieht sich auf Druckverluste in Verzweigungen, Ventilen usw. Falls nicht gemessen, wird er Null gesetzt.

Durchsatz im Test (7): Fluiddurchsatz während des Tests. In l/h und Kollektor.

Die Werte von Eta0 laminar bis und mit a2 beziehen sich auf die Apertur-Fläche des Kollektors und sind bei einer Strahlungsstärke von 800W/m2 ermittelt. (1): Falls keine Angaben bezüglich Eta0 laminar vorhanden sind, gilt Eta0 turbulent = Eta0 laminar. (2): Nach neuer Norm wird der Koeffizient a1 mit Wind bei 3m/s Windgeschwindigkeit ermittelt. Der Wirkungsgradparameter c1 ergibt sich wie folgt:

𝑐1 = 𝑎1 𝑜ℎ𝑛𝑒 𝑊𝑖𝑛𝑑 +(𝑎1 𝑚𝑖𝑡 𝑊𝑖𝑛𝑑 − 𝑎1 𝑜ℎ𝑛𝑒 𝑊𝑖𝑛𝑑)

(3 𝑚/𝑠)∗ 𝑣𝑊𝑖𝑛𝑑 ∗ 𝑤𝑖𝑛𝑑𝑝𝑜𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛

Ist a1 ohne Wind nicht explizit angegeben, wähle a1 ohne Wind 10% kleiner als a1 mit Wind für Flachkollektoren und 5% kleiner für Röhrenkollektoren. (3): Epsilon/alpha = 0.85 setzen, falls vom Hersteller nicht anders vorgegeben.

87

(4): Die EN 12975-2 schreibt zwei Verfahren zur Ermittlung der dynamischen Wärmekapazität vor; In Annex G ein gemessener Wert und in Section 6.1.2.1 ein berechneter Wert. Der berechnete Wert ist meistens viel kleiner als der Gemessene. Die Geometrie des Kollektors wird darin nicht berücksichtigt. Trotz der höheren Glaubwürdigkeit des gemessenen Wertes wird in der Praxis und in Polysun der berechnete Wert benutzt. (5): Winkelfaktor-Tabellen können noch nicht vom Benutzer selbst eingegeben werden. Bei der Erstellung eines Kollektoreintrags soll ein Kollektor mit ähnlichem IAM kopiert werden. (6): Falls keine Angaben angegeben, messbar oder ersichtlich sind, die Absorber-Breite oder -Länge eingeben. (7): Durchsatz im Test, Max. Durchsatz, Max. Druck und Maximaltemperatur haben bis auf weiteres noch keinen Einfluss auf die Berechnung.

Abb. 61: Kollektormodell (A:Einzel-Rohrlänge, B:Sammelrohre, C:Einzelrohr)

3.1.2 Kollektormodell nach amerikanischer Norm (ASHRAE) Kollektoren nach der Amerikanischen Norm ASHRAE 96-1980 und 93-1986 sind analog wie die Kollektoren nach der Europäischen Norm modelliert. Im Folgenden sind die wichtigsten Unterschiede aufgelistet. Für den Wirkungsgrad gilt:

I

Pa

I

Pax

2

210

wobei P = Ti - Ta Ti = Temperatur des in den Kollektor einfliessenden Fluids

Ta = Umgebungstemperatur I = Einstrahlung in die Kollektorebene Die gemessen Werte für η0, a1 und a2 beziehen sich auf die Bruttofläche. Nach der Norm muss die Absorberfläche nicht gemessen werden, deshalb wird die Absorberfläche mit der Aperturfläche gleichgesetzt. Der Wert a1 wird ohne Wind gemessen, für Wind mit 3m/s wird a1 mit dem Faktor 1.05 für Röhrenkollektoren, 1.1 für verglaste Flachkollektoren oder 1.2 für unverglaste Flachkollektoren multipliziert. Der Einfluss der Windstärke am Kollektor wird anschliessend gleich wie beim vorangehenden Kapitel für die EN Norm gerechnet. Verglaste und unverglaste Kollektoren werden ansonst nach dem gleichen Modell gerechnet.

88

Wenn für die dynamische Wärmekapazität mcp keine Angaben vorhanden sind, kann dieses Feld leer gelassen werden, für die Simulation wir dann der Standartwert 10000 J/K eingesetzt. Der Druckverlust wird aufgrund von drei gemessenen Stützstellen abgeleitet. Sind keine Angaben vorhanden, können diese Felder leer gelassen werden, für die Simulation werden dann folgende Standartwerte eingesetzt: bei dem Volumenstrom 72, 180, 288 [l/h] die Druckverluste 262, 885, 1784 [Pa].

3.1.3 PVT-Kollektoren Dieser Kollektortyp stellt eine Kombination aus einem solarthermischen Kollektor und einem PV-Modul dar. Die möglichen Parameteränderungen sind identisch zu den weiter oben beschriebenen Einzelkomponenten. Dieses Kombisystem unterscheidet sich nur in seiner Einsatzcharakteristik gegenüber den Individuallösungen. Einzelheiten sind aus den entsprechenden Kapiteln zu entnehmen.

Abb. 62: Dialog PVT-Kollektor

Polysun-Video

Hybride Kollektorsysteme (PVT)

89

3.2 Warmwasserspeicher

3.2.1 Speichertypen

Nebst dem Kollektor ist der Wärmespeicher von entscheidender Bedeutung für eine leistungsfähige Solaranlage. Da die Energie der Sonne nicht dauernd zur Verfügung steht und hin und wieder Wetterlagen auftreten, bei denen ein oder zwei Tage fast keine Wärme vom Kollektor bezogen werden kann, ist die richtige Wahl des Speichers entscheidend. Es lassen sich drei verschiedene Bedürfnisklassen unterscheiden (wobei sich die einzelnen Bereiche überlappen):

Speicher nur für Brauchwarmwasser (Grösse: 2facher Tagesbedarf = 80-100 l pro Person)

Speicher für Warmwasser und Heizunterstützung (Grösse: 100 l pro MWh Heizbedarf)

Saisonspeicher als Speicher über mehrere Monate (Wassertank, Erdspeicher, etc.)

Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit vier Personen ergibt dies Speichergrössen von 300-500 l (nur Brauchwasser), 800-1500 l (mit Heizunterstützung) und >30'000 l (Saisonspeicher). Es gibt auch kombinierte Formen, bei denen der Brauchwasserspeicher in einem grösseren Speicher integriert ist (sog. Kombispeicher).

3.2.2 Physikalische Aspekte bei der Speicheroptimierung Die Energiemenge Q [J], die nötig ist, um einen Wärmeträger der Masse m [kg] mit einer Wärmekapazität cp [J/kg/K] um eine Temperatur ΔT [K] zu erwärmen, berechnet sich als: Q = m * cp * ΔT Es ist aber auch die Verteilung der Wärme im Speicher zu beachten: normalerweise ist das Wasser nach verschiedenen Temperaturen geschichtet. Oben, wo das Warmwasser entnommen wird, befindet sich die wärmste Schicht (Wasser mit geringer Dichte) und unten die kälteste Schicht (Wasser mit hoher Dichte). Diese Schichtung ist erwünscht und man versucht deshalb, bei der Wärmeabgabe an den Speicher und der Wasserentnahme möglichst wenig Verwirbelungen zu erzeugen. Die Festlegung der Speichergrösse ist ein Balanceakt, bei dem verschiedene gegensätzliche Aspekte abgewogen werden müssen:

Ein grosser Speicher besitzt ein grosses Speichervermögen

Ein grosser Speicher braucht viel Energie, um „aufgeladen“ zu werden

Je höher die Temperatur, desto grösser die gespeicherte Energiemenge

Je höher die Temperatur, desto grösser die Speicherverluste Grundsätzlich wird versucht, die Menge Wasser eines Tagesverbrauches mit gerade der richtigen Temperatur (bzw. einige Grad darüber) bereitzuhalten, und den Speicher ansonsten eher auf tieferer Temperatur zu halten. Damit ist die Verfügbarkeit von Warmwasser (Deckung) immer gewährleistet und die Speicherverluste sind minimal. Im Sommerhalbjahr kann der Speicher aber auch „überladen“ werden. Da die Sonnenenergie dann eh in ausreichendem Masse vorhanden ist, können erhöhte Speicherverluste in Kauf genommen werden. Der entscheidende Punkt ist dann, dass

90

auch Schlechtwetterphasen überbrückt werden können. Da der Speicher bis 95 °C (sogar bis 100 °C) erwärmt werden kann, und das Wasser erst bei der Entnahme auf die gewünschte Temperatur mit Kaltwasser gemischt wird, lassen sich so mehrere Tage überbrücken.

3.2.3 Auslegung von Kombispeichern Kombispeicher wenden verwendet, wenn mit einer Solaranlage Brauchwarmwasser und Raumwärme erzeugt werden sollen. Da der Heizungskreislauf und der Trinkwasserkreislauf aus hygienischen Gründen nicht gemischt werden sollten, wird beim Kombispeicher der Brauchwassertank (Boiler) in den Hauptspeicher integriert. Dies hat drei wesentliche Vorteile:

Die Oberfläche des Speichers kann klein gehalten werden (nur Hauptspeicheroberfläche) und somit sind die Wärmeverluste minimal klein.

Der Brauchwasserspeicher, welcher in der Regel höhere Temperaturen benötigt als der Heizungsspeicher, kann im oberen, heisseren Teil des Hauptspeichers platziert werden.

Ein erhöhter Warmwasserverbrauch führt nicht zu einer Durchwirbelung des Hauptspeichers. Somit bleibt die Schichtung besser erhalten.

Das Prinzip des Kombispeichers ähnelt dem eines Durchlauferhitzers. Das Brauchwasser wird in einem separaten Rohrsystem durch den Hauptspeicher geschleust und dabei erwärmt. Damit dieser Wärmeaustausch möglichst effizient geschieht, muss der interne Speicher möglichst dünnwandig sein und aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Der interne Speicher wird mit Vorteil in der oberen Hälfte des Hauptspeichers angebracht (5-10 cm unter dem oberen Deckel). Seine Grösse sollte etwa dem doppelten Tagesverbrauch entsprechen. Die Anschlusswärmeverluste (siehe nächster Abschnitt) können auf dem zweiten Blatt des Dialoges angegeben werden. Die von Polysun vorgeschlagenen Werte entsprechen gut isolierten und siphonierten Anschlüssen. In Polysun („Designer“) kann ein Speicher in einer grossen Vielfalt von Möglichkeiten neu erstellt werden.

91

Abb. 63: Auswahl zum Definieren eines neuen Speichers

Mit der Wahl eines neuen Speichers wird ein neuer Katalogeintrag erstellt. Bei der Erstellung eines neuen Speichers anhand des Speicherauswahl-Dialoges werden Defaultkomponenten für die internen Elemente gesetzt (Wendelwärmetauscher, Schichtlanzen, Zusatzheizung, etc.). Die Auswahl realer interner Elemente erfolgt im Speicherkatalog, wobei eventuell in den Katalogen für die internen Elemente neue Einträge erstellt werden müssen. Die folgende Übersicht zeigt die Wahlmöglichkeiten exemplarisch auf (willkürliche Bezeichnung der Speicher durch Buchstaben):

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Abb. 64: Speicher-Variationen

Abb. 65: Beispiele für Speicher mit Mantelwärmetauscher

3.2.4 Speichermodell und deren Bemassung Für die Bemassung sind die Höhe des zylindrischen Tankteils, die Ausbauchung und das Volumen massgebend. Aus diesen drei Werten ergibt sich der Durchmesser. Mit Speicherhöhe ist also nicht die totale Höhe, inklusive Wärmedämmung gemeint, sondern lediglich die des Zylinders. Der Inhalt eines Speichers ist in zwölf isotherme Schichten unterteilt. Der Fluidinhalt der Ausbauchungen wird jeweils zur untersten bzw. obersten Schicht addiert, wodurch

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deren Volumen grösser sind als die der Schichten zwei bis elf. Warme Schichten diffundieren aufgrund unterschiedlicher Dichten nach oben und kalte nach unten. An den Grenzen findet eine Wärmeübertragung durch Leitung statt. Konvektive Durchmischung wird vernachlässigt.

Abb. 66 (links): Speicherbemassung und Schichten (dm=Dämmstärke, dt=Dämmstärke beim Deckel, db=Dämmstärke am Speicherboden, dw=Wandstärke, hint=Höhe, hb=Höhe der Ausbauchung Abb. 67 (rechts): Anordnung der Stutzen

Speicherinterne Komponenten werden bildlich dargestellt, sind aber optisch nicht korrekt positioniert. Die Positionsangaben in Prozent im Speicherkatalog sind ausschlaggebend. Einem Speicher stehen maximal zehn Stutzen zur Verfügung. Die Positionierung erfolgt in Prozenten, jeweils von der Zylinder-Unterseite gemessen. (Achtung: nicht vom Tankboden). Nummeriert werden die Stutzen ebenfalls beginnend von links unten nach oben und weiter von rechts unten nach oben. Die Simulation lässt offene, nicht verknüpfte Stutzen nicht zu. Eintretende Fluide müssen durch andere Stutzen wieder abgeführt werden können.

hin

t

hb

dt

db

dm

dw

91.7%

83.3%

75.0%

41.7%

66.7%

50.0%

33.3%

25.0%

16.7%

8.3%

58.3%

Layer 11

Layer 10

Layer 9

Layer 8

Layer 7

Layer 6

Layer 5

Layer 4

Layer 3

Layer 2

Layer 1

Layer 12

0%

100%

94

Einem Speicher stehen sechs Wendelwärmetauscher zur Verfügung. Je drei Wendelwärmetauscher können an der linken und rechten Tankinnenseite eingefügt werden. Diese Variante ist in Abbildung 18 dargestellt. Die Höhe der Wendelwärmetauscher ist im Katalog „Wärmetauscher“ in Millimeter angegeben und die Positionierung im Tank in Prozenten von der obersten Wendel-Kante zur Zylinderunterseite.

Abb. 68: Anordnung der Wendelwärmetauscher

Abb. 69: Positionierung interner Elemente

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Die drei internen Elemente „Tank“, „Rohr“ und „Wendelwärmetauscher“ werden wie in Abbildung 19 dargestellt definiert. Dazu stehen die Positionen eins bis drei zur Verfügung, welche nach Belieben mit den drei Objekten ersetzt werden können. Das Volumen eines internen Tanks ist durch dessen Oberfläche und Positionierung bestimmt. Die interne Tankhöhe wird anhand der Positionsangaben berechnet. Es stehen maximal vier Schichtlanzen zur Verfügung, angeordnet und durchnummeriert von links nach rechts. Im Katalog-Speicher ist lediglich die Positionierung bestimmt, die Abmessungen im Katalog „Schichtlanze“.

Polysun-Video

Warmwasserspeicher-Modell

Abb. 70: Bemassung und Anordnung der Schichtlanzen (A=Länge, B=Rücklauf, C=Unterer Einlauf)

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Abb. 71: Bemassung und Anordnung des Speichers[liegend] mit Mantelwärmetauscher (A=Austritt Fluid, B=Eintritt Fluid, C=Flange 1, D=Flange 2, E=Flange 3, F=Flange4, G=Flange 5, H=Flange 6, I=Flange 7, J=Flange 8, L1=Mantellänge L4-(L4*(100-L2)/100)+(L4*(100-L3)/100), L2=Unterkante Mantel relativ in % zur Gesamthöhe des Speichers, L3=Oberkante Mantel relativ in % zur Gesamthöhe des Speichers,L4=Höhe des Speichers, D1=Manteldicke [Mantel], D2=Wandstärke Mantel [Mantel])

3.2.5 Wärmedämmung und Anschlussverluste Die Planung von Saisonspeichern hängt stark von den Möglichkeiten der Wärmedämmung ab und inwiefern die verlorene Speicherwärme trotzdem der Raumwärme zugute kommt (z.B. weil der Speicher mitten im Haus steht). In Bezug auf Speicherverluste ist ein grosser Speicher günstiger als ein kleiner, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner wird, je grösser der Speicher ist (bei gleichen Proportionen). Typischerweise werden Wärmedämmungen mit Stärken von 15-30 cm verwendet (bei einem Wärmeleitkoeffizient von l = 0.04 W/m/K). Der obere Deckel darf selbst noch dicker sein, da sich dort das wärmste Wasser befindet. Der untere Deckel hingegen kann sehr dünn sein. In gewissen Fällen lohnt es sich sogar, wenn die Wärmedämmung auf der Unterseite weggelassen wird, damit die Umgebungswärme das Kaltwasser mit erwärmen hilft. Diese diversen Aspekte sollten bei der Planung einer Anlage berücksichtigt werden. Die besondere Charakteristik von Wärme-Input (vom Kollektor und der Zusatzheizung) und Wärme-Output (Warmwasser- und Heizverbrauch) sind dabei entscheidend. In Polysun sieht der Speicherdialog zur Festlegung der relevanten Grössen folgendermassen aus:

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Abb. 72: Speicherdialog

Um die Eigenschaften des Speichers (z.B. Volumen) zu ändern, kann mit einem

Doppelklick auf das Katalogsymbol beim Speicher der Speicherkatalog geöffnet werden. Es kann nun ein anderer Speicher ausgewählt, oder der bestehende kopiert und angepasst werden (nur ab Professional-Stufe möglich). Bei den „Verlusten der Anschlüsse“ geht es darum, dass die Rohrleitungen vom und zum Speicher Quelle von beachtlichen Wärmeverlusten sein können. Zum Beispiel steigt im Anschlussrohr des Warmwassers (im Stillstand) ständig warmes Wasser nach oben, kühlt sich dort ab und sinkt wieder in den Speicher zurück. Dies kann beträchtliche Wärmeverluste verursachen. Zur Lösung dieses Problems gibt es zwei Ansätze: Siphonierung der Leitungen und Wärmedämmung der Anschlüsse: Es wird gleich nach Austritt aus dem Speicher ein Bogenstück nach unten hin eingebaut. Das Wasser darin kühlt sich ab, bleibt aber an dieser Stelle im Rohr und verhindert somit den weiteren Austausch von warmem Wasser. Im Speicherkatalog kann gewählt werden, ob und wie gut der Anschluss siphoniert und gedämmt wurde. Für die Simulation entscheidend sind dabei die Anschlussverluste, welche im Flansch-Katalog definiert wurden. Das Ausmass der Anschlussverluste hängt auch von der Temperatur ab, die im Speicherraum herrscht. Diese kann im Projekt beim Standort ebenfalls angegeben werden. Die angegebenen Werte gelten für gut gedämmte und siphonierte Anschlüsse. Sind diese Massnahmen nicht getroffen, so liegen die Anschlussverluste ca. 10 mal höher.

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3.2.6 Beladung des Speichers Um die Wärme vom Kollektor möglichst effizient an den Speicher zu übertragen werden verschiedene Konzepte realisiert:

Interne Wärmetauscher: Das Fluid wird durch einen Wendel gepumpt, der sich im Innern des Speichers befindet. Das spiralförmige Rohr sollte dabei eine eher geringe Wandstärke haben, eine grosse (äussere) Oberfläche besitzen (z.B. durch Wärmerippen) und aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen (z.B. Kupfer). Die Wärme wird durch (eine einseitig freie) Konvektion an das Fluid im Speicher weitergeleitet.

Mantel-Wärmetauscher: Das Fluid umfliesst den Speicher durch den Mantel um den Speicher. Die Wärme wird durch (eine einseitig freie) Konvektion an das Fluid im Speicher weitergeleitet.

Externer Wärmetauscher (WT): Das Fluid vom Kollektor und vom Speicher werden in einem (Gegenstrom-Platten-) WT nahe aneinander vorbei geführt und tauschen über feine Lamellen, die die beiden Flüssigkeiten trennen, die Wärme aus. Dies ist eine sehr wirksame Art des Wärmeaustausches, bei der, je nach Kapazität des WTs, den Temperaturverhältnissen und den Durchflussraten, bis 99 % der Wärmeenergie von einem Fluid auf das andere übertragen werden kann. In der Regel befindet sich auch auf der Speicherseite des WTs ebenfalls eine Umwälzpumpe. Nach dem Wärmeaustausch wird das Fluid durch eine der zwei folgenden Varianten in den Speicher abgegeben:

Direkter Einlass in den Speicher: Das Wärmeträgerfluid wird direkt aus dem Speicher entnommen, bzw. eingespeist.

Einspeisung über Schichtlanze: Im Innern des Speichers befindet sich ein flötenartiges, senkrechtes Rohr mit ca. einem Dutzend Öffnungen, die von aussen her von frei beweglichen Klappen abgedeckt sind. Das Fluid steigt im Innern des Rohres so hoch auf, bis die Dichte des Fluids grösser ist als die Dichte an der entsprechenden Stelle im Speicher und tritt dort aus. Somit wird das Fluid genau an der Stelle ‚deponiert‘, an der es dieselbe Temperatur wie das Speicherfluid besitzt. Damit ist die Schichtung im Speicher optimal gewährleistet. Schichtlanzen mit internem Wärmetauscher sind in Polysun noch nicht enthalten. Deren Simulation wird via Umweg über einen externen Plattenwärmetauscher durchgeführt, wie in Abbildung 22 gezeigt. Bei der Pumpe muss dabei ein fixer Durchsatz gewählt werden, so dass ein ausgeglichener Kapazitätsfluss (m1*cp1=m2*cp2) resultiert.

Weiter gibt es auch Fälle, bei denen zwei WT eingesetzt werden, einer oben und einer unten im Speicher. Je nach Sonneneinstrahlung und Temperatur im Speicher wird die Energie dann zur Wasservorwärmung (nur unterer WT) oder zur Brauchwassererzeugung (beide WT) verwendet.

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Abb. 73: Plattenwärmetaucher und Schichtlanze

3.2.7 Wasserentnahme aus dem Speicher Auf der Seite der Wärmeentnahme aus dem Speicher gibt es zwei Strategien:

Direkte Entnahme aus dem Speicher: Das Warmwasser wird direkt aus dem Speicher entnommen und über ein Mischventil mit Kaltwasser auf die gewünschte Wassertemperatur gebracht (sofern die obere Speichertemperatur zu hoch ist).

Interner Wärmetauscher: Die Wärme wird über einen Wendelwärmetauscher aus dem Speicher entnommen. Das Warmwasser wird über ein Mischventil mit Kaltwasser auf die gewünschte Temperatur gebracht.

Externer Wärmetauscher: Die Wärme wird über einen Platten-WT aus dem Speicher entnommen. Die Steuerung der Durchflussrate muss so eingestellt werden, dass das erzeugte Warmwasser gerade die gewünschte Temperatur besitzt.

Die Entscheidung, einen Wärmetauscher oder einen direkten Einlass (Ausguss) zu wählen, ist von der Konzeption der Fluidkreisläufe abhängig. Es gibt Anlagen, bei denen Kollektorkreis und Speicher mit Wasser betrieben werden, solche, bei denen nur der Kollektorkreis mit Glykol-Wasser-Gemisch betrieben wird, und solche, bei denen Kollektorkreis und Speicher mit Glykol-Wasser-Gemisch betrieben werden.

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3.3 Heizkessel In den meisten Fällen werden Solaranlagen als Unterstützung zur Wassererwärmung nebst einer konventionellen Heizung eingesetzt. Während des Sommers ist die Zusatzheizung in vielen Fällen inaktiv, während des Winters aber erbringt sie den Hauptanteil der Heizleistung. Die elektrische Zusatzheizung wird oft eingesetzt, um im Sommer den Kesselbrenner zu entlasten. In der Regel entfällt somit die elektrische Zusatzheizung, wenn eine Solaranlage installiert wird. Da elektrische Energie im Vergleich zu Heizöl oder Gas teuer ist, wird man wenigstens versuchen, den günstigeren Nachtstrom zu nutzen (dies kann im Detaildialog der Steuerung festgelegt werden). In Polysun ist die elektrische Zusatzheizung als internes Element des Speichers realisiert, während die Zusatzheizung mit Gas oder Öl als separate Komponente erscheint. Die Auslegung der Zusatzheizung, d.h. auf welcher Höhe im Speicher der Vor- und Rücklauf installiert wird, wo die Temperaturfühler platziert werden und bei welchen Temperaturen die Heizung ein- und ausgeschaltet wird, hat einen grossen Einfluss auch auf die Effizienz der Solaranlage. Wenn z.B. am Nachmittag mit Sonnenenergie zu rechnen ist, macht es keinen Sinn, bis zum Mittag den Boiler zu beheizen. Es lassen sich bei realen Systemen, aber auch in der Simulation von Polysun, genaue Zeiten festlegen, zu denen die Zusatzheizung (bei Bedarf) in Betrieb genommen wird. Je nach Orientierung der Kollektoren ist somit die Zusatzheizung zu timen. Es macht erst dann Sinn nachzuheizen, wenn nach der Bestrahlung der Kollektoren die nötige Wärme im Speicher noch nicht erreicht ist. Je nach Verbrauchsprofil kann es auch von Nutzen sein, unmittelbar vor einer Verbrauchsspitze die benötigte Wärmemenge bereitzustellen, sofern die Sonne nicht ausreichend Energie geliefert hat. Auf diese Weise werden die Speicherverluste auf ein Minimum reduziert und man gibt der Sonne möglichst gute „Chancen“, günstige Betriebsbedingungen (d.h. tiefe Speichertemperaturen) anzutreffen. In Polysun lassen sich, wie auch bei real existierenden Heizungen, Freigabezeiten und Steuerung weitestgehend definieren. Dazu verwendet man die Steuerungen (siehe unten). Die beheizte Energiemenge ist definiert als das „beheizte Volumen“ mal die Differenz von Warm- und Kaltwassertemperatur (mal die Wärmekapazität des Fluids). Das Volumen ist gegeben durch den Inhalt des gesamten Speichers und die Schicht, in der sich der Heizstab bzw. der Temperaturfühler befindet. In der Projektdefinition wird bei „Verbraucher“ der tägliche Energieverbrauch („Warmwasser: Tagesbedarf“) angegeben. Wenn man auf der sicheren Seite sein möchte, dass die Warmwasserversorgung selbst im ungünstigsten Fall gewährleistet ist, muss man dafür sorgen, dass wie im gezeigten Beispiel die beheizte Energiemenge und der Tagesverbrauch in etwa gleich sind. In den meisten Fällen kann die beheizte Energiemenge kleiner gewählt werden (z.B. Heizstab in Schicht 10). Damit gibt man auch der Sonne mehr Chancen, die benötigte Energie während des Tages zu liefern. Die Steuerung der Zusatzheizung kann durch zwei Temperaturfühler vorgenommen werden, die oberhalb des Heizstabes frei platziert werden können. Die Temperatur des

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Ein- und Ausschaltens können verschieden gewählt werden (die Einschalttemperatur muss aber kleiner sein, als die Ausschalttemperatur). Die gewünschte Warmwassertemperatur im verwendeten Beispiel ist 50 °C. Die Ausschalttemperatur sollte immer einige Grad über dieser liegen, damit auch nach einigen Stunden die Speichertemperatur noch nicht zu tief abgesunken ist. Schliesslich wird die elektrische Heizung nur dann benutzt, wenn eine Aussentemperatur von 17 °C überschritten wird, also im Sommer (somit werden die grossen Kesselverluste bei kurzen Laufzeiten vermieden). Eine weitere häufige Anordnung ist der Einsatz eines Heizkessels für die Rücklaufanhebung. Falls man dazu einen nicht-modulierenden Kessel verwendet, muss darauf geachtet werden, dass das Kesselvolumen genügend gross ist, damit sich das Fluid im Kessel nicht zu stark aufheizt (Polysun würde dann den Zeitschritt sehr klein wählen, was sich negativ auf die Simulationszeit auswirken würde).

Abb. 74: Rücklaufanhebung

Brennstoff- und CO2- Einsparung Durch den Gebrauch der Solaranlage vermindert sich der Brennstoffbedarf und der CO2-Ausstoss. Polysun berechnet die Einsparung aufgrund einer Brennwerttabelle und des jährlichen Nutzungsgrades des Wärmeerzeugers. Mit Doppelklick auf den Wärmeerzeuger und anschliessend auf den Ordner „Brennstoff“ gelangen Sie in den Katalog der Energieträger. Im Katalog sind für jeden Brennstoff der jeweilige Heizwert und die CO2-Emissionen angegeben. Eine Auswahl von Brennstoffen steht bereits zur Verfügung. Nach Bedarf kann ein eigens definierter Eintrag erstellt werden. Die Einsparungen können in den Komponenten-Resultaten des Heizkessels überprüft werden. Es gelten die folgenden Formeln:

𝐶𝑂2 𝐸𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒 ∗ 𝐶𝑂2 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑠 𝐵𝑟𝑒𝑛𝑛𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑠

𝐵𝑟𝑒𝑛𝑛𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒

𝐻𝑒𝑖𝑧𝑤𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒𝑠 𝐵𝑟𝑒𝑛𝑛𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑠

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒= 𝐵𝑟𝑒𝑛𝑛𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒 ∗ 𝐻𝑒𝑖𝑧𝑤𝑒𝑟𝑡 𝑑𝑒𝑠 𝐵𝑟𝑒𝑛𝑛𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓𝑠

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𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒𝑖𝑛𝑠𝑝𝑎𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑒 =𝑄𝑠𝑜𝑙

𝑁𝑒𝑛𝑛𝑤𝑖𝑟𝑘𝑢𝑛𝑔𝑠𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑠 𝐻𝑒𝑖𝑧𝑘𝑒𝑠𝑠𝑒𝑙𝑠

Die Angaben im Brennstoffkatalog (CO2 Emissionen und Brennwerte) stammen aus dem ecoinvent Zentrum, Schweizer Zentrum für Ökoinventare.

3.4 Allgemeine Systemkomponenten

3.4.1 Kaltwasser

Das Dialogfenster “Kaltwasserberechnung” öffnet sich, wenn Sie auf das Kaltwasserhahn-Symbol im Hydraulikschema doppelklicken. Die Kaltwassertemperatur hat einen großen Einfluss auf den Energiebedarf für Warmwasser. Eine niedrigere Temperatur der Kaltwasserzufuhr erhöht die Energiedifferenz zur gewünschten Warmwasser-Temperatur, was den Warmwasser-Energiebedarf steigert.

Abb. 75: Kaltwasserhahn-Symbol im Anlagenschema

Zur Berechnung des Kaltwasserzuflusses bietet Ihnen Polysun drei Verfahren: „Automatisch“, „Katalog“ oder „Aus Datei“. Die „Automatisch“-Berechnungsmethode richtet sich nach dem Standort der Anlage, den Sie in den Projekteinstellungen eingegeben haben. Die Kaltwasserverteilung wird dann in Abhängigkeit von den Wetterdaten für diesen Standort mittels des integrierten Polysun-Verfahrens berechnet.

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Die Auswahlmöglichkeit „Katalog“ lässt Sie ein Kaltwasserzufuhr-Profil aus einem Katalog auswählen. Machen Sie hierfür einen Doppelklick auf das Ordner-Symbol.

Abb. 76: Kaltwasserzufuhr-Profil aus einem Katalog auswählen

Die hauptsächlichen Parameter, die in den Katalog-Daten enthalten sind, sind die Mitteltemperatur des Kaltwassers (in °C), der Temperaturbereich (in K) und der wärmste Monat. Mitteltemperatur – über ein Jahr gemittelte Temperatur des Kaltwassers. Temperaturbereich – Differenz zwischen der Mitteltemperatur und der Höchsttemperatur im Verlauf des Jahres. Wärmster Monat – Monat mit der höchsten Kaltwassertemperatur. Anhand dieser Parameter werden monatliche Werte für das ganze Jahr errechnet. Es ist auch möglich, die Werte für die einzelnen Parameter zu ändern, sollten die von Ihnen gewünschten nicht verfügbar sein. Dazu kopieren Sie zunächst die Katalog-Zeile, welche den von Ihnen gewünschten Werten am nächsten kommt, mittels der „Kopieren“-Schaltfläche oben. Dazu müssen Sie dem neuen Katalogeintrag einen neuen Namen geben. Diesen Eintrag können Sie dann mit einem Klick auf die Editier-Funktion („Bleistift“-Schaltfläche) verändern.

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Abb. 77: Kaltwasserzufuhr-Profil aus einem Katalog editieren

Die dritte Berechnungsmethode “Aus Datei” ermöglicht es Ihnen, verfügbare Messwerte aus einer Datei zu ergänzen. Dazu kopieren Sie einen Katalogeintrag über die „Kopieren“-Schaltfläche, geben ihm einen neuen Namen, klicken dann auf die „Bleistift“-Schaltfläche und öffnen eine Datei im Windows-Excel-Format .csv. Die Möglichkeit, Kaltwasser-Temperaturen über eine Datei einzulesen, macht Polysun so flexibel, dass es auch für Vorlauftemperaturen von Fernwärmesystemen eingesetzt werden kann. Die Rücklauftemperatur wird über den Warmwasser-Dialog festgelegt.

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Abb. 78: Kaltwasserzufuhr-Profil aus Datei auswählen

Die Excel-Datei im .csv-Format enthält die Temperaturen des Kaltwasserzuflusses in 60-Minuten-Schritten. Die in der Datei enthaltenen Werte können überschrieben werden, anschließend wird die Datei unter einem neuen Namen gespeichert.

Abb. 79: Excel-Datei mit Kaltwassertemperaturen in 60-Minuten-Schritten

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Um das von Ihnen geänderte Profil auszuwählen, klicken Sie nochmals auf den Namen des von Ihnen geänderten Profils im Katalog und dann auf „Datei auswählen“.

Abb. 80: Auswählen des geänderten Profils Die Kaltwasser-Verteilung finden Sie unter Resultate – Komponenten-Resultate und dann unter dem Tab “Kaltwasser“. Ein Beispiel für ein nordeuropäisches Profil ist unten abgebildet.

Abb. 81: Kaltwasser-Temperaturen in den Komponenten-Resultaten

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3.4.2 Plattenwärmetauscher In Polysun stehen bei gewissen Anlagetypen interne, bei anderen externe WT zur Verfügung. Die Übertragungsrate des WTs ist umso besser, je grösser die Übertragungsfläche ist (d.h. die „Gesamttauscherfläche“), je dünner die Wandstärke des Rohres ist und je grösser die Leitfähigkeit des Materials ist, aus dem das Wärmetauscherrohr besteht. Schliesslich spielt es auch eine Rolle, wie hoch die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr ist. Diese hängt von der Durchflussrate ab. Die Zahl der „parallel durchströmten Schlangen“ gibt an, wie viele WT parallel (z.B. ineinander angeordnet) benutzt werden. Beim externen WT kann wahlweise eine „Fixe Einlasshöhe“ oder eine „Variable Einlasshöhe“ (d.h. eine Schichtlanze) verwendet werden. Es lässt sich sowohl das untere wie das obere Ende der Schichtlanze definieren. Interessanterweise liegt das Optimum bei der Höhe der Schichtlanze nicht bei der obersten Schicht, sondern auf etwa ¾ der Speicherhöhe. Dies bewirkt, dass im oberen Bereich des Speichers keine „perfekte“ Schichtung vorliegt, dafür aber die Wärmeverluste am oberen Deckel nicht so gross sind. Die Schichtlanze sollte aber mindestens bis in den Bereich eines Tagesbedarfes reichen. Die Wärmedurchgangsrate k [W/m2/K] mal die Übertragungsfläche A [m2] ergibt die Wärmeübertragungsrate des WT. Diese liegt in der Grössenordnung von einigen Tausend W/K. Die Grösse DT gibt an, wie gross die Temperaturdifferenz zwischen dem kollektor- und speicherseitigen, warmen Wasser ist (sein müsste), um die abgeführte Leistungsdichte von 500 W/m2 mit dem WT auf den Speicher zu übertragen. Diese Grösse hängt von der Übertragungsrate und der Kollektorfläche ab. Der Volumenstrom auf der Kollektorseite lässt sich durch die Durchflussrate bestimmen. Der Volumenstrom auf der Speicherseite ist dadurch bestimmt, dass der Kapazitätsstrom (= Durchsatz mal Wärmekapazität des Fluids) auf beiden Seiten des WTs derselbe ist. Falls im Kollektorkreis ein Glykolgemisch verwendet wird, im Speicher aber nur Wasser, sind die beiden Volumenströme nicht gleich. Wärmetauscher verbraucherseitig Wenn auf der Seite des Warmwasserverbrauches ein Wärmetauscher (WT) eingesetzt wird, geht es nicht nur darum, dass die Wärme möglichst effizient übertragen wird, sondern auch, die gewünschte Wassertemperatur zu erreichen. Dazu ist eine Regelung der Pumpe auf der Speicherseite des WTs vorgesehen. Diese ist so gesteuert, dass auf der Verbraucherseite gerade die gewünschte Wassertemperatur erzielt wird. Die Temperatur, die oben im Speicher vorliegen muss, um die gewünschte Warmwassertemperatur erreichen zu können, wird in der untersten Zeile des Dialoges als „Minimal nötige Speichertemperatur“ angegeben. Sie hängt von der Kalt- und Warmwassertemperatur, der Übertragungsrate und dem Nenndurchsatz ab. Der Nenndurchsatz gibt an, welche Menge Warmwasser pro Zeiteinheit im Maximum bezogen wird. Auch die entsprechende „Entnahmeleistung“ wird angegeben.

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3.4.3 Pumpen Das Polysun Pumpen-Modell basiert auf einer Pumpenkennlinie und prägt den in der Kennlinie vorgegebenen Volumenstrom in den Fluidkreislauf ein. In einem Fluidkreislauf kann nur eine Pumpe angebracht sein. Die Pumpe sperrt, wenn sie nicht läuft. Die Pumpen können in verschiedene Typen eingeteilt werden, je nachdem welcher Mechanismus den Durchsatz bestimmt:

Durchsatz bestimmt durch Kreislauf-Druckverlust. Entsprechend der Pumpenkennlinie wird der Volumenstrom ausgerechnet und in den Fluidkreislauf eingeprägt

Fixer Durchsatz: Ein fix vorgegebener Durchsatz wird in den Fluidkreislauf eingeprägt

Geregelter Durchsatz: Eine Steuerung regelt den Pumpendurchsatz Solaranlagen, bei denen der Kollektor auf dem Dach und der Speicher im Keller sind, benötigen eine Umwälzpumpe. Denn der Schwerkraft folgend würde das erhitzte Fluid im Kollektor oben und das kalte Fluid im Speicher unten bleiben. Anlagen, bei denen der Kollektor unterhalb des Speichers montiert ist, kommen ohne eine Pumpe aus. Solche, sogenannten Thermosiphon-Systeme, benötigen zur Vorgabe der Flussrichtung nur Rückschlagklappen. Sie besitzen nebst der Einsparung einer Pumpe, die auch mit Kosten für die elektrische Energie verbunden ist, eine inhärente, physikalische Steuerung, die bei starker Sonneneinstrahlung das Fluid schneller zirkulieren lässt, als bei geringer. Oft befindet sich der Kollektor über dem Speicher. Somit ist eine aktive Umwälzung des Fluids erforderlich. Der Betrieb der Pumpe kann aber einen beachtlichen Energieverbrauch mit sich bringen. Da eine Solaranlage 2000-3000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist (das Jahr hat 8760 Stunden), kann alleine die Energieaufnahme der Pumpe einige Prozent der gewonnenen Sonnenenergie ausmachen. Bei gut konzipierten grossen Anlagen liegt der Energieverbrauch der Pumpe aber unter einem Prozent des Sonnenenergieertrages. Der spezifische Durchsatz eignet sich gut als Mass für die Durchsatzdefinition, da damit auch die maximale Temperaturspreizung (Fluiderwärmung über dem Kollektor) direkt verbunden ist. Z.B. ist eine Fluiderwärmung von 20 auf 60°C nur bei voller Einstrahlung, hohen Aussentemperaturen und einem tiefen Durchsatz möglich. Bei höherem Durchsatz ist mit einer kleineren Temperaturspreizung zu rechnen. Die beiden Strategien werden als „Low-Flow“ (10-20 l/m2/h) und „High-Flow“ (30-40 l/m2/h) bezeichnet. Die Pumpenleistung hängt unter anderem vom Druckverlust im Kollektorkreis und der Kollektorfläche ab, wächst aber deutlich weniger als linear mit diesen. Ein Teil der Pumpenabwärme (25-90 %) wird an das Fluid abgegeben und kommt der Wärmebilanz der Solaranlage zugute. Allerdings ist dieser Energiegewinn skeptisch zu bewerten, da die verbrauchte elektrische Energie teuer und selten ökologisch unbedenklich erzeugt wurde.

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3.4.4 Ausdehnungsgefäße

Polysun bietet die Möglichkeit Membranausdehnungsgefässe (MAG) gemäss EN 12828 auszulegen. Als Voraussetzung muss für das System eine Simulation durchgelaufen sein. Danach muss zunächst das Dialogfenster der Solarkreispumpe geöffnet werden. Anschliessend

wird auf das Symbol für den Auslegungsassistenten (im oberen Bereich des Fensters) geklickt. Die Auslegung ist nur für reine Solarkreisläufe möglich. Ein weiteres Dialogfenster öffnet sich und fragt verschiedene Benutzereingaben ab. Wenn mit der Maus ein Augenblick auf den Eingabefeldern verweilt wird, wird ein Hilfetext angezeigt welcher die Bedeutung der Eingaben erklärt. Alle Werte die als „Abgeleitete Werte“ dargestellt sind, werden direkt aus der Polysun Simulation übernommen. Als Grundlage dazu dienen wesentlich die Rohrdimensionen, Kollektoren und Steuerungseinstellungen. Alle abgeleiteten Werte sind auf Plausibilität zu über-prüfen. Mit einem Klick auf „Übernehmen“ werden alle geänderten Werte übernommen. Die Änderungen im „Dialogfenster-Solarkreispumpe“ müssen ebenfalls mit „OK“ bestätigt werden. Jetzt können weitere Änderungen durchgeführt oder die Simulation gestartet werden. Die Auslegung des MAG hat keinen Einfluss auf die Simulation und deren Resultate. Die berechneten Werte für das MAG werden anschliessend im Professionellen Report im Abschnitt der entsprechenden Pumpe ausgegeben. Berechnungsgrundlagen des MAG in Polysun Minimaler Betriebsdruck (p0): 𝑝0 = 𝑝𝑠𝑡 + 𝑑𝑝𝑝 + 𝑑𝑝

Enddruck (pe): 𝑝𝑒 = 𝑝𝑆𝑉 − 0.5𝑏𝑎𝑟 für pSV ≤ 5 bar

𝑝𝑒 = 𝑝𝑆𝑉 − 0.1𝑏𝑎𝑟 für pSV > 5 bar

Nenninhalt (Vn): 𝑉𝑛 = (𝑉𝑒 + 𝑉𝑉 + 𝑉𝑘) ∗𝑝𝑒+1

𝑝𝑒−𝑝0 wobei:

Kollektorinhalt (Vk): Berechnung durch Polysun

Ausdehnungsvolumen (Ve): 𝑉𝑒 =𝑛

100∗ 𝑉𝐴 wobei:

Ausdehnungsgrad (𝑛): In Abhängigkeit des Fluides im Kreislauf

Anlagenvolumen (VA):

𝑉𝐴 = ∑ 𝐾𝑜𝑙𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛, 𝑅𝑜ℎ𝑟𝑙𝑒𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑒𝑡𝑐.

Wasservorlage (VV): 𝑉𝑉 = 0.005 ∗ 𝑉𝐴 für Vn > 15 l mit VV ≥ 3 l

𝑉𝑉 = 0.2 ∗ 𝑉𝐴 für Vn ≤ 15 l

110

3.4.5 Rohrleitungen und Wärmeträger 3.4.5.1 Rohrleitungen Die Rohrleitungen sind die Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der Solaranlage. Sie haben in erster Linie die Aufgabe, das Wärmeträgerfluid mit möglichst kleinem Wärmeverlust zwischen diesen zu transportieren. Dünne Rohre haben dabei den Vorteil, dass sie nur ein kleines Volumen aufweisen, somit wenig Fluid benötigen und das erwärmte Fluid schnell vom Kollektor zum Speicher befördert wird. Auf der anderen Seite verursachen sie bedeutend grössere Druckverluste, als Rohre mit grösserem Durchmesser, was eine erhöhte Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe mit sich bringt. In Polysun ist es möglich, Vor- und Rücklaufleitungen separat zu definieren. Damit ist es möglich, z.B. die (wärmere) Vorlaufleitung besser zu isolieren oder die Rücklaufleitung dicker zu dimensionieren, um den Druckverlust zu senken. Folgende Aspekte sind bei der Festlegung der Rohrstärke zu berücksichtigen:

Rohre mit grossem Durchmesser besitzen eine grosse Oberfläche und haben daher höhere Wärmeverluste

Rohre mit grossem Innendurchmesser lassen höhere Durchsätze zu

In stärkeren Rohren strömt das Fluid oft laminar, was den transversalen Wärmetransport im Fluid hemmt und somit kleinere Wärmeverluste verursacht

Stärkere Rohre besitzen ein grösseres Volumen (bei gleicher Länge), was eine grössere Menge an Wärmeträgerfluid im Kollektorkreis voraussetzt und das System träge macht

Aus diesen Überlegungen lässt sich ableiten, dass der Rohrdurchmesser eher klein sein sollte und im Wesentlichen durch das Kriterium eines angemessenen Druckverlustes bestimmt wird. Durchmesser und Wandstärke der Rohre sind gegeben durch einen Katalog von handelsüblichen Rohren (aus Kupfer und Stahl). Bei Kupferrohren bedeutet die Spezifikation 22 x 1 einen Aussendurchmesser von 22 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Bei Gasrohren ist jeweils der Innendurchmesser in inches (1 inch = 2.54 cm) angegeben. 3.4.5.1.1 Wärmedämmung der Rohre Die Wärmedämmung der Rohrleitungen ist sehr wichtig. Die hart errungenen Prozente beim Kollektorwirkungsgrad möchte man nicht bei der Wärmeübertragung in den Speicher wieder verlieren. Gute Wärmedämmstoffe in angemessener Dicke von einigen cm sorgen für erträgliche Wärmeverluste. Die Anschlussrohre werden vom Austritt weg so gut wie möglich isoliert. Die Dämmstärke kann mit folgendem Dialog eingestellt werden (Doppelklick auf das Rohr):

111

Abb. 82: Rohrdialog

Die Dicke der Wärmedämmung, sowie deren Wärmeleitfähigkeit ist frei definierbar. Ebenfalls entscheidend für das thermische Verhalten der Leitungsrohre sind die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der verwendeten Metallrohre. Die totale Leitungslänge, kann bei den entsprechenden Feldern separat angegeben werden. Es ist wichtig, auch Details wie die Länge der Rohrleitung im Innern gegen über der Leitungslänge in Freien in der Simulation zu berücksichtigen. Dazu setzt man (auf Designer-Stufe) zwei separate Rohre, deren Dämmstärke und Länge dann separat eingegeben werden können. 3.4.5.1.2 Dimensionierung der Rohre

Abb. 83: Abmessungen eines Wellrohrs (D=Durchmesser, A=Wellsteighöhe, B=Wellbreite, C=Korrekturtiefe)

112

3.4.5.2 Wärmeträgerflüssigkeiten (Fluide) Die klimatischen Gegebenheiten in Mitteleuropa machen es erforderlich, dass Solaranlagen auch Minustemperaturen standhalten müssen. Dies verunmöglicht es z.B., dass im Kollektor das benötigte Warmwasser direkt erzeugt wird. Wenn reines Leitungswasser im Kollektor gefriert, zerstört es durch seine Ausdehnung den Kollektor. Normales Leitungswasser hat zudem den Nachteil, dass der Kollektor mit der Zeit verkalken würde. Um das Wärmeträgerfluid für die genannten Anforderungen tauglich zu machen, wird normales Wasser mit einem gewissen Anteil Glykol vermischt. Es wird dafür in vielen Fällen Ethylenglykol (z.B. Antifrogen L) oder Propylenglykol (z.B. Antifrogen N) als Frostschutzmittel verwendet. Da das Fluid in einem geschlossenen Kreis zirkuliert, ist das Verkalkungsproblem nicht akut. Beim Mischungsverhältnis sind verschiedene Gesichtspunkte zu beachten:

Die Wärmekapazität des Fluids nimmt mit zunehmender Glykolkonzentration ab

Die Zähigkeit erhöht sich bei höherem Glykolanteil (Problem des Druckverlustes)

Der Gefrierpunkt sinkt mit zunehmendem Glykolanteil

Der Siedepunkt steigt mit zunehmendem Glykolanteil

Mögliche chemische Prozesse, speziell bei Übergängen verschiedener Metalle, müssen berücksichtigt werden

Die Hitzebeständigkeit der Fluids ist zu beachten Ab einer gewissen Konzentration verursacht gefrierendes Fluid keine Probleme mehr, da es nicht mehr wie Eis (kristallin) gefriert, sondern eine sulzig-körnige Struktur erhält. Es kann keine Sprengwirkung mehr entfalten. Ab einem Volumenanteil von 33 % (Propylenglykol), bzw. 38 % (Ethylenglykol) tritt der erwähnte Effekt ein. In Polysun kann die Glykolkonzentration definiert werden. Die entsprechenden physikalischen Eigenschaften werden für eine Temperatur von 50 °C angegeben. 3.4.5.3 Wärmemedien (Fluidmischung)

Frostgefahr im Winter: Wenn damit zu rechnen ist, dass Aussentemperaturen von unter 0°C auftreten können, sollte ein Frostschutzmittel (in der Regel Glykol) verwendet werden. Je höher aber der Anteil des Glykols ist, desto kleiner ist die Wärmekapazität des Fluids. Bei Ethylenglykol wird normalerweise ein Anteil von 33 % (bei Propylenglykol ein solcher von 38 %) verwendet. Dieser sorgt jeweils dafür, dass selbst bei extremen Minustemperaturen das Fluid nur „sulzig“ gefriert und keine Sprengwirkung im Kollektorinnern entwickelt.

Verkalkung der Anlage: Dabei gibt es zwei Aspekte zu bedenken: Wenn im Kollektor Rohre mit dünnem Innendurchmesser verwendet werden, kann eine Verkalkung den Kollektor mit der Zeit verstopfen. Zum anderen kann auch im Speicher die Verkalkung zu einem Problem werden. Diese tritt verstärkt auf, wenn das Wasser auf Temperaturen über 60°C erwärmt wird.

Keimfreiheit des Speichers: Wird das Brauchwasser direkt im Speicher bereitgehalten, kann es zu Legionellenbildung kommen. Dies lässt sich verhindern, indem der Speicher periodisch über 65°C erhitzt wird. Bei

113

Brauchwasseranlagen mit über 50% Jahresdeckungsgrad ist diese im Sommerhalbjahr aber durch die auftretenden Temperaturen gewährleistet.

Bei der Wahl des Systems kommen natürlich auch Kostenüberlegungen ins Spiel. Externe WT sind in der Regel teurer als interne, brauchen eine zusätzliche Pumpe, erzielen aber höhere Übertragungsleistungen als interne WT. Externe WT werden vor allem bei grossen Anlagen eingesetzt, wo die Mehrkosten durch den höheren Ertrag wettgemacht werden. Glykol als Frostschutz ist durchaus ein Kostenfaktor. In der Regel setzt man es deshalb nur im Kollektorkreis ein, nicht aber als Speicherflüssigkeit (auch wegen der geringeren Wärmekapazität).

3.4.6 Dreiwegventile Bei der Analyse der Fluidkreisläufe spielen Dreiwegventile eine wichtige Rolle. Sie teilen den einfliessenden Fluidstrom in einem vorgegebenen Verhältnis auf. Die Ventilposition eines Mischventils wird von der Steuerung geregelt. Je nach Situation im Anlageschema teilt das Dreiwegventil einen eintretenden Fluidstrom auf, oder es führt zwei Fluidströme zusammen. Reguliert wird der mit x bezeichnete Ausgang. Ist das Signal der Steuerung logisch eins, ist Ausgang x voll geöffnet. Die beiden Situationen sind in folgender Graphik schematisch dargestellt:

Abb. 84: Fluidströme in Dreiwegventilen

3.5 Wärmeverbraucher

3.5.1 Warmwasser Je nach Gewohnheiten und Vorlieben der Hausbewohner variiert der Warmwasserverbrauch in einem Haushalt beträchtlich. Deshalb ist der Deckungsgrad einer Solaranlage vom Verbraucherprofil abhängig. Im Prinzip werden selten Wassertemperaturen über 50°C benötigt. Eine Ausnahme bildet der Bereich der Küche, wo manchmal Temperaturen bis 55°C gefragt sind. Ist die Anlage nicht optimal auf das Verbraucherprofil ausgelegt, kann dies unangenehme Folgen haben: Wenn zum Beispiel am Abend sehr viel Warmwasser verbraucht wird, fällt dadurch das Temperaturniveau im Speicher. Sinkt die Speichertemperatur zu stark ab, beginnt die Zusatzheizung Energie einzuspeisen. Falls die Zusatzheizung über Nacht zu wenig freigeschaltet ist, fehlt am Morgen das nötige Warmwasser.

114

Diese Angaben zum Warmwasser können im Dialog bei den Verbrauchern eingegeben werden. Verschiedene Verbrauchsprofile für tägliche, wöchentliche und jährliche Schwankungen können definiert werden.

Der Warmwasserverbrauch ist in vielen Haushalten im Sommer nicht genau gleich wie im Winter. Diese jahreszeitliche Änderung können in den monatlichen Bezugsmengen berücksichtigt werden. Je nach Region ändert sich die Kaltwassertemperatur des Leitungswassers. Im Durchschnitt liegt diese bei etwa 10°C. Bedarfsprofil und Abwesenheiten Im Dialogfenster für den Warmwasserverbrauch kann zwischen „Profil“ und verbrauchsspezifischen „Monatswerten“ umgeschaltet werden. Es stehen standardmässig sechs VDI 6002 Profile für Warmwasser zur Verfügung. Jedes einzelne Profil kann über den Jahresbedarf individuell skaliert werden.

Abb. 85: Warmwasserdialog

115

Die einzelnen Dateien sind im Polysun Installationspfad im Ordner „profiles“ abgelegt. Ändern Sie keine der bestehen Profil Dateien, Polysun prüft vor jeder Verwendung, ob die Datei manipuliert wurde. Es besteht die Möglichkeit eigene Profile nach Ihren Bedürfnissen zu erstellen. Die Datei besteht aus zwei Spalten. Die erste Spalte definiert den Zeitpunkt in Sekunden (0 bis 31536000) an dem eine Änderung des Warmwasserbezugs stattfindet. Die zweite Spalte definiert den entsprechenden Warmwasserbedarf in Liter ab diesem Zeitpunkt. Das Erstellen eines Profils für Polysun funktioniert am besten mit einen Tabellen-kalkulationsprogramm wie zum Beispiel Excel. Hier ist ein Ausschnitt aus einem Profil: … 18000;4.6 21600;4.6 25200;16 28800;16 … Somit wird ab der 18000 Sekunde eine Wassermenge von 4.6 Liter gezapft und eine Stunde später nochmals eine Menge von 4.6 Liter usw. Bemerkungen

Es können Profile mit einer Genauigkeit von einer Sekunde erstellt werden.

Im Profil- Katalog müssen Sie nur noch eine Zeile kopieren und den Dateiname dementsprechend anpassen, sowie den Profiltyp richtig wählen.

Abb. 86: Profildialog

116

Für Warmwasserverbräuche (bei Nichtanwendung eines Profils) und das Gebäudemodell können Abwesenheiten wie z.B. Ferien definiert werden, um den Energiebedarf weiter zu differenzieren. Während dieser Zeit werden bei dem:

Warmwasserverbrauch keine Zapfungen getätigt.

Gebäude die Belüftung ausgeschaltet, die Soll-Temperatur auf den Nachtwert gesetzt und keine internen Wärmeerträge mehr hinzugefügt.

Die Abwesenheiten (Katalog Zeitperioden) lassen sich aus mehreren Schaltzeiten (Katalog Zeitperiode) kombinieren. Sobald eine der Zeitperioden ein ist, gilt dieses Resultat auch für die Kombination. Bsp.: Die erste Zeitperiode definiert den August als abwesend, die zweite alle Wochenenden. Als Resultat gilt jedes Wochenende und der ganze August als abwesend. August ein: Wochenenden ein: Resultat: Jede Zeitperiode definiert einen Anfangs- und einen Endzeitpunkt. Die Zeit dazwischen gilt als Abwesenheit. Wird der Anfangs- nach dem Endzeitpunkt definiert, erstreckt sich die Zeitperiode über den Jahreswechsel. Bsp.: Der Anfangszeitpunkt ist auf Anfang November gesetzt, der Endzeitpunkt auf Ende Februar. Als Resultat gilt die Zeit von Anfang der Simulation bis Ende Februar und von Anfang November bis Simulationsende als abwesend. November bis Februar: Für jeden Wochentag kann die wöchentliche Wiederholung aktiviert werden. Diese wird zwischen dem Anfangs- und Endzeitpunkt wiederholt. Die Einschaltzeit entspricht der Uhrzeit des Anfangszeitpunkts und die Ausschaltzeit der Uhrzeit des Endzeitpunkts an den ausgewählten Wochentagen. Bsp.: Der Anfangszeitpunkt ist auf Anfang Februar 8:00, der Endzeitpunkt auf Ende März 20:00 gesetzt. Für die Wiederholung ist der Mittwoch ausgewählt. Als Resultat gilt im Februar und März jeder Mittwoch von 8:00 bis 20:00 als abwesend. 1. Februar 8:00 bis 31. März 20:00, mittwochs: Warmwasserbedarfsprofiltypen Tab. 14: Warmwasserbedarfsprofiltypen

Profiltyp Spalten Bemerkung

Warmwassermenge [l] Zeit [s]; Wassermenge [l]

HotwaterFlowrate [l/h] Flow in l/h; Zeitstempel in min

HotwaterFlowrate Profil von DHW-Format (externes Format)

Warmwassermenge, - Zeit [s]; Ist die Wassermenge des Zeitschrittes

117

temperatur und -durchfluss („Warmwasservollprofil“)

Wassermenge [l]; Temperatur [°C]; nomineller Durchfluss [l/h]

aufgebraucht, wird der Durchfluss 0. Falls der Durchfluss zu klein ist, wird nicht die volle Wassermenge gezapft.

Bei allen Profilen können die Zeitschritte frei gewählt werden und müssen nicht regelmässig sein. Beispielsweise können jeweils während des Tages 12 Minutenintervalle und für die Nacht nur zwei Warmwasserprofilintervalle im Profil vorhanden sein.

3.5.2 Gebäude Das entworfene System soll nicht nur den Warmwasserbedarf für Bad und Küche

abdecken, sondern auch den für die Raumheizung.

Alle modernen Heizsysteme lassen die manuelle Einstellung der gewünschten

Temperatur zu. Der Energieverbrauch des Systems hängt von dieser Einstellung ab.

Beispielsweise sollte bei einer Aussentemperatur von -10°C die Vorlauftemperatur 45°C

sein. Der Temperatur-Level der Wärmeträgerflüssigkeit, die aus dem System wieder

rückläuft, ist 15°C niedriger als der beim Austritt aus dem Speicher. Je näher die

Aussentemperatur an der Grenztemperatur liegt, umso niedriger ist die Differenz

zwischen Vorlauf- und Rücklauf-Temperatur.

Das Gebäude-Icon steht dabei für beheizte Räume (zu beheizender Wohnbereich

inklusive der Wände) oder unbeheizte Räume (wie Garagen, Keller, Kellerraum, in dem

das Heizsystem installiert werden kann) oder für beide. Dadurch kann der tatsächliche

Verbrauch mit grösserer Genauigkeit geschätzt werden.

Unbeheizte Räume können im Gebäude-Dialogfenster aktiviert werden, wie in

Abbildung 80 gezeigt. Die Temperatur des unbeheizten Bereichs kann dabei als

Konstante gewählt werden oder als Temperatur-Bandbreite zwischen der niedrigsten

und der höchsten Temperatur während des Jahresverlaufs. Der Monat mit der höchsten

Aussentemperatur sollte entsprechend dem Standort des Systems gewählt werden.

118

Abb. 87: Dialogfenster Gebäude

Beheizte Fläche

Abhängig von der Komplexität Ihres Modells bietet Ihnen Polysun zwei Simulations-

Modelle an: dynamisch und vereinfacht.

Dynamische Modelle

Der dynamische thermische Bedarf des Gebäudes ist in den Simulations-Algorithmus

integriert und kann abgeleitet werden durch Beachtung der Heiz-/Kühl-Energiebilanz-

Gleichung – hier in einer vereinfachten Form dargestellt:

HG = Wärmegewinn

HL = Wärmeverlust

MCp = Wärmekapazität

= Temperaturveränderung pro Zeitschritt im Gebäude

= Zeitschritt

t

TMCpHLHG

T

t

119

Diese Gleichung berücksichtigt passive Wärmegewinne durch die Sonne, die

Körperwärme der Menschen, die in dem Gebäude leben, die Luftwechselrate, die Art

der Beleuchtung und schliesslich die vorhandenen Elektrogeräte. Das Fensterfläche-

Wand-Verhältnis (engl. Window-to-wall-ratio, WWR) ermöglicht es, auch den Einfluss

der verwendeten Art der Verglasung zu berücksichtigen. In Abhängigkeit von den

verwendeten Fenstern kann sich dies im SHGC-Wert (Solar Heat Gain Coefficient,

solarer Wärmegewinn-Koeffizient) niederschlagen.

Entsprechend wird der Energieertrag wie folgt berechnet:

[W]

: Gesamte Solareinstrahlung auf die Wand [W]

: Solar Heat Gain Coefficient bzw. Solarer Wärmegewinn-Koeffizient, Wert hängt

von der verwendeten Fensterart ab [-]

: Fensterfläche-Wand-Verhältnis [-]

: Wärmegewinn durch die Körperwärme der in dem Gebäude lebenden

Menschen [W]

: Wärmegewinn durch die Beleuchtung des Gebäudes [W]

HGequipment : Wärmegewinn durch den Betrieb elektrischer Geräte [W]

: Wärmegewinn/Wärmeentzug durch das Heiz-/Kühlsystem (in der Kühlperiode ein

negativer Wert) [W]

[W]

[W]

Wobei U für den gesamten Wärmetransferkoeffizienten des Gebäudes steht, A für die

gesamte Oberfläche der Gebäudehülle, für die Innen- und für die

Aussentemperatur.

[W]

Hier stehen und für den Tagesdurchsatz, die Dichte und die spezifische

Wärmekapazität der Frischluft steht, die durch das Ventilatorsystem ins Gebäude geholt

wird.

[m3/s]

: Gesamter mit dem Ventilator belüfteter umbauter Raum [m3]

GsysntHGequiptmeHGlightHGpeopleWWRSHGCGHG **

G

SHGC

WWR

HGpeople

HGlight

Gsys

iltrationHLionHLventilatsionHLtransmisHL inf

)( ToutTinUAsionHLtransmis

Tin Tout

)(*)(.

ToutTinfreshairCpVionHLventilat

,,.

V Cp

3600

*. tionACHventilaVfreshairV

V

120

ACHventilation: Zahl der Luftumwälzungen durch das Ventilatorsystem [1/hr]

ACHinfiltration: Zahl der Luftumwälzungen durch Infiltration.

* In der Kühlperiode haben , und jeweils

einen negativen Wert.

Bei der Angabe der gesteuerten Belüftung gibt die Luftwechselrate an, wie häufig pro

Stunde die gesamte Luft ausgetauscht wird. Der Umfang der Wärme, die durch mittels

eines Luft-/Luft-Wärmetauschers zurückgewonnen werden kann, liegt typischerweise

bei etwa 50 Prozent. Auch dieser Wert kann bei Polysun eingegeben werden (im

Parameter Effizienz Wärmerückgewinnung). Zusätzlich werden auch automatische

Abschattungen (etwa durch Jalousien oder Sonnensegel) berücksichtigt: Wenn die

Aussentemperatur über den Wert steigt der in Abschattungs-Temperatur eingegeben

ist, wird die Einstrahlung um 90 Prozent reduziert.

Das Polysun-spezifische Gebäude-Modell kann zusätzlich extensiv und individuell

angepasst werden. Sollten die spezifischen Heizlasten unbekannt sein, wird das

Gebäude entsprechend veränderbarer Standard-Dimensionen und über eine Vielfalt

aus einem Katalog auswählbarer Gebäudetypen (die wiederum zahlreiche

internationale Standard-Haustypen abbilden) definiert. Wenn Sie irgendeinen

Parameter eines Gebäudes, das Sie aus dem Katalog ausgewählt haben, verändern,

beachten Sie jedoch, dass Sie den Wert für U entsprechend ändern. Der U-Wert

bezieht sich auf das gesamte Gebäude inklusive der Türen und Fenster. Der Vorzug

des Gebäudemodells besteht in zahlreicheren Möglichkeiten zur Individualisierung des

Grundrisses und der Möglichkeit, in einem Gebäude mehrere Heizkreise

unterzubringen.

Hat das System für mehr als sechs Stunden nicht genug Heizenergie zur Verfügung,

erscheint eine Energiedefizit-Warnung am Ende der Simulation.

Alternativ kann ein Gebäude definiert werden entweder anhand eines bekannten

Energiebedarfs oder anhand des Jahresenergieverbrauchs (sogenanntes vereinfachtes

Gebäudemodell). Geben Sie hierzu bei der Frage "Energieverbrauch bekannt" ein "Ja"

ein. In diesem Fall wird eines der vereinfachten Gebäudemodelle verwendet.

)(*inf)(inf.

ToutTiniltrationCpViltrationHL

3600

inf*inf

. iltrationACHViltrationV

sionHLtransmis ionHLventilat iltrationHL inf

121

Vereinfachte Modelle

1. Das Quasi-dynamische Modell berücksichtigt dynamische

Gebäudeeigenschaften (wie Solarertrag), selbst wenn die statischen Verbrauchswerte

durch den Benutzer vorgegeben werden, bevor die Simulation startet.

2. Das bekannte Gradstunden-Modell. Informationen über dieses Modell können

Sie im Buch Solar Engineering of Thermal Processes 3rd Edition, von John A. Duffie

und William A. Beckman (2006, Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons Inc.) finden.

3. Modell für den stundengenauen Energieverbrauch. Ziel dieses Modells ist es,

den Heiz- und/oder Kühlbedarf in Form von Stundenwerten für das Gebäude

auszulesen und zu verarbeiten.

Es gibt vier Möglichkeiten, den Heizenergiebedarf im vereinfachten Modell zu

definieren:

1) Der jährliche Energiebedarf ist der gesamte jährliche Heizenergiebedarf des

Gebäudes (ohne Warmwasser). Der gesamte Wärmeverlust des Gebäudes ist der

durch die Gebäudehülle und der durch Ventilation bzw. Infiltration. Dieser Wert ist

immer grösser als der des gesamten jährlichen Energiebedarfs und schwankt in

Abhängigkeit von der Gebäudeart und dem Klima.

2) Der Brennstoffverbrauch des Wärmeerzeugers wird mit seiner Effizienz

multipliziert (dabei wird für neue Generatoren eine Effizienz von 85 Prozent, für alte

Generatoren eine von 60 % angenommen).

3) Der maximale Heizleistungsbedarf kann auf zwei Arten errechnet werden:

a) wenn bekannt ist, zu welchen Zeiten der Wärmeerzeuger mit

Spitzenlast läuft (ablesbar aus einer Tabelle),

b) wenn die höchsten Wärmeverluste bei den niedrigsten

Umgebungstemperaturen bekannt sind, kann der UA-Wert (Gebäudeeigenschaft)

berechnet werden und daraus folgend die jährlichen Wärmeverluste und der Bedarf des

Gebäudes.

4) Der monatlich-jährliche Bedarf folgt demselben Ansatz wie der jährliche

Energiebedarf, verteilt die verfügbaren Heizenergiebedarfe und Wärmeverluste aber auf

die einzelnen Monate.

Von grosser Bedeutung ist die Platzierung der thermischen Komponenten in Bezug auf

das Gebäude. Dafür stehen drei Orte zur Verfügung: ausserhalb des Gebäudes, in

einem beheizten oder einem unbeheizten Raum des Gebäudes. Beispielsweise kann

der Speicher entweder im Gebäude oder ausserhalb installiert werden. Polysun lässt

Sie ein Projekt auch mit mehr als einem Gebäude entwerfen. Wenn Sie sich für eine

Platzierung des Speichers innerhalb des Gebäudes entscheiden, müssen Sie angeben,

wo der Speicher installiert werden soll, namentlich, ob in einem beheizten oder einem

122

unbeheizten Raum. Wenn Sie den Speicher in einem unbeheizten Raum installieren,

kann der Prozentsatz des Wärmeverlustes an die beheizten Räume definiert werden.

Abb. 88: Installation der thermischen Komponenten im Innenbereich, in der beheizten Wohnfläche oder in

den unbeheizten Räumen

Für die Komponenten, die auf der beheizten Fläche installiert werden, fliessen die

Wärmeverluste in die Wärmegleichung des Gebäudes mit ein. In die thermische Bilanz

fliessen die tatsächlichen thermischen Gewinne und Verluste ein. Die nachstehende

Grafik verdeutlicht, wie Wärmeverluste thermischer Komponenten die Wärmegleichung

des Gebäudes beeinflussen und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur, zu der

dieser Wärmeverlust stattfindet.

Abb. 89: Grafische Veranschaulichung der Bedeutung von Wärmeverlusten in der Wärmegleichung eines

Gebäudes in Abhängigkeit von der Temperatur

𝑡, ℃ 𝑇𝑠𝑒𝑡 + 1℃ 𝑇𝐶

QR

QNR

QCD

123

Die Wärmeverluste an den unbeheizten Raum werden anhand des folgenden Ansatzes

errechnet:

1) Ist die Raumtemperatur niedriger als die Sollraumtemperatur 𝑇𝑠𝑒𝑡 + 1℃, decken

die Wärmeverluste einen Teil des Heizbedarfs (so genannte wiederverwertbare

Verluste QR);

2) Ist die Raumtemperatur über der Sollraumtemperatur 𝑇𝑠𝑒𝑡 + 1℃, aber unter der

Sollraumtemperatur Kühlen 𝑇𝐶, können die Wärmeverluste nicht im Gebäude verwendet

werden (so genannte nicht wiederverwertbare Verluste QNR),

3) Liegt schliesslich die Raumtemperatur über der Sollraumtemperatur Kühlen,

führen die Wärmeverluste zu einer noch stärkeren Aufheizung des Gebäudes und

steigern so den Kühlungsbedarf QCD.

Die unbeheizten Räume haben eine weitere mögliche Funktion in thermischen

Systemen. Sie können eine Wärmequelle für eine Abluftwärmepumpe sein. Diese

Abluftwärmepumpen werden im Kapitel 4.1.3 detailliert beschrieben.

Abb. 90: Beispiel einer Wärmepumpe, die in einem unbeheizten Raum installiert wurde

Energiebedarf in Form von Stundenwerten. Dieses Modell berechnet den

Energiebedarf in Form von Stundenwerten. Es erlaubt genaue Modellierungen des

Heiz-/Kühlsystems durch die genaue Berechnung des Energiebedarfs für das Gebäude

in Verbindung mit der Zieltemperatur für jede Stunde.

124

Abb. 91: Auswahl des Energiebedarfsmodells in der Polysun-Benutzeroberfläche

Das Bedarfsprofil mit Stundenwerten wird als eine .csv-Datei erstellt. Wenn Sie die

Projekt-Dateien von einem Computer zu einem anderen kopieren wollen, ist es wichtig,

diese .csv-Datei mit den Stundenwerten für Heiz- und Kühlbedarf mit zu übertragen.

Andernfalls erscheint eine Fehlermeldung mit dem Hinweis darauf, dass diese Datei

fehlt.

Abb. 92: Fehlermeldung –Energiebedarfsmodell in Stundenwerten-Eingabedatei fehlt

Die Datei enthält drei Spalten. In der ersten Spalte werden die Stunden eines Jahres

nach Sekundenzahlen genannt. In der zweiten Spalte ist der Heiz- oder/und Kühlbedarf

des Gebäudes in Watt (W) verzeichnet. In der dritten Spalte ist die Zieltemperatur für

das Gebäude in der angegebenen Stunde in °C verzeichnet. Diese ist variabel, weil sie

von der Jahres- und Tageszeit abhängt. Bitte beachten Sie, das die Heizbedarfe als

positive Werte (plus) angegeben werden und die Kühlbedarfe als negative Werte. Sie

finden Beispiele für Heiz- und Kühlbedarfs-Eingabedateien im Ordner „Beispiele“ unter

den Namen „ExampleHourlyInputOfBuildingHeatingDemand.csv“ und

125

„ExampleHourlyInputOfBuildingCoolingDemand.csv“. Sie finden die Dateien im Ordner

…\Users\Public\Polysun\examples.

An derselben Stelle finden Sie auch ein Beispielsprojekt. In diesem Projekt werden

sowohl die Heiz- als auch die Kühlfälle mit dem Energiebedarfsmodell in Stundenwerten

simuliert. Der Name der Projektdatei ist „ExampleHourlyInputOfBuildingDemand.pse “.

Bevor Sie die Simulation starten, sollten Sie die eben erwähnten .csv-Dateien für die

Gebäude mit den jeweiligen Heiz- und Kühlbedarfen importieren.

Das Modell des Energiebedarfs in Stundenwerten kann als Schnittstelle für andere

Simulations-Software benutzt werden. Diese Simulationssoftware sollte die

Verarbeitung von Gebäude-Energiebedarfsstundenwerten zulassen. In diesen Fällen

kann das Gebäude zuerst im Detail mit anderer Gebäudesimulations-Software (wie

Energy Plus, IDA ICE usw.) simuliert werden. In einem zweiten Schritt können dann die

Energiebedarfs-Dateien in Polysun importiert werden, wo ein

Energieversorgungssystem entworfen und dimensioniert werden kann. Dieses

Schnittstelle lässt sowohl den Import der Daten für das ganze Gebäude als auch den für

unterschiedlich temperierte Zonen eines Gebäudes zu. In einer unserer Anleitungen

wird beschrieben, wie die Gebäudedaten von IDA ICE nach Polysun importiert werden

können. Auf Wunsch senden wir Ihnen diese Anleitung gern zu.

3.5.3 Schwimmbad Das Schwimmbadmodul ist als Komponente mit zwei Anschlüssen realisiert. Implizit wird mit einer Frischwasserzufuhr gerechnet, welche als Parameter eingegeben werden kann. Die physikalischen Modelle umfassen ausserdem die Kombination aus Verdunstung, Wärmeabgabe an die Umgebung, Konvektion, Abstrahlung, Einstrahlung. Parametriert wird das Schwimmbad mit den geometrischen Massen (Länge, Breite, Tiefe), sowie dem U-Wert zwischen Pool und Erdreich. Die Betriebszeiten des Schwimmbades werden über das Datum (Tag im Monat) sowie die Öffnungszeiten (Stunde im Tag) angegeben. Ausserdem kann mit „Abdeckung“ und „GapLosses“ angegeben werden, ob und wie dicht das Schwimmbad bei Nichtbenutzung abgedeckt wird. Mit Doppelklick auf ein Schwimmbad kann aus dem Katalog entweder ein Hallenbad oder ein Freibad gewählt werden. Beim Freibad werden die Raumtemperatur und relative Luftfeuchtigkeit sowie die Rückgewinnung der Verdunstungswärme nicht berücksichtigt. Andererseits haben der Windanteil und die Schwimmbadabsorption keinen Einfluss auf das Hallenbad. Der Schwimmbad Absorptionsgrad der Globalstrahlung beträgt je nach Farbe, Tiefe und Abdeckung zwischen 60 und 90% (Duffie und Beckman 60%). Die Reflexion des Lichts an der Wasseroberfläche beträgt 8% und ist bereits berücksichtigt. Definition der Grundgrössen

Asurf = area of the pool surface in m2

T pool= water temperature inside the pool in ° C

T amb= ambient temperature in the air outside the pool in ° C

vwind= wind speed in m/ s

126

Wärmeabgabe an das beckenumschliessende Erdreich 𝑄𝐻 = 𝑢 ∙ 𝐴𝑤𝑎𝑙𝑙𝑠 ∙ 𝑇𝑝𝑜𝑜𝑙 − 𝑇𝑠𝑜𝑖𝑙

Awalls = total wall and floor area in m2 u = U-value in W/m2K

mit einer Zeitkonstante von= 7 Tagen.

Dies entspricht einer Schrittantwort der Form Wärmeverlust durch Verdunstung an der Wasseroberfläche Formel nach Transsolar (TRNSYS TYPE 144):

mit den Fitparametern [Auer96]

Die folgende Graphik zeigt den Einfluss von Wind und relativer Luftfeuchtigkeit auf die

flächenbezogene Verdunstungswärme.

Abb. 93: Einfluss von Wind und relativer Luftfeuchtigkeit

Wärmeverlust durch Abstrahlung (Emissionsverluste)

Wärmegewinn durch direkte Sonneneinstrahlung

QEvap/ Asurf

0

50

100

150

200

250

300

10 15 20 25

Am bie n t Te m pe ra ture [°C]

Ev

ap

ora

tio

n H

ea

t L

os

s [

W/m

^2

]

vw ind = 0 km/h; rho = 100%

vw ind = 0 km/h; rho = 80%

vw ind = 0 km/h; rho = 60%

vw ind = 0 km/h; rho = 40%

vw ind = 3.2 km/h; rho = 100%

vw ind = 3.2 km/h; rho = 80%

vw ind = 3,2 km/h; rho = 60%

vw ind = 3.2 km/h; rho = 40%

127

Wärmeverlust durch Konvektion

Wärmeverlust durch Pool-Wasseraustausch (Frischwasserzufuhr)

= Frischwasserzufuhr in . Typisch: 2% des Pool-Volumens pro Tag oder je Badegast 50 l pro Tag.

= Dichte von Wasser =

= spezifische Wärmekapazität von Wasser =

3.5.4 Wärmesenke/-quelle Eine vereinfachte Darstellung einer Heizlast kann durch die Komponenten Wärmesenke und/oder Radiator Heizmodule (Radiatoren, Fussbodenheizung, Lüfter) realisiert werden. Erstere wird über einen fixen Vorlauf, Temperaturgradienten, Durchfluss und Leistungsbereich definiert. Die vorgegebenen Leistungsstufen können ab Benutzerlevel Designer Benutzerstufe Professional frei editiert werden. Die Nutzung der Wärmesenke empfiehlt sich dadurch besonders zur Darstellung von Prozesswärmevorgängen, da beliebige Leistungsabnahmen bzw. Abgaben frei definierbar sind. Die Modellierung des Radiators Heizmoduls ergibt sich aus dessen spezifischen Abstrahlungseigenschaften, Leistungs- sowie Durchflussverhältnis und Vor- und Rücklauftemperatur. Aufgrund der hier angegebenen Werte, kann eine Simulation ohne die im Verbraucherdialog definierten, gebäudebezogenen Daten durchgeführt werden. Jahreszeitliche Dynamiken auf der Verbraucherseite, werden somit aber bei beiden Komponenten nicht mehr erfasst.

Polysun-Video

Thermische Lasten frei definieren

Polysun-Video

Nahwärmenetze und mehrere thermische Verbraucher

128

3.6 Systeme

3.6.1 Standardvorlagen

3.6.1.1 Wahl der richtigen Vorlage Wir empfehlen Ihnen, Ihr System zunächst auf der Basis einer in Polysun enthaltenen Standardvorlage zu entwerfen. Sie finden diese Standardvorlagen im Haupt-Fenster unten links.

Abb. 94: Standardvorlagen

Viele dieser Vorlagen beziehen sich auf thermische Solaranlagen. Im Standardvorlagen-Baum sind sie in verschiedenen Ordnern abgelegt und werden abhängig von der Last wie folgt angezeigt:

Warmwassersysteme

Raumheizungssysteme

Warmwasser- und Raumheizungssysteme

Solare Schwimmbadsysteme

Abluftwärmepumpensysteme

Bivalente Systeme (Wärmepumpe plus konventionelle Energieerzeugung)

Fernwärme (Energiebezug)

Photovoltaik (Netzeinspeisung)

Photovoltaik (Inselsystem)

Photovoltaik plus el. Wärmeerzeugung (“Power to Heat”)

Solare Prozesswärme/Fernwärmesysteme (Einspeisung)

Hybrid-Kollektor-Systeme (PVT)

Kühlsysteme

Eisspeichersysteme

BHKW/Brennstoffzellensysteme Thermische Solaranlagen können auch in Kombination mit anderen Technologien, etwa Photovoltaik-Modulen oder einer Wärmepumpe, verwendet werden. Wenn Sie ein solches System planen, können Sie die Standardvorlage dafür auch in einem oder mehreren anderen Ordner(n) finden.

129

Abb. 95: Standardvorlagen-Baum

Die von Ihnen gewählte Standardvorlage sollte den technischen Spezifikationen des tatsächlich von Ihnen zu planenden Systems am nächsten kommen. Wenn Sie mit Ihrem Mauszeiger über den Namen der Standardvorlage fahren und dort verweilen, wird Ihnen eine Vorausschau des Systems angezeigt. Diese Visualisierung soll Ihnen dabei helfen, die hauptsächlichen Eigenschaften des mit der Standardvorlage vorgeschlagenen Systems zu erkennen. Die wichtigsten Parameter, die bei der Auswahl der geeigneten Standardvorlage zu berücksichtigen sind, lauten: 1) Art des Systems: Einzelsystem, Fernwärme, Prozesswärme, 2) Bedarf (Warmwasser und/oder Heizung und/oder Schwimmbad), 3) Energieerzeugung (Solarkollektor, PVT, Wärmepumpe) und Energiespeicher (Pufferspeicher, Kombispeicher, Eisspeicher) des System 3.6.1.2 Anpassen einer Standardvorlage Sobald Sie eine Standardvorlage gewählt haben, können Sie sie entsprechend der Anforderungen Ihres Projekts ändern. Hierfür gibt es zwei mögliche Grundfälle:

130

1) Ihre gewählte Standardvorlage hat die gleiche oder eine sehr ähnliche Konfiguration wie Ihr tatsächliches System, 2) Nur einige Teile der Standardvorlage entsprechen Ihrem tatsächlichen System. Im ersten Fall wird die hydraulische Konfiguration der Vorlage an das tatsächliche System angepasst, entsprechend können einige Komponenten und Steuerungen eingebaut oder entfernt werden. Alle Komponenten des Systems müssen sorgfältig darauf geprüft werden, ob sie den technischen Spezifikationen des tatsächlichen Systems entsprechen. Dies gilt beispielsweise für den Typ/das Modell des Kessels, Solarkollektors etc. Die Einstellungen für Gebäude und Gebäudetyp müssen überprüft werden. Beispiel:

- Gebäudetyp: beeinflusst die Energieverluste durch die Gebäudehülle; - Grösse des Gebäudes bestimmt die zu beheizende Fläche; - Grösse und Typ der Fenster bestimmen die solaren Wärmegewinne.

Auch die Warmwasser- und Heizsysteme müssen überprüft werden. Dies gilt beispielsweise für die folgenden Parameter:

- Erforderliche Temperatur und Volumenstrom des Wassers; - Warmwasserbedarf, - die Kaltwassertemperatur sollte entsprechend des Standorts der Anlage

eingestellt werden. Dies kann mit einem Doppelklick auf den Kaltwasser-Hahn geschehen. Detaillierte Informationen hierzu finden Sie im Abschnitt 3.4.1.

Systeme mit einem Schwimmbad könnten unterschiedliche Umschalt-Zeiten für das Drei-Wege-Ventil, das an den Schwimmbad-Kreislauf angeschlossen ist, erfordern. Wenn Sie die Parameter der wichtigsten Systemkomponenten überprüft haben, besteht der nächste Schritt darin, Ihr Material entsprechend der gegebenen Last auszulegen. In diesem Stadium des Designs Ihres Systems können Ihnen die beiden folgenden Faustregeln sehr hilfreich sein: 1) Der Wärmespeicher sollte zwischen 50 und 100 Liter pro Quadratmeter Flachkollektor gross sein. 2) Plattenwärmetauscher sollten zwischen 0,05 und 0,08 Quadratmeter pro Quadratmeter Flachkollektor gross sein. Bitte beachten Sie ausserdem, dass das Volumen, das der Nachheiz-Wärmeerzeuger erwärmt, gross genug sein muss, um den gesamten Warmwasserbedarf zu decken. Wenn nötig, können dem System neue Steuerungen hinzugefügt und eingerichtet werden. Die einfachste Art, neue Steuerungen im System einzurichten besteht darin, diese oder eine ähnliche Steuerung in einer anderen Vorlage zu finden, die Steuerung dann in das System, das Sie entwerfen, zu kopieren und die erforderlichen Änderungen entsprechend Ihrer technischen Spezifikationen vorzunehmen. Wenn Sie alle diese Schritte durchgeführt haben, können Sie Ihre erste Simulation starten.

131

Im zweiten Fall wird es schwieriger: es gilt, ein komplexes neues System zu entwerfen, das sofort funktioniert. Wir empfehlen Ihnen deshalb, das System Schritt für Schritt bzw. Kreislauf für Kreislauf (Kollektorkreis, Nachheizkreislauf, Heizkreislauf) zu entwerfen und dabei von dem in der Vorlage vorhandenen Kreislauf auszugehen und den Rest Schritt für Schritt hinzuzufügen. Damit die erste Einheit funktioniert, müssen Sie die benötigte Last (Warmwasser, Raumheizung, Schwimmbad) kennen. Eine dieser Lasten sollten Sie dem ersten Kreislauf hinzufügen. Danach kann die Steuerung eingerichtet werden und dann bereits eine Simulation gefahren werden um zu überprüfen, ob dieser Teil des Systems funktioniert. Danach können weitere Kreisläufe hinzugefügt werden, bis Sie Ihr System zu Ende entworfen haben. Auf diese Weise ist es leichter, Problembereiche, die eine Simulation verhindern, frühzeitig zu identifizieren. Hierzu könnten fehlende Eingänge für die Steuerung oder eine zu komplexe Hydraulik gehören. Daus Hauptziel besteht darin, alle hydraulischen Verbindungen herzustellen und alle Steuerungen einzurichten. Es macht Sinn, dabei mit dem Kreislauf aus der Vorlage zu starten, der mit dem tatsächlichen System korrespondiert (etwa dem Kollektorkreis). Wenn Sie das hydraulische Layout Ihres Systems entworfen haben, können Sie es entsprechend der Empfehlungen für den ersten Fall dimensionieren. 3.6.1.3 Systemoptimierung und Analyse der Simulationsergebnisse Sobald alle eben beschriebenen Schritte umgesetzt sind, können Sie eine Simulation strten. Die Simulation hilft Ihnen dabei, die korrekten Größen für Ihre Komponenten zu finden und die Anlagensteuerung zu optimieren. Dazu müssen zunächst die Ergebnisse der Simulation analysiert werden. Die wichtigsten Parameter einer thermischen Solaranlage sind: Solarer Deckungsgrad (das Verhältnis der erzeugten Solarenergie zur gesamten erzeugten Energie) und das Verhältnis des Solarenergie-Ertrages (Qsol) zur verfügbaren Einstrahlung auf die Kollektor-Aperturfläche (Esol). Mit diesen Kennzahlen kann die Effizienz der solaren Energienutzung und das Ausmass des Nachheiz-Wärmebedarfs berechnet werden. Wenn der Energiebedarf nicht gedeckt wird, muss die Auslegung Ihrer Komponenten (Grösse des Kollektorfeldes und/oder Wärmespeichers und/oder der Nachheizung) oder die Steuerung überprüft werden. Beachten Sie, dass die Steuerung mit Blick auf den Standort der Anlage (Wetterdaten), Art der Last (Temperatur des Warmwassers, Art der Raumheizung [Fussbodenheizung oder Heizkörper]) und der Energieziele (etwa solarer Deckungsgrad) optimiert werden muss. Nicht alle Standard-Einstellungen sind ideal für jedes spezifische Projekt. Deshalb sollten Sie erforderlichenfalls die folgenden Steuerungs-Einstellungen überprüfen: - verfügbare Zeiten der Nachheiz-Wärmeerzeuger; - Position der Sensoren.

132

Abb. 96: Steuerungs-Einstellungen

Wenn Ihr System gut funktioniert und Ihren Energiebedarf deckt, können Sie versuchen, Ihren solaren Deckungsgrad und den Kollektorwirkungsgrad dadurch zu erhöhen, indem Sie die Nachheizung reduzieren (z. B. indem Sie die Verfügbarkeitszeiten des Nachheizers zurückfahren oder das Volumen der Nachheiz-Energie im Speicher). Ein weiterer Faktor, der bei der Analyse des Systems berücksichtigt werden sollte ist die Stagnationstemperatur im Solarkollektor. Sie kann für jeden einzelnen Kollektor überprüft werden über Resultate – Komponenten-Resultate und dann im Tab Kollektor [n]. Dabei gibt es zwei wichtige Werte: Stagnationszeit und Maximalwert der Temperatur des Kollektorfeldes.

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Abb. 97: Stagnationstemperatur im Solarkollektor

3.6.2 Tipps und Tricks für die Arbeit mit dem Designer

3.6.2.1 Anpassen einer Vorlage Das einfachste Vorgehen, um ein benutzerdefiniertes Schema zu erstellen, ist eine bestehende, ähnliche Vorlage anzupassen. Vorteilhaft ist, dass die Steuerungen für die gleichbleibenden Teile bereits konfiguriert sind. Einige Hinweise:

- Nachvollziehbarkeit: Damit stets auf eine lauffähige Variante zurückgegriffen werden kann, nach einem Bearbeitungsschritt jeweils die Variante kopieren und das Projekt speichern. Zudem sollte die Simulation gestartet und die Resultate geprüft werden, damit Fehler möglichst früh erkannt werden.

- Tank ersetzen: Müssen an den Anschlüssen oder internen Komponenten des Tanks Änderungen vorgenommen werden, so muss ein neuer Tank ins Schema eingefügt werden. Darauf müssen Steuerungen überprüft werden und die entsprechenden Fühler auf den neuen Tank gesetzt werden. Wird eine Komponente aus dem Schema gelöscht, werden auch die zugehörigen Referenzen in den Steuerungen gelöscht – daher empfiehlt sich erst nur die Rohrverbindungen zum alten Tank zu trennen und erst nach Einsetzen des neuen Tanks und anpassen der Steuerungen den alten Tank vom Schema zu löschen. So ist in den Steuerungen vor dem Löschen des alten Tanks noch erkennbar, welche Ein- und Ausgänge anzupassen sind.

134

3.6.2.2 Neues Schema zeichnen Wenn nicht eine bestehende Vorlage angepasst werden soll, kann in folgenden Schritten vorgegangen werden, um ein komplett neues Schema zu zeichnen. Auch hier wird empfohlen, die Variante regelmässig als Sicherung zu kopieren. Wenn das zu zeichnende Schema komplex ist, kann es sinnvoll sein, zuerst eine vereinfachte Version zu designen und dann nach und nach auf einer funktionierenden Basis mehr Komplexität hinzuzufügen.

1. Alle Komponenten, die benötigt werden, auf der Zeichenfläche platzieren.

2. Komponenten verbinden.

3. Simulation starten. Läuft die Simulation, kann Polysun das gezeichnete Schema rechnen. Wegen der fehlenden Steuerungen sind die Resultate noch nicht aussagekräftig (d.h. die Berechnung kann abgebrochen werden, es reicht zum Prüfen, ob die Simulation startet). Startet die Simulation nicht, wird eine Fehlermeldung mit einem Hinweis auf die Ursache angezeigt. Weitere Infos unter Problembehebung.

4. Nun können Schritt für Schritt die Steuerungen gesetzt werden. Es empfiehlt sich jeweils nach jeder hinzugefügten Steuerung zu prüfen, ob das Schema noch lauffähig ist.

5. Die Resultate prüfen, beispielsweise mit Hilfe der Komponenten-Resultate. 3.6.2.3 Steuerungs-Einstellungen

- Wo möglich variable Werte verwenden, z.B. in der Wärmeerzeuger-Steuerung links „Referenz für Temperatursensoren 1“ auf „Variabler Wert“ einstellen und rechts in „Eingänge Steuerung“ bei „Temperatursensor 1“ die Warmwasserbedarf-Solltemperatur auswählen. So kann die Warmwasser-Zapftemperatur einfach geändert werden, ohne dass die Steuerungen angepasst werden müssen.

- Soll der Status eines Mischventils oder der Durchsatz einer Pumpe durch eine Steuerung gesetzt werden, muss die Komponente dementsprechend eingestellt werden. Ansonsten wird der in der Komponente fix konfigurierte Wert verwendet.

- Dreiwegeventil: Option “Verzweigungs-Modell” auf „Geregelter Wert“.

Pumpe: Option „Durchsatz-bestimmend“ auf „Durchsatzvorgabe“

135

Abb. 98: Pumpen-Einstellung

- Wenn mit einer Steuerung zu wenig Parameter zur Verfügung stehen, kann

durch 2 parallel im Kreislauf gesetzte Pumpen mit je einer Steuerung eine ODER-Verknüpfung der beiden Steuerungen erreicht werden.

- Die Angabe der Tank-Schichten in den Steuerungen ist wichtig und sollte in Übereinstimmung mit den Stutzen und Wendelwärmetauscher sein. Dabei muss darauf geachtet werden, dass auf dem dargestellten Bild des Tanks die Stutzen und Wendel regelmässig verteilt sind, für die Simulation jedoch die im Tank-Katalog angegebenen Höhen massgebend sind. Insbesondere haben für Wärmepumpen-Systeme ausgelegt Tanks andere Stutzen-Höhen. Hilfreich ist mit der Maus über die Steuerung zu fahren, womit ersichtlich wird auf welche Höhe im Tank die Fühler zeigen.

Wärmeerzeuger-Steuerung Wenn ein Wärmeerzeuger an einem Tank angeschlossen ist muss in der „Wärme-erzeuger-Steuerung“ der Wert für die Ausschaltbedingung auf die gleiche oder eine höhere Schicht zeigen als der Stutzen für den Rücklauf angebracht ist. Beispiel einer falschen Steuerungs-Einstellung: Der Rücklauf-Stutzen ist bei 60%. Der Kessel stellt ein, wenn Schicht 8 (58.3-66.7%) im Tank unter 50°C sinkt. Als Ausschaltbedingung ist gesetzt, dass Schicht 6 (41.7 – 50%) 60°C warm ist. Dies wird nie erreicht, da der Kessel-Rücklauf auf 60% oberhalb von Schicht 6 liegt und diese somit nicht effektiv aufwärmen kann. Aufgeheizt wird Schicht 8, wo der Rücklaufstutzen ist, und darüber. Dies solange bis die in der Steuerung

136

konfigurierte Speicher-Maximaltemperatur erreicht wird, da die Ausschaltbedingung nicht greift. Korrekt wird die Ausschaltbedingung auf die Schicht 8 oder eine höhere Schicht gesetzt.

Abb. 99: Beispiel für die Wärmeerzeuger-Steuerung

3.6.2.4 Anschlussvervielfacher Mithilfe dieses Bauteiles können hydraulische Komponenten bzw. Baugruppen mehrfach in die Simulation berücksichtigt werden. Der Vervielfacher wird beispielsweise im Vorlauf eines Kollektors zwischengeschaltet, um dann alle nachfolgenden Komponenten um den gewählten Multiplikationsfaktor mehrfach zu ergänzen. Für eine Funktionstüchtigkeit des Systems, ist es erforderlich im Rücklauf des Kollektors das Gegenstück, den Zuflussvervielfacher, zu setzen. Dieses Verfahren kann analog an beliebigen Stellen eines hydraulischen Kreislaufes durchgeführt werden. 3.6.2.5 Problembehebung 3.6.2.5.1 Schema läuft nicht Kann die Simulation nicht starten, gibt die Fehlermeldung einen Hinweis auf die Ursache. Mögliche Probleme sind:

- Offene Rohrverbindungen (alle Anschlüsse, auch von Speichern müssen mit Rohren verbunden sein)

- Durchflussrichtung in einem Kreislauf nicht bestimmt, es fehlt eine Pumpe oder ein Dreiwegeventil. Ein Kreislauf kann auch überbestimmt sein, z.B. wenn zwei Pumpen in Serie im gleichen Kreislauf sind. Durchflussbestimmend sind folgende Komponenten:

o Pumpe o Kessel/Wärmepumpe mit interner Pumpe o Kalt- + Warmwasseranschluss o Dreiwegeventil

- Erscheint der Fehler ein Kreislauf sei zu komplex (Fehler-Nr 5070/21), muss

möglicherweise ein Dreiwegeventil mit einem T-Stück ersetzt werden.

Dieser Stutzen sollte in derselben

oder einer tieferen Schicht liegen,

als in der Steuerung bei der

Ausschaltbedingung angegeben ist.

137

3.6.2.5.2 Simulation läuft langsam Eine lange Simulationszeit weist auf ein Fehlverhalten während der Simulation hin. Treten grosse Temperaturdifferenzen zwischen zwei Berechnungs-Zeitschritten auf, verkleinert Polysun den Zeitschritt und rechnet nochmals, was die Simulationszeit ver-längert. Komplexe und/oder grosse Systeme haben grundsätzlich eine längere Simu-lationszeit. Um den Fehler in einem solchen Fall einzugrenzen, hilft es nacheinander die Steuerungen auszuschalten und zu beobachten, in welchem Fall die Simulation schneller läuft. Dazu jeweils in der Steuerung in den Freigabezeiten alle Monate deaktivieren.

Abb. 100: Pumpen-Einstellung

Ursache kann unter anderem eine Steuerung sein, die ständig ein- und ausschaltet oder eine Überdefinition der Fliessrichtung in einem Kreislauf, z.B. durch unnötige Dreiwegeventile. Zwei Fliessrichtungen in einem Rohr sollten vermieden werden. Insbesondere bei Rohren, die an einen Speicher angeschlossen sind, kann dies zu fehlerhaften Resultaten führen. Besser ist, einen zusätzlichen Stutzen zu verwenden (die Höhen der Stutzen sind über den Tank-Katalog veränderbar, so können z.B. auch die am Deckel eingezeichneten Stutzen als Anschluss weiter unten benutzt werden). Schlecht positionierte Tank-Stutzen oder das Referenzieren einer zu tief- oder hoch-liegenden Schicht in einer Steuerung können ein Problem sein. Ein Hinweis auf dieses Problem gibt die Temperatur-Verteilung im Tank. Die einzelnen Tank-Schichten sind in den Komponentenresultaten, der tabellarischen und graphischen Auswertung ersichtlich. 3.6.2.5.3 Energiebedarf nicht gedeckt Wird am Ende der Simulation diese Meldung angezeigt, kann dies verschiedene Ursachen haben. Nachfolgend eine nicht abschliessende Aufzählung:

Speicher ist zu klein

Speicher erreicht die benötigte Temperatur nicht o Freigabezeiten für die Zusatzheizung

(Kessel/Wärmepumpe/Elektroeinsatz) sind zu kurz gesetzt in der Steuerung.

o Kessel ist zu klein / Wärmepumpe und allenfalls Bohrloch sind zu klein

In den Steuerung statt fixe Werte „Variabler Wert“ verwenden, z.B. um auf Warmwasser-Solltemperatur zu verweisen.

138

Mischventil (beim Warmwasser und/oder Heizkreis) ist auf eine zu tiefe Temperatur konfiguriert. Wenn nötig eine Temperaturverschiebung konfigurieren, um Rohrverluste zu kompensieren.

Zusätzliche Ursachen, wenn der Warmwasserbedarf nicht gedeckt ist:

Bei Tank-In-Tank System: Oberfläche oder Volumen des inneren Tanks ist zu klein

Leitung zwischen Wärmequelle und Wasserhahn ist zu lang und hat somit einen grossen Wärmeverlust (Zirkulation nötig)

Bei Frischwasserstation: Pumpe oder Platten-Wärmetauscher sind zu klein. Zusätzliche Ursachen, wenn der Heizwärmebedarf nicht gedeckt ist (die gewünschte Temperatur im Gebäude wurde während der Heizperiode nicht immer erreicht):

Die eingestellte Nacht-Temperatur im Gebäude ist zu tief im Gegensatz zur Tagestemperatur (die Aufwärmphase ist zu lang)

Die Anzahl Konvektoren ist zu klein (in Konvektor-Einstellung „Anzahl Module automatisch“ auf „Ja“ stellen)

Ursachen, wenn der Kühlbedarf nicht gedeckt ist (= Gebäude war in der Kühlperiode über der gewünschten Temperatur)

Kühlmaschine ist zu klein

Anzahl Lüfter zu klein (in Lüfter-Einstellung „Anzahl Module automatisch“ auf „Ja“ stellen)

In den Gebäudeeinstellungen wurden “Verschattung” und “Natürliche Belüftung” nicht gesetzt.

3.6.2.5.4 Begrenzungen

- Rückschlagventil: In Polysun gibt es keine Rückschlagventile. In der Realität werden Rückschlagventile eingesetzt um Wartungsarbeiten zu ermöglichen, diese sind für die Simulation jedoch nicht von Bedeutung. Weiter werden Rückschlag-ventile dort montiert, wo ein ungewolltes Fliessen entgegen der Pumpen-Richtung bei ausgestellter Pumpe verhindert werden soll. In Polysun sind die Pumpen ideal, das heisst bei ausgestellter Pumpe fliesst nichts, weder in noch gegen die Pumpen-Richtung. Die Fliessrichtungen in den Rohren sind somit in jedem Fall durch die Pumpen und Dreiwegeventile eindeutig definiert, wodurch Rückschlagventile für die Simulation hinfällig werden.

- Vervielfacher: Generell sollte in einem Schema nur ein Paar Zufluss-/Ausflussvervielfacher eingesetzt werden.

- Parallele Tanks: Die Schaltung paralleler Tanks ist nicht zu empfehlen. Der

Einsatz eines einzelnen, grossen Tanks bietet in den meisten Fällen eine gute Annäherung und eine stabilere Simulation. In Serie zusammengeschlossene Tanks sind möglich.

- Durchflusserzeuger / Dreiwegeventile: Pro Kreislauf muss genau 1

Durchflusserzeuger vorhanden sein. Seriell geschaltete Pumpen sind nicht möglich. Werden Dreiwegeventile an Stellen eingesetzt, wo die Fliessrichtung

139

schon definiert ist entsteht eine Überdefinition für den Durchfluss. Nachfolgend einige Beispiele:

Abb. 101a: Beispiele Dreiwegeventile - Das untere Ventil ist nicht nötig, da durch das obere Ventil und den Wendel definiert ist, wo das Fluid durchfliessen soll

Abb. 101b: Beispiele Dreiwegeventile – Ohne den Wendel im Tank ist das untere Dreiwegeventil nötig um festzulegen ob das Fluid beim zweitobersten Stutzen herausfliessen soll.

Abb. 101c: Beispiele Dreiwegeventile - In den oberen Beispielen sind zu viele Durchfluss-bestimmende Elemente

RIGHT

WRONG

RIGHT

WRONG

RIGHT

WRONG

140

3.6.2.6 Label Die Eigenschaft einer Komponente lässt sich mit Hilfe eines Label auf der Zeichenfläche darstellen. Zusätzlich lassen sich über das Label weiter Information zur Komponente darstellen, welche benutzerspezifisch sind. Als weitere Möglichkeit kann der Benutzer denn Wert der Eigenschaft einer Komponente direkt über das Label ändern. Im Designer lassen sich über einen Klick auf eine Komponente, wobei der Label Knopf in der Symbolleiste ausgewählt sein muss, die wichtigsten Labels für die gewählte Komponente automatisch generieren.

141

4 Wärmepumpen und Geothermie

4.1 Luft/Wasser-Wärmepumpen Im Luft/Wasser-Wärmepumpen-Katalog sowie Wasser/Wasser-Wärmepumpen-Katalog gibt es zwei Möglichkeiten, um die Stützstellen der Wärmepumpe zu definieren. Einerseits können die Stützstellen direkt in den vorgesehenen Datenbankfeldern eingetragen werden (z.B. „Heizleistung bei A20W35“, „El. Leistung bei A20W35“). Alternativ können die Stützstellen von einer Datei eingelesen werden. Dazu muss im Feld „Dateiname“ die entsprechende Datei gesetzt werden. Die Datei muss im Polysun-Datenverzeichnis im Ordner „profiles“ liegen (in Windows 7 standardmässig „C:\Users\Public\Polysun\profiles“). Die Datei ist im „csv“-Format. Das Datenformat unterscheidet sich für die verschiedenen Wärmepumpen-Typen und ist in den jeweiligen Unterkapiteln aufgeführt. Die Datenpunkte in der Datei ersetzen die Einträge in den Spalten „Heizleistung bei XX“ und „El. Leistung bei XX“, diese müssen folglich nicht mehr eingetragen werden. Die übrigen Spalten, insbesondere „DeltaT bei A7/W35“, müssen eingetragen sein. In der Datei können Stützpunkte für beliebige Verdampfer- und Kondensator- Temperaturen eingetragen werden.

4.1.1 Standard-Wärmepumpen Die Luft/Wasser-Wärmepumpe ist als Komponente mit zwei hydraulischen Anschlüssen in Polysun abgebildet. Das Modell basiert auf den Eingabewerten Heizleistung und Leistungsaufnahme welche durch die Prüfnorm EN 255 oder EN14511an vordefinierten Stützstellen (z.B. A2/W35) gemessen werden. Die von der Wärmepumpe aufgenommene elektrische Leistung wird durch eine Interpolation der Stützstellen berechnet. Die thermische Heizleistung wird über eine Interpolation der entsprechenden Gütegrade der Stützstellen bestimmt. Vereisung und Abtauverhalten werden durch die Norm ebenfalls berücksichtigt und können somit in Polysun simuliert werden. Dazu müssen die Stützstellen so eingetragen werden, dass in der elektrischen Leistung die Abtauzylen mit berücksichtigt sind. Die Anfahrverluste der Wärmepumpe sind im Modell nicht berücksichtigt. Dieses Modell gilt für taktende Wärmepumpen. Drehzahlvariable Wärmepumpen sind im Abschnitt 5.5.3 Modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe beschrieben. Die Resultate „Energie vom/zum System“ und „Endenergie“ beinhalten die Leistung der Wärmepumpe und die des internen Heizstabs, falls die Zusatzheizung eingeschaltet wurde. Um den COP (Coefficent of Performance) für einen Zeitschritt zu berechnen, wird die Leistung des internen Heizstabs jedoch von den Resultaten abgezogen. Das Resultat „Arbeitszahl“ ist somit nur für den Kompressor gültig und nicht für die ganze Wärmepumpe. Die Berechnung der Arbeitszahl berücksichtigt die Energieaufnahme des Kompressors, der internen Umwälzpumpe, des Ventilators und die abgegebene Wärmeleistung.

142

In einem Hydraulikschema kann zwischen einem Brenner und einer Wärmepumpe gewechselt werden, indem die Auswahl des Wärmeerzeugers entsprechend gesetzt wird.

Abb. 102: Auswahl Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die wärmepumpenspezifischen Betriebszeiten können über die im Heizungsregler befindlichen Parameter „minimale Laufzeit“ und „minimale Stillstandszeit“ definiert werden. Q wird aus den Messwerten implementiert, dazu ist Tv notwendig. Diese wir angenähert durch TU = Q’/k * V – Ti (1) wobei k = Qref / Vref * 1/DeltaTref (2) und Q’ aus dem Zeitschritt vorher oder beim Einschalten der Wärmepumpe Q’ = Qref. Damit berechnet Polysun mit Q’, V, Ti die Austrittstemperatur. In der Version (4.0.5.3) wurde immer mit deltaTref gerechnet. Also: die Berechnung erlaubt die korrekte Berechnung auch für willkürliche gewählte v. Ausnahmen: für (1) und (2): Interne Wärmetauscher ist gut genug für die Übertragung der gesamten Leistung. Formalismus wird ungenau für V << Vref. Katalogeintrag mit Stützstellen aus Datei Das Datenformat für die Definition der Stützstellen in einer Profil-Datei ist wie folgt: #Name der Wärmepumpe;;;; #Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W] 20;35;20800;4100 10;35;18700;4100 …

143

…

4.1.2 Modulierende Wärmepumpen Die modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe ist als Erweiterung der Luft/Wasser- Wärmepumpe in Polysun integriert. Die Funktionsweise lehnt sich stark an das Modell der Luft/Wasser-Wärmepumpe an. Wo nicht anders definiert ist gelten die Aussagen zum Modell der Luft/Wasser-Wärmepumpe. Nachfolgend eine Übersicht der verschiedenen Modulations-Arten, welche in Polysun verfügbar sind (die Modulations-Art ist als Feld im Luft/Wasser-Wärmepumpen-Katalog verfügbar): Tab. 15: Modulations-Arten für Luft/Wasser-Wärmepumpen Modulation

Keine Nicht modulierende Wärmepumpe, siehe Abschnitt 5.5.2

Nach Aussentemperatur Wärmepumpen, die abhängig von der Aussentemperatur die Leistungsstufe so anpassen, dass die abgegebene thermische Leistung etwa konstant bleibt. Eine solche Wärmepumpe kann mit dem Modell für allgemeine Luft/Wasser-Wärmepumpen (siehe Abschnitt 5.5.2) simuliert werden. Dabei werden die Stützstellen mit bereits berücksichtigter Modulation eingetragen, das heisst die thermische Leistung aller Stützpunkte ist etwa gleich, die elektrische Leistungsaufnahme hingegen variiert.

Nach Bedarf Die Modulation erfolgt stufenlos aufgrund der gewünschten thermischen Abgabeleistung. Genaueres im nächsten Unterabschnitt.

Zweistufig Die Modulation erfolgt in zwei Stufen aufgrund der gewünschten thermischen Abgabeleistung.

Für nach Bedarf und zweistufig geregelte Wärmepumpen können verschiedene Betriebs-Modi über die Regler eingestellt werden. Dem Betriebsmodus übergeordnet ist stets der Steuerungs-Wert „Status“ der Wärmepumpe. Wird dieser auf 0 gesetzt, ist die Wärmepumpe in jedem Fall, also unabhängig vom Betriebsmodus, ausgeschaltet. Ist der Status auf 1, so läuft die Wärmepumpe in jedem Fall mindestens auf der niedrigsten Leistungsstufe. Damit schaltet die Wärmepumpe nicht aus wenn z.B. der Wärmepumpe im Betriebsmodus „Definierte Leistungsstufe“ über „Gewünschte Leistungsstufe“ eine 0 übergeben wird. Die Wärmepumpe muss über den Status ausgeschaltet werden. Soll der Betriebs-Modus gesteuert werden, muss in der programmierbaren Steuerung als Ausgang „Wärmepumpe: Steuermodus“ gesetzt sein. Für jeden Betriebszustand muss für diesen Ausgang ein Zahlenwert, der einem bestimmten Betriebsmodus entspricht, zugeordnet werden. In der nachfolgenden Tabelle sind in der Spalte „Steuerungs-Wert“ diese Zahlenwerte aufgeführt. Je nach Betriebsmodus muss der Wärmepumpe eine zusätzliche Information übergeben werden. Diese wird über einen weiteren Ausgang in der Steuerung gesetzt. Diese zusätzlichen Ausgänge müssen dann in jedem Betriebszustand der Steuerung einen Wert zugewiesen haben, welcher jedoch nur berücksichtigt wird, wenn der

144

Betriebsmodus entsprechend eingestellt ist. Die nachfolgende Tabelle listet die möglichen Betriebsmodi auf. Tab. 16: Betriebsmodi

Beschreibung Steuerungs-Wert

Weitere Steuerungs-Ausgänge

Funktionsbeschreibung

Fix maximale Leistung

0 - Die Wärmepumpe läuft auf der maximalen Leistungsstufe

Wärmegeführt 1 „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“

Die Wärmepumpe gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte thermische Leistung ab. (Default-Modus)

Stromgeführt 2 „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“

Die Wärmepumpe nimmt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ verfügbare elektrische Leistung auf.

Definierte Leistungsstufe

3 „Geregelte Leistungsstufe“

Die Wärmepumpe wird mit der am nächsten der „Gewünschte Leistungsstufe“ entsprechenden Leistungsstufe betrieben.

Wird bei Betriebsmodus 1,2 oder 3 der zusätzliche Steuerungs-Ausgang nicht konfiguriert, wird die Wärmepumpe auf der maximalen Leistungsstufe betrieben. Wird der Betriebsmodus über die Steuerung nicht gesetzt, so wird standardmässig im Betriebsmodus „Wärmegeführt“ gearbeitet. Stellt die im Katalog gewählte Wärmepumpe keine ansteuerbare Leistungsregelung zur Verfügung (Feld „Modulierend“) werden die in der obigen Tabelle aufgeführten Steuerungs-Werte nicht berücksichtigt. „Steuerungsmodus“, „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ und „Geregelte Leistungsstufe“ sind in diesem Fall in der Steuerungs-Konfiguration nicht wählbar. Für den klassischen Fall der Leistungsregelung nach Wärmebedarf stehen zwei Konfigurationsmöglichkeiten zur Verfügung. Für die Einstellung des Steuerungs-Parameters gibt es zwei Möglichkeiten. Mit der Wärmeerzeuger-Steuerung kann analog zum Heizkessel-Modell kann für die Speicher-Ladung auf eine konstante Vorlauf-Temperatur geregelt werden. Dabei wird der „Steuermodus“ implizit auf „Wärmegeführt“ gesetzt. Die Steuerungsein-/ausgänge werden wie für einen modulierenden Heizkessel eingestellt. Die komplexere Ansteuerungs-Möglichkeit erfolgt mittels einer programmierbaren Steuerung, wobei mit Hilfe der Funktion HEATINGCURVE, also mittels der Heizkurve, die aktuell erforderliche Vorlauftemperatur für den Heizkreis und daraus mit der Funktion MATCHFLOW weiter die benötigte thermische Abgabeleistung berechnet werden. Diese gewünschte thermische Leistung wird dann über einen Steuerungs-

145

Ausgang an „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ übermittelt. Bei so gesteuerten Systemen ist es sehr wichtig, darauf zu achten, dass die Grösse der Wärmepumpe und die Parameter der Funktion HEATINGCURVE (genaue Beschreibung im Kapitel „Programmierbare Steuerung“) auf das zu beheizende Gebäude und den Standort abgestimmt sind. Ist die Heizkurve nicht passend konfiguriert, so moduliert die Wärmepumpe im schlechtesten Fall auf eine zu kleine Leistungsstufe und kann den Energiebedarf nicht abdecken. Ist hingegen die Kurve so eingestellt, dass die Wärmepumpe konstant mehr Energie als erforderlich liefert, fällt diese auf den Ein-/Aus-Betrieb zurück statt mit einer geringeren Leistungsstufe und höherer Effizienz durchgehend in Betrieb zu sein. In einem solchen Fall wird das Potential der Leistungsregelung nicht ausgeschöpft. Wird die Wärmepumpe auch für die Warmwasser-Aufbereitung verwendet, ist es ideal, die Wärmepumpe für den Warmwasser-Aufbereitungs-Betrieb auf reduzierter Leistung zu betreiben. Dies kann mit dem Betriebsmodus „Definierte Leistungsstufe“ gesteuert werden. 4.1.2.1 Stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe Das Modell für stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpen wurde im Rahmen des Projekts „Implementierung der leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpe aus dem BFE-Projekt „Effiziente Luft/Wasser-Wärmepumpen durch kontinuierliche Leistungsregelung“ in der Simulationssoftware Polysun“ [x] entwickelt. Wie die anderen Modelle für Wärmepumpen in Polysun basiert auch das Modell für stufenlos modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpen auf einem Interpolationsverfahren. Das Kennlinienfeld wird mit einer Anzahl Messpunkten beschrieben, die in einer Textdatei abgelegt sind. Die Stützpunkte müssen zwingend als Profildatei hinterlegt sein. Das Format ist: #Name der Wärmepumpe;;;; #Leistungsstufe[0-1];Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W] 1;-20;30;5313;2310 1;-12;30;6745;2448.7 1;-2;30;8739;2553.3… … … 0.5;-20;50;2520;1602.034329 0.5;-12;50;3158.1;1683.788578 0.5;-2;50;3989.74;1687.274583 Wobei „Verdampfer“ der Aussentemperatur und „Kondensator“ der Vorlauftemperatur entspricht. Dieses Eingabe-Format erlaubt die übersichtliche Verarbeitung der Daten in einem Tabellenverarbeitungs-Programm wie Microsoft Excel. Für eine gute Genauigkeit der Resultate sollten insgesamt mindestens 140 Stützstellen definiert werden. Die Datenpunkte sollten den erwarteten Arbeitsbereich abdecken. Für die Simulation von Wohnhaus-Anlagen ist es ideal, wenn die Datenpunkte über den Wertebereich von -20°C bis +20°C Aussentemperatur (= Verdampfer-Temperatur) und 30°C bis 60°C Vorlauftemperatur (= Kondensator-Temperatur) verteilt sind. In der

146

Simulation kann es sein, dass in einem Zeitschritt ein Arbeitspunkt ausserhalb des in der Datei definierten Temperatur-Bereichs benötigt wird. Ist dies der Fall, wird programmatisch die Datenkurve flach weitergeführt, wie im untenstehenden Diagramm 1 als gestrichelte Linien dargestellt ist.

Abb. 103: Beispiel-Daten Heizleistung in Abhängigkeit der Aussentemperatur für verschiedene Leistungsstufen. Die gestrichelten Linien zeigen die programmatische Erweiterung der Datenreihen.

In jedem Zeitschritt muss für die Simulation die von der Wärmepumpe aufgenommene elektrische Leistung und abgegebene thermische Leistung berechnet werden. Im wärmegeführten Betrieb, also dem Standardfall, wird von einem Regler, siehe 5.5.3 Modulierende Luft/Wasser-Wärmepumpe, die benötigte thermische Leistung berechnet. Die Leistung wird über einen Steuerungs-Ausgang an „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ der Wärmepumpen-Komponente übergeben. Die Aussentemperatur ist von Polysun für jeden Zeitschritt gegeben. Als letzter Eingangsparameter wird die Vorlauftemperatur benötigt, auf der die Wärmepumpe aktuell arbeitet. Da diese ja aber erst berechnet wird, wird die Vorlauftemperatur aus den Angaben des letzten Zeitschritts hochgerechnet (analog zum nicht-modulierenden Luft/Wasser-Wärmepumpen-Modell). Mit den bekannten Eingabegrössen und den definierten Stützstellen wird mittels einer Scattered Data Interpolation in einem ersten Schritt die Leistungsstufe berechnet. Ist diese kleiner als die kleinste in den Stützpunkten angegebene Leistungsstufe, wird auf die kleinste Leistungsstufe aufgerundet. Für die berechnete Leistungsstufe werden dann im zweiten Schritt die aktuell abgegebene thermische Leistung und aufgenommene elektrische Leistung interpoliert und an die Gesamt-Simulation des Systems weitergegeben. Der stromgeführte Betrieb arbeitet weitestgehend analog zum wärmegeführten Betrieb. Für die Bestimmung der Leistungsstufe wird statt der benötigten thermischen Leistung die elektrische Leistungsaufnahme als Interpolations-Punkt zusammen mit der Aussen- und Vorlauftemperatur verwendet.

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

14000.00

16000.00

18000.00

-30 -20 -10 0 10 20 30

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istu

ng

[W]

Umgebungstemperatur [°C]

100%

71%

57%

50%

42%

147

Wird vom Regler direkt eine gewünschte Leistungsstufe übergeben, so fällt der Interpolations-Schritt für die Bestimmung der Leistungsstufe weg. Als Beispiele sind Schemen mit und ohne Warmwasseraufbereitung jeweils für einen Neubau und einen sanierten Altbau im Schemen-Katalog unter „Schweizer Systeme“ vorbereitet. Wie erwähnt müssen die Parameter der Funktion HEATINGCURVE in der Programmierbaren Steuerung angepasst werden. Ausgelegt ist diese in der Vorlage auf das konfigurierte Gebäude und den Standort Rapperswil SG. 4.1.2.2 Zweistufige Luft/Wasser-Wärmepumpe Das zweistufige Wärmepumpenmodell ist als Erweiterung des Standard-Luft/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpenmodells implementiert. In diesem Modell entspricht eine zweistufige Wärmepumpe einem Gerät, das intern zwei parallel geschaltete Einheiten beinhaltet. Für die volle Leistung sind beide Einheiten eingeschaltet. Bei Reduktion der Leistung auf 50% ist dann nur eine dieser Einheiten in Betrieb. Die Heizleistung am aktuellen Arbeitspunkt wird mit dem bestehenden Modell berechnet. Eine Reduktion auf 50% Leistung wird anschliessend durchgeführt, indem die Heizleistung und elektrische Leistung um 50% reduziert werden. Bei wärmegeführtem Betrieb wird überprüft, ob 50% der Leistung den gewünschten Leistungsbedarf decken kann. Ist dies der Fall, wird mit 50% Leistung gefahren. Bei stromgeführtem Betrieb wird auf 50% Leistung reduziert, sobald die verfügbare elektrische Leistung kleiner als 90% der von der Wärmepumpe bei 100% Leistung aufgenommenen elektrischen Leistung ist. Bei Betriebsmodus „Fixe Leistungsstufe“ wird auf 50% Leistung reduziert, wenn die geforderte Leistungsstufe kleiner oder gleich 50% ist. In der Datenbank bzw Profildatei werden die Leistungspunkte der vollen Leistung eingetragen, das Format ist wie bei der Standard Luft/Wasser-Wärmepumpe.

Polysun-Video

Luftwärmepumpe

4.1.3 Abluftwärmepumpen

Um die Effizienz einer Abluftwärmepumpe zu erhöhen, kann die Zulufteinheit der Wärmepumpe in einem unbeheizten Teil des Gebäudes platziert werden, in dem die Temperatur höher als die Aussentemperatur ist (Keller, Abstellraum, Garage etc.). Öffnen Sie für diesen Fall das Wärmepumpen-Dialogfenster, wählen Sie das entsprechende Gebäude, als Standort „innen“ und „unbeheizte Räume“ als Wärmequelle.

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Abb. 104: Auswahl der unbeheizten Räume im Wärmepumpen-Dialogfenster

Im Gebäude-Dialogfenster können Sie auch die Mitteltemperatur der unbeheizten Räume festlegen.

Abb. 105: Auswahl der Mitteltemperatur in den unbeheizten Räumen

149

4.2 Wasser/Wasser-Wärmepumpen Die Wasser/Wasser- bzw. Sole/Wasser-Wärmepumpe ist eine Komponente mit vier hydraulischen Anschlüssen. Die Berechnung der Heizleistung sowie der elektrischen Leistungsaufnahme basiert auf einer „Scattered Data Interpolation“. Dadurch ist es auch möglich, Stützstellen, die nicht bekannt sind, wegzulassen, was dazu führen kann, dass die Resulate ungenauer werden. Wie bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe werden auch bei der Wasser/Wasser-Wärmepumpe die Anfahrverluste nicht berücksichtigt. Die berechnete Arbeitszahl berücksichtigt nebst der abgegebenen Wärmemenge nur die Energieaufnahme des Kompressors. Bei der Auslegung eines Systems ist zu beachten, dass die Wärmepumpen-Eintrittstemperatur (Ts) von der Sole immer kleiner als die Vorlauftemperatur (Tv) im Heizkreislauf sein muss.

Abb. 106: Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Mit Hilfe der Minimalen Laufzeit und Minimale Stillstandzeit in der Zusatzheizungs-Steuerung ist es möglich eine praxisnahe Regelung der Wärmepumpe zu abzubilden.

4.2.1 Katalogeintrag mit Stützstellen aus Datei Das Datenformat für die Definition der Stützstellen in einer Profil-Datei ist wie folgt: #Name der Wärmepumpe;;;; #Verdampfer[°C];Kondensator[°C];HeizLeistung[W];ElektrischeLeistung[W]; KaelteLeistung[W]

150

-5;35;14800;3700;0 0;35;17200;3600;0… … … Die Angabe der Kälteleistung ist optional. Ist diese grösser als 0 wird der interne Verlust der Wärmepumpe in der Simulation berücksichtigt. .

Interner Verlust WP = KaelteLeistung + ElektrischeLeistung – HeizLeistung

4.2.2 Zweistufige Wasser/Wasser-Wärmepumpe Die zweistufige Wasser/Wasser-Wärmepumpe arbeitet nach demselben Prinzip wie die zweistufige Luft/Wasser-Wärmepumpe (siehe 5.5.3.2). Grundlage ist das Standard Wasser/Wasser-Wärmepumpenmodell. Der zweistufige Betrieb wird nur für den Fall Heizen berücksichtigt. In der Datenbank bzw Profildatei werden die Leistungspunkte der vollen Leistung eingetragen, das Format ist wie für die Standard-Wasser/Wasser-Wärmepumpe.

Polysun-Video

Energiequellen für Sole-Wärmepumpen

4.3 Erdsonden Die Erdsonde hat je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung eine Tiefe von 50 bis mehrere 100 Meter. Drei typische Arten von Sonden (Einfach-U, Doppel-U und koaxial) werden in der Praxis in das Bohrloch verbaut. Das mathematische Modell der Erdsonde für Polysun wurde von dem EWS-Programm übernommen. Durch die Kompatibilität mit dem Programm EWS gibt es ab der Benutzerstufe Designer die Möglichkeit EWS Projekt-Dateien direkt in Polysun einzulesen. Aufgrund des starken im Hintergrund arbeitenden Modells ist ebenfalls eine Erstellung von Erdsondenfeldern möglich. Diese werden durch die Angabe der g Funktion nach ESKILSON charakterisiert:

( , )2( , ) Erde ErdeT r t

g r tq

:

:

:

Erde

Erde

T Temperaturabsenkung

Wärmeleitfähigkeit

q spezifische Entzugsleistung

Diese dimensionsbefreite Sprungantwort gibt das Temperaturverhalten im Sondenumfeld gegenüber dem unbeeinflussten Erdreich wieder. Zu beachten ist, dass die g-Funktion immer nur für ein bestimmtes Verhältnis aus Sondentiefe H und Sondenabstand B gilt. Verschiedene Sondenanordnungen sind bereits in einem Katalog hinterlegt. Das B/H- Verhältnis muss nicht zwingend mit der tatsächlichen Anordnung übereinstimmen, da bei Abweichungen ein effektives B/H-Verhältnis extrapoliert wird.

151

Um Extrapolationsungenauigkeiten zu minimieren, sollte aber immer das nächst mögliche genutzt werden Das Modell lässt bis zu 10 verschiedene Erdschichten zu, die jede Einzelne in die Berechnung der ganzen Sonde einfließt. Für jede Erdschicht werden jeweils mehrere Temperaturknoten nach einem ausführlichen physikalischen Model gerechnet. Das Modell lässt auch Rückspeisung von Energie zu, zum Beispiel für Regeneration oder das Freecooling. Um die Alterung der Sonde zu simulieren, können die „Jährliche Entzugsenergie“ und „Sondenvorlaufsdauer“ angegeben werden. Dabei wird die Sonde mit einer konstanten Last über diese Zeitdauer vorbelastet. Wenn das Langzeitverhalten der Sonde genauer berechnet werden soll, kann die Simulationsvorlaufdauer (im Menü unter Variante – Simulations-Vorlauf) gesetzt werden. Mit diesem Simulationsvorlauf wird die ganze Anlage simuliert, somit wird auf die Sonde das effektiv auftretende Lastprofil angewendet. Wenn 50 Jahre simuliert werden sollen, ist der Wert 17885 (49 * 365) einzutragen, d.h. es werden 49 Jahre vorsimuliert und anschliessend folgt die übliche Jahressimulation. Die Bodenerwärmung definiert die Differenz der Jahresmitteltemperatur der Luft und der Bodenoberfläche. Typische Werte sind:

Wald, schattig: 0 K

Feld, Wiese: 0.8 K

Mittelwert: 1.5 K

Städtisch bis 2 K

Schneereiche Höhenlage: bis 4 K Der axiale Temperaturgradient definiert die Temperaturzunahme mit der Tiefe. Er definiert sich als geothermischer Wärmefluss / Wärmeleitfähigkeit der Erde. Typisch ist 0.03K/m (0.06W/m2 / 2 W/mK).

Abb. 107: Erdsonde

152

Polysun ruft denn Sondenalgorithmus in der Simulation alle vier Minuten auf, was zu sehr genauen Endresultaten führt. Eine genaue Beschreibung zur Berechnung der Sonde bietet die Publikation welche von Hetag AG 1997 veröffentlicht wurde: http://www.bfe.admin.ch/php/modules/enet/streamfile.php?file=000000005132.pdf&name=000000195115.pdf

Polysun-Video

Sole-Wärmepumpe und Erdwärmesonde

4.4 Grundwassersonden In Kombination mit einer Wärmepumpe kann ebenfalls eine Grundwassersonde eingesetzt werden. Die Temperatur wird hierbei in Abhängigkeit der Tiefe berechnet. Folgende Annahmen wurden dafür getroffen: Die Erdreichtemperatur θ(x,t) in Abhängigkeit der Tiefe x im Erdreich [m] und der Zeit t [s] ändert sich unter dem Einfluss des Jahreszeitverlaufs der Temperatur des Aussenklimas für die Nordhalbkugel nach folgender Formel:

Wobei 𝜃𝑚 die Durchschnittsaussentemperatur in °C, 𝜃0 die maximale saisonale Abweichung der Durchschnittsaussentemperatur in °C, 𝑇 die Anzahl Sekunden eines

Jahres und 𝑎 die Wärmeleitfähigkeit des Bodens [𝑊𝑚2

𝐽] ist.

Die Erdreichtemperatur θ(x,t) in Abhängigkeit der Tiefe x im Erdreich [m] und der Zeit t [s] ändert sich unter dem Einfluss des Jahreszeitverlaufs der Temperatur des Aussenklimas für die Südhalbkugel nach folgender Formel:

𝜃(𝑥, 𝑡) = 𝜃𝑚 + 𝜃0 ∙ 𝑒𝑥𝑝 (−𝑥√𝜋

𝑎 ∙ 𝑇) ∙ cos (

2𝜋

𝑇𝑡 − 𝑥 ∙ √

𝜋

𝑎 ∙ 𝑇)

Bei einer Grundwassertiefe ab ca. 10-15 m und tiefer kann in guter Annäherung angenommen werden, dass die Grundwassertemperatur über das Jahr konstant bleibt und der Jahresmitteltemperatur des Aussenklimas entspricht.

Taxt

TTaxtx m

2cosexp, 0

153

Statischer Druck Statischer sowie der dynamischer Druck werden korrekt in Polysun berechnet. Zur Ermittlung der dafür benötigten Höhendifferenz ∆H ist zu unterscheiden, ob die Rückgabeleitung der Grundwassersonde ins Rückgabe-Wasserreservoir eingetaucht ist. Auch eine negative Differenz ist möglich, was zu einer Entlastung der Pumpe führt. Das untenstehende Bild verdeutlicht diesen Zusammenhang:

Abb. 109: Schema der Grundwassersonde

Abb. 108: Grundwassersonde

H

(>0)

Entnahme

-brunnen

Rückgabe

-brunnen

Wärme-

tauscher

154

4.5 Systeme Wärmepumpen-Heizsysteme bestehen aus einer Wärmequelle, einer Wärmepumpe und einem Heizverteilsystem. Als Wärmequelle kann die Stelle des Systems genutzt werden, an der die grösstmögliche Temperatur erreicht wird. Dies erhöht die Leistungszahl (engl. Coefficient of Performance, COP) der Wärmepumpe. Die Leistungszahl ist das Verhältnis von erzeugter Kälte- bzw. Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung. Die grösste Leistungszahl kann durch den Einsatz einer Grundwasser-Sonde erreicht werden. Geothermische Energie kann ebenfalls eine effektive Lösung darstellen. Luft-Wasser-Wärmepumpen haben den Vorzug, dass sie beinahe überall verwendet werden können und die Kosten ihrer Installation recht gering sind. Luft-Wasser-Wärmepumpen können in den meisten bivalenten Systemen zur Raumheizung und Warmwassererzeugung verwendet werden. Ist die Aussentemperatur zu niedrig, ist eine alternative Energiequelle erforderlich. Luft-Wasser-Wärmepumpen können auch in einem unbeheizten Teil des Gebäudes installiert werden. Eine detaillierte Beschreibung über Abluftwärmepumpen finden Sie im Kapitel 4.1.3. Wärmepumpensysteme können bei Polysun entweder automatisch über den Wizard eingefügt werden (wie im Kapitel 1.4 beschrieben) oder nachträglich über die jeweiligen Komponenten. Wenn Sie mit dem Wizard ein System aufsetzen, dessen Teil eine Wärmepumpe ist, müssen Sie angeben, dass eine Wärmepumpe als Energiequelle vorhanden ist, um die passende Vorlage mit Wärmepumpe zu finden.

Abb. 110: Auswahl einer Vorlage mit Wärmepumpe im Wizard

155

Es gibt verschiedene Arten Wärmepumpen, die Sie über das Drop-Down-Menü auswählen können: Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Aussenluft Wärme. Grundwassersonde +WP entziehen dem Grundwasser Wärme. Erdwärmesonde + WP nutzt die Erdwärme. WP-System-Modul ist ein System, das den Anforderungen und der Philosophie der Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS, www.fws.ch) entspricht. Diese Vereinigung vertritt Organisationen und Gruppen, die sich für Wärmepumpen und ihre Verbreitung einsetzen. Verbraucher, Systemspezifikationen und die passende Vorlage können gemäss den Beschreibungen und Empfehlungen im Kapitel 1.4 (Wizard) ausgewählt werden. Über den Geothermie-Tab können Erdwärme- und Grundwasserparameter angegeben werden.

Abb. 111: Erdwärme- und Grundwasserparameter

Der wichtige Parameter für die Erdwärmesonde ist der axiale Temperaturgradient im ungestörten Boden. Im Boden-Geologie-Dialog können Erdschichten erfasst werden, indem sie aus dem zur gewählten Örtlichkeit passenden Katalog ausgewählt werden. Die Erdschichten können mittels der Schaltflächen im rechten unteren Teil des Dialogfensters hinzugefügt und wieder entfernt werden.

156

Abb. 112: Bodengeologie-Dialog

Im Erdwärmesonde-Dialogfenster kann die Sonde aus einem Katalog ausgewählt werden. Die Auslegungstemperatur und der Abstand zwischen den Erdwärmesonden kann manuell festgelegt werden, die gewünschte Erdwärmesonden-Anordnung kann aus einer Tabelle am unteren Rand des Fensters ausgewählt werden. Die Auslegungstemperatur ist die durchschnittliche Mindesttemperatur der Sole über 50 Jahre. Nach einiger Zeit sorgt der Wärmeentzug aus dem Boden dafür, dass die Sole-Reserven sich abkühlen, weil es dauert, bis die Energie sich auf natürlichem Weg wieder regeneriert. Um entzogene Energie zu ersetzen kann ein solarthermisches System die Wärmepumpe ergänzen. In diesem Fall wird die Erdwärmesonde überschüssige Wärme des solarthermischen Systems im Sommer im Erdboden speichern, so dass sie später wieder von der Wärmepumpe verwendet werden kann, was deren Leistungszahl steigert. So können sich ein solarthermisches und ein Wärmepumpen-System gegenseitig ergänzen und den Wirkungsgrad der gesamten Anlage erhöhen. Um den Effekt eines solchen hybriden Solar-Geothermie-Systems zu evaluieren, können vorläufige Simulationen eines längeren Zeitraums (z. B. zehn Jahre) vorgenommen werden. Wenn der Boden über geologische Formationen wie Fels oder mit Wasser gesättigte Erde enthält, kann er als saisonaler Speicher für Sonnenwärme verwendet werden. Auch photovoltaische Systeme können eine perfekte Ergänzung für eine Wärmepumpe sein, weil sie die von der Wärmepumpe benötigte Elektrizität umweltfreundlich erzeugen können.

Abb. 113: Auswahl der Erdwärmesonde

157

Um Erdwärmesonden mit Wärmepumpen zu nutzen, muss die örtliche Geologie evaluiert werden. Es gibt verschiedene Gesetze und Verordnungen für jeweilige Standorte. Polysun kann die Auslegung eines Erdwärme-Feldes entsprechend dem Schweizer Standard SIA 384/6 vornehmen. Stellen Sie dies im Wizard unter Extras – Einstellungen ein. Der SIA 384/6-Standard ist für geothermische Systeme in der Schweiz verpflichtend, so dass die Auslegung Ihres Systems nach diesem Standard bei Schweizer Anlagen absolut erforderlich ist.

Abb. 114: Erdwärmesondenauslegung gemäss des Schweizer Standards SIA 384/6

In Deutschland muss die Richtlinie VDI 4650 beachtet werden. Diesen Standard können Sie unter Extras – Einstellungen und dann im Tab „Report“ einstellen.

158

Abb. 115: Erdwärmesondenauslegung gemäss der deutschen Richtlinie VDI 4650

Wenn Sie danach unter “Resultate” “Professioneller Report” wählen, werden Sie zusätzliche Werte eingeben müssen, damit die Berechnungen nach dem VDI 4650-Standard erfolgen können (Monovalente Systeme mit Erdwärmesonde).

Abb. 116: Auswahl des Professionellen Reports

159

Abb. 117: Berechnung der Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Das in Polysun integrierte Erdwärmesonden-Modell ist ein Muster-Modell einer Erdwärmesonde, das die detaillierte Simulation des stündlichen Zustandes des Wärmetauschers im Bohrloch und Simulationen der Erdschichten beinhaltet. Entsprechend können Sie Erdwärmesonden (EWS-) Dateien auch importieren und zu Simulationszwecken in Polysun verwenden. Dies ist im Erdwärmesonden-Komponenten-Dialogfenster möglich. Wärmepumpen Hochdruck-/Niederdruck-Störung Die Luft-Wasser-Wärmepumpe hat zwei Selbstschutz-Temperatur-Limits, die Sole/Wasser-Wasser Wärmepumpe drei. Wird die Tiefdruckstörung-Temperatur (nur Sole/Wasser-Wasser Wärmepumpe) unterschritten oder die Hochdruckstörung-Temperatur (2. Art) überschritten, so schaltet die Wärmepumpe aus. Die angeschlossenen Pumpen werden in der Regel durch die Wärmeerzeuger-Steuerung geregelt, weshalb diese im Störfall weiterlaufen. Tritt der Störfall zu oft auf (siehe Komponenten-Resultate), so kann sein, dass der Wärmebedarf nicht mehr gedeckt werden kann.

160

Mögliche Ursachen für das Auftreten der Störung sind: - Tiefdruckstörung: Wärmequelle beziehungsweise Bohrloch ist zu klein

- Wärmepumpe ist zu gross

- Durchfluss auf Quellen- oder Verbraucherseite ist zu gross

- Die Temperatur im Speicher ist zu gross oder die Stutzen-Positionen passen

nicht mit den Steuerungs-Einstellungen

- Konfiguration der Sicherheitstemperaturen in den Wärmepumpen-Einstellungen (Doppel-Klick auf die Wärmepumpe) nicht korrekt

Abb. 118: Sole/Wasser-Wasser-Wärmepumen-Einstellungen

161

5 Sonstige Komponenten und Systeme

5.1 Kühlsysteme Polysun verfügt über zwei verschiedene Kältemaschinenmodelle: Kompressionskältemaschinen und thermisch angetriebene Kältemaschinen. Die jeweiligen Abläufe dieser Maschinen sind in den Abbildungen 40 und 41 dargestellt. Wie zu sehen ist, besteht der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Maschinen darin, dass der Kompressor des Kompressionsmodells in der thermisch angetriebenen Kältemaschine durch einen Absorber, eine Pumpe und einen Generator ersetzt wird, wodurch letztere einen geringeren Stromverbrauch als der andere Kreislauf hat. Ein weiterer Vorteil der thermischen Kältemaschinen besteht darin, dass Wärmeenergie wie Sonnenenergie bei mittlerer bis hoher Temperatur genutzt werden kann, auch bei sehr guter Übereinstimmung zwischen vorhandener Sonnenstrahlung und Kühlenergiebedarf im Sommer. Thermische Kältemaschinen haben jedoch einen geringeren Leistungskoeffizienten als Kompressionskältemaschinen.

Abb. 119: Kompressionskühlung Abb. 120: Thermische Kältemaschine

5.1.1 Kompressionskühlung Die Kompressionskühlung kann mit Hilfe der Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit vier Anschlüssen simuliert werden. In Abbildung 42 werden drei Möglichkeiten gezeigt, die im Menü gewählt werden können. Ähnlich wie beim herkömmlichen Wärmepumpenmodell werden sowohl die Kühlleistung als auch der Stromverbrauch durch lineare Interpolation der gemessenen Punkte berechnet. Abbildung 41 erläutert eine in Polysun enthaltene Vorlage, bei dem Heizung, Warmwasser und Kühlenergiebedarf durch die Wärmepumpe im Heiz- und Kühl-Modus simuliert werden können. Die Erdsonde wird als Niedertemperatur-Wärmeenergiequelle im Heizmodus und als Energiesenke im

162

Kühlmodus genutzt. Die notwendigen Druckstörungswerte sind auch für den Kühlmodus eingegeben worden.

Abb. 121: Wasser-Wasser-Wärmepumpendialogfenster. Das neue Wärmepumpenmodell kann auf drei Arten simuliert werden: Heizen, Kühlen sowie Heizen und Kühlen

163

Abb. 122: Vorlage mit Heizung, Warmwasser und Kühlung mit Wasser-Wasser-Wärmepumpe als Zusatzenergiequelle

5.1.2 Thermische Kältemaschinen Das thermische Kältemaschinenmodell in Polysun basiert auf dem Absorptionskühlprinzip. Verschiedene theoretische oder empirische Methoden wurden von Wissenschaftlern vorgeschlagen, um Modelle für Absorptionskältemaschinen zu entwickeln und die Abläufe zu simulieren. Eine analytische Lösung für die wesentlichen Gleichungen der geschlossenen einstufigen Absorptionskältemaschinen wurde u.a. von Kim vorgeschlagen und wird in Polysun verwendet. Der größte Vorteil dieses Modells ist, dass es eine rasche Simulation eines Absorptionskühlsystems mit minimalen Informationen über Wärmeträger-flüssigkeiten und Betriebszustände ermöglichen kann. Das Modell basiert auf der Definition der Effektivität der Wärmetauscher, der Dühring-Gleichung und den thermodynamischen Prinzipien der wesentlichen Komponenten. Die Absorptionskältemaschine hat drei Paar Anschlussstutzen, die den Wärmeaustausch zwischen Heizenergiequelle, Energiesenke und der Kühlseite erlauben. Die Symbole der Absorptionskältemaschine und des Kühlturms (einer Energiesenke, die die Wärme vom Kondensator der Absorptionskältemaschine durch die Umwälzung des Kühlwassers an die Umgebung abführt) werden in Abbildung 44 dargestellt.

164

Abb. 123: Thermische Kältemaschine (links) und Kühlturm (rechts)

Verschiedene Absorptionskühlsystemkonfigurationen können mit Polysun simuliert werden. Zum Beispiel wird eines dieser Systeme in Abbildung 45 dargestellt, in der sowohl solarthermische Kollektoren als auch der Gaskessel genutzt werden, um den Heizenergiebedarf im Winter und den Kühlenergiebedarf im Sommer mit Hilfe der Absorptionskältemaschine decken zu können. Ebenso wird der Warmwasserbedarf durch ein solches System ganzjährig abgedeckt. In diesem System wird ein Nasskühlturm eingesetzt, der jedoch durch einen Trockenkühlturm, eine Erdsonde oder ein Schwimmbecken ersetzt werden kann. Zwei separate Heiz- und Warmwassertanks sind in dieser Vorlage dargestellt.

Abb. 124: Solares Absorptionskühlsystem. Das System deckt auch den Bedarf an Heizung und Warmwasser.

5.1.3 Ad- und Absorptionskältemaschinen Die Funktionsweise einer Absorptionskältemaschine mit sechs Anschlüssen wird in Abbildung 46 dargestellt. Die Kältemaschine ist mit drei Fluidbereichen verbunden, dem Heizwasserbereich (linke Seite, rote Anschlüsse), dem Kühlwasserbereich (obere Seite, rosafarbene Anschlüsse) und dem Kaltwasserbereich (rechte Seite, blaue Anschlüsse). Die wichtigsten variablen Parameter der Kältemaschinen sind die Eintrittstemperaturen von

165

Heiz-, Kühl- und Kaltwasser sowie die Durchflusswerte. Die konstanten Parameter des Modells sind die Effektivitätswerte des Absorbers, des Kondensators, des Verdampfers, des Generators und des Lösungswärmetauschers sowie der Volumenstrom der Lösung im Inneren der Maschine. Diese Werte sind im Absorptionskältemaschinenkatalog festgelegt. Deswegen sollten, wenn nötig, die konstanten Parameter sorgfältig gemäss den Hinweisen des Absorptionskältemaschinenherstellers geändert werden. Die Absorptionskältemaschinen können an verschiedene Wärmequellen wie solarthermische Kollektoren, Energiesenken wie Nass-/Trockenkühltürme, Schwimmbäder und Erdsonden sowie an Lasten wie Lüfter, Kühldecken usw. angeschlossen werden.

Abb. 125: Absorptionskältemaschine mit sechs Anschlüssen

Verschiedene Kombinationen an Kältemittel/Lösungsmittel wie z. B. Wasser/LiBr, Ammoniak/Wasser, Wasser/LiCl, Wasser/CaCl2 können im Katalog definiert werden. Aus-legungswassertemperaturen und Auslegungsdurchsätze können ebenso festgelegt werden. Die vier Temperaturstörungswerte wie Hochtemperatur- und Niedertemperatur-störung, Hochtemperaturstörung Generator und Niedertemperaturstörung Kaltwasser sind implementiert worden und können vom Benutzer bestimmt werden. Diese Temperaturen verhindern, dass anormale Betriebsbedingungen wie Vereisungserscheinungen oder eine sehr geringe Arbeitsleistung der Kältemaschine entstehen können. Sobald eine oder mehrere dieser Temperaturen während des Betriebs auftreten, schaltet die Kältemaschine automatisch für eine gewisse Zeit ab, die von dem Benutzer festgesetzt werden kann. Alle genannten Kontrollparameter müssen nach Anweisung des Herstellers eingestellt werden.

166

Abb. 126: Dialogfenster Absorptionskältemaschine

Der typische Programmablaufplan der Energietransferberechnungen des Absorptionskälte-maschinenmodells und die Steuerungskriterien der einzelnen Betriebszustände werden in Abbildung 48 dargestellt. Es ist wichtig, dass die passenden Regelungen für die Kältemaschine und die angeschlossenen Kreisläufe verwendet werden. Die jeweiligen Steuerungskriterien sollten in den Regelungen selbst in Bezug auf das Kühlkonzept definiert werden. Es empfiehlt sich, die jeweiligen Tool-Tipps zu den Ein- und Ausgängen der Regler zu lesen.

167

Abb. 127: Programmablaufplan des Simulationsmodells der Absorptionskältemaschine in Polysun

5.1.4 Kühlturme Wie oben beschrieben, können verschiedene Kühltürme als Energiesenke an die Kältemaschine angeschlossen werden. Abbildung 49 zeigt das Dialogfenster des „Nasskühlturms“ oder „Verdunstungskühlturms“. Kühltürme verwenden das Prinzip der Verdunstung oder der „Feuchtkugel“-Kühlung, um die Wärme abzuführen. Die hauptsächlichen Vorteile gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern sind:

Sie können Wassertemperaturen erreichen, die unter der Lufttemperatur liegen, die zur Kühlung genutzt wird.

Get the constant parameters

from chiller catalog

Get the inlet temperatures

and water mass flow rates of

three loops in the current

time step

Chiller to be/be kept switched on.

Calculate the power exchanged

between chiller and three loops

Are the inlet

temperatures

in the safe

ranges?

Is building

temperature>s

et point temp+

hysterise?

Add/remove power to/from three

fluid loops.

Go to next time step

Chiller to be

switched off. Go

to the next time

step

Chiller to be

switched off

for certain

time lag.

Yes

Yes

No

No

168

Sie sind bei gleicher Kühllast kleiner und billiger. Der größte Nachteil der Kühltürme ist, dass sie regelmäßig gewartet werden müssen, um das Risiko der Wasserverschmutzung und Wasserorganismen wie Legionellen zu vermeiden. Es gibt zwei Arten von Kühltürmen: mit Sauglüftung und Naturzug. Dennoch ist das Grundprinzip der Funktionsweise bei beiden gleich. In Polysun handelt es sich um den Sauglüftungstyp.

Abb. 128: Dialogfenster des Nasskühlturms

Das Modell beruht auf konstanter Kühlleistung unter Berücksichtigung der Energiebilanz, der Massenbilanz und des Massendiffusionsverhältnisses des zunehmenden Volumens. Die dazugehörigen Differentialgleichungen sind vereinfacht, indem das Effektivitätsnäherungsmodell und Merkels Annahme genutzt werden, die den Effekt des Wasserverlusts durch Verdunstung nicht beachtet. Weiterhin werden folgende Bedingungen angenommen:

Wärme- und Massenübergang nur in normaler Volumenstromrichtung.

Vernachlässigbarer Wärme- und Massenübergang durch die Turmwände an die Umgebung.

Vernachlässigbarer Wärmeübergang von den Ventilatoren des Kühlturms an Luft- oder Wasserströme.

Gleichbleibende Temperatur im Wasserstrom an jeder Schnittstelle.

Gleichbleibender Querschnittsbereich des Turms.

169

Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, den richtigen Kühlturm zu wählen oder einzugeben, je nach Größe der Absorptionskältemaschine. Als Daumenregel gilt, dass die Kühlkapazität eines Kühlturms fast zweimal so groß ist wie die Kühlkapazität der an ihn angeschlossenen Absorptionskältemaschine. Normalerweise werden Kühltürme nach Auslegungs-Kühlkapazität, Auslegungsdurchsatz Wasser, Auslegungsvolumen Luft, Auslegungs-Eintritts- und Austrittstemperatur Wasser und der Auslegungs-Annäherungs-temperatur bestimmt. Die zwei ausschlaggebensten Punkte für die Leistung eines Kühlturms sind die Annäherungstemperatur und der thermische Wirkungsgrad. Annäherungstemperatur: Austrittstemperatur Kühlwasser – Lufteintritts-Feuchtkugel-temperatur Thermischer Wirkungsgrad: Eintrittstemperatur Kühlwasser – Austrittstemperatur Kühlwasser / Eintrittstemperatur Kühlwasser – Lufteintritts-Feuchtkugeltemperatur * 100 (%) Es kann beobachtet werden, dass der thermische Wirkungsgrad steigt, wenn die Austrittstemperatur des Kühlwassers die Lufteintritts-Feuchtkugeltemperatur erreicht. In anderen Worten, geringere Annäherungstemperaturen bedeuten einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Die typische akzeptable Annäherungstemperatur liegt über 2. Wie man in Abbildung 129 sehen kann, ist es möglich, einen drehzahlgesteuerten Ventilator einzusetzen. Dies würde den Vorteil bringen, dass der Verbrauch der Ventilatoren bei Teillast verringert wird.

Abb. 129: Die Betriebskurve eines drehzahlgesteuerten Ventilators

170

5.1.5 Validierung Die Validierung ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Modells. Eine Reihe gemessener Kälteleistungen einer existierenden Absorptionskältemaschine wurde mit den Simulationsresultaten, die mit dem in Polysun implementierten Modell berechnet wurden, verglichen (siehe Abbildung 51). Die Auslegungsdaten der Maschine sind in der folgenden Tabelle aufgelistet: Tab. 17: Auslegungsdaten der Absorptionskältemaschine

Absorptionskältemaschinentyp Einstufig, Kältemittel/Lösungsmittel: Wasser/LiBr

Auslegungskühlleistung (kW) 35,14

Auslegungs-COP 0,65

Auslegungs-Eintritts-/Austrittstemperatur Kaltwasser (°C) 12,5/7

Auslegungsdurchsatz Kaltwasser (l/hr) 5496,4

Auslegungs-Eintrittstemperatur Kühlwasser (°C) 31

Auslegungsdurchsatz Kühlwasser (l/hr) 18351,7

Auslegungs-Eintrittstemperatur Heizwasser (°C) 88

Auslegungsdurchsatz Heizwasser (l/hr) 8630,7

Abbildung 130 zeigt ein gutes Verhältnis zwischen gemessener und errechneter Leistung bei verschiedenen Heizwasser- und Kühlwasser-Eintrittstemperaturen.

Abb. 130: Kennkurven der Absorptionskältemaschine. Vergleich zwischen gemessenen Daten und errechneten Ergebnissen. Kühlleistung im Vergleich zur Heizwassereintrittstemperatur bei verschiedenen Kühlwassereintrittstemperaturen (tci). Gestrichelte Linien: errechnete Werte, durchgezogene Linien: gemessene Werte.

20

25

30

35

40

45

50

55

75 80 85 90 95

Hot water inlet temperature (oC)

Co

oli

ng

po

wer

(kW

) Calculated cooling power at

tci=31 oCMeasured cooling power at

tci=31 oCCalculated cooling power at

tci=29.44 oCMeasured cooling power at

tci=29.44 oCCalculated cooling power at

tci=26.66 oCMeasured cooling power at

tci=26.66 oC

171

Polysun-Video

Heizen und Kühlen

Polysun-Video

Passive Kühlung

5.2 Eisspeicher Eisspeicher können in Polysun mit der Eisspeicherkomponente simuliert werden. Ein einfaches physikalisches Modell bildet das Verhalten von Eisspeichern in der Eisspeicherkomponente ab. Eisspeicher nutzen den Phasenübergang vom flüssigen in den gefrorenen Zustand. Das Schmelzen von 0 °C Eis zu 0 °C Wasser benötigt etwa dieselbe Energie, wie das Erwärmen von 0 °C Wasser auf 80 °C.

5.2.1 Modell Das Eisspeichermodell ist ein einfaches Modell für einen Wassertank, der bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt durch den Phasenübergang von flüssig nach fest respektive fest nach flüssig latente Wärme aufnehmen respektive freisetzen kann. Der Eisspeicher steht in thermischem Austausch mit seiner Umgebung - Erdboden - sowie angeschlossenen Wärmetauschern, die den Eisspeicher mit den anderen Komponenten verbinden. Die Erdreichanbindung wird über eine Erdschicht modelliert, welche den Eisspeicher mit der Temperatur des ungestörten Erdreichs verbindet.

5.2.2 Komponente Neben der Temperatur beschreibt zusätzlich ein Eisanteil den Zustand in welchem sich der Eisspeicher befindet. Der Eisanteil geht von 0% (flüssig) bis 100% (vollständig vereist). Der Eisanteil wird aus der latenten Energie berechnet. Die Temperatur des ungestörten Erdreiches wird aus den Wetterdaten des Standortes berechnet. Die Eisspeicher-Wärmetauscher (auch Eisspeicher-Wärme-Wendel-Tauscher genannt) auch enthalten zusätzliche Parameter zum Abbilden des Phasenübergangs. Deshalb hat die Eisspeicherkomponente einen eigenen Katalog von Wärmetauschern. Das übrige Verhalten der Wärmetauscher ist analog zu den Wärmetauschern von normalen Speichern abgebildet. Zylinder und Quader werden als Tankformen des Eisspeichers unterstützt. Für realistische Simulationen in Polysun sollte eine genügend grosse Vorlauf-Zeit eingestellt werden, z.B. 180 Tage.

172

5.3 Blockheizkraftwerk Mit Polysun können Blockheizkraftwerke (BHKW, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, Co-Generators) simuliert werden. Blockheizkraftwerke arbeiten nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und dienen der gleichzeitigen Gewinnung von thermischer und elektrischer Energie. Zum Einsatz kommen BHKWs hauptsächlich bei dezentralen Energieversorgungslösungen von Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Industriebetrieben.

5.3.1 Leistungsmodulation Eine Vielzahl von BHKWs arbeitet im nicht modulierenden On-/Off-Betrieb. Sobald das BHKW durch die Steuerung angefordert wird fährt es auf einen BHKW-spezifischen Betriebspunkt hoch und wandelt die zugeführte Brennstoffenergie in einem festen Verhältnis in thermische und elektrische Energie um. Daneben existieren BHKW-Modelle, welche in einem gewissen Bereich leistungsmodulierend betrieben werden können. Durch die Leistungsmodulation können das Taktverhalten und die Betriebsdauer positiv beeinflusst werden, was sich wiederum positiv auf die Wartungsintervalle und die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Der Leistungsbereich des jeweiligen BHKWs lässt sich im Katalog über zwei Stützstellen definieren, den auf die zugeführte Brennstoffleistung bezogenen maximalen und minimalen Betriebspunkt. Pro Stützstelle werden die aufgenommene Brennstoffleistung, der thermische Wirkungsgrad und der elektrische Wirkungsgrad benötigt. Sollte es sich um ein BHKW handeln, das nicht leistungsmodulierend betrieben werden kann, so sollen die minimalen den maximalen Werte gleich eingetragen werden. Je nach Wahl der Modulation rechnet das Modell mit den fixen Leistungsdaten oder interpoliert bedarfsgerecht zwischen den beiden Stützstellen.

5.3.2 Betriebsweise Ein Blockheizkraftwerk kann grundsätzlich nach zwei verschiedenen Regelstrategien betrieben werden; wärmegeführt und stromgeführt. Bei der wärmegeführten Betriebsweise wird das BHKW strikt nach dem Wärmebedarf betrieben. Die dabei abgegebene elektrische Energie wird wahlweise für die Deckung des Eigenbedarfs verwendet oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Bei der stromgeführten Betriebsweise dient der Bedarf an elektrischer Energie als Führungsgrösse für den Anlagenbetrieb. Dabei muss jedoch sichergestellt werden können, dass die abgegebene Wärme jederzeit direkt oder indirekt über Speichermodule abgenommen werden kann. Ist dies nicht gewährleistet, so muss die Wärme über Notkühlvorrichtungen weggekühlt werden. Dies wirkt sich jedoch negativ auf den Gesamtnutzungsgrad aus und sollte möglichst vermieden werden. Eine interessante Alternative ist daher die kombinierte Betriebsweise. Bei dieser wird primär auf eine Deckung des Wärmebedarfs geachtet und nebenbei versucht, möglichst viel elektrische

173

Energie bereitzustellen, ohne jedoch überschüssige Wärme ungenutzt an die Umgebung abführen zu müssen. Die Betriebsweise der BHKWs lassen sich in Polysun über den Steuermodus definieren. Über die frei programmierbare Steuerung kann das BHKW sowohl nach dem Wärmebedarf, wie auch nach dem Strombedarf oder einer beliebigen Kombination daraus betrieben werden.

5.3.3 Steuerung Die BHKW-Komponente lässt sich sowohl mit der Wärmeerzeugersteuerung, wie auch mit der frei programmierbaren Steuerung betreiben. Es ist zu beachten, dass bei der Wärmeerzeugersteuerung als Default-Einstellung direkt und ausschliesslich die wärmegeführte Betriebsweise zur Verfügung steht. Wahlweise kann entweder nur der Status oder zusätzlich die geregelte Leistung des BHKWs für den entsprechenden Modulationsbetrieb angesteuert werden. Es ist zu beachten, dass ein BHKW nur geregelt betrieben werden kann, falls in der Datenbank die Stützstellen entsprechend parametriert wurden. Ansonsten wird es trotz der Ansteuerung der geregelten Leistung nicht modulierend betrieben. Bei der frei programmierbaren Steuerung steht mit dem Steuermodus ein weiterer Ausgang zur Verfügung, den man wahlweise auf den Wert "1", wärmegeführter Betrieb, oder den Wert "2", stromgeführter Betrieb, setzt. Nach wie vor muss sowohl der Status wie auch die geregelte Leistung angesteuert werden. Mit dem Steuermodus definiert man, ob es sich bei der angeforderten Leistung um eine thermische (1) oder eine elektrische (2) Leistung handelt. Entsprechend rechnet das Modell wahlweise mit den thermischen oder den elektrischen Werten aus der Datenbank. Als dritter Steuermodus steht der Modus "0" zur Verfügung. Ist dieser aktiv, so wird das BHKW nicht-modulierend betrieben, auch wenn es dies grundsätzlich könnte. Dies erlaubt den Einfluss der Modulation zu untersuchen. Tab. 18: Steuerungsoptionen für das Blockheizkraftwerk

Beschreibung Steuerungs-Wert

Weitere Steuerungs-Ausgänge

Funktionsbeschreibung

Fix maximale Leistung

0 - Das BHKW läuft auf der maximalen Leistungsstufe

Wärmegeführt 1 „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“

Das BHKW gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte thermische Leistung ab. (Default-Modus)

Stromgeführt 2 „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“

Das BHKW gibt möglichst die über den Steuerungswert „Geregelte Leistung Wärmeerzeuger“ gewünschte elektrische Leistung auf.

174

Polysun-Video

Blockheizkraftwerke

5.4 Luft/Wasser-Wärmetauscher Der Luft/Wasser-Wärmetauscher ist ein thermisches Bauteil, welches es erlaubt, Wärmeenergie zwischen der Flüssigkeit einer Leitung und der Umgebungsluft zu übertragen. Dieser Wärmetransfer kann dabei in beide Richtungen erfolgen: von der Flüssigkeit einer Leitung zur Umgebungsluft oder von der Umgebungsluft zur Flüssigkeit einer Leitung. Entsprechend kann die Umgebungsluft eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke sein. Es bedarf keiner zusätzlichen Einstellungen, um die Richtung des Wärmetransfers innerhalb des Wärmetauschers zu ändern. Abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit, das in den Wärmetauscher strömt, und der Temperatur der Umgebungsluft definiert die Komponente selbst die Richtung des Wärmetransfers. Der Luft/Wasser-Wärmetauscher kann mit unterschiedlichen Technologien eingesetzt werden: Wasser/Wasser-Wärmepumpen, Kompressor- und thermisch betriebene Kühlgeräte.

Abb. 131: Dialogfenster des Luft/Wasser-Wärmetauschers

Der Luft/Wasser-Wärmetauscher wird mittels der bekannten “Number of Transfer Units (NTU) – Effectiveness” (etwa: Anzahl der Übertragungseinheiten – Effizienz)-Methode simuliert. Diese Methode funktioniert wie folgt: Basierend auf den Auslegungs- oder Sollwerten der Wärmetauscher (Wärmestromkapazität, Temperaturdifferenzen und Durchlaufraten an beiden Enden) wird der UA-Wert kalkuliert => für jeden Zeitschritt werden NTU, Effektivität und die theoretisch-maximale Wärmestromkapazität definiert =>

175

basierend auf diesen Werten wird die betriebliche Wärmestromkapazität ermittelt => mit der Wärmestromkapazität können die Ein- und Ausgangstemperaturen an beiden Enden des Wärmetauschers ermittelt werden. Der Luft/Wasser-Wärmetauscher ist adiabatisch. Das bedeutet, dass es keinen Wärmetransfer mit der Umgebung außerhalb des Wärmetauschers gibt. Dieses Modell berücksichtigt keine latente Wärme der Luft.

176

6 Steuerungen

6.1 Übersicht

Steuerung Solarkreislauf

Der Solarkreislauf ist auf 4 Arten

Regelbar.

1: Fixer Durchfluss

2: Spezifischer Durchfluss pro

Kollektorfeld

3: Matched Flow

4: Druckverlust abhängig aufgrund der

Pumpenkarakteristik

Steuerung

Drehzahlgesteuerte Pumpe

Die Steuerung Drehzahlgesteuerte Pumpe regelt den

Durchsatz der Primärpumpe, so dass die

Sekundärseite eine gewisse Temperatur erreicht.

Steuerung Zusatzheizung

Die Steuerung Zusatzheizung eignet

sich für interne Heizpatronen sowie

externe Kessel. Die beiden

Ausgangssignale sind gleich und

Digital. Die Steuerung kann deshalb

in gewissen Fällen auch für Pumpen

eingesetzt werden.

x

Steuerung Mischventil

Die Steuerung Mischventil erzeugt ein

analoges Ausgangssignal und mischt

zwei Eintrittstemperaturen auf den

gewünschten Wert. Der heissere

Anschluss muss links vom x

horizontal, der Kältere beim x vertikal

angeschlossen sein.

Steuerung HeizkreislaufDie Steuerung Heizkreislauf ist nur für die

Heizkreispumpe einsetzbar.

Steuerung Temperatur mit

UND und ODER

Verknüpfung

x x

Die Steuerung Temperatur erzeugt

ein digitales Ausgangssignal und

ist vor allem für Schaltventile

geeignet. Aufgrund zweier frei

wählbarer Temerpaturniveaus wird

ein Ausgangssignal berechnet. Des

Weiteren kann sie auch als Kessel-

und Pumpen -Steuerung eingesetzt

werden. Verschiedene

Referenztemperaturen können mit

logisch UND und ODER verknüpft

werden.

Steuerung Durchsatz x

Die Steuerung Durchsatz wiedergibt

auch ein digitales Signal und dient

deshalb auch für das Ein- und Aus -

Schalten eines Kessels.

Die Steuerung Durchsatz misst einen Durchsatz und

gibt ihn als Vorgabe einer Pumpe weiter.

Steuerung Einstrahlung

Die Steuerung Einstrahlung liefert ein

digitales Ausgangssignal aufgrund

verschiedener Strahlungsintensitäten.

177

6.1.1 Einleitung In diesem Kapitel stellen wir Ihnen die im Polysun verfügbaren Steuerungen, sowie deren Verwendung und Funktionen vor. Derzeit sind in Polysun folgende Steuerungen implementiert:

Steuerung Solarkreislauf Steuerung Drehzahlgesteuerte Pumpe Steuerung Zusatzheizung Steuerung Mischventil Steuerung Heizkreislauf Steuerung Temperatur mit UND- / ODER-Verknüpfung Steuerung Durchsatz Steuerung Einstrahlung

Grundsätzlich sind die Steuerfunktionen in allen Benutzerstufen veränderbar. Lediglich der Designer-Benutzer hat die Möglichkeit die Steuerungen individuell in die Hydraulikschemata zu integrieren. Die Light-Benutzer können die Steuerausgänge nicht verändern. Die Professional-Benutzer können nur die Steuerparameter verändern, nicht aber den Typ der Steuerungen.

Bemerkung: Die in den Polysun-Vorlagen verwendeten Steuerungen sind so definiert, wie sie in der Regel in der Praxis zum Einsatz kommen. Die vordefinierten Parameter-Einstellungen erheben keinen Anspruch auf optimierte Solarerträge des Systems.

6.1.2 Steuerungs-Auswahl Durch das Einfügen einer Steuerung (Designer-Version) in die Variante werden Sie in einer Abfragemaske aufgefordert den Typ der Steuerung anzugeben:

178

Abb.132: Steuerungs-Auswahl

Wählen Sie eine Steuerung nach Ihren Bedürfnissen und anhand der obigen Steuerungs-Übersicht aus. Die Steuerungen „Temperatur“ und „Durchsatz“ können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Nachdem Sie die Steuerung in die Vorlage eingefügt haben, klicken Sie bitte auf die Steuerkomponente in der Variante und definieren Sie deren Eigenschaften. Nachfolgend werden alle Steuerungen im Detail beschrieben. In der obigen Tabelle unter Kapitel 7 ist die Verwendung der einzelnen Steuerungen ersichtlich. Bei der Definition der Steuer-Eigenschaften können entsprechende Beispiele in den Vorlagen einbezogen werden.

179

6.1.3 Generelle Steuereigenschaften Steuerung „Beschreibung“ Wird im Feld „Beschreibung“ eine Zahl bzw. Text angegeben, erscheint dieser nach dem Schliessen und wieder Öffnen des Fensters im Titelbereich der Steuerung:

Abb. 133: Steuerung Mischventil Verbrühungsschutz

Automatische Nummerierung von Polysun: Wenn Sie mehrere Steuerungen im Polysun einfügen, wird Ihnen Polysun diese Steuerungen automatisch und fortlaufend nummerieren, egal ob vorher eingefügte Steuerungen gelöscht wurden. Diese fortlaufenden Nummern können Sie manuell ändern. Ein „Zurücksetzen“ der Nummerierung ist nicht möglich. Die Nummerierung startet bei jeder neuen Variante automatisch bei „1“. Steuerung Schaltuhr Bei allen Steuerungen kann die „Schaltuhr-Funktion“ verwendet, bzw. es können Freigabezeiten definiert werden, in denen die Steuerung in Betrieb sein soll. Geben Sie dazu je nach Bedarf die Stunden, Wochentage, Monate an, in welchen die Steuerung „aktiv“ sein soll. Bei inaktivem Modus sind die Ausgänge null.

Abb. 134: Steuerung Schaltuhr

180

Die Definition von unabhängigen „Wochen- und Monats-Profilen“ ist nicht möglich. Steuerungs-Ausgänge Üblicherweise sind zwei parallele Ausgänge vorhanden. Wenn zwei Komponenten parallel ein- und ausgeschaltet werden sollen, kann dies mit Hilfe einer Steuerung gemacht werden. Bei mehr als zwei parallel angesteuerten Komponenten muss die Steuerung kopiert werden. Eine Ausnahme bildet die Mischsteuerung, welche nur ein analoges Signal ausgibt. „Energiebedarf ist nicht gedeckt“ In diversen Steuerungen (z. Bsp: Temperatur, Durchsatz) können fixe und variable Solltemperaturen gesetzt werden. Manchmal wird nach der Simulation der Energiebedarf als „nicht gedeckt“ ausgewiesen. Dies kann dann passieren, wenn die in den Steuerungen und Verbraucher-Profilen definierten Soll-Temperaturen bzw. Soll-Durchsätze nicht erreicht werden. So haben Sie zum Bsp. eine Mischventilsteuerung auf „variable Solltemperatur: Warmwasser-Bezug“ gesetzt. Im Warmwasser-Verbraucherprofil haben Sie z. Bsp 50°C angegeben. Wenn die Steuerung nun so definiert wurde, dass die Warmwasser Solltemperatur nicht erreicht wird (z. Bsp. wegen Temperaturverlusten zwischen Mischventil und Zapfstelle), wird Ihnen Polysun nach der Simulation „Energiebedarf ist nicht gedeckt“ melden. Überprüfen Sie bitte in solchen Fällen, wie die einzelnen Temperatur-Niveaus sind und kompensieren Sie die Temperaturen in den Steuerungen mit der „Temperaturverschiebung“. Die Meldung „Energiebedarf ist nicht gedeckt“ bedeutet nicht, dass Polysun falsch rechnet, oder die Hydraulik nicht funktioniert, sondern gibt lediglich Auskunft darüber, ob die vorgegebenen Temperaturniveaus und Durchsätze erreicht werden oder nicht. Die errechneten Solarerträge stimmen trotzdem, auch wenn die Temperaturniveaus und Durchsätze nicht erreicht werden. In solchen Fällen überprüfen Sie bitte die angegebenen Parameter in den Steuerungen und überprüfen Sie auch die Werte anhand der Stundenresulate der einzelnen Komponenten. Vorzeichen des Ausgangs Das Ausgangssignal kann digital (0 oder 1) oder analog sein (0…1). Wenn die Bezeichnung der verwendeten Grössen mit der realen Situation übereinstimmt (z.B. höhere Temperatur > niedrigere Temperatur), dass ist das Ausgabesignal 1 („wahr“). Dies entspricht dem „normalen“ Vorzeichen. Wenn das „invertierte“ Vorzeichen verwendet wird, wird das Ausgabesignal 1-x gerechnet. Im erwähnten Beispiel würde also 0 (falsch) ausgegeben. Diese Konvention gilt für beide Ausgabesignale, sofern beide definiert wurden. Wird die Pumpe im Zeitfenster deaktiviert, so ist das Ausgangssignal auch bei invertierter Wahl 0.

181

6.2 Steuerung Solarkreis Die Steuerung Solarkreislauf ist eine Zweikanal-Steuerung und steuert die Pumpe im Solarkreislauf. Sie regelt den Status und Durchfluss von bis zu zwei Pumpen aufgrund eines Temperatur-Unterschiedes zweier Messwerte

sie hat 2 (plus 3 optionale) analoge Eingänge sie hat 1 (plus 3 optionale) Ausgänge, teils Digital und teils Analog

Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 135: Blockdiagramm Messgrössen Solarkreislauf

Y1 Status Pumpe 1 Solarkreislauf

[Status]

Y2 Status Pumpe 2 Solarkreislauf

[Status]

Y3 Durchsatz Pumpe 1 Solarkreislauf

[l/h]

Y4 Durchsatz Pumpe 2 Solarkreislauf

[l/h]

Kollektor Aperturfläche [m2] X3

Kollektor Temperatur [°C] X1

Speicher Temperatur [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Solarkreislauf

Kollektor Eintrittstemperatur [°C] X4

Kollektorfeldertrag [W] X5

182

Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Durchsatz“

Abb. 136: Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Durchsatz“

Bei dieser Einstellung schaltet die Solarpumpe ein sobald die Kollektoraustrittstemperatur um 6 Grad höher ist als die Temperatur im Speicher auf Layer 5. Der Durchsatz beträgt 60 l/h für das gesamte Kollektorfeld. Steuerungs-Eingabemaske „Spezifischer Durchsatz“

183

Abb. 137: Steuerungs-Eingabemaske „Spezifischer Durchsatz“

Bei dieser Einstellung schaltet die Solarpumpe ein sobald die Kollektoraustrittstemperatur um 6 Grad höher ist als die Temperatur im Speicher auf Layer 5. Der Durchsatz beträgt 15 l/h/m2 Kollektorfeld. Steuerungs-Eingabemaske „Matched Flow“

Abb. 138: Steuerungs-Eingabemaske „Matched Flow“

Bei dieser Einstellung schaltet die Solarpumpe ein sobald die Kollektoraustrittstemperatur um 6 Grad höher ist als die Temperatur im Speicher auf Layer 5. Der Durchsatz variiert zwischen 50 und 100 l/h für das gesamte Kollektorfeld, wobei versucht wird die Austrittstemperatur 60°C zu erreichen.

Input Grössen

6.2.1 Kollektor-Temperatur [°C] Der Wert gibt an wo die Kollektortemperatur gemessen wird. Geben Sie entweder die Kollektor Mitteltemperatur oder die Austrittstemperatur an.

184

6.2.2 Speicher-Temperatur [°C] Der Wert gibt an, wo die Speichertemperatur gemessen wird. Geben Sie die entsprechende Schicht (Layer) im Speicher an.

6.2.3 Kollektor-Aperturfläche [m2] (Notwendig beim Spezifischem Durchsatz) Der Wert bezieht sich auf die Aperturfläche des ausgewählten Kollektors. Mit diesem Wert kann eine Pumpe mit einem spezifischen Durchfluss gesteuert werden. (Siehe Definition Solldurchsatz bei den Steuerparametern)

6.2.4 Kollektor Eintrittstemperatur [°C] (Notwendig beim Match-Flow Betrieb) Die Kollektoreintrittstemperatur wird zur Bestimmung des Pumpendurchsatzes im „Match-Flow“-Betrieb verwendet. Messen Sie dazu die Temperatur des Rohres am Eingang des Kollektors.

6.2.5 Kollektorfeldertrag [W] (Notwendig beim Match-Flow Betrieb) Der Kollektorfeldertrag wird zur Bestimmung des Pumpendurchsatzes im „Matched Flow“-Betrieb verwendet. Wählen Sie dazu das entsprechende Kollektorfeld aus.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.2.6 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.2.7 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. (Bsp: Wenn X1>X2 dann ist der Ausgang der Pumpe 1 positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden. (Bsp: Wenn X1>X2 dann ist der Ausgang Pumpe 1 gleich null)

6.2.8 Kollektor Maximaltemperatur [°C] Liegt die Kollektortemperatur X1 höher als die angegebene Maximaltemperatur, dann schaltet die Pumpe Solarkreislauf aus.

185

6.2.9 Speicher Maximaltemperatur [°C] Liegt die Speichertemperatur X2 höher als die angegebene Maximaltemperatur, dann schaltet die Pumpe Solarkreislauf aus.

6.2.10 Einschalt-Temperaturdifferenz [K] Liegt die Kollektoraustrittstemperatur X1 um den angegebenen Wert höher als die Speichertemperatur X2, dann schaltet die Pumpe Solarkreislauf ein. (Bsp. X1>X2+Wert dann schaltet die Pumpe ein)

6.2.11 Ausschalt-Temperaturdifferenz [K] Ist die Kollektoraustrittstemperatur X1 um weniger als den angegebenen Wert höher als die Speichertemperatur X2, dann schaltet die Pumpe Solarkreislauf aus. (Bsp. X1<X2+Wert dann schaltet die Pumpe aus)

6.2.12 Definition Soll-Durchsatz

Spezifischer Durchsatz Anhand des im Spezifischen Durchsatz angegebenen Werts regelt die Steuerung die Pumpe abhängig von der Kollektor Aperturfläche. Der Durchsatz ist im Feld „Spezifischer Durchsatz“ anzugeben. Die entsprechenden Pumpen sind auf „Durchsatzvorgabe“ einzustellen (Doppelklick auf Pumpe um Einstellungen vorzunehmen).

Fixer Durchsatz Wird fixer Durchsatz ausgewählt, wird di Pumpe anhand des angebenden Wertes im Feld „Fixer Durchsatz“ gesteuert. Die Eingangsgrösse „Kollektor Aperturfläche“ ist dabei irrelevant und wird ausgeblendet. Die entsprechenden Pumpen sind auf „Durchsatzvorgabe“ einzustellen (Doppelklick auf Pumpe um Einstellungen vorzunehmen).

Matched Flow Bei „matched flow“ wird der Durchsatz der Pumpe anhand einer voreingestellten Durchsatz-Bandbreite bestimmt. Dabei wird der Durchfluss so eingestellt, dass die Austrittstemperatur am Kollektor erreicht wird. Die entsprechenden Pumpen sind auf „Durchsatzvorgabe“ einzustellen (Doppelklick auf Pumpe um Einstellungen vorzunehmen).

186

6.2.13 Definition des Durchsatzwertes

Spezifischer Durchsatz [l/h/m2] Wert des spezifischen Durchsatzes in [l/h/m2] Kollektorfeld .

Fixer Durchsatz [l/h] Wert des geforderten fixen Durchsatzes des Kollektorfeldes.

Matched Flow: Werte zur Bestimmung des variablen Durchsatzes: Kollektor Austrittstemperatur [°C]; Minimaler Durchsatz [l/h], Maximaler Durchsatz [l/h].

Output-Grössen

6.2.14 Status Pumpe 1 Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Pumpe Solarkreislauf. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus.

6.2.15 Status Pumpe 2 (Optional) Dieser digitale Ausgang schaltet gleich, wie der Ausgang der Status Pumpe 1. Es kann eine zweite Komponente (z.B. eine weitere Pumpe) nach den gleichen Kriterien wie Status Pumpe 1 gesteuert werden. Wählen Sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus.

6.2.16 Durchsatz Pumpe 1 (Optional) Dieser analoge Ausgang regelt den Durchsatz der Pumpe 1. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus. (Dieser Ausgang ist nur aktiv, wenn bei der zu steuernden Pumpe das Feld „Durchsatz-bestimmend“ „Durchsatzvorgabe“ aktiviert ist, ansonsten haben die Pumpeneinstellungen Vorrang über die analogen Steuerausgänge. Doppelklick auf Pumpe um diese Einstellungen zu verändern/überprüfen. )

6.2.17 Durchsatz Pumpe 2 (Optional) Dieser analoge Ausgang regelt gleich, wie der Ausgang Durchsatz der Pumpe 1. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus.

187

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 19: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Pumpe 1 Y1 = Y2 Y2: Status Pumpe 2

Fixer Durchsatz

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=0 wenn X1 > Kollektor Maximaltemperatur [°C]

X2: Speicher-Temperatur

Y1=0 wenn X2 > Speicher Maximaltemperatur [°C]

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=1 wenn X1 > X2 + Einschalt-Temperaturdifferenz [K] Y1=0 wenn X1 < X2 + Ausschalt-Temperaturdifferenz [K]

X2: Speicher-Temperatur

Y3: Durchsatz Pumpe 1 Y3 = Y4 Y4: Durchsatz Pumpe 2

Spezifischer Durchsatz

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe Durchsatz abhängig von X3 und dem Wert des spezifischen Durchsatzes

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=0 wenn X1 > Kollektor Maximaltemperatur [°C]

X2: Speicher-Temperatur

Y1=0 wenn X2 > Speicher Maximaltemperatur [°C]

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=1 wenn X1 > X2 + Einschalt-Temperaturdifferenz [K] Y1=0 wenn X1 < X2 + Ausschalt-Temperaturdifferenz [K]

X2: Speicher-Temperatur

X3: Kollektor Aperturfläche

Y3: Durchsatz Pumpe 1 Y3 = Y4 Y4: Durchsatz Pumpe 2

Matched Flow

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe Durchsatz innerhalb der angegebenen Bandbreite und geregelt auf die definierte Kollektor-Austrittstemperatur

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=0 wenn X1 > Kollektor Maximaltemperatur [°C]

X2: Speicher-Temperatur

Y1=0 wenn X2 > Speicher Maximaltemperatur [°C]

X1: Kollektor-Temperatur

Y1=1 wenn X1 > X2 + Einschalt-Temperaturdifferenz [K] Y1=0 wenn X1 < X2 + Ausschalt-Temperaturdifferenz [K]

X2: Speicher-Temperatur

X4: Kollektor-Eintrittstemperatur

X2: Kollektorfeldertrag

188

6.3 Steuerung Drehzahlgesteuerte Pumpe Die Steuerung Drehzahlgesteuerte Pumpe ist eine Zweikanal-Steuerung und regelt den Status und Durchfluss der Pumpe der Frischwasserstation.

sie hat 4 (plus 2 optionale) analoge Eingänge sie hat 2 Ausgänge, Digital und Analog

Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 139: Blockdiagramm Messgrössen/Stellgrössen Drehzahlgesteuerte Pumpe

Y1 Status Pumpe

[Status]

Y2 Durchsatz Pumpe

[l/h]

Durchsatz Sekundärseite [l/h] X3

Eintrittstemperatur Primär [°C] X1

Eintrittstemperatur Sekundär [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Drehzahl-

gesteuerte Pumpe

K*A Wärmetauscher [W/K] X5

Variable Solltemperatur [°C] X6

2. Durchsatz Sekundärseite [l/h] X4

189

Steuerungs-Eingabemaske „Fixe Solltemperatur“

Abb. 140: Steuerungs-Eingabemaske „Fixe Solltemperatur“

Bei dieser Einstellung schaltet die Frischwasserstation-Pumpe ein sobald warmes Wasser gezapft wird. Die Drehzahl der Pumpe wird so geregelt, dass die Austrittstemperatur auf Sekundärseite 52°C beträgt. Steuerungs-Eingabemaske „Variable Solltemperatur“

Abb. 141: Steuerungs-Eingabemaske „Variable Solltemperatur“

190

Bei dieser Einstellung schaltet die Frischwasserstation-Pumpe ein sobald warmes Wasser gezapft wird. Die Drehzahl der Pumpe wird so geregelt, dass die Austrittstemperatur auf Sekundärseite gleich hoch ist wie die Warmwasserbedarf-Solltemperatur plus 5°C.

Input-Grössen

6.3.1 Eintrittstemperatur-Primärseite [°C] Der Wert gibt an wo die Eintrittstemperatur der Primärseite gemessen wird. Geben Sie die die Temperatur des Rohres unmittelbar vor dem PWT oder z.B. die Temperatur des Stutzens am Speicher an.

6.3.2 Eintrittstemperatur-Sekundärseite [°C] Der Wert gibt an wo die Eintrittstemperatur der Sekundärseite gemessen wird. Geben Sie die Kaltwassertemperatur oder die Temperatur des Rohres unmittelbar vor dem PWT auf Sekundärseite ein.

6.3.3 Durchsatz Sekundärseite [l/h] Dieser Wert gibt den Durchsatz auf der Bezugsseite an. Beim Frischwassermodul ist es der Nenndurchsatz des Warmwasserbezugs.

6.3.4 Zweiter Durchsatz Sekundärseite [l/h] Analog zu Durchsatz Sekundärseite kann ein zweiter Durchsatz eingelesen werden. Bei der Frischwasserstation mit Zirkulation ist dies der Zirkulationsdurchsatz.

6.3.5 K*A Plattenwärmetauscher [W/K] Dieser Wert bezieht sich auf die Wärmeübertragungseigenschaft und die Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers. Die Angaben sind vom Hersteller bestimmt.

6.3.6 Variable Solltemperatur [°C] (Optional) Die Temperatur die beim Austritt des PWT erreicht werden soll. Z.B. die Solltemperatur des Warmwasserbedarfs.

191

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.3.7 Beschreibung

Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.3.8 Vorzeichen des Ausgangs

Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. (Bsp: Wenn X3 + X4 > 0 dann ist der Ausgang der Pumpe 1 positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden.

6.3.9 Definition der Solltemperatur

Fixe Solltemperatur Die an der Steuerung angeschlossenen Komponenten werden so gesteuert, dass die angegebene fixe Soll-Temperatur am Plattenwärmetauscher-Austritt auf der Sekundärseite erreicht wird.

Variable Solltemperatur Die an der Steuerung angeschlossenen Komponenten werden so gesteuert, dass die angegebene variable Soll-Temperatur am Plattenwärmetauscher-Austritt auf der Sekundärseite, unter Berücksichtigung der Temperaturverschiebung erreicht wird.

6.3.10 Definition der Temperaturverschiebung

z.Bsp. 5 [K] Mit dem Wert der Temperaturverschiebung kann der Temperaturabfall über dem Plattenwärmetauscher und die Rohrabkühlung nach dem Plattenwärmetauscher korrigiert werden. Ist der Wert positiv wird die Austrittstemperatur um diesen Wert angehoben. Ist der Wert negativ, wird die Austrittstemperatur um diesen Wert abgesenkt.

Output-Grössen

6.3.11 Status Pumpe [%] Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Pumpe, z.B. die der Frischwasserstation. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus.

6.3.12 Durchsatz Pumpe [l/h]

192

Dieser analoge Ausgang regelt den Durchsatz der Pumpe, so dass das gewünschte Temperaturniveau auf der Sekundärseite des PWT erreicht wird. Dabei weist der Plattenwärmetauscher einen Temperaturabfall von der Primär- zur Sekundärseite auf. Dieser Temperaturabfall kann mit der Temperaturverschiebung korrigiert werden. Dieser Ausgang ist nur aktiv, wenn bei der zu steuernden Pumpe im Feld „Durchsatz-bestimmend“ die „Durchsatzvorgabe“ aktiviert ist, ansonsten haben die Pumpeneinstellungen Vorrang über die analogen Steuerausgänge. Doppelklick auf Pumpe um diese Einstellungen zu verändern/überprüfen. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus.

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 20: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Pumpe Y2: Durchsatz Pumpe

Fixe Solltemperatur

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe

X1: Eintrittstemperatur-Primärseite [°C]

Y1=0 wenn X3 + X4 = 0 Y1=1 wenn X3 + X4 > 0 Y2= f(X1, X2, X3 + X4, X5)

X2: Eintrittstemperatur-Sekundärseite [°C]

X3: Durchsatz Sekundärseite [l/h]

X4: Zweiter Durchsatz Sekundärseite [l/h]

X5: K*A Plattenwärmetauscher [W/K]

Y1: Status Pumpe Y2: Durchsatz Pumpe

Variable Solltemperatur

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe

X1: Eintrittstemperatur-Primärseite [°C]

Y1=0 wenn X3 + X4 = 0 Y1=1 wenn X3 + X4 > 0 Y2= f(X1, X2, X3 + X4, X5, X6)

X2: Eintrittstemperatur-Sekundärseite [°C]

X3: Durchsatz Sekundärseite [l/h]

X4: Zweiter Durchsatz Sekundärseite [l/h]

X5: Variable Solltemperatur [°C]

X6: K*A Plattenwärmetauscher [W/K]

193

6.4 Steuerung Zusatzheizung Die Steuerung Zusatzheizung ist eine Zweikanal-Steuerung und regelt den Status und Durchsatz des Kessels und den Status einer weiteren Komponente aufgrund von Speichertemperaturen in zwei Schichten.

sie hat 2 analoge Eingänge sie hat 1 (plus 1 optionalen) digitalen Ausgang.

Aufgrund der Temperatur an einer bestimmten Stelle wird ein Schalter eingeschaltet, aufgrund der Temperatur an einer (potentiell anderen) Stelle wird der Schalter wieder ausgeschaltet. Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 142: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Zusatzheizungssteuerung

Steuerungs-Eingabemaske

Y1 Status Heizung

[Status]

Y2 Status Schalter

[Status]

Schicht-Temperaturfühler ein [°C] X1

Schicht-Temperaturfühler aus [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Zusatzheizung

194

Abb. 143: Eingabemaske Zusatzheizungssteuerung

Bei dieser Einstellung schaltet die Zusatzheizung ein, sobald die Temperatur im Speicher auf Layer 11 unter 53°C fällt.

Input-Grössen

6.4.1 Schicht-Temperaturfühler ein [°C] Der Wert gibt an, in welcher Speicher-Schichtteperatur gemessen wird, um die Heizung einzuschalten. Wählen Sie die entsprechende Schicht des Speichers aus.

6.4.2 Schicht-Temperaturfühler aus [°C] Der Wert gibt an, in welcher Speicher-Schichtteperatur gemessen wird, um die Heizung auszuschalten. Wählen Sie die entsprechende Schicht des Speichers aus.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.4.3 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.4.4 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen

195

gesteuert werden. (Bsp: Wenn X1<Einschalt-Speichertemperatur, dann ist der Ausgang positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden.

6.4.5 Einschalt-Speichertemperatur [°C] Geben Sie die Temperatur an, bei welcher die Heizung eingeschaltet werden soll.

6.4.6 Ausschalt-Speichertemperatur [°C] Geben Sie die Temperatur an, bei welcher die Heizung ausgeschaltet werden soll.

Output-Grössen

6.4.7 Status Heizung Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Heizung. Wählen Sie den entsprechenden Kessel aus der Liste aus.

6.4.8 Status Schalter (Optional) Mit diesem digitalen Ausgang kann bei Bedarf eine weitere Komponente angesteuert werden. Z.B. eine zweite Heizung, Pumpe oder ein Schaltventil. Wählen sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus. Sie können hiermit nur den Status einer Komponente steuern.

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Heizung Y1 = Y2 Y2: Status Schalter

--- X1: Schicht-Temperaturfühler ein [°C]

Y1=1 wenn X1 < Einschalt Speichertemperatur [°C] Y1=0 wenn X2 > Ausschalt Speichertemperatur [°C]

6.5 Steuerung Mischventil Die Steuerung Mischventil ist eine Einkanal-Steuerung und steuert das Mischverhältnis zweier Zuströme so, dass eine gewünschte Austrittstemperatur erreicht wird. Diese Austrittstemperatur kann durch einen konstanten oder variablen Wert vorgegeben werden. Mit dem analogen Ausgang kann ein Drei-Weg-Ventil angesteuert werden, und auf diese Weise z.B. ein Verbrühungsschutz realisiert werden.

196

sie hat 2 (plus 1 optionalen) analogen Eingang sie hat 1 analogen Ausgang

Bemerkung: Da während eines Simulationszeitschrittes das Mischverhältnis konstant bleibt, muss dessen Berechnung auf Temperaturen basieren, welche möglichst konstant bleiben. Man verwendet dazu also mit Vorteil dem Mischer vorausgehende grosse Volumen, und nicht die unmittelbar angrenzenden Rohrelemente (z.B. Temp. in Speicherschicht oder Flange). Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 144: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Mischventil-Steuerung

Definition Mischventil

Abb. 145: Definition Mischventil

Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Unteres

Temperaturniveau [°C]

X2

Oberes Temperaturniveau

[°C] X1

Y1 Stellung Mischventil

[Stellung in %]

Variable Solltemperatur [°C] X3

Oberes Temperaturniveau [°C] X1

Unteres Temperaturniveau [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Mischventil

Solltemperatur [°C]

197

Abb. 146: Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Steuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 147: Steuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Bei dieser Einstellung wird auf die variable Solltemperatur „Warmwasserbezug: Solltemperatur“ plus 2°K gemäss Vorgabe der Temperaturverschiebung gemischt. Die Warmwasser Solltemperatur wird im Verbraucherprofil in der Projektübersicht definiert. Mit der Temperaturverschiebung wird der Temperaturabfall zwischen dem Mischventil-Austritt und der Warmwasser-Zapfstelle kompensiert.

198

Input-Grössen

6.5.1 Oberes Temperaturniveau [°C] Der Wert gibt an, in welcher Komponente das obere Temperaturniveau gemessen wird. Wählen Sie das entsprechende Eintrittsrohr am Mischventil oder der zuvorkommende Stutzen am Speicher aus.

6.5.2 Unteres Temperaturniveau [°C] Der Wert gibt an, in welcher Komponente das untere Temperaturniveau gemessen wird. Wählen Sie das entsprechende Rohr am Mischventil am „Eingang X“ aus. (Siehe Bild „Definition Mischventil“)

6.5.3 Variable Solltemperatur [°C] (Optional) Der Wer gibt die zu erreichende Soll-Temperatur an.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.5.4 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.5.5 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass das Ausgangssignal wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert wird. Invertiert soll nicht angewendet werden.

6.5.6 Definition Soll-Temperatur

Fixer Wert Das Mischventil wird anhand der gemessenen Eintrittstemperaturen so gesteuert, dass die angegebene Temperatur „Fixer Wert“ am Austritt des Mischventils erreicht wird.

Variable Solltemperatur Das Mischventil wird anhand der gemessenen Eintrittstemperaturen so gesteuert, dass die angegebene Temperatur „Variabler Wert“ am Austritt des Mischventils unter Berücksichtigung der Temperaturverschiebung erreicht wird.

199

6.5.7 Definition der Temperaturverschiebung

z.Bsp. 5 [K] Mit dem Wert der Temperaturverschiebung kann der Temperaturabfall zwischen dem Mischventil-Austritt und der Warmwasser-Zapfstelle kompensiert werden. Ist der Wert positiv wird die Austrittstemperatur um diesen Wert angehoben. Ist der Wert negativ, wird die Austrittstemperatur um diesen Wert abgesenkt.

Output-Grössen

6.5.8 Stellung Mischventil Mit dem Ausgang „Mischventil“ wird die Ventil-Position bestimmt. Sie regelt das Zustromverhältnis der Eingänge so, dass die angegebene Soll-Temperatur erreicht wird.

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten Tab. 21: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Mischventil

Fixer Wert

Mischventil einstellen auf - geregelter Wert

X1: Oberes Temperaturniveau [°C]

Y1=f(X1,X2) für die angegebene Fixe Solltemperatur

X2: Unteres Temperaturniveau [°C]

Y1: Status Mischventil

Variable Solltemperatur

Mischventil einstellen auf - geregelter Wert

X1: Oberes Temperaturniveau [°C] Y1=f(X1,X2,X3) für den

angegebenen Messwert der Variablen Solltemperatur plus der Temperaturverschiebung

X2: Unteres Temperaturniveau [°C]

X3: Variable Solltemperatur [°C]

Verwendung des Ventils als Schaltventil Das Schaltventil kann am einfachsten mit der Steuerung Temperatur betrieben werden. Die Steuerung Mischventil eignet sich dafür nicht. Das Schaltventil muss jeweils so angeschlossen sein, dass die Stromrichtungen dem Bild entsprechen.

200

Abb. 148: Verwendung Ventil als Schaltventil

6.6 Steuerung Heizkreislauf Die Steuerung Heizkreislauf regelt den Status und Durchsatz einer Pumpe aufgrund der Gebäudesimulationsvorgabe. Optional kann zusätzlich ein Mischventil angesteuert werden.

sie hat 4 (plus 3 optionale) analoge Eingänge sie hat 2 (plus 2 optionale) Ausgänge, teils Digital und teils Analog

Ein- und Ausschalten des Heizkreislaufes aufgrund der Raumtemperatur Thermostat Regelung. Die Vorlauftemperatur wird anhand der Aussentemperatur berechnet, welche als Soll-Temperatur für das Mischventil gebraucht wird.

Ein- oder Auslass-

Strom

Einlass-Strom

Auslass-

Strom

201

Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 149: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Heizkreislauf

Y1 Status Pumpe

[Status]

Y2 Status Schalter 2

[Status]

Y3 Durchsatzvorgabe

[l/h]

Ist-Raumtemperatur [°C] X3

Aussentemperatur [°C] X1

Soll-Raumtemperatur [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Heizkreislauf

Durchsatz-Vorgabe [l/h] X4

Variable Solltemperatur [°C] X5

Oberes Temperaturniveau X6

Unteres Temperaturniveau X7

Y1 Mischventil

[Stellung in %]

202

Steuerungs-Eingabemaske

Abb. 150: Steuerungs-Eingabemaske

Input-Grössen

6.6.1 Aussentemperatur [°C] Der Wert gibt an, welche Wetterdaten gemessen werden. Geben Sie entweder die Wetterdaten Aussentemperatur oder die Aussentemperatur 24h-Mittel an.

6.6.2 Soll-Raumtemperatur [°C] Der Wert gibt an, wie hoch die Soll-Temperatur während der Anwesenheit von Personen ist.

6.6.3 Ist-Raumtemperatur [°C] Der Wert gibt an, wie hoch die tatsächliche mittlere Raumtemperatur ist.

203

6.6.4 Durchsatzvorgabe [l/h] Der Wert gibt an, welchen Durchsatz die angeschlossenen Konvektoren haben. Geben Sie den „Gesamt-Nenndurchsatz“ des Konvektors an. Dieser wird aus der Katalog-Eigenschaft des Konvektors und der Anzahl Konvektoren berechnet.

6.6.5 Variable Solltemperatur (notwendig für Mischventil) Geben Sie hier die Soll-Vorlauftemperatur des Konvektors an. Diese bestimmt die maximale Vorlauftemperatur.

6.6.6 Oberes Temperaturniveau (notwendig für Mischventil) Der Wert gibt an, in welcher Komponente das obere Temperaturniveau für das Mischventil gemessen wird. Wählen Sie das entsprechende Eintrittsrohr am Mischventil oder der zuvorkommende Stutzen am Speicher aus. (Entsprechend wie in Steuerung Mischventil).

6.6.7 Unteres Temperaturniveau (notwendig für Mischventil) Der Wert gibt an, in welcher Komponente das untere Temperaturniveau gemessen wird. Wählen Sie das entsprechende Rohr am Mischventil am „Eingang X“ aus. (Entsprechend wie in Steuerung Mischventil).

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.6.8 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.6.9 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden.

6.6.10 Heizkreisaktivierung [°C] Unterschreitet die Aussentemperatur den vorgegebenen Wert, wird die Vorlauftemperatur anhand der Aussentemperatur und der Soll-Vorlauftemperatur berechnet. Überschreitet die Aussentemperatur den vorgegebenen Wert, wird die Vorlauftemperatur auf einen minimalen Wert gesetzt.

204

6.6.11 Einschalt-Hysterese Die Pumpe im Heizkreis wird aktiviert, wenn die Ist-Raumtemperatur unter der Soll-Raumtemperatur plus Einschalt-Hysterese liegt.

6.6.12 Ausschalt-Hysterese Die Pumpe im Heizkreis wird deaktiviert, wenn die Ist-Raumtemperatur über der Soll-Raumtemperatur plus Ausschalt-Hysterese liegt.

Output-Grössen

6.6.13 Status Pumpe 1 Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Pumpe im Heizkreislauf. Wählen Sie die entsprechende Pumpe aus der Liste aus.

6.6.14 Status Schalter 2 (Optional) Dieser digitale Ausgang schaltet gleich, wie der Ausgang der Status Pumpe 1. Mit diesem Ausgang kann eine zusätzliche Komponente angesteuert werden. Beim Schaltventil bedeutet „logisch eins“, dass der Ausgang „X“ am Mischventil offen ist. Wählen Sie nach Bedarf die entsprechende Komponente aus der Liste aus.

6.6.15 Durchsatzvorgabe Der bei „Durchsatz-Vorgabe“ angegebene Wert wird hier an die Pumpe übergeben. Wählen Sie dazu aus der Liste den Durchsatz der entsprechenden Pumpe aus. Dieser Ausgang ist nur aktiv, wenn bei der zu steuernden Pumpe im Feld „Durchsatz-bestimmend“ die „Durchsatzvorgabe“ aktiviert ist, ansonsten haben die Pumpeneinstellungen Vorrang über die analogen Steuerausgänge. Doppelklick auf Pumpe um diese Einstellungen zu überprüfen und zu verändern

6.6.16 Mischventil (Optional) Anhand der Aussentemperatur und der Soll-Vorlauftemperatur des Konvektors wird die benötigte Vorlauftemperatur berechnet und die Position des Mischventils entsprechend geregelt. Die berechnete Vorlauftemperatur ist auf ein Maximum der Soll-Vorlauftemperatur und ein Minimum der Soll-Raumtemperatur plus 10°C begrenzt.

205

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 22: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Pumpe Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Ohne Mischventil

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe

X1: Aussentemperatur X2: Soll-Raumtemperatur X3: Ist-Raumtemperatur X4: Durchsatzvorgabe

Y1=0 wenn X3 > X2 + Ausschalt-Hysterese [°C] Y1=1 wenn X3 < X2 + Einschalt-Hysterese [°C]

Y3: Durchsatzvorgabe

Y3 = Durchsatzvorgabe X4

Y1: Status Pumpe Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Mit Mischventil

Pumpe einstellen auf - Durchsatzvorgabe Mischventil einstellen auf – geregelter Wert

X1: Aussentemperatur X2: Soll-Raumtemperatur X3: Ist-Raumtemperatur X4: Durchsatzvorgabe X5: Variable Solltemperatur X6: Oberes Temperaturniveau X7: Unteres Temperaturniveau

Y1=0 wenn X3 > X2 + Ausschalt-Hysterese [°C] Y1=1 wenn X3 < X2 + Einschalt-Hysterese [°C]

Y3: Durchsatzvorgabe

Y3 = Durchsatzvorgabe X4

Y4: Status Mischventil

Y4 = f(X1, X2, X5)

206

6.7 Steuerung Temperatur mit UND-/ODER-Verknüpfung Die Steuerung Temperatur regelt den Status von bis zu zwei Komponenten aufgrund eines oder zwei Temperaturunterschieden. Einsetzbar für verschiedene Komponenten, unter anderem auch für das Schaltventil. (siehe Kapitel Mischventilsteuerung)

sie hat 1 (plus 3 optionale) analoge Eingänge sie hat 1 (plus 1 optionaler) digitale Ausgänge

Schalter ein- oder ausschalten, aufgrund des Vergleiches von zwei oder vier Temperaturen. Der Vergleich kann mit einem konstanten Wert gemacht werden oder wenn mehrere Temperatur-Fühler verwendet werden, werden diese Temperaturen miteinander verglichen. Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 151: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Temperatur-Steuerung Und-/Oder-Verknüpfung

Y1 Status Schalter 1

[Status]

Y2 Status Schalter 2

[Status]

Temperatursensor 1 [°C] X1

Temperatursensor 2 [°C] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Temperatur mit

Und-Oder-

Verknüpfung

Temperatursensor 3 [°C] X2

Temperatursensor 4 [°C] X2

207

Steuerungs-Eingabemaske ohne Logischen Bezug einmal mit „Fixer Wert“ und einmal mit „Variabler Wert“

Abb. 152: Steuerungs-Eingabemaske ohne Logischen Bezug einmal mit „Fixer Wert“ und einmal mit „Variabler Wert“

Bei dieser Einstellung öffnet sich der mit X bezeichnete Austritt am Dreiwegventil sobald die Rohr Solarvorlauftemperatur höher ist als 50°C plus 2°.

208

Abb. 153: Steuerungs-Eingabemaske ohne Logischen Bezug einmal mit „Fixer Wert“ und einmal mit „Fixer Wert“

Bei dieser Einstellung öffnet sich der mit X bezeichnete Austritt am Dreiwegventil sobald die Rohr Solarvorlauftemperatur höher ist als die Temperatur in Speicher auf Layer 8 plus 2°. Steuerungs-Eingabemaske mit Logischem Bezug einmal mit „Fixer Wert“ und einmal mit „Variabler Wert“

Abb. 154: Steuerungs-Eingabemaske mit Logischem Bezug „fixer Wert“ und „variabler Wert“

209

Bei dieser Einstellung wird die Schwimmbadpumpe nur dann eingeschaltet, wenn die Temperatur am Temperatursensor 1 (Kollektor: Austrittstemperatur) grösser als die Temperatur am Temperatursensor 2 (Pool: Temperatur) ist UND die Temperatur am Temperatursensor 3 (Speicher: Layer 4) grösser als die Referenz für Temperatursensor 3: Fixer Wert = 70°C ist. Da der Pool nur von Mai bis September betrieben wird, ist die Schaltuhr dementsprechend gesetzt.

Input-Grössen

6.7.1 Temperatursensor 1 [°C] Der Wert gibt an wo die Temperatur gemessen werden soll. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an.

6.7.2 Temperatursensor 2 [°C] (Optional) Der Wert gibt an wo die Referenztemperatur für den Temperatursensor 1 gemessen werden soll. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an.

6.7.3 Temperatursensor 3 [°C] (Optional) Bei einer UND- / ODER-Verknüpfung kann eine Zusätzliche Schaltbedingung definiert werden. Analog zu Temperatursensor 1.

6.7.4 Temperatursensor 4 [°C] (Optional) Der Wert gibt an wo die Referenztemperatur für den Temperatursensor 3 gemessen werden soll. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.7.5 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.7.6 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. (Bsp: Wenn X1>Fixer Wert bzw. wenn X1>X2 dann ist der Ausgang Status Schalter 1 positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden. (Bsp: Wenn X1>X2 dann ist der Ausgang Schalter 1 gleich null). Bei invertierter Wahl darf die Hysterese nicht verwendet werden.

210

6.7.7 Logischer Bezug Temperatursensor 1 und 3

Keiner Der Ausgang schaltet aufgrund der Bedingung zwischen „Temperatursensor 1, Referenztemperatur Temperatursensor 2 oder Fixe Solltemperatur 1“.

UND-Operation Die Bedingung zwischen „Temperatursensor 1, 2, Fixe Solltemperatur 1“, UND „Temperatursensor 3, 4, Fixe Solltemperatur 2“ müssen erfüllt sein.

ODER-Operation Die Bedingung zwischen „Temperatursensor 1, 2, Fixe Solltemperatur 1“, ODER „Temperatursensor 3, 4, Fixe Solltemperatur 2“ müssen erfüllt sein.

6.7.8 Definition Soll-Temperatur

Fixer Wert Überschreitet die Temperatur am Temperatursensor 1, bzw. 3 die angegebene Fixe Solltemperatur 1, bzw. 2, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

Variabler Wert Überschreitet die Temperatur am Temperatursensor 1, bzw. 3 die Temperatur am Temperatursensor 2, bzw. 4, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

6.7.9 Verwenden der Hysterese Wird die Hysterese verwendet, gilt

Einschalt-Hysterese [K] Überschreitet die Temperatur am Temperatursensor 1, bzw. 3 den Referenz-Wert um die angegebene Hysterese-Temperatur, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

Ausschalt-Hysterese [K] Unterschreitet die Temperatur am Temperatursensor 1, bzw. 3 den Referenz-Wert um die angegebene Hysterese-Temperatur, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „aus“.

Output-Grössen

6.7.10 Status Schalter 1 Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Komponente in der Anlage. Wählen Sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus.

6.7.11 Status Schalter 2 (Optional) Dieser digitale Ausgang schaltet gleich, wie der Ausgang der Status Schalter 1. Wählen Sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus.

211

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten

Tab. 23: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Keine Operation Fixer Wert

Bei Verwendung der Hysterese ändern sich die Ein- und Ausschalt Temperaturen

X1: Temperatursensor 1

Y1=0 wenn X1 < Fixe Solltemperatur 1 [°C]

Y1=1 wenn X1 > Fixe Solltemperatur 1 [°C]

Y1=1 wenn X1 > Fixe Solltemperatur 1 [°C] + Einschalt-Hyst. Y1=0 wenn X1 < Fixe Solltemperatur 1 [°C] + Ausschalt-Hyst.

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Keine Operation Variabler Wert

Bei Verwendung der Hysterese ändern sich die Ein- und Ausschalt Temperaturen

X1: Temperatursensor 1 X2: Temperatursensor 2

Y1=0 wenn X1 < X2

Y1=1 wenn X1 > X2

Y1=1 wenn X1 > X2 + Einschalt-Temperaturdifferenz [K] Y1=0 wenn X1 < X2 + Ausschalt-Temperaturdifferenz [K]

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

UND-Operation

Sowohl Temperatursensor 1 wie auch 3 können entweder mit den Fixen Solltemperaturen 1 und 2 oder mit den Temperatursensoren 2 und 4 verglichen werden

X1: Temperatursensor 1 X2: Temperatursensor 2 X3: Temperatursensor 3 X4: Temperatursensor 4

Y1=0 wenn

X1 < X2 bzw. X1 < Fixe Solltemperatur 1 [°C] UND X3 < X4 bzw. X3 < Fixe Solltemperatur 2 [°C]

Y1=1 wenn

X1 > X2 bzw. X1 > Fixe Solltemperatur 1 [°C] UND X3 > X4 bzw. X3 > Fixe Solltemperatur 2 [°C]

Hysterese analog zu „Keine Operation“

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

ODER-Operation

Sowohl Temperatursensor 1 wie auch 3 können entweder mit den Fixen Solltemperaturen 1 und 2 oder mit den Temperatursensoren 2 und 4 verglichen werden

X1: Temperatursensor 1 X2: Temperatursensor 2 X3: Temperatursensor 3 X4: Temperatursensor 4

Y1=0 wenn

X1 < X2 bzw. X1 < Fixe Solltemperatur 1 [°C] ODER X3 < X4 bzw. X3 < Fixe Solltemperatur 2 [°C]

Y1=1 wenn

X1 > X2 bzw. X1 > Fixe Solltemperatur 1 [°C] ODER X3 > X4 bzw. X3 > Fixe Solltemperatur 2 [°C]

Hysterese analog zu „Keine Operation“

212

6.8 Steuerung Durchsatz Die Steuerung Durchsatz ist eine Zweikanal-Steuerung und regelt den Status bis zu zwei Komponenten und den Durchsatz einer Pumpe aufgrund des Durchsatz-Sensors. Sie wird vorwiegend als Steuerung der Frischwasserstation eingesetzt.

sie hat 1 (plus 2 optionale) analogen Eingang sie hat 1 (plus 2 optionale) Ausgänge, teils Analog, teils Digital

Schalter ein- oder ausschalten, aufgrund des Vergleiches von zwei Durchsätzen. Der Vergleich kann mit einem konstanten Wert oder bezüglich eines variablen Durchsatzes einer beliebigen Komponente gemacht werden. Zudem kann ein Skalierungsfaktor bzgl. einer Durchsatzvorgabe als analoges Signal ausgegeben werden. Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb.155: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Durchsatz

Y1 Status Pumpe 1

[Status]

Y2 Status

[Status]

Durchsatzsensor 1 [l/h] X1

Durchsatzsensor 2 [l/h] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Durchsatz

Y3 Durchsatz Pumpe 1

[l/h]

Variabler Durchsatz [l/h] X3

213

Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Abb. 156: Durchsatzsteuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Bei dieser Einstellung schaltet die Pumpe Warmwasser ein, sobald der Durchsatz des Zapfhahns grösser ist als 10 l/h. Als Durchsatzvorgabe für die Pumpe Warmwasser wird der Zapfdurchsatz übergeben. Steuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 157: Durchsatzsteuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

214

Bei dieser Einstellung schaltet die Pumpe Warmwasser ein, sobald der Durchsatz des Zapfhahns grösser ist als der Durchsatz in Rohr 13. Als Durchsatzvorgabe für die Pumpe Warmwasser wird der Zapfdurchsatz übergeben.

Input-Grössen

6.8.1 Durchsatzsensor 1 [l/h] Der Wert gibt an wo der Referenzdurchsatz gemessen werden soll. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an. Dieser Wert kann gleichzeitig als Ausgangssignal am Ausgang „Durchsatz Pumpe 1“ verwendet werden. Dabei wird es mit dem „Skalierungsfaktor“ multipliziert.

6.8.2 Durchsatzsensor 2 [l/h] Es kann ein zusätzlicher Referenzdurchsatz gemessen werden. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an. Bei 2 Durchsatzsensoren werden deren Werte addiert. Dieser addierte Wert kann gleichzeitig als Ausgangssignal am Ausgang „Durchsatz Pumpe 1“ verwendet werden. Dabei wird es mit dem „Skalierungsfaktor“ multipliziert.

6.8.3 Variabler Durchsatz [l/h] (Optional) Der Wer gibt den zu messenden Soll-Durchsatz an. Er dient als Referenzwert für den Durchsatzsensor 1 oder 1 + 2.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.8.4 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.8.5 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. (Bsp: Wenn X1>Fixer Wert bzw. wenn X1>X2 dann ist der Ausgang der Pumpe 1 positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden. (Bsp: Wenn X1>X2 dann ist der Ausgang Schalter 1 gleich null)

215

6.8.6 Definition Soll-Durchsatz

Fixer Wert Überschreitet der gemessene Durchsatz am Durchsatzsensor den angegebenen Fixen Wert, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

Variabler Wert Überschreitet der gemessene Durchsatz am Durchsatzsensor den angegebenen Variablen Wert, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

6.8.7 Skalierungsfaktor Der Wert des Durchsatzsensors (X1+X2) wird mit dem Skalierungsfaktor multipliziert und via den Ausgang „Durchsatz Pumpe 1“ als Ausgangssignal der entsprechenden Pumpe übergeben.

Output-Grössen

6.8.8 Status Pumpe 1 Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Komponente in der Anlage. Wählen Sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus (Bei der Frischwasserstation die Pumpe).

6.8.9 Status (Optional) Dieser digitale Ausgang schaltet gleich, wie der Ausgang der Status Pumpe 1. Wählen Sie bei Bedarf eine zu steuernde Komponente aus der Liste aus.

6.8.10 Durchsatz Pumpe 1 (Optional) Mit dieser Option wird die Pumpe drehzahlgesteuert. Die Durchsatzvorgabe ist nur aktiv, wenn bei der zu steuernden Pumpe das Feld „Durchsatz-Bestimmend“ der Wert „Durchsatzvorgabe“ ausgewählt wird.

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten Tab. 24: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Pumpe 1 Y1 = Y2 Y2: Status

Fixer Wert

Pumpe: im Feld „Durchsatz-Bestimmend“ den Wert „Durchsatzvorgabe“

X1: Durchsatzsensor 1 X2: Durchsatzsensor

Y1=0 wenn X1 + X2 < Fixer Wert [l/h] Y1=1 wenn X1 + X2 > Fixer Wert [l/h]

216

Y3: Durchsatz Pumpe 1

einstellen 2 Y3= (X1 + X2) * Skalierungsfaktor

Y1: Status Pumpe 1 Y1 = Y2 Y2: Status Variabler

Wert

Pumpe: im Feld „Durchsatz-Bestimmend“ den Wert „Durchsatzvorgabe“ einstellen

X1: Durchsatzsensor 1 X2: Durchsatzsensor 2 X3: Variabler Solldurchsatz

Y1=0 wenn X1 + X2 < X3 Y1=1 wenn X1 + X2 > X3

Y3: Durchsatz Pumpe 1

Y3= (X1 + X2) * Skalierungsfaktor

6.9 Steuerung Einstrahlung Die Steuerung Einstrahlung ist eine Einkanal-Steuerung und regelt den Status bis zu zwei Komponenten aufgrund von Einstrahlungswerten. Sie wird vorwiegend als Steuerung von Solarkreisläufen eingesetzt.

sie hat 1 (plus 1 optionalen) analogen Eingang sie hat 1 (plus 1 optionalen) digitalen Ausgang

Blockdiagramm Das Blockdiagramm zeigt welche Messgrössen und welche Stellgrössen angeschlossen sind.

Abb. 158: Blockdiagramm Mess-/Stellgrössen Steuerung Einstrahlung

Steuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Y1 Status Schalter 1

[Status]

Y2 Status Schalter 2

[Status]

Strahlungssensor [W/m2] X1

Variable Einstrahlung [W/m2] X2

Optionale Anschlüsse sind kursiv bezeichnet.

Steuerung

Einstrahlung

217

Abb. 159: Strahlungssteuerungs-Eingabemaske „Fixer Wert“

Bei dieser Einstellung schaltet die Pumpe ein, sobald die Globalstrahlung grösser ist 100 W/m2. Steuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Abb. 160: Strahlungssteuerungs-Eingabemaske „Variabler Wert“

Bei dieser Einstellung schaltet die Pumpe ein, sobald die Globalstrahlung grösser ist als die Diffusstrahlung.

218

Input-Grössen

6.9.1 Strahlungssensor [W/m2] Der Wert gibt an wo die Referenzstrahlung gemessen werden soll. Es kann zwischen „Globalstrahlung“, „Diffusstrahlung“ und „Wärmestrahlung“ unterschieden werden. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an.

6.9.2 Variable Einstrahlung [W/m2] (Optional) Der Wer gibt die zu messenden Soll-Diffusstrahlung an. Es kann zwischen „Globalstrahlung“, „Diffusstrahlung“ und „Wärmestrahlung“ unterschieden werden. Geben Sie eine Komponente aus der Liste an.

Beschreibung der Steuer-Parameter

6.9.3 Beschreibung Mit dem „Wert“ der Beschreibung kann der Steuerung ein beliebiger Name oder eine Nummer zugewiesen werden. Standardmässig vergibt Polysun eine fortlaufende Nummer, chronologisch zur Anzahl eingefügter Steuerungen in der Hydraulik.

6.9.4 Vorzeichen des Ausgangs Normal bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale wie in der Schaltlogik vorgesehen gesteuert werden. (Bsp: Wenn X1>Fixer Wert bzw. wenn X1>X2 dann ist der Ausgang der Pumpe 1 positiv) Invertiert bedeutet, dass die digitalen Ausgangssignale mit -1 multipliziert werden. (Bsp: Wenn X1>X2 dann ist der Ausgang Schalter 1 gleich null)

6.9.5 Definition Soll-Einstrahlung

Fixer Wert Überschreitet die gemessene Einstrahlung am Strahlungssensor den angegebenen Fixen Wert, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

Variabler Wert Überschreitet die gemessene Einstrahlung am Strahlungssensor den angegebenen Variablen Wert, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

6.9.6 Verwenden der Hysterese Wird die Hysterese verwendet, gilt

Einschalt-Hysterese [W/m2] Überschreitet die gemessene Einstrahlung am Strahlungssensor den Referenz-

219

Wert um die angegebene Hysterese, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „ein“.

Ausschalt-Hysterese [W/m2] Unterschreitet die gemessene Einstrahlung am Strahlungssensor den Referenz-Wert um die angegebene Hysterese, so schaltet der Ausgang der Steuerung auf „aus“.

Output-Grössen

6.9.7 Status Schalter 1 Dieser digitale Ausgang bezieht sich auf die zu steuernde Komponente in der Anlage. Wählen Sie die entsprechende Komponente aus der Liste aus. Beim Schaltventil bedeutet der Status „Ein“, dass der mit „X“ bezeichnete Ausgang am Schaltventil „offen“ ist.

6.9.8 Status Schalter 2 (Optional) Dieser digitale Ausgang schaltet gleich, wie der Ausgang Status Schalter 1. Wählen Sie bei Bedarf eine zu steuernde Komponente aus der Liste aus.

Übersicht der Steuer-Abhängigkeiten Tab. 25: Steuer-Abhängigkeiten

Ausgänge Parameter Hinweis Eingänge Funktion

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Fixer Wert

Bei Verwendung der Hysterese ändern sich die Ein- und Ausschalt Kriterien

X1: Strahlungssensor

Y1=0 wenn X1 < Fixer Wert [W/m2] Y1=1 wenn X1 > Fixer Wert [W/m2]

Y1=1 wenn X1 > Fixer Wert + Einschalt-Hysterese[K] Y1=0 wenn X1 < Fixer Wert + Ausschalt-Hysterese [K]

Y1: Status Schalter 1 Y1 = Y2 Y2: Status Schalter 2

Variabler Wert

Bei Verwendung der Hysterese ändern sich die Ein- und Ausschalt Kriterien

X1: Strahlungssensor X2: Variable Einstrahlung

Y1=0 wenn X1 < X2 [W/m2] Y1=1 wenn X1 > X2 [W/m2]

Y1=1 wenn X1 > X2 + Einschalt-Hysterese[K] Y1=0 wenn X1 < X2 + Ausschalt-Hysterese [K]

220

6.10 Programmierbare Steuerung Die programmierbare Steuerung erlaubt das freie Definieren von Betriebszuständen in Abhängigkeit der Steuerungs-Eingänge und das Setzen der Steuerungs-Ausgangs-werte für jeden Betriebszustand. Somit ist diese Steuerung für verschiedenste Anwen-dungen geeignet. Die Steuerungslogik wird über Formeln definiert, die mit den Berechnungsformeln vergleichbar sind, die in Tabellenkalkulationen wie z.B. Excel zur Anwendung kommen. Bei der programmierbaren Steuerung muss die Steuerungslogik selber definiert werden, d.h. für Standardanwendungen wie z.B. einem einfachen Solarkreislauf ist die vorge-fertigte Steuerung „Pumpensteuerung Solarkreislauf“ einfacher und schneller in der An-wendung. Für spezielle oder komplexere Anwendungen stehen mit der programmier-baren Steuerung viel mehr Möglichkeiten zur Verfügung, den Anlagenteil wie gewünscht zu steuern.

6.10.1 Vorgehen

1. Erstellen Sie eine Programmierbare Steuerung auf der Zeichenfläche. 2. Legen Sie fest, welche Aktoren (Elemente) angesteuert werden sollen.

Beschränken Sie sich möglichst auf wenig Elemente, die auch in einem logischen Zusammenhang stehen, z.B. alle Elemente eines Kreislaufs. Es ist einfacher, mehrere Steuerungen einzusetzen als wenige Steuerungen mit hoher Komplexität. Erstellen Sie die Verknüpfung der Steuerungs-Ausgänge mit den anzusteuernden Elementen.

3. Bestimmen Sie, welche Sensoren Sie für die Steuerung benötigen. Erstellen Sie die Verknüpfung der Steuerungs-Eingänge mit Messpunkten der Elemente.

4. Überlegen Sie sich, welche Betriebszustände für die Kombination der Elemente eintreten können. Im Betrieb kann immer nur ein einziger Status aktiv sein. Legen Sie für jeden Betriebszustand einen entsprechenden Status an. Für einen Solarkreislauf könnten die Betriebszustände z.B. wie folgt sein: Stillstand (zu wenig Sonne oder Speicher voll), Speicher laden, Speicher rückkühlen (nachts wenn Speicher zu heiss ist).

5. Definieren Sie mit einer Formel die Bedingungen, damit ein Status aktiv werden kann.

6. Legen Sie für jeden Status fest, welche Ausgangswerte den anzusteuernden Elementen zugewiesen werden sollen.

6.10.2 Operatoren Nachstehend sind die Operatoren beschrieben, die in den Formeln verwendet werden können. Tab. 26: Logische Operationen

Logische Operationen:

< Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator kleiner als der Wert rechts davon ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

<= Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator kleiner als oder gleich wie der Wert rechts davon ist. Sonst wird der Wert 0

221

zurückgegeben.

> Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator grösser als der Wert rechts davon ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

>= Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator grösser als oder gleich wie der Wert rechts davon ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

= Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator gleich ist wie der Wert rechts davon. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

<> Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links vom Operator ungleich ist wie der Wert rechts davon. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

AND Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links und rechts vom Operator 1 ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

OR Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert links oder rechts vom Operator 1 ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

NOT Gibt den Wert 1 zurück, wenn der Wert rechts vom Operator 0 ist. Sonst wird der Wert 0 zurückgegeben.

Tab. 27: Mathematische Operationen

Mathematische Operationen:

+ Gibt als Wert die Summe der Werte links und rechts vom Operator zurück.

- Gibt als Wert die Differenz der Werte links und rechts vom Operator zurück.

/ Gibt als Wert den Quotienten der Werte links und rechts vom Operator zurück.

* Gibt als Wert das Produkt der Werte links und rechts vom Operator zurück.

% Gibt als Wert den ganzzahligen Quotienten der Werte links und rechts vom Operator zurück.

^ Gibt als Wert die Potenz der Werte links und rechts vom Operator zurück.

Mit dem Setzen von Klammern „( … )“ können Ausdrücke gruppiert und vor den anderen ausgewertet werden. Die Formeln werden in der folgenden Reihenfolge ausgewertet:

1. ^ 2. * , /, % 3. +, - 4. <, , >, <=, >=, <> 5. = 6. NOT 7. AND 8. OR

6.10.3 Funktionen Nachstehend sind vordefinierte Funktionen beschrieben, die in den Formeln verwendet werden können.

222

Tab. 28: Funktionen, die in den Formeln verwendet werden können SQR Quadrat

Bsp. SQR(4) liefert den Wert 16 zurück.

SIN Sinus in Bogenmass Bsp. SIN(1.571) liefert den Wert 1 zurück.

COS Kosinus, siehe auch SIN

TAN Tangens, siehe auch SIN

SINH Sinus Hyperbolicus, siehe auch SIN

COSH Kosinus Hyperbolicus, siehe auch SIN

ATAN Arkustangens, siehe auch SIN

COTAN Kotangens, siehe auch SIN

EXP Exponentialfunktion Bsp. EXP(1) liefert den Wert 2.718 zurück.

LN Natürlicher Logarithmus Bsp. LN(4) liefert den Wert 1.386 zurück.

LOG Dekadischen Logarithmus Bsp. LOG(10) liefert den Wert 1 zurück.

SQRT Quadratwurzel Bsp. SQRT(4) liefert den Wert 2 zurück.

ABS Absolutwert Bsp. ABS(-4) liefert den Wert 4 zurück.

SIGN Vorzeichen, gibt -1 für negative, 1 positive und 0 für 0 zurück Bsp. SIGN (-4) liefert den Wert -1 zurück

TRUNC Ganzzahliger Teil Bsp. TRUNC(-3.7) liefert den Wert -3 zurück.

CEIL Aufrunden auf die nächsthöhere ganze Zahl Bsp. CEIL(-3.7) liefert den Wert -3 zurück.

FLOOR Abrunden auf die nächsttiefere ganze Zahl Bsp. FLOOR(-3.7) liefert den Wert -4 zurück.

RND Zufallszahl ganzzahlig Als Argument ist die Obergrenze der Zufallszahlen anzugeben.

RANDOM Zufallszahl mit Nachkommastellen Als Argument ist die Obergrenze der Zufallszahlen anzugeben.

MIN Minimalwert Bsp. MIN(2, 3) liefert den Wert 2 zurück.

MAX Maximalwert Bsp. MAX(2, 3) liefert den Wert 3 zurück.

IF Wenn(Bedingung, Rückgabewert für erfüllt, Rückgabewert für nicht erfüllt) Wenn die Bedingung erfüllt ist, wird als Resultat der erste Rückgabewert zurückgegeben, sonst der zweite. Als Rückgabewert kann auch eine Operation eingesetzt werden, je nach Bedingung wird nur der entsprechende Rückgabewert ausgewertet. Es können mehrere IF Funktionen ineinander verschachtelt

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werden. Bsp. IF(1>2, 3, 4) liefert den Wert 4 zurück.

SUM Summe über beliebige Anzahl von Argumenten Bsp. SUM(1, 2, 3) liefert den Wert 6 zurück.

MATCHFLOW

(𝑇𝑖,𝑄,𝑇𝑎,𝐶𝑝,��𝑚𝑖𝑛,��𝑚𝑎𝑥)

Regelung eines Volumenstrom in l/h auf eine gewünschte Temperatur MATCHFLOW(

𝑇𝑖 Eintrittstemperatur in °C z.B. in Kollektor, 𝑄 Leistung in W z.B. des Kollektors, 𝑇𝑎 Austrittstemperatur in °C z.B. gewünschte Zieltemperatur, 𝐶𝑝 Wärmekapazität in J/(l*K) z.B. Wärmekapazität vom

Fluid,

��𝑚𝑖𝑛 Vmin. Volumenstrom in l/h z.B. Untergrenze der Pumpe,

��𝑚𝑎𝑥 max. Volumenstrom in l/h z.B. Obergrenze der Pumpe)

�� =𝑄

𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑎 − 𝑇𝑖)

∗ 3600

MATCHPOWER

(𝑇𝑖, ��, 𝑇𝑎, 𝐶𝑝, ��𝑚𝑖𝑛,

��𝑚𝑎𝑥)

Regelung einer Leistung in W auf eine gewünschte Temperatur MATCHPOWER(

𝑇𝑖 Eintrittstemperatur in °C z.B. in Kessel,

�� Volumenstrom in l/h z.B. der Kesselpumpe,

𝑇𝑎 Austrittstemperatur in °C z.B. gewünschte Zieltemperatur, 𝐶𝑝 Wärmekapazität in J/(l*K) z.B. Wärmekapazität vom

Fluid,

��𝑚𝑖𝑛 min. Leistung in W z.B. Untergrenze des Kessels Pumpe,

��𝑚𝑎𝑥 max. Leistung in W z.B. Obergrenze des Kessels)

�� = (𝑇𝑎 − 𝑇𝑖) ∗ 𝐶𝑝 ∗ ��/3600

Ist ��𝑚𝑖𝑛 / ��𝑚𝑎𝑥 0 werden die Werte nicht berücksichtigt,

ansonsten wird das Resultat �� vor der Rückgabe auf diese Minimal/Maximal-Werte eingeschränkt.

MATCHRATE

(𝑇𝑢, 𝑇𝑙, 𝑇𝑜)

Regelung eines Mischverhältnisses auf eine gewünschte Temperatur MATCHRATE(

𝑇𝑢 Temperatur oberes Niveau in °C z.B. warmer Zulauf des Mischventils,

𝑇𝑙 Temperatur unteres Niveau in °C z.B. kalter Zulauf des Mischventils,

𝑇𝑜 Austrittstemperatur in °C z.B. gewünschte Zieltemperatur)

𝑝 =𝑇𝑜 − 𝑇𝑙

𝑇𝑢 − 𝑇𝑙

MEANVALUE

(𝑎, 𝑏)

Arithmetischer Mittelwert von zwei Werten MEANVALUE (

224

𝑎 Wert 1 z.B. ein Temperaturwert aus dem letzten Zeitschritt Wert 2 z.B. ein Temperaturwert aus dem aktuellen Zeitschritt)

𝑚 =𝑎 + 𝑏

2

HEATINGCURVE(Tsoll, Ta_norm, a, Ta)

Regelung der Temperatur gemäss der Heizkurve (Funktion HEATINGCURVE)

Die Funktion übernimmt 4 Parameter: Tsoll: Soll-Vorlauftemperatur Heizelemente (= max VL im Diagramm) [°C] Ta_norm: Norm-Aussentemperatur (für die Tsoll gilt (= -14°C im Diagramm)[°C] a: Steilheit der Heizkurve Ta: aktuelle Aussentemperatur [°C] Der Punkt (= 20°C im Diagramm) an dem die Kurve die X-Achse schneidet ergibt sich aufgrund der restlichen Parameter.

PVPROG

(𝑡, 𝑃𝑝𝑣, 𝑃𝑙𝑑 , 𝑝𝑔𝑓𝑙, 𝑃𝑔𝑠𝑙 ,

𝑡𝑓𝑝𝑎𝑠𝑡, 𝑡𝑓ℎ𝑜𝑟 , ∆𝑡𝑓𝑟𝑒𝑞, ∆𝑡𝑓)

Prognosebasierte Batterieregelung mit

messwertbasierten PV- und Lastprognosen

PVPROG(

𝑡 aktuelle Simulationszeit in s,

𝑃𝑝𝑣 PV-Leistung AC (ohne Abregelung) in W,

𝑃𝑙𝑑 Last in W,

𝑝𝑔𝑓𝑙 Einspeisegrenze normiert auf die installierte PV-

Nennleistung (0 um die dynamische Begrenzung der

Netzeinspeisung durch die Batterie zu deaktivieren),

𝑃𝑔𝑠𝑙 Begrenzungsvorgabe des Netzbezugs in W (0 um

Netzbezugsbegrenzung zu deaktivieren),

𝑡𝑓𝑝𝑎𝑠𝑡 zurückliegendes Zeitfenster in h zur

Berücksichtigung der Wetterlage für die PV-

Prognosen,

𝑡𝑓ℎ𝑜𝑟 Prognosehorizont in h für PV- und

225

Lastprognosen,

∆𝑡𝑓𝑟𝑒𝑞 Häufigkeit der Aktualisierungen der Prognosen

in min [1 (empfohlen) oder 15 (für eine schnellere

Simulation jedoch mit etwas ungenauerer Regelung

und daher mit schlechterer System-Performance) – Bei

fehlerhafter Eingabe wird ohne Warnung der

empfohlene Wert eingesetzt],

∆𝑡𝑓 Zeitliche Auflösung der PV- und Lastprognosen [1

oder 15 (empfohlen)] – Bei fehlerhafter Eingabe wird

ohne Warnung der empfohlene Wert eingesetzt)

6.10.4 Variablen In den Formeln stehen verschiedene Variablen zur Verfügung, um auf die Ein- oder Ausgänge der Steuerung bzw. andere Zustände der Simulation zuzugreifen. Tab. 29: Variablen

I1 I2 … I16

Aktueller Wert eines Steuerungs-Eingangs Wert des Steuerungs-Eingangs im aktuellen Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche mit Sensoren verknüpft wurden.

PI1 PI2 … PI16

Letzter Wert eines Steuerungs-Eingangs Wert des Steuerungs-Eingangs vom letzten Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche mit Sensoren verknüpft wurden.

O1 O2 … O16

Aktueller Wert eines Steuerungs-Ausgangs Wert des Steuerungs-Ausgangs im aktuellen Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche mit Aktoren verknüpft wurden.

PO1 PO2 … PO16

Letzter Wert eines Steuerungs-Ausgangs Wert des Steuerungs-Ausgangs vom letzten Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche mit Aktoren verknüpft wurden.

H1 H2 … H8

Aktueller Wert einer Hilfsgrösse (Konstante, Formel oder Zeitverzögerung) Wert der Hilfsgrösse im aktuellen Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche definiert wurden.

PH1 PH2 … PH8

Letzter Wert einer Hilfsgrösse (Konstante, Formel oder Zeitverzögerung) Wert der Hilfsgrösse vom letzten Zeitschritt der Simulation. Es können nur Variablen verwendet werden, welche definiert wurden.

S Nummer des aktiven Status (Betriebszustand) vom aktuellen Zeitschritt der Simulation. Die Variable kann Werte von 1 bis zur Anzahl der definierten Status (max. 16) enthalten.

PS Nummer des aktiven Status (Betriebszustand) vom letzten Zeitschritt der Simulation. Die Variable kann Werte von 1 bis zur Anzahl der

226

definierten Status (max. 16) enthalten.

TS Aktueller Zeitschritt in Sekunden seit Simulationsbeginn (1. Januar 00:00)

PTS Letzter Zeitschritt in Sekunden seit Simulationsbeginn (1. Januar 00:00)

TC Signal der Schaltuhr von dieser Steuerung. Gibt den Wert 1 zurück wenn die Schaltuhr eingeschaltet ist, 0 wenn sie ausgeschaltet ist.

PI Konstante π

Zahlen, die in den Formeln eingefügt werden, müssen als Dezimalzeichen den „Punkt“ verwenden (unabhängig von der Polysun-Einstellung „Sprache und Region“). Das Zeichen „E“ kann als Exponent eingesetzt werden, z.B. 1234.6 oder 1.2346E3 Die Steuerungs-Eingänge können für die folgenden Grössen verwendet werden. Dabei wird mit den Variablen I1 bis I16 bzw. PI1 bis PI16 der Wert in der folgenden Grundeinheit (unabhängig von der Polysun Einstellung „Einheiten“) zurückgeliefert: Tab. 30: Grundeinheiten für Steuerungs-Eingänge

Temperatur °C

Fläche m2

Leistung W

Spezifische Leistung W/m2

Wärmeleitfähigkeit W/K

Wärmekapazität J/(l*K)

Durchfluss l/h

Die Steuerungs-Ausgänge können für die folgenden Grössen verwendet werden. Dabei wird mit den Variablen O1 bis O16 bzw. PO1 bis PO16 der Wert in der folgenden Grundeinheit (unabhängig von der Polysun Einstellung „Einheiten“) zurückgeliefert: Tab. 31: Grundeinheiten für Steuerungs-Ausgänge

Status Ohne Einheit, Ein/Aus Signal, Wert 0 oder 1

Anteil Ohne Einheit, analoges Steuersignal, Wert von 0 bis 1

Leistung W

Durchfluss l/h

6.10.5 Status Ein Status ist ein möglicher Betriebszustand der Gruppe von den zu steuernden Elementen. Bei einer Wärmepumpe mit Umschaltventil für die Speicherladung könnten dies z.B. die folgenden Betriebszustände sein: Speicher laden für Gebäudeheizung, Speicher laden für Brauchwarmwasser. Für jeden Status kann mit einer Formel definiert, wenn dieser Status aktiv ist. Es kann immer nur ein Status aktiv sein.

6.10.6 Hilfsgrössen Die Hilfsgrössen können auf drei verschiedene Arten eingesetzt werden.

227

Konstante Die Hilfsgrösse kann als Konstante mit einer Einheit verwendet werden. Der eingegebene Wert wird in die Grundeinheit umgerechnet und kann über die Variable H1 bis H16 bzw. PH1 bis PH16 in den Formeln für die Status oder Ausgänge verwendet werden. So kann z. B. eine Einschalttemperatur in dem unter den Polysun-Einstellungen gesetzten Einheitensystem (°C oder F) komfortabel eingegeben werden, ohne dass der Wert in den Formeln gesucht und angepasst werden muss. Formel Mit der Eingabe einer Formel kann ein Zwischenresultat berechnet werden, welches über die Variable H1 bis H16 bzw. PH1 bis PH16 in den Formeln für die Status oder Ausgänge verwendet werden kann. So kann z.B. ein Zwischenresultat berechnet werden, welches in mehreren Formeln wieder eingesetzt werden kann. Zeitverzögerung Mit der Zeit Zeitverzögerung können Signale verzögert oder verlängert werden. Es gibt 4 verschiedene Typen welche unten aufgelistet sind. Mit einer Formel kann definiert werden, wann die Zeitverzögerung startet (Resultat der Formel = 1). Mit den Variablen H1 bis H16 bzw. PH1 bis PH16 kann in den Formeln für die Status oder Ausgänge geprüft werden, ob die Zeitfunktion abgelaufen ist (1 = läuft, 0 = abgelaufen). So kann z.B. eine Pumpe nach dem Erreichen der Einschaltbedingung verzögert eingeschaltet werden, um ein zu häufiges Ein- und Ausschalten zu vermeiden. Aufgrund der variablen Zeitschritte können die eingegebenen Verzögerungen nicht exakt eingehalten werden. Die Zeitfunktionen können nur starten oder ablaufen wenn ein Zeitschritt stattfindet.

SA Starten einer Zeit als Ausschaltverzögerung. Wechselt das Resultat der Formel auf „0“, läuft die eingegebene Zeit ab. Wenn das Resultat der Formel wieder auf „1“ wechselt, wird die Zeit auf den Anfangswert gesetzt. Eine Abfrage liefert den Zustand „1“, solange das Resultat der Formel = „1“ oder die Zeit läuft.

SE Starten einer Zeit als Einschaltverzögerung.

Die Zeit wird bei steigender Flanke des Resultats der Formel gestartet. Wenn das Resultat der Formel = „0“ wird die Zeit auf „0“ gesetzt. Abfragen liefern erst „1“, wenn die Zeit abgelaufen ist und das Resultat der Formel noch ansteht.

H1

H1

Formel

Formel

Zeit

Zeit

x x

x x

228

SI Starten einer Zeit als Impuls. Die Zeit wird bei steigender Flanke des Resultats der Formel gestartet. Die Abfragen liefern „1“, solange die Zeit läuft. Wird das Resultat der Formel = „0“ so wird die Zeit ebenfalls auf „0“ gesetzt und die Abfrage liefert „0“.

SV Starten einer Zeit als verlängerter Impuls.

Die Zeit wird bei steigender Flanke des Resultats der Formel gestartet. Ein

Resultat der Formel = „0“ beeinflusst die Zeit nicht. Abfragen liefern „1“, solange

die Zeit noch nicht abgelaufen ist.

H1

Formel

Zeit x

H1

Formel

Zeit x x

229

6.10.7 Reihenfolge der Bearbeitung

In der Polysun-Simulation wird ein Jahr vom 1. Januar 00:00 bis am 31. Dezember 24:00 durchgerechnet, gegebenenfalls mit einem Vorlauf, der bei der Variante gewählt werden kann. Die Zeitschritte für die Simulation haben eine variable Länge von einer Sekunde bis max. 4 Minuten (tagsüber) oder 12 Minuten (nachts). Bei jedem Zeitschritt werden zuerst die Steuerungen bearbeitet, anschliessend alle Elemente. Die Reihenfolge der Bearbeitung der Variablen bzw. Formeln bei der Steuerung ist bei der Simulation in jedem Zeitschritt wie folgt:

1. Auswerten des Zeitschrittes und der Schaltuhr und Zuweisen auf die Variablen TS, PTS und TC.

2. Lesen der Steuerungs-Eingänge und Zuweisen auf die Variablen I1 bis I16 bzw. PI1 bis PI16.

3. Bearbeiten der Hilfsgrössen, beginnend mit der ersten Hilfsgrösse und Zuweisen auf die Variablen H1 bis H16 bzw. PH1 bis PH16.

4. Auswerten der Bedingungen des Status, beginnend mit dem ersten Status. Beim ersten Status, der aktiv ist, wird abgebrochen. Die Nummer dieses Status wird der Variablen S zugewiesen, bzw. die vorangegangene Nummer der Variable PS.

5. Bearbeiten der Steuerungs-Ausgänge des aktiven Status, beginnend mit dem ersten Steuerungs-Ausgang. Zuweisen auf die Variablen O1 bis O16 bzw. PO1 bis PO16.

Aus dieser Abarbeitung-Reihenfolge resultiert, dass jeweils nur Variablen der aktuellen Werte gelesen werden können, welche in der Abfolge bereits bearbeitet wurden. So können z. B. in der Formel für die Hilfsgrösse 3 die Variablen H1 und H2 aber nicht H3, H4 usw. gelesen werden oder bei der Formel für den Status können nur die Variablen PS aber nicht S gelesen werden sowie z. B. bei der Formel für den Steuerungs-Ausgang 2 kann O1 aber nicht O2, O3 usw. gelesen werden.

6.10.8 Kommentare In den Formeln können Kommentare zur Dokumentation eingefügt werden. Die Kommentare können an beliebiger Stelle zwischen zwei „#“ Zeichen eingefügt werden. Z.B.: I1 > I2 + 6 #Einschalthysterese# AND I2 < 70 #Max. Speichertemperatur#

Polysun-Video

Programmierbarer Regler

6.10.9 PVPROG-Funktion Die steigende PV-Durchdringung im Netz führt zu hohen Gradienten und vor allem zur Mittagszeit zu großen Spitzen der Einspeisung und somit zu einer Belastung der Verteilnetze. Batteriespeicher können hierbei einen positiven Betrag leisten. Die gängige Praxis der auf hohe Eigenversorgung ausgelegten Ladestrategie, bei der möglichst alle Überschüsse direkt gespeichert werden, leistet jedoch kaum einen

230

Beitrag zur Reduktion der Einspeisespitzen. Aus diesem Grund werden PV-Batteriespeichersysteme vermehrt nur noch unter der Bedingung gefördert, dass die Netzeinspeisung auf einen bestimmten Anteil der installierten PV-Nennleistung begrenzt wird. Durch die Einbindung von PV- und Lastprognosen kann die Beladung der Batterie in die Mittagszeit verschoben werden, sodass die Netzeinspeiseleistung durch das Speichersystem begrenzt wird. Hierdurch können Abregelungsverluste deutlich verringert werden. Mit der frühzeitigen Batterieladung (Abbildung 161, links) wird die Batterie geladen, sobald die PV-Leistung die Last übersteigt. Erreicht die Batterie ihren vollen Ladezustand, kommt es zu einem abrupten Anstieg der Einspeiseleistung. Alle PV-Überschüsse, die über die Einspeisegrenze hinausgehen, werden abgeregelt. Durch die Einbindung von vor Ort erstellten, messwertbasierten PV-und Lastprognosen wird durch den PVprog-Algorithmus eine dynamische Einspeisegrenze ermittelt, ab der die Batterie geladen wird (Abbildung 161, rechts). Durch die zeitliche Verschiebung der Batterieladung in die Mittagszeit kann somit eine Verringerung der Abregelungsverluste und trotzdem weiterhin eine hohe Eigenversorgung realisiert werden. Der Algorithmus ist frei verfügbar und kann darüber hinaus auch kommerziell verwendet werden. Quelle: https://pvspeicher.htw-berlin.de/pvprog

Abb. 161: Verlauf der Leistungsflüsse in einem Haushalt mit frühzeitiger Batterieladung (links) und mit prognosebasierter dynamischer Batterieladung (rechts) und einer Einspeisebegrenzung auf 50 % der PV-Nennleistung.

Funktionsweise Um PV-Erzeugungs- und Lastprognosen mit für die Batterieladeplanung hinreichender Genauigkeit zu erhalten, ohne auf eine externe Kommunikationsinfrastruktur zurückgreifen zu müssen, wird im PVprog-Algorithmus die sogenannte adaptive Tagespersistenz umgesetzt. Für die PV-Prognosen wird auf die historische Erzeugung sowie auf eine Abschätzung des theoretischen Verlaufs der historischen Erzeugung bei klarem Himmel zurückgegriffen. Aus dem gewählten Persistenz- Zeitfenster wird der Quotient aus den jeweiligen Energiemengen gebildet und als Skalierungsfaktor für den

231

theoretischen wolkenfreien Verlauf im Prognosehorizont verwendet. Zu jedem Optimierungszeitpunkt (standardmässig alle 15 Minuten) wird die PV-Prognose aktualisiert (siehe Abbildung 162).

Abb. 162: Dynamische Anpassung der PV-Persistenz-Prognose im Laufe des Tages.

Für die Lastprognosen wird eine Tagespersistenz gebildet und mit einer Persistenz des Mittelwertes der letzten 15 Minuten über den Prognosehorizont hinaus variabel gewichtet. So wird die kurzfristige Prognose anhand von kurzzeitigen Lastspitzen dynamisch angepasst, während die gesamte Prognose energetisch mit der Last des Vortages übereinstimmt. Die dynamische Anpassung der Lastprognose ist in Abbildung 163 für einen ausgewählten Zeitraum dargestellt.

Abb. 163: Dynamische Anpassung der Lastprognose im Laufe des Tages.

Die Batterieladeoptimierung erfolgt iterativ. Anhand des Ladezustandes wird über den Prognosehorizont eine virtuelle Einspeisegrenze bestimmt, die schrittweise herabgesetzt wird, bis die Energiemenge oberhalb der Grenze ausreicht, um die Batterie möglichst vollständig zu laden. Diese Grenze wird zu jedem Optimierungszeitpunkt anhand der aktualisierten Prognosen angepasst (siehe Abbildung 164). Auf dieselbe Art und Weise kann mit dem PVprog-Algorithmus die Batterieentladung so optimiert werden, dass möglichst viele Lastspitzen abgefangen werden.

232

Abb. 164: Dynamische Anpassung der Batterielade- und Entladeplanung im Laufe des Tages.

Um die Vorgabe der Netzeinspeisung zu erreichen, wird die vorgegebene Ladeleistung kontinuierlich um die Differenz zwischen den Prognosen und den aktuellen Messwerten korrigiert. Durch die regelmäßige Aktualisierung der Batterieladeplanung können aktualisierte PV- und Lastprognosen berücksichtigt und Abweichungen des Ladezustandes zwischen dem korrigierten Fahrplan und dem ursprünglichen Fahrplan ausgeglichen werden. Anwendung in Polysun

Um den Batteriespeicher in Polysun prognosebasiert zu steuern, müssen die PV-Leistung (AC ohne Abregelung) und die Last über die Steuerungseingänge der programmierbaren Steuerung abgerufen werden. Wahlweise kann auch die Einspeisebegrenzung mit direkter Eingabe oder per Steuerungseingang übergeben

werden. Mit einer Eingabe von 0 können die Einspeisebegrenzung und die Lastbegrenzung jeweils deaktiviert werden. Damit es zu keinen Problemen bei der Erstellung der Prognosen kommt, sollte die Funktion in jedem Simulationszeitschritt aufgerufen werden. Um dies zu ermöglichen, muss die Variable „TS“ (aktueller Zeitschritt in Sekunden seit Simulationsbeginn) als Parameter übergeben werden. Mehrere Aufrufe der Funktion im selben Simulationszeitschritt haben keinen Einfluss auf das Ergebnis; es wird immer das Ergebnis des ersten aktuellen Aufrufs der Funktion in einem Zeitschritt herausgegeben. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, im selben Zeitschritt zwei Instanzen der Funktion mit unterschiedlichen Parametern aufzurufen. Eine Ausnahme besteht jedoch in der Häufigkeit der Aktualisierung der Prognosen und

in der Auflösung der Prognosen: Hier jeweils zwei Einstellungen möglich: 1 min und 15 min. Empfohlen ist für die Häufigkeit der Prognose-Updates 1 min. Mit einer

Häufigkeit von 15 min kann die Dauer der Simulation verringert werden. Allerdings ist die Regelung ungenauer und führt zu einer schlechteren Systemperformance. Daher

sind Prognoseaktualisierungen im 15 min Intervall nur für grobe Auslegungen von Systemen, in denen die Simulation von mehreren Varianten notwendig ist, empfohlen. Für die Feineinstellung der Systemparameter bzw. für die Endauswertung sollte immer

eine Häufigkeit von 1 min verwendet werden. Für die zeitliche Auflösung der Prognosen, hingegen, sind 15 min empfohlen, um einen möglichst hohen Autarkiegrad zu erreichen. Sollte aus irgendeinem Grund die Einspeise- oder Lastbegrenzung nicht hinreichend genau eingehalten werden (was in den seltensten Fällen zu erwarten sein sollte), kann die Auflösung der Prognosen auf

233

1 min erhöht werden. Zu beachten ist, dass die Auflösung der Prognosen nicht auf eine kleinere Zeit gesetzt werden kann als deren Aktualisierungshäufigkeit. Wird eine der beiden Größen in der Funktion falsch eingegeben, wird (aus technischen Gründen ohne Warnung) der jeweilige empfohlene Wert eingesetzt. Als Persistenz-Zeitfenster, in das für die Erstellung der PV-Prognosen zurückgeschaut wird, werden für stabile Ergebnisse 3 h empfohlen. Ein niedrigeres Zeitfenster führt zu einer schnelleren Anpassung der virtuellen Einspeisegrenzen, kann jedoch auch zu starken Schwankungen der Ladeleistungsvorgabe führen. Mit einem größeren Zeitfenster variieren die virtuellen Einspeise- und Lastgrenzen weniger; ein zu großes Zeitfenster führt allerdings zu einer hohen Trägheit der Regelung. Für die Begrenzung der Netzeinspeisung empfiehlt sich erfahrungsgemäß ein Prognosehorizont von 15 h und für die Begrenzung des Netzbezuges ein Horizont von 24 h. Persistenz-Zeitfenster und Prognosehorizont werden bei Fehleingaben automatisch und ohne Warnung auf die Grenzen [0 h, 24 h] beschränkt. Bei gleichzeitiger Begrenzung der PV-Einspeisung und des Netzbezuges können zwei Instanzen der PVPROG-Funktion aufgerufen werden (siehe Standardvorlage 50q). Dies ist möglich, weil die Be- und Entladung der Batterie nie im selben Simulationszeitschritt erfolgt. Dies kann jedoch gegenüber einem System, in dem nur die Netzeinspeisung oder der Netzbezug begrenzt wird, verstärkt zu einer Verschlechterung der jeweiligen Ergebnisse führen, da sich Prognosefehler negativ auf die zu den jeweiligen Begrenzungen zur Verfügung stehende Batteriekapazität auswirken können. In Einzelfällen kann sich die Kombination allerdings rentieren. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist die Verwendung von Wetter- und Lastdaten mit einer Auflösung von 1 min (höchstens 15 min) zu empfehlen und damit die PV-Prognosen zu Beginn der Simulation vollständig initialisiert sind, sollten vorausgehend 10 Tage simuliert werden.

6.11 Plugin-Steuerung

Die Plugin-Steuerung ist eine durch Plugins erweiterbare Steuerung. Steuerungs-

Plugins können selbst in der Programmiersprache Java erstellt werden. Dadurch

können komplexe Steuerungen erstellt werden. Weiterleitungen in andere

Programmierumgebungen wie Matlab sind möglich, um beispielsweise vorhandene

Steuerungen in Polysun einzubinden. Die Schnittstelle zu den Plugin-Steuerungen

bildet das Java Interface IPluginController.

6.11.1 Einleitung

Plugin-Steuerungen ermöglichen die Erstellung von Steuerungen in Polysun. Komplexe

und mächtige Steuerungen können damit entwickelt werden. Diese Steuerungen

können selbst entwickelt oder erhaltene Steuerungs-Plugins können einer Polysun-

Installation hinzugefügt werden.

Einer Polysun-Installation liegen verschiedene Plugin-Steuerungen bei, siehe folgende

Kapitel.

234

In der Anwendung verhalten sich Plugin-Steuerungen vergleichbar wie „traditionelle

Steuerungen“. Der Unterschied ist, dass jedermann, der Java programmieren kann,

Plugin-Steuerungen entwickeln und weitergeben kann.

6.11.2 Unterschied zur Programmierbaren Steuerung bzw Vorteile der

Plugin-Steuerung

Plugin-Steuerungen erlauben ebenso die Programmierung von Steuerungen wie die

„Programmierbare Steuerung“. Die Programmierung der Steuerungen erfolgt jedoch in

den Programmiersprachen Java, Python oder Matlab. Komplexe Steuerungen können

programmiert werden. Programmschleifen oder Bibliotheken können genutzt werden.

Der volle Sprachumfang dieser Programmiersprachen steht zur Verfügung.

Weiter besteht zusätzlich die Möglichkeit, „Weiterleitungen“ zu bestehenden

Steuerungen oder in andere Programmierumgebungen zu programmieren, wie dies

beispielsweise für Matlab oder Python gemacht wurde.

6.11.3 Anwendung von Plugin-Steuerungen

Plugin-Steuerungen werden wie „traditionelle Steuerungen“ über die

Steuerungsauswahl einer Variante hinzugefügt. In der Plugin-Steuerungs-Auswahl

werden alle vorhanden Plugin-Steuerungen angezeigt.

Projekte, die eine Plugin-Steuerung enthalten, benötigen zur Ausführung und

Bearbeitung das Plugin mit der Steuerung. Plugins werden als .jar-Dateien abgelegt

und können dem Ordner plugins im Datenpfad von Polysun hinzugefügt werden, z.B.

für Windows wäre dies normalerweise C:\Users\Public\Polysun\plugins oder

normalerweise für MacOS /Programme/Polysun/plugins. Hinzugefügte Plugins

stehen nach einem Neustart von Polysun zur Auswahl.

Ausprobiert werden kann dies durch die Demo-Plugin-Steuerung, die im Plugin

DemoPlugin.jar enthalten ist. Diese ist im Datenverzeichnis von Polysun abgelegt

und kann aus dem Datenverzeichnis plugins/examples in den Ordner plugins

kopiert werden. Die Steuerung steht nach erneutem Start von Polysun zur Auswahl.

Falls eine Plugin-Steuerung fehlt, wird ein Fehler angezeigt. Die Bearbeitung oder

Simulation ist bei fehlendem Plugin nicht möglich. Das fehlende Steuerungs-Plugin

muss hinzugefügt werden.

Polysun liegen eine Anzahl Plugin-Steuerungen bei.

Beispielprojekte sind im Datenverzeichnis plugins/examples verfügbar.

Plugin-Steuerungen werden zurzeit nicht automatisch wie Profile Projekten hinzugefügt.

Plugins müssen vom Benutzer eigenhändig weitergegeben werden.

235

6.11.4 Durchfluss-Plugin-Steuerung

Die Plugin-Durchflusssteuerung verhält sich genauso wie die bereits vorhandene

Durchflussteuerung. Sie ist eine Kopie. Diese Steuerung steht im Quellcode zur

Verfügung und ist Open Source Software, siehe im Datenverzeichnis

plugins/PolysunPluginDevelopmentKit.zip.

6.11.5 „Fixer Zeitschritt“-Plugin-Steuerung

Ein Steuerung, die einen regelmässigen, fixen Zeitschritt in der Simulation vorgibt.

Für jeden Zeitpunkt, welcher ein Vielfaches des fixen Zeitschrittes ist, führt die

Simulation einen Zeitschritt aus. Polysun kann mehr Zeitschritte ausführen, falls dies für

die Simulation erforderlich ist. Zum Beispiel, für einen fixen Zeitschritt von 180s, führt

die Simulation die Zeitschritte 0s, 180s, 360s, 480s, 720s, ... aus. 0 bedeutet keine

fixen Zeitschritte und die normalen Zeitschritte (240s während dem Tag und 720s

während der Nacht) von Polysun kommen zur Anwendung. 0 steht also für die

„normalen Zeitschritte“.

6.11.6 Matlab-Plugin-Steuerung

Die Matlab-Steuerung ist eine Plugin-Steuerung, die die Steuerungsaufrufe aus Polysun

an eine Matlab-Funktion weiterleitet. In der Steuerung wird der Name der Funktion in

Matlab gesetzt. Diese Funktion muss im Pfad von Matlab oder im Startverzeichnis sein.

Die Matlab-Funktion muss folgende Funktionsargumente haben:

function [ controlSignals, logValues, timepoints ] = control( simulationTime, status, sensors, sensorsUsed, properties, propertiesStr, preRun, controlSignalsUsed, numLogValues, stage, fixedTimestep, verboseLevel, parameters)

Die in der Matlab-Steuerung angegebene Matlab-Funktion wird in jedem Zeitschritt von

Polysun aufgerufen und muss in jedem Zeitschritt aufgrund der Input-Parameter die

Steuersignale für Polysun berechnen.

Die Konfiguration und Beispiele der Matlab-Steuerung werden im Polysun-

Datenverzeichnis plugins/com.velasolaris.plugin.controller.matlab.matconsolectl.MatlabPluginController nach dem ersten Steuerungsaufruf abgelegt, z.B.

C:\Users\Public\Polysun\plugins\com.velasolaris.plugin.controller.matlab.matconsolectl.MatlabPluginController.

Die Datei config.properties enthält die grundlegende Konfiguration der Matlab-

Steuerung. Falls Matlab nicht gefunden wird, muss der Pfad zur Matlab-Installation mit

matctl.matlabLocation gesetzt werden, beispielsweise

matctl.matlabLocation=C\:\\Program Files\\MATLAB\\R2016a\\bin

Die richtige Angabe von „\“ ist technisch notwendig, also doppelt und einzeln vor dem

Doppelpunkt („:“). Ebenso kann das Startverzeichnis beim ersten Aufruf von Matlab mit

236

dem Parameter matctl.matlabStartingDirectory gesetzt werden. Die meisten

anderen Parameter sind durch den Namen selbst erklärend oder müssen in der Regel

nicht weiter angepasst werden.

Die Funktionsargumente der Steuerungsfunktion sind in control.m dokumentiert. Die

Matlab-Funktion controlFlowrate.m implementiert eine Durchflusssteuerung. Sie

verhält sich gleich wie die „traditionelle Durchflusssteuerung“ von Polysun.

Diese Steuerung steht im Quellcode zur Verfügung und ist Open Source Software,

siehe im Datenverzeichnis plugins/PolysunPluginDevelopmentKit.zip.

Falls Matlab noch nicht gestartet ist, wird Matlab gestartet. Breakpoints in Matlab

werden unterstützt.

Die Matlab-Steuerung benutzt zur internen Kommunikation die Bibliothek

MatConsoleCtl.

Im Kapitel „Geschwindigkeitsvergleich“ wird Matlab mit den anderen

Steuerungsaufrufarten verglichen.

6.11.7 RPC-Plugin-Steuerung (Python)

Die RPC-Steuerung ist eine Plugin-Steuerung, die die Steuerungsaufrufe aus Polysun

über einen Remote Procedure Call (RPC) an einen RPC-Server weiterleitet. In der

Steuerung werden der Name der Funktion und die URL des Servers gesetzt, z.B

„controlFlowrate“ und „http://localhost:2102/control“. Die Funktion im RPC-Server muss

folgende Funktionsargumente haben:

control(simulationTime, status, sensors, sensorsUsed, properties, propertiesStr, preRun, controlSignalsUsed, numLogValues, stage, fixedTimestep, verboseLevel, parameters)

=> controlSignals, logValues, timepoints

Die in der Steuerung angegebene RPC-Funktion wird in jedem Zeitschritt von Polysun

aufgerufen und muss in jedem Zeitschritt aufgrund der Input-Parameter die

Steuersignale für Polysun zurückgeben.

Drei Arten von RPC werden unterstützt: JSON-RPC stream (Geschwindigkeits-

optimiert) JSON-RPC und XML-RPC. JSON-RPC und XML-RPC werden beide von

vielen Systemen unterstützt, beispielsweise von der Programmiersprache Python.

Python (https://python.org) unterstützt JSON-RPC durch Zusatzmodule und XML-RPC

standardmässig. Es stehen im Datenverzeichnis der RPC-Steuerung

(plugins/com.velasolaris.plugin.controller.rpc.SimpleRpcPluginCon

troller) je ein XML-, ein JSON-RPC-Server und ein optimierter JSON-RPC-Stream-

Server für Python zur Verfügung. Die Steuerungsfunktionen sind in

controlFunctions.py.

Start des Funktionsservers:

python controlJsonRpcStreamServer.py

python controlJsonRpcServer.py

237

python controlXmlRpcServer.py

python controlRpcServer.py

Oder mit pypy (http://pypy.org), welches einen Just in Time (JIT) Compiler einsetzt und

dadurch schneller ist:

pypy controlJsonRpcStreamServer.py

pypy controlJsonRpcServer.py

pypy controlXmlRpcServer.py

pypy controlRpcServer.py

Es besteht die Möglichkeit, den RPC-Funktionsserver automatisch in Polysun zu

starten. Für einen erfolgreichen Start des RPC-Servers müssen die Parameter richtig

gesetzt werden. Falls das automatische Starten des RPC-Servers nicht funktioniert,

konsultieren Sie bitte die Polysun-Log-Datei im Datenverzeichnis von Polysun, z.B.

C:\Users\Public\Polysun\data.log. Die Analyse von Problemen setzt ein gewisses

technisches Verständnis voraus.

Die verschiedenen Steuerungsaufrufarten werden im Kapitel

„Geschwindigkeitsvergleich“ miteinander verglichen.

Weiterführende Informationen sind in den Script-Dateien dokumentiert.

Diese Steuerung steht im Quellcode zur Verfügung und ist Open Source Software,

siehe im Datenverzeichnis plugins/PolysunPluginDevelopmentKit.zip.

6.11.8 Plugin-Steuerungs-Entwicklung

Plugin-Steuerungen können selbst in der Programmiersprache Java erstellt werden.

Voraussetzung zum Erstellen von Steuerungs-Plugins sind Java-

Programmierkenntnisse und eine Java-Entwicklungsumgebung.

Einführend gesagt, definiert das Interface IPluginController eine Steuerung und

ControllerPlugin ein Plugin.

Plugin-Steuerungen müssen das Java Interface IPluginController erfüllen

(implementieren). Die wichtigste Methode ist control(). Diese Methode wird in jedem

Zeitschritt aufgerufen und berechnet die Steuerungssignale aus den Sensorsignalen.

Die Signatur ist

control(int simulationTime, boolean status, float[] sensors, float[] controlSignals, float[] logValues, boolean preRun, Map<String, Object> parameters).

Die Werte für die gesetzten Steuerungseingänge werden im sensors-Array in jedem

Zeitschritt zur Verfügung gestellt. Daraus berechnet die Plugin-Steuerung die

Kontrollsignale (controlSignals-Array) für die gesetzten Steuerungsausgänge.

238

Die zur Entwicklung von Plugin-Steuerungen notwendigen Dateien sind im

Datenverzeichnis im Zip-Archiv plugins/PolysunPluginDevelopmentKit.zip

verfügbar. Weitere Informationen sind in den README.txt-Dateien beschrieben.

Ein Steuerungs-Plugin wird durch das Interface ControllerPlugin definiert. Ein

Plugin muss eine Klasse haben, die dieses Interface implementiert. Damit das Plugin

gefunden wird, muss das Plugin „angemeldet“ werden. Dabei muss der volle

Klassenname des erstellten Plugins (inkl. Packages) in der Datei

META-INF\services\com.velasolaris.plugin.controller.spi.ControllerPlugin

gesetzt werden. Für das Demo-Plugin ist der Inhalt dieser Datei

com.velasolaris.plugin.controller.DemoControllerPlugin. Die

kompilierten Java-Klassen (.class) mit dem META-INF-Verzeichnis können daraufhin in

ein Java-Archiv (.jar-Datei) verpackt und dem Klassenpfad (Classpath) von Polysun

hinzugefügt werden. Am besten werden die Plugins im Ordner plugins des

Datenverzeichnisses hinzugefügt. Das Erzeugen der Plugin-Jar-Datei wird am

einfachsten mit einem Ant-Script erzeugt, siehe build.xml beim Demo-Plugin.

Standardmässig werden Plugin-Jars während dem Ausführen von Polysun nicht neu

geladen. Während der Entwicklung kann das Neuladen jedoch hilfreich sein. Wenn in

der Datei user.ini (z.B. in C:\Users\Public\Polysun), die die Polysun-

Benutzereinstellungen enthält, die Einstellung

Plugin.ReloadAlways=1

gesetzt ist, werden die Plugins, beim Aufruf des Plugin-Controller-Dialogs jeweils neu

geladen.

Zum Entwickeln einer neuen Plugin-Steuerung werden am besten eine Kopie des

Demo-Plugins gemacht und die entsprechenden Dateien angepasst. Es wird

empfohlen, neue Steuerungen mit JUnit-Tests abzusichern. Der

DemoFlowratePluginControllerTest ist ein Beispiel eines JUnit-Tests.

6.11.9 Geschwindigkeitsvergleich

Plugin-Steuerungaufrufe sind auf verschiedene Arten möglich. Programmiersprachen

wie Matlab, Python oder Java können für bestimmte Aufgaben besonders geeignet

sein.

Die Simulationszeit hängt von der Art der Steuerungsaufrufe ab. Um einen

Geschwindigkeitsvergleich zu haben, wurden die verschiedenen Steueungsaufrufe

miteinander verglichen. Die Vorlage „16c: Raumheizung (Wärmepumpe, ohne Puffer)“

mit immer der gleichen Durchflusssteuerungslogik wurde für den Vergleich verwendet,

siehe dazu das Polysun Projekt „FlowratePluginControllerComparison.pse“.

239

Tab. 32: Simulationszeit und durchschnittliche Steuerungsaufrufzeit für verschiedene Plugin-Steuerungstypen

Testsystem: Intel Core i7-6820HQ 2.7GHz, Windows 10 1607, Java 8, Matlab 2016a, pypy 5.4.1, Polysun 9.2 dev (r24000), plugins/examples/FlowratePluginControllerComparison.pse

Aufrufstyp Simulationszeit Ø Steuerungsaufruf

FlowrateController 4 s 0 ms

Java FlowratePluginController 4 s 0 ms

MatlabPluginController 86 s 0.5 ms

JSON-RPC stream (Python) 14 s 0.06 ms

JSON-RPC (Python) Abbruch (68s) 0.4 ms

XML-RPC (Python) 228 s 1.5 ms

Vergleich der Steuerungsaufrufe durch verschiedene Remote Procedure Call (RPC)

Protokolle mit den unterschiedlichen Pythoninterpretern.

Tab. 33: Durchschnittliche Steuerungsaufrufzeit für verschiedene Pythoninterpreter und RPC-Protokolle

Testsystem: Intel Core i7-4500U CPU 1.80GHz, openSuse 13.2 Linux, Java 8, Polysun 9.2 dev (r24000), plugins/examples/FlowratePluginControllerComparison.pse

Python / RPC-Protokoll JSON-RPC stream JSON-RPC XML-RPC

RPC-Typ Eigenentwicklung Standard Standard

Kommunikationsprotokoll TCP Socket HTTP HTTP

EineTCP-Connection pro Simulation Zeitschritt Zeitschritt

PyPy 5.4.1 0.06 ms 0.5 ms 0.6 ms

Python 2.7 0.09 ms 0.7 ms 1.3 ms

Python 3.4 0.08 ms 0.9 ms 1.4 ms

JSON-RPC führt auf schnellen System in Windows bei lokaler Ausführung zum Fehler

"java.net.BindException: Address already in use: connect" (PSA-4571). Verwenden Sie

statt dessen das „JSON-RPC stream“-Protokoll.

6.11.10 Mögliche Weiterentwicklungen

Steuerungs-Plugins müssen aktuell bei der Weitergabe von Projekten ebenfalls parallel

weitergegeben werden. In Zukunft könnte es möglich sein, Plugins in Polysun

Projektdateien .pse abzuspeichern, wie dies bereits bei Profilen der Fall ist.

240

7 Simulationsresultate und –analyse

7.1 Abkürzungen in den Polysun-Simulationsresultaten

7.1.1 Deckungsgrade In der Ansicht „Resultate der Variante“ sind die verschiedenen Deckungsgrade SFi (input-orientiert), SFn (netto) und SFg (brutto) ersichtlich. Sie beziehen sich auf unterschiedliche Grenzen am System, dargestellt in Abbildung 5. Es werden nur die Deckungsgrade angezeigt, welche für die Variante automatisch bestimmbar sind.

𝑆𝐹𝑖 = 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑆𝑝𝑒𝑖𝑐ℎ𝑒𝑟

𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑆𝑝𝑒𝑖𝑐ℎ𝑒𝑟 + 𝑍𝑢𝑠𝑎𝑡𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑆𝑝𝑒𝑖𝑐ℎ𝑒𝑟=

𝑆𝑠𝑜𝑙

𝑆𝑠𝑜𝑙 + 𝑆𝑎𝑢𝑥

𝑆𝐹𝑛 = 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑠 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚

𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑠 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 + 𝑍𝑢𝑠𝑎𝑡𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑠 𝑆𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚=

𝑄𝑠𝑜𝑙

𝑄𝑠𝑜𝑙 + 𝑄𝑎𝑢𝑥

𝑆𝐹𝑔 = 𝐸𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑎ℎ𝑙𝑢𝑛𝑔 𝐾𝑜𝑙𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑒𝑏𝑒𝑛𝑒

𝐸𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑎ℎ𝑙𝑢𝑛𝑔 𝐾𝑜𝑙𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟𝑒𝑏𝑒𝑛𝑒 + 𝑍𝑢𝑠𝑎𝑡𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒=

𝐸𝑠𝑜𝑙

𝐸𝑠𝑜𝑙 + 𝐸𝑎𝑢𝑥

Abb. 165: Grenzen für die Berechnungen der Deckungsgrade

Zur Analyse des Systemverhaltens wird manchmal gewünscht, dass der Deckungsgrad für Warmwasser und Heizung getrennt angegeben werden kann. Dies ist nur in speziellen Anlagekonfigurationen möglich, wo die Wärme für Heizung und Warmwasser separat geführt und gespeichert werden. In Systemen mit Rücklaufanhebung oder mit einem Speicher als hydraulische Weiche kann beim Verbraucher nicht mehr

241

entschieden werden, ob die Wärme in einem früheren Zeitintervall einmal durch die Solarkollektoren oder durch die Zusatzheizung erzeugt worden ist. In Polysun wird eine approximative Berechnungsmethode verwendet, welche in allen Fällen anwendbar ist. Die getrennte Angabe der solaren Deckung für Warmwasser und Heizung basiert und auf der Gewichtung des totalen solaren Deckungsgrads mit dem Wärmebezug in einem bestimmten Zeitintervall.

Dabei wird in Polysun für die Berechnung ein variables Zeitintervall zwischen 2 Tagen und 2 Wochen verwendet. Als Resultat wird lediglich ein Jahreswert ausgegeben, da die Monatswerte nicht aussagekräftig sind. Interpretationsbeispiel: In den Sommermonaten ist der Wärmebezug der Heizung sehr klein und somit zählt dann die solare Deckung ausschliesslich für das Warmwasser. Diskussion: Im Vergleich zur direkten Berechnung (separate Puffer-Boiler) liegen die mit obiger Formel berechneten Deckungsgrade näher zusammen. In analoger Weise lassen sich auch die aufgeteilten solaren Deckungsanteile von weiteren Verbrauchern (wie zum Beispiel Schwimmbad oder solarer Kühlung) definieren. Empfehlung: Referenzanlage verwenden! Die Aufteilung des solaren Deckungsgrades ist weder für Auslegung noch für die Kundenberatung aussagekräftig. Viel wichtiger ist die Verwendung von Referenzanlagen, wie sie in Polysun standardmässig angeboten wird. Damit kann der Einfluss einzelner Systemkomponenten eruiert und das Heizungssystem optimiert werden. Siehe dazu Abschnitt 2.2 auf Seite 8.

7.1.2 Bezeichnung und Darstellung der Resultate Die Kurzbezeichnungen für die Energiebilanzen bauen immer nach dem gleichen Muster auf. So bedeutet z.B. „QparS“, die von der Pumpe abgegebene Wärmeenergie an den Solarkreislauf. „Q“ steht für die abgegebene Energie an das System, sprich an die Hydraulik, „par“ für parasitäre Energie und „S“ für den Kreislauf, hier Solarkreislauf. Fehlt der letzte Index, in diesem Fall das S, so ist die abgegebene Wärmeenergie aller vorhandenen Pumpen an alle Kreisläufe gemeint. Die Bedeutung der verschiedenen Buchstaben und Positionen sind in der unten stehenden Tabelle erklärt.

242

Bei Wärmeverlusten an den Innenraum „Qint“ werden die Verluste aller Komponenten berücksichtigt, die im Rauminnern platziert sind. Mit dabei sind auch die chemischen Energieverluste bei Kesseln mit Wirkungsgraden kleiner 100%. „Qdem“ ist der von Polysun berechnete Energiebedarf, der möglichst gedeckt werden soll. Ist „Quse“ (effektiver Energieverbrauch) kleiner als „Qdem“, so kann der Energiebedarf nicht gedeckt werden und es erscheint eine entsprechende Meldung. Die Gründe dafür sind meist in den Anschlusshöhen im Speicher oder an den Steuerungseinstellungen zu suchen. Die Warmwasser- und Gebäude- Verfügbarkeit in der Komponentenansicht zeigt, zu wie vielen Prozenten der Bedarf gedeckt ist. Bei der Endenergie im Kollektor „Esol“ ist zu beachten, dass die Einstrahlung auf die Bruttofläche des Kollektors gemeint ist. Mit „Eaux“ ist die chemische Energie (oberer Brennwert) des Brennstoffs gemeint. Tab. 34: Bedeutung der verschiedenen Buchstaben und Positionen

Stelle der Buchstaben

Buchstaben Bedeutung

1 E Endenergie (Brennstoff- und Stromverbrauch)

Q Energie an das System bzw. vom System entnommene Energie

S Energie an den Speicher bzw. vom Speicher entnommene Energie

2. bis 4.

sol Solarenergie (Bsp: Qsol = Energie vom Kollektor an das Fluid)

out Energieentnahme

use Energieverbrauch (effektiv verbrauchte Energie durch Warmwasser, Schwimmbad, Gebäude, Wärmesenke)

dem Energiebedarf (theoretisch errechneter Wert des Energiebedarfs, z.B. um das kalte Wasser des Kaltzuflusses auf die gewünschte Warmwassertemperatur zu erwärmen)

aux Auxiliary Energie (Energie der Wärmeerzeuger oder elektrischen Kältemaschinen, z.B. Qaux = Energie des Wärmeerzeugers an das Fluid)

par Hilfs- oder parasitische Energie (Pumpen und Ventilatoren)

int Energie an Innenraum (alle Komponenten die im Innenraum platziert sind, z.B. Qint = Wärmeverlust an Innenraum)

ext Energie an die Umgebung (alle Komponenten die draussen platziert sind, z.B. Qext = Wärmeverlust an Umgebung)

243

def Energiedefizit (der Unterschied zwischen Energiebedarf und Energieverbrauch)

xfr Übertragene Energie

ventil Energie bei der Gebäude-Ventilation

trans Energie durch Transmission im Gebäude

5 S Solar

A Auxiliary

X Wärmeübertragung

U Verbraucher

M Midex (Solar und Auxiliary)

Summe über alle Kreisläufe

Polysun verfügt über verschiedene Möglichkeiten die Simulationsergebnisse auszugeben. Diese werden im Folgenden beschrieben.

7.2 Resultate-Übersicht und Variantenvergleich Eine Übersicht der meist verwendeten Resultate ist gegeben. Beim Anwählen eines Ergebnisses erscheint im unteren Teil des Fensters das dazugehörige Balkendiagramm mit Monatswerten.

7.2.1 Referenzvarianten Polysun erlaubt die Verwendung von Referenzvarianten zur Analyse und Optimierung von Solarsystemen. Dazu lässt sich im Projektbaum eine Variante speziell kennzeichnen (rechte Maustaste – „Variante als Referenz...“).

Abb. 166: Projektbaum mit Referenzvariante

244

Wichtige Grössen die die solare Einsparung (Fractional solar savings, FSS) sind nur mit Definition eines Referenzsystems berechenbar. Die solare Einsparung ist wie folgt definiert:

𝐹𝑠𝑠 = 1 − (𝐸𝑎𝑢𝑥 − 𝐸𝑝𝑎𝑟)𝑠𝑜𝑙

(𝐸𝑎𝑢𝑥 − 𝐸𝑝𝑎𝑟)𝑟𝑒𝑓

wobei Eaux die Zusatzenergie und Epar die Hilfsenergie der jeweiligen Systeme bezeichnet („sol“ = Solarsystem, „ref“ = Referenzsystem) Beispiel: Es soll bei einem System die Varianten mit und ohne solarer Input verglichen werden. Man übernehme dazu eine Vorlage als Variante ins Projekt. Kopiere die Variante (Rechte Maustaste – „Variante kopieren...“) und ändere sie so ab, dass die Pumpe im Solarkreis still steht. Diese Variante wird dann als Referenz gesetzt (rechte Maustaste – „Variante als Referenz...“). Wenn die Simulationsresultate beider Varianten vorliegen, wird die solare Einsparung Fss in den Resultaten angegeben. Diskussion: Für die Kundenberatung kann in einer Umbausituation insbesondere auch die existierende Heizungsanlage detailliert nachgebildet und als Referenz gesetzt werden. Damit kann die erwartete Einsparung mit einer neuen Solaranlage ausgerechnet werden. Tipp: Im Menü Extras – Einstellungen – Simulation kann gewählt werden, wann Polysun die Referenzanlage rechnen soll:

„Referenz nach Abfrage simulieren“: Der Benutzer muss den Start der Referenzsimulation bestätigen

„Referenz ohne Abfrage simulieren“: Referenzsimulation wird unmittelbar nach der Simulation einer Variante neu gestartet

„Referenz nie simulieren“: Die Referenzsimulation wird nicht automatisch simuliert und der Benutzer muss die Referenz manuell starten.

7.2.2 Variantenvergleich Zur technischen Evaluation und zum Vergleich der Leistung verschiedener Systeme im Projekt kann der Nutzer den Menüpunkt „Variantenvergleich“ aus dem Drop-Down-Menü Resultate auswählen. Diese Funktion erlaubt es dem Benutzer zu erkennen, wie eine Veränderung im System-Entwurf die Leistung des Systems verändert. Zusätzlich kann damit das Verhalten des Systems in unterschiedlichen Auslegungen schnell untersucht werden. Ein Beispiel für einen Variantenvergleich finden Sie nachstehend:

245

Abb. 167: Resultatevergleich verschiedener Systeme

Der Variantenvergleich zeigt die hauptsächlichen Leistungs-Indikatoren für die ausgesuchte Technologie der aktiven Systeme in tabellarischer und grafischer Form. Mit einem Links-Klick auf den jeweiligen Parameter werden die Werte im Jahresverlauf grafisch dargestellt. Der Variantenvergleich kann in einem separaten pdf-Dokument angezeigt und ausgedruckt werden, indem Sie auf das „Drucken“-Icon am oberen Rand des Fensters klicken.

7.3 System-Resultate Die Resultate der verschiedenen Kreisläufe sind in diesem Fenster aufgelistet. In der Übersicht stehen die Deckungsgrade sowie die dazugehörigen Energien wie sie ermittelt werden. Tab. 35: Resultate der verschiedenen Kreisläufe

Beschreibung Kürzel Bedeutung

Energieverbrauch Quse Von den Verbrauchern effektiv bezogene Energie. Dies beinhaltet den Energieverbrauch von Warmwasser, Gebäudeheizung, Gebäudekühlung, Schwimmbad und Wärmesenke, sofern sie Energieverbraucher sind. Alle Werte werden als Betrag (positive Werte) aufsummiert.

246

Energiebedarf Qdem Von den Verbrauchern angeforderte Energie, so dass die Komfortanforderungen erfüllt sind. Dies beinhaltet den Bedarf von Warmwasser, Gebäudeheizung, Gebäudekühlung und Wärmesenke, sofern sie Energieverbraucher sind. Alle Werte werden als Betrag (positive Werte) aufsummiert.

Energie der Wärmeerzeuger an das System (inklusive Kältemaschinen)

Qaux Von den elektrischen und brennstoffbetriebenen Wärmeerzeugern und elektrischen Kältemaschinen an das Fluid abgegebene Energie.

Brennstoff- und Stromverbrauch der Wärmeerzeuger und Kältemaschinen

Eaux Für die Wärmeerzeuger und elektrischen Kältemaschinen benötigter Brennstoff und Strom.

Gesamter Brennstoff- und Stromverbrauch

Etot Für die Wärmeerzeuger, elektrischen Kältemaschinen, Pumpen, Ventilatoren, etc. benötigter Brennstoff und Strom.

7.4 Komponenten-Resultate Die Resultate jeder einzelnen Komponente sind in Form von Monatsmittelwerten und Jahreswerten, sowie Maximal- und -Minimalwerten dargestellt. Letztere sind vor allem nützlich bei Rohren, bei welchen weniger die Mitteltemperatur eine Rolle spielt sondern die effektive Temperatur zur Zeit des Durchflusses. Diese Ansicht ist ab der Benutzerstufe Professional möglich.

7.5 Tabellarische Auswertung Anzeige aller Stundenwerte in Tabellenform. Die Datensätze lassen sich durch Klicken auf die Überschrift anwählen, mit „Ctrl-c“ kopieren und im Excel einfügen. Diese Ansicht ist ab der Benutzerstufe Designer möglich.

7.6 Grafische Auswertung Eine komfortable Möglichkeit der Detailanalyse bietet das Grafik-Tool von Polysun (ab Benutzerstufe Professional). Auf der Basis von Stundenwerten können folgende Grössen über beliebige Zeitabschnitte (Jahr, Monat, Stunde und alles dazwischen) dargestellt werden:

sämtliche Temperaturen

sämtliche Leistungen

sämtliche Durchsätze

sämtliche Ein/Aus Status

247

der Deckungsgrad Sfg Die Zeitskala kann durch Aufspannen einer Box mit der Maus frei gewählt werden. Wenn mehr als eine Skala vonnöten ist (z.B. Temperatur und Leistung), werden diese links und rechts der Grafik angezeigt und können unabhängig voneinander vertikal verschoben werden. Wenn zusätzlich noch eine der dimensionslosen Grössen „Deckungsgrad“ oder „Pumpenaktivität“ hinzukommen, wird die Temperatur auf den Bereich 0-100 erweitert und die entsprechende Grösse in % dargestellt. Verbrauchsgrössen, wie der Warmwasserverbrauch, der Heizenergiebedarf und die Nacht-Rückkühlung werden mit negativem Vorzeichen aufgetragen. Tipps: Die Resultate sind Stundenmittelwerte und können über das ganze Jahr nicht exakt dargestellt werden. Ein Jahr enthält 8760 Stunden, ein Bildschirm hat wesentlich weniger Bildpunkte. Bei der Jahresansicht werden die Werte deshalb über mehrere Stunden gemittelt. Speziell bei der Kollektortemperatur sorgt dies für Verwirrung. Deshalb ist als Zeitabschnitt ein möglichst kleiner Bereich zu wählen. Werte, die sich innerhalb einer Stunde verändern, sind ebenfalls nur schwierig interpretierbar. Schaltet z.B. eine Pumpe fünf Minuten an, so wird der Status während der ganzen Stunde als 1, sprich „an“, angezeigt. Eine effektive Pumpenlaufzeit ist lediglich in der Komponentenansicht ersichtlich.

Abb. 168: Graphische Analyse der Simulationsresultate

248

Zu einer noch detaillierteren Analyse bietet Polysun die Möglichkeit, zwischen der Stunden-basierten und der Zeitschritt-basierten grafischen Darstellung der Werte zu wählen. Für die Auswertung eines Systems sind Stundenwerte nicht präzise genug. Deshalb wurde es möglich gemacht, Ihnen auch die genaueren grafischen Darstellungen anzubieten, die auf Zeitschritten basieren. Klicken Sie hierzu auf die Schaltfläche „Details anzeigen“.

Abb. 169: Wechsel zur Zeitschritt-basierten grafischen Auswertung

Sie können mit der Maus an einer beliebigen Stelle der grafischen Darstellung ein Rechteck ziehen und sich damit diese Stele vergrößern lassen.

Abb. 170: Dialogfenster grafische Auswertung

Mit Hilfe der in der obigen Abbildung markierten Schaltflächen ist der Nutzer in der Lage, die abgebildeten Kurven zu verschieben und die Skala zu optimieren. Tipp: die

249

Skala kann vertikal verbessert werden, wenn die Kurven über den unteren Rand der Zeichenfläche hinausragen. Um die Mindest- und Höchstwerte eines bestimmten Parameters zu sehen, kann der Benutzer ein Häkchen bei Hüllkurve setzen. Diese Funktion steht nur für Stundenwerte zur Verfügung.

Abb. 171: Hüllkurven in der grafischen Darstellung

Polysun-Video

Grafische Auswertung

7.7 Fluid-Übersicht Die verschiedenen Kreisläufe im System mit all ihren zugehörigen Komponenten und Fluidmedien sind aufgelistet. In diesem Eingabefenster kann auch nachträglich das Fluidmedium geändert werden. Dazu ist ein Medium anzuwählen und auf den Knopf „Wärmeträger bearbeiten“ zu klicken. Fluidtransport Polysun wurde so konzipiert, dass fast alle beliebigen Aufbauten von Solarsystemen anhand von vorgegebenen Komponenten möglich sind. Als erster Schritt der Simulation muss deshalb der Aufbau einer Anlage analysiert werden. Dazu werden der Reihe nach zuerst die Fluiddomänen identifiziert, und danach die Fluidkreisläufe.

250

Definition: Als Fluid bezeichnet man die Flüssigkeit, welche die Komponenten durchströmt und Energie transportiert. Da das Fluid oft verschiedene Stoffe enthält, gibt es in Polysun den Basisfluid-Katalog mit den reinen Stoffen (wie z.B. Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol), sowie den Fluidmischung-Katalog mit den in Realität verwendeten Flüssigkeiten (wie z.B. Trinkwasser, Ethylenmischung, Propylenmischung). Definition: Eine Fluiddomäne ist ein zusammenhängender, hydraulischer Bereich mit einem gemeinsamen Fluid. Eine Anlage besteht typischerweise aus mehreren Fluiddomänen. Die zu einer Fluiddomäne gehörenden Anlagekomponenten werden von demselben Fluid durchflossen. Definition: Eine Fluiddomäne besteht aus einem oder mehreren Fluidkreisläufen. In einem Fluidkreislauf hat es immer genau einen Durchflusserzeuger. Resultate werden für Fluidkreisläufe ermittelt (nicht für Fluiddomänen). Definition: Eine Komponente ist ein Durchflusserzeuger, wenn der Fluidtransport zwischen den Anschlüssen der Komponente durch die physikalischen Vorgänge in der Komponente festgelegt wird. Folgende Komponenten sind Durchflusserzeuger:

Pumpe

Brenner mit eingebauter Pumpe

Warmwasseranschluss (bei welchem man sich eine direkte Verbindung zum Kaltwasseranschluss denken kann, damit der Fluidkreislauf geschlossen ist).

Beispiel: Als Beispiel für die Analyse der Anlagetopologie soll Variante 1f: Warmwasser (2 Kollektorfelder, Öl) dienen. In dieser Anlage gibt es drei Fluiddomänen (Warmwasser, Zusatzheizung, Solar). Die Solar-Domäne weist zwei Fluidkreisläufe auf, welche je von einer Pumpe getrieben werden. Es ist klar ersichtlich, dass es Komponenten geben kann, die zu zwei verschiedenen Fluidkreisläufen gehören (im Bsp. der Solar-Wendelwärmetauscher). Auf der Frischwasser-Seite hingegen hat man nur einen Fluidkreislauf, da es nur einen Durchflusserzeuger gibt (den Warmwasseranschluss) und das Dreiwegventil das Mischverhältnis zu jedem Zeitpunkt eindeutig festlegt.

Abb. 172: Beispiel Fluiddomäne und Fluidkreislauf

251

Der Algorithmus stellt sicher, dass für jeden Abschnitt der Anlage der Fluidtransport eindeutig bestimmt ist. So wird zum Beispiel verhindert, dass zwei Pumpen in demselben Kreislauf gegeneinander arbeiten.

7.8 Energieflussdiagramm Das Energieflussdiagramm zeigt Ihnen die Energiebilanz des von Ihnen entworfenen Systems grafisch an. Sie können es auf zwei Arten ansteuern: Entweder über den Menüpunkt „Resultate“, oder in dem Sie die Tastenkombination Strg+Umschalt+E drücken.

Abb. 173: Auswahl des Energieflussdiagramms

Auf der linken Seite des Energieflussdiagramms sehen Sie die dem System zugeführte Energie, die Verteilung dieser Energie ist auf der rechten Seite dargestellt. Zur Energiezufuhr kann beispielsweise die im System erzeugte Wärme, etwa von Solarkollektoren, gehören. Auf der Verteilungs-Seite sehen Sie Verbräuche und Wärmeverluste des Systems. Das Diagramm berücksichtigt sowohl thermische als auch elektrische Energie. Für einige Hydraulikschemata funktioniert das Energieflussdiagramm jedoch nicht, etwa für die Erdsondenregeneration. Diese Energieflüsse sind nicht immer messbar.

252

Abb. 174: Beispiel für ein Energieflussdiagramm

Für eine Erklärung, wofür jeder einzelne Pfeil des Diagramms steht, fahren Sie mit dem Mauszeiger darauf. In der Zeile oberhalb des Diagramms erscheint dann eine Erklärung. Das Energieflussdiagramm kann als Bild gespeichert oder ausgedruckt werden. Nutzen Sie dazu die Schaltflächen in der linken oberen Ecke des Fensters.

7.9 Report Die verschiedenen Report-Typen (Kurz-Report, Professioneller Report, Vergleichs-Report und Wirtschaftlichkeits-Report) fassen alle relevanten Resultate auf einem Dokument zusammen. Folgendes Beispiel erklärt die Resultate im Report.

Polysun-Video

Report-Einstellungen

253

Firmenlogo

Schemenname

Schema mit Anlagenbeschreibung

Standort des Kundens

Name und Adresse des

Planers

Der gesamte zum Betrieb notwendige

Brennstoff- und Stromverbrauch

(Wärmeerzeuger, Kältemaschienen,

Pumpen, Ventilatoren)

Die tatsächlich beim Verbraucher

ankommende Energiemenge

(Verbraucher sind: Warmwasser,

Heizung, Kühlung, Schwimmbad,

Prozesswärme, und Einspeisung in ein

Fernwärmenetz

Dient zum Objektiven Vergleich

verschiedener Systeme. Je grösser der

Wert desto besser.

Wenn in 5% der Zeit die jeweiligen Temperaturen zu

mehr als 5% unterschritten werden, erscheint die

eMeldung “Energiebedarf nicht gedeckt”. Zum

korrekten Vergleich verschiedener Anlagen muss der

Energiebedarf immer gedeckt sein.

254

Summe aller Kollektorfelder

Durchschnittlich 64% der für das

Warmwasser benötigen Energie

wurde durch Solarenergie gedeckt.

Durchschnittlich 15,8% der für die

Gebäudeheizung benötigten Energie

wurde durch Solarenergie gedeckt.

Die jährliche Energiemenge die von

den Kollektoren an das System

(Kreislauf) abgegeben wird.

Die jährliche, spezifische

Energiemenge an das System

(Kreislauf) pro wirksamer

Kollektorfläche Jährlicher Brennstoffeinsparung durch die

Solarthermische Anlage umgerechnet in KWH.

Dieser Welt kann grösser sein als der

Kollektorfeldertrag, weil dieser zusätzlich durch

den Kesselnutzungsgrad dividiert wird.

Einsparung durch die Solarthermische

Anlage entsprechend umgerechnet in CO2

Jährlicher Brennstoffeinsparung durch

die Solarthermische Anlage

Einsparung durch die Solarthermische

Anlage entsprechend umgerechnet in

CO2

Mindererträge durch Horizont- und Nah-

Verschattung werden berücksichtigt

Monatliche Aufteilung des solaren Deckungsgrads

Gesamte jährliche auf eine horizontale

Fläche auftreffende Strahlung, am

definierten Standort, pro Quadratmeter

oder Quadratfuss

Durchschnittliche Jahres-

Aussentemperatur im 24h Mittel

An Wolken und Dunstteilchen gestreuter

Strahlungsanteil der Globalstrahlung. Ist gleich

Globalstrahlung minus Direktstrahlung

Bezeichnung des Kessels

Nennleistungs des Kessels

Wirkungsgrad unter verschiedenen

Betriebsbedingungen über das Jahr

[Qaux/Eaux]

Vom Kessel an das System (Kreislauf)

abgegebene Energie

Der zum Kesselbetrieb notwendige Brennstoff-

und Strom-Verbrauch. [Eaux=Qaux+Losses] Energieeinsparung dieses Kessels aufgrund

der Solartermischen Anlage umgerechnet in

kWh, CO2 und Liter Öl.

Prozentualer Anteil Solarerzeugter Energie an der

gesamten erzeugten Energie. 47,6% der Energie wurde

durch Solarenergie gedeckt. [Qsol/(Qsol+Qaux)]

255

Kollektorprüfstelle Kollektorneigung zur Horizontalen

Vom Kollektorfeld an das System (Kreislauf)

abgegebene Energie

Ausrichtung der Kollektorfläche. (0°=Süden,

Osten=+90°, Westen=-90°, gilt auch für

Südhalbkugel)

Jährliche auf die Aperturfläche eintreffende

Globalstrahlung

Jährlich auf die Aperturfläche eintreffende

Einstrahlung in die Kollektorebene abzüglich

Reflexionsverluste aufgeteilt nach Direkt- und Diffus-

Strahlung Der Heizwärmebedarf ist die errechnete

jährliche Energiemenge, die durch

Heizkörper an das Gebäude (beheizte

Wohnfläche) abgegeben wird.

Gesamter jährlicher Solarertrag durch

Fensterfläche, egal ob verwendet oder nicht

(z.B. Auch im Sommer unterhalb der

eingestellten Verschaltungstemperatur)

Total jährliche Energieverlüste durch die

Gebäudenhülle und Luftaustausch

Die gesamte maximale Leistungsabgabe ist gleich

Anzahl Heiz/Kühlmodule mal Leistung.

Von der Fussbodenheizung abgegebenen Energie

an das Gebäude im Jahr.

Täglicher Warmwasserverbrauch. (Schaltjahre

berücksichtigt)

Mass für die Grösse des Wärmetauschers.

(Bsp.: Bei 10 kW Übertragungsleistung ist der

Temperaturabfall von Primär- zu Sekundär-

Seite 2⁰K)

Effektiv notwendige Energie um das Wasser von

der Kaltwasser auf die gewünschte Warmwasser –

Temperatur zu erwärmen

256

Durchschnittlicher Durchsatz im

Betrieb

Jährlicher Wärmeverlust durch

Wände

Jährliche Wärmeverlust der

Anschlüsse

33% Ethylene, Rest ist Wasser

66,8 l Glykol sind notwendig für die

Befüllung des Solarkreislaufes

Druck hat Einfluss auf Verdampfungspunkt

257

Die Energiemenge die von den

Kollektoren an das System (Kreislauf)

abgegeben wird.

Von den Wärmeerzeugern an das System

(Kreislauf) abgegebene Energie.

Anteil der Solarenergie an das System, welche durch die

Sonne geliefert wird [Qsol/(Qaux+Qsol)]

258

Der gesamte zum Betrieb notwendige Brennstoff-

und Stromverbrauch (Wärmeerzeuger,

Kältemaschinen, Pumpen, Ventilatoren)

Die Energie die von den Kollektoren an das

System (Kreislauf) abgegeben wird.

Von den Wärmeerzeugern an das System

(Kreislauf) abgegebene Energie.

Der gesamte zum Betrieb notwendige

Brennstoff- und Stromverbrauch abzüglich der

Pumpen und Ventilatoren

Prozentualer Anteil Solarerzeugter Energie an

der gesamten erzeugten Energie. [Qsol / (Qsol +

Qaux)]

Der gesamte zum Betrieb notwendige

Brennstoff- und Stromverbrauch

(Wärmeerzeuger, Kältemaschinen, Pumpen,

Ventilatoren)

Jährlich auf die Aperturfläche eintreffende

Einstrahlung in die Kollektorebene abzüglich

Reflexionsverlüste aufgeteilt nach Direkt- und

Diffus-Strahlung

Die gesamten Wärmeverluste aller Komponenten,

die im Innenraum respektive Aussenraum platziert

sind. (z.B. Abwärme der Pumpe, Rohrverluste, etc.

Die Wärmeverluste kommen zu einem gewissen

Anteil dem Heizwärmebedarf zugute.)

259

Kollektorstagnation ist hier ersichtlich

260

261

7.10 Energielabel In Polysun kann das Verbundlabel für eine Variante gemäss den EU-Verordnungen 811/2013 und 812/2013 berechnet werden.

Abb. 175: Beispiel für ein EU-Energielabel

Das Verbundlabel kann für Systeme mit Raumheizung und / oder Warmwasserbereitung berechnet werden. Für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung wird jeweils eine eigene Energieeffizienzklasse berechnet. Die Berechnung ist aus den beigefügten Datenblättern ersichtlich. Im Menü unter „Resultate/Energielabel“ kann das Verbundlabel direkt angezeigt werden. Dort gibt es auch die Möglichkeit, das Label und die Datenblätter als Grafik zu speichern und zusätzliche Einstellungen vorzunehmen. Das Verbundlabel kann im Kurz-Report und im professionellen Report angezeigt werden. Im Kurz-Report wird das Label, im professionellen Report das Label und die zugehörigen Datenblätter angezeigt. Ausserdem werden im Abschnitt „Systemübersicht“ die Energieeffizienzklassen für Warmwasserbereitung und Raumheizung angezeigt. Bei den Einstellungen zum Report kann die Anzeige des Labels im Report ein- oder ausgeschaltet werden.

7.10.1 Voraussetzungen für die Berechnung des Verbundlabels Das Verbundlabel kann nur für bestimmte Systeme berechnet werden:

(1) Das System muss einen Haupt-Wärmeerzeuger mit einer Nennleistung von weniger als 70 kW haben. Der Haupt-Wärmeerzeuger kann ein Kessel, eine

262

Wärmepumpe, ein Blockheizkraftwerk oder ein interner Wärmeerzeuger im Speicher (Heizstab) sein.

(2) Nur für Kessel, die mit Öl, Gas oder elektrisch betrieben werden, gibt es ein Verbundlabel, für Stückholz- oder Pellets-Kessel nicht.

(3) Das System kann einen Zusatz-Wärmeerzeuger enthalten. Der Zusatz-Wärmeerzeuger muss ein Kessel oder ein interner Wärmeerzeuger im Speicher sein. Wenn der Zusatz-Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe oder ein Blockheizkraftwerk ist, kann kein Verbundlabel berechnet werden.

(4) Für Systeme mit mehr als zwei Wärmeerzeugern kann kein Verbundlabel berechnet werden.

(5) Das System darf höchstens ein Kollektorfeld mit Solarthermie- oder PVT-Kollektoren enthalten. Wenn das System ein Kollektorfeld enthält, muss es auch einen Speicher enthalten.

(6) Das System darf höchstens drei Speicher enthalten. (7) Falls das System nur für die Warmwasserbereitung und nicht für die

Raumheizung verwendet wird, wird das Verbundlabel nur dann berechnet, wenn der Speicherinhalt weniger als 500 l beträgt.

7.10.2 Berechnung der Energieeffizienzklassen In die Berechnung der Energieeffizienzklasse für die Raumheizung fliessen ein:

die Energieeffizienz des Wärmeerzeugers für die Raumheizung

die Klasse der Temperaturregelung

falls vorhanden die Energieeffizienz eines Zusatz-Wärmeerzeugers

falls vorhanden Kenngrössen zum Kollektor und zum Speicher In die Berechnung der Energieeffizienzklasse für die Warmwasserbereitung fliessen ein:

das gewählte Lastprofil für den Warmwasserverbrauch

die Energieeffizienz des Wärmeerzeugers für die Warmwasserbereitung für das gewählte Lastprofil

falls vorhanden Kenngrössen zum Kollektor und zum Speicher Die Kenngrössen zum Speicher sind nur relevant, falls das System ein Kollektorfeld enthält, sonst fliessen sie nicht in die Berechnung mit ein.

7.10.3 Komponenten 7.10.3.1 Wärmeerzeuger Vom Wärmeerzeuger fliessen in die Berechnung folgende Kenngrössen ein:

Nennleistung

Raumheizungs-Energieeffizienz

Warmwasserbereitungs-Energieeffizienz Die Werte für die Raumheizungs- und die Warmwasserbereitungs-Energieeffizienz sind Messwerte, die im Katalog eingetragen sein sollten. Falls im Katalog noch keine Messwerte eingetragen sind, werden sie näherungsweise in Polysun berechnet.

263

7.10.3.2 Warmwasser Lastprofil Gemäss EU-Verordnung gibt es 4 Lastprofile, die für die Berechnung des Verbundlabels relevant sind: Tab. 36: Lastprofile gemäss EU-Verordnung

Lastprofil Zapfleistung

M 5.845 kWh/d

L 11.655 kWh/d

XL 19.07 kWh/d

XXL 24.53 kWh/d

Das Lastprofil kann in der Komponente „Warmwasserbedarf“ eingestellt werden. Das Lastprofil kann entweder manuell definiert werden oder automatisch aus dem Jahresbedarf berechnet werden. 7.10.3.3 Temperaturregelung Gemäss EU-Verordnung gibt es 8 Klassen für die Temperaturregelung: Tab. 37: Klassen für die Temperaturregelung gemäss EU-Verordnung

Klasse Beschreibung Bewertung

I Raumtemperaturregler mit Ein-/Ausschaltfunktion 1 %

II Witterungsgeführter Heizungsregler für modulierende Wärmeerzeuger

2 %

III Witterungsgeführter Heizungsregler für Wärmeerzeuger mit Ein-/Ausschaltfunktion

1.5 %

IV TPI-Raumtemperaturregler für Wärmeerzeuger mit Ein-/Ausschaltfunktion

2 %

V Modulierender Raumtemperaturregler für modulierende Wärmeerzeuger

3 %

VI Witterungsgeführter Heizungsregler und Raumfühler für modulierende Wärmeerzeuger

4 %

VII Witterungsgeführter Heizungsregler und Raumfühler für Wärmeerzeuger mit Ein-/Ausschaltfunktion

3.5 %

VIII Multisensoren-Raumtemperaturregler für modulierende Wärmeerzeuger

5 %

Die Temperaturregelung kann bei der direkten Anzeige des Labels unter „Zusätzliche Parameter“ eingestellt werden. Der Standard in Deutschland, Österreich und der Schweiz ist Klasse VI, dies ist die Standard-Voreinstellung. 7.10.3.4 Speicher Vom Speicher fliessen in die Berechnung folgende Kenngrössen ein:

Speichervolumen

264

Stillstandsverlust

Als Speichervolumen wird normalerweise das Nennvolumen aus dem Speicher-Katalog verwendet. Falls für die Berechnung des Verbundlabels ein davon abweichendes Volumen verwendet werden soll, ist dieses in der Katalog-Spalte „Volumen (Energielabel)“ eingetragen. Der Stillstandsverlust steht im Speicher-Katalog in der Spalte „Stillstandsverlust“. Es ist der Wärmeverlust des gesamten Speichers in Watt bezogen auf 45 K Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Temperatur im Speicher und der Umgebungstemperatur. Dies sollte ein Messwert sein. Wenn im Katalog noch kein Messwert eingetragen ist, wird der Stillstandsverlust aufgrund der Dämmung des Speichers 7.10.3.5 Kollektor Vom Kollektorfeld fliessen in die Berechnung folgende Kenngrössen ein:

Gesamte Kollektoraperturfläche

Optischer Wirkungsgrad η0 bei ΔT ( υM - υL ) = 0 K, mit υM = Mittlere Absorbertemperatur, υL = Umgebungslufttemperatur des Kollektors in °C

Wärmedurchgangskoeffizient a1, bezogen auf die Aperturfläche

Temperaturabhängiger Wärmedurchgangskoeffizient a2, bezogen auf die Aperturfläche

Winkelfaktor (IAM-Wert) bei 50°

Die Ausrichtung und Neigung des Kollektorfeldes spielen keine Rolle.

7.10.4 Überschrift des Verbundlabels Die Überschrift des Verbundlabels setzt sich zusammen aus der Handelsmarke (Trademark) und der Anlagenbezeichnung (Model Identifier). Die Handelsmarke kann bei der direkten Anzeige des Verbundlabels unter dem Button „Zusätzliche Parameter“ eingegeben werden. Als Anlagenbezeichnung wird der Name der Variante verwendet.

265

7.11 Simulationsanalyse Sie können die Simulationsanalyse über den Menüpunkt “Resultate” starten oder indem Sie Strg+Umschalt+I drücken.

Abb. 176: Auswahl der Simulationsanalyse

Die Simulationsanalyse lässt Sie jeden Haupt-Parameter für alle Systemkomponenten und jeden einzelnen berechneten Zeitschritt des gesamten Jahres sehen. Dabei werden für jede Systemkomponente die wichtigsten Ergebnisse angezeigt (z. B. Speicher – Temperatur in jeder Schicht, Solarkollektorenfeld – Kollektorfeldertrag und Mitteltemperatur des austretenden Wassers). Wenn Sie auf die „+“- oder „-„-Schaltflächen klicken oder die Links- oder Rechtspfeil-Tasten auf Ihrer Tastatur drücken, können Sie sich die Zeitschritte anzeigen lassen. Mit einem einfachen Klick oder Tastendruck bewegen Sie sich dabei einen Zeitschritt nach vorn oder hinten. Wenn Sie dazu die Strg-Taste Ihrer Tastatur gedrückt halten, springen Sie zehn Zeitschritte nach vorn oder hinten. Halten Sie die Umschalt-Taste gedrückt, sind es 100 Zeitschritte. Über den „Schiebregler“ können Sie ausserdem den angezeigten Zeitschritt frei bestimmen. Klicken Sie dazu auf den Kreis und halten Sie die Maus-Taste gedrückt, während Sie den Kreis nach links oder rechts ziehen. Für jeden Schritt wird Ihnen im Fenster das Datum, die Uhrzeit und die laufende Nummer des Simulationsschrittes angezeigt.

266

Abb. 177: Beispiel für eine Simulationsanalyse

Der Durchfluss in den Rohren wird Ihnen zusätzlich durch rote Farbe für relativ warmes und blaue Farbe für relativ kaltes Wasser angezeigt.

7.12 Loggen und Parametrisieren Die Parametrisierungs-Funktion von Polysun erlaubt es, dass mehrere Simulationen mit unterschiedlichen Eingangsgrössen für dieselbe Variante berechnet werden, ohne dafür zuvor eine neue Variante zu erstellen oder eine bestehende zu verändern. Das hat im Wesentlichen zwei Vorteile: 1) Die Eingangsgrössen können parametrisiert werden und damit mehrere Simulationen gefahren werden. 2) Die Ergebnisse können Zeitschritt für Zeitschritt verglichen werden. Um die Log- und Parametrisierungs-Funktionen von Polysun nutzen zu können, müssen Sie diese über den Menüpunkt “Extras”- “Einstellungen” zunächst aktivieren. Dann sollten Sie einen Ordner bestimmen, in dem die Ergebnisse gespeichert werden.

267

Abb. 178: Aktivierung der Log- und Parametrisierungs-Funktion in Polysun

Der Parametrisierungs-Wizard ist in vier Abschnitte unterteilt: Eingangsgrössen, Ausgangsgrössen, Zeitraum und Art der Präsentation der Ausgangsgrössen.

7.12.1 Parametrisieren Bei den Eingangsgrössen können die erforderlichen Kombinationen der Systemkonfigurationen einzeln eingegeben werden. Dabei kann für jede Eingangsgrösse ein Wert oder ein Bereich eingegeben werden. Einzelne Werte werden dabei durch Strichpunkte getrennt, z. B. 3;5. Ein Bereich wird mit [niedrigster Wert]:[Intervall zwischen den einzelnen Werten]:[höchster Wert] eingegeben, z. B.

268

3:2:7. Wenn mehrere Eingangsgrössen ausgewählt wurden, können alle Kombinationen von Eingangsgrössen simuliert werden. Am Beispiel: Bei einem solarthermischen System sollen verschiedene Neigungswinkel der Kollektoren getestet werden, und zwar zwischen 30 und 60 Grad mit Abstufungen von jeweils 5 Grad.

Abb. 179: Beispiel für die Eingabe der Werte

Im vierten Teil des Parametrisierungs-Wizard können Sie dann bei “Varianten-Resultate“ ein Häkchen setzen. Mit einem Klick auf „Mehrfachsimulation starten“ können Sie dann Ihre Berechnung starten.

Abb. 180: Einstellungen des Parametrisierungs-Wizards

Wenn die Simulationsrechnungen beendet sind, können Sie zum dem Ordner gehen, den Sie zuvor angegeben haben, und dort den letzten dort abgespeicherten Unterordner mit den Simulationsdaten für jeden Zeitschritt öffnen. In dem Unterordner befindet sich eine Datei namens „VariantResultSummary.csv“. Die Ergebnisse können dann mittels einer Grafik noch genauer evaluiert werden.

269

Abb. 181: Beispielhafte Darstellung von Ergebnissen

7.12.2 Loggen Eine zweite Möglichkeit besteht darin, festgelegte Parameter über einen festgelegten Zeitraum zu jedem Zeitschritt zu loggen. Das kann für ein System oder für alle Varianten erfolgen. Die betreffenden Variablen können im ‚Ausgangsgrössen‘-Dialog mit einem Klick auf ‚Ausgangsgrösse hinzufügen‘ festgelegt werden. Die dort ausgewählten Daten werden dann für jeden Zeitschritt der Simulation in den Log-Dateien aufgezeichnet. Als Beispiel können in einem solarthermischen System folgende Parameter ausgewählt werden:

- Durchschnittliche Aussentemperatur (Tamb); - Austrittstemperatur des Kollektors; - Temperatur der Schicht 3 im Speicher.

3760

3780

3800

3820

3840

3860

3880

3900

3920

3940

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Anstellwinkel

Qsol - Solartermische Enenergie an das System [kWh]

270

Abb. 182: Auswahl der Parameter in einem Ausgangsgrössen-Dialog

Als nächstes muss der zu loggende Zeitraum im Tab „Zeitraum” festgelegt werden, indem Sie auf „Zeitraum hinzufügen“ klicken und dort den gewünschten auswählen. Im gewählten Zeitraum werden dann sämtliche Zeitschritte der Simulation geloggt. Als Standardwert wird der 1. April jedes Jahres verwendet.

Abb. 183: Hinzufügen der zu loggenden Zeiträume

Sämtliche Resultate werden in dynamischen Zeitschritten von 1 Sekunde bis 12 Minuten aufgezeichnet. Diese Funktion erlaubt detailliertere Simulationsanalysen und ermöglicht Vergleiche mit tatsächlich gemessenen Werten. Die Ergebnisse der Simulation werden im vorab festgelegten Ordner gespeichert. Dort finden Sie alle Ordner mit den Log-Dateien. Sie können anhand der Daten, die im zuletzt gespeicherten Ordner abgelegt sind, eine detaillierte Analyse vornehmen. Anhand dieser Daten können Sie ein Diagramm erstellen, das Ihnen aufzeigt, wie sich der gewählte Parameter während des Tages ändert. Starten Sie dann Ihre Simulation, in dem Sie auf „Mehrfachsimulation starten“ klicken. Die geloggten Werte der von Ihnen ausgewählten Parameter finden Sie dann im von Ihnen festgelegten Ordner unter dem Dateinamen „Timesteps_variation_1.csv“. In dieser Datei finden Sie die Werte der ausgewählten Parameter und zwar für jeden Zeitschritt des gesamten Jahres.

271

Abb. 184: Beispiel der geloggten Werte der ausgewählten Parameter für jeden Zeitschritt des gesamten Jahres

Um eine genauere Analyse vorzunehmen, können Sie sich Diagramme anzeigen lassen, die auf den ausgewählten Parametern basieren.

Abb. 185: Graphische Darstellung von geloggten Werten

Im letzten Teil des „Parametrisierungs-Wizard” können Sie festlegen, wie die Ausgangsgrössen dargestellt werden sollen. Folgende Möglichkeiten stehen Ihnen zur Verfügung: Tab. 38: Ausgangsgrössen im Parametrisierungs-Wizard

Darstellungsmöglichkeit

für die Ausgangsgrössen

Beschreibung

‘Zeitschrittlogging’ Die Werte der unter “Ausgangsgrössen” ausgewählten

Parameter für jeden Zeitschritt während des

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1.04E+07 1.05E+07 1.05E+07 1.05E+07 1.05E+07 1.05E+07 1.06E+07

Zeitschrittlogging

Wetterdaten.Mittlere Aussentemperatur (Tamb) [°C]

Kollektor.Austrittstemperatur [°C]

Speicher Trinkwasserspeicher.Schicht 3 [°C]

272

festgelegten “Zeitraums”

‘Varianten-Resultate’ und

‘Monatliche Varianten-

Resultate’

Die wichtigsten jährlichen oder monatlichen Werte für

Ihr System. Die gleichen Werte werden auch unter

„System-Resultate“ angezeigt. Die Varianten-

Resultate werden in den Log-Dateien

„VariantResultSummary.csv” bzw.

“Monthly_VariantResultSummary.csv” abgelegt.

‘Komponenten-Resultate’

und ‘Monatliche

Komponenten-Resultate’

Jährliche und monatliche Werte für einzelne

Komponenten Ihres Systems. Die Log-Daten werden

für jede Komponente in separaten Dateien

gespeichert.

‘Ausgabegrössenresultate’

und ‘Monatliche

Ausgabegrössenresultate’

Die errechneten Daten für die von Ihnen unter

“Ausgabegrössen” festgelegten Parameter auf

jährlicher bzw. monatlicher Basis.

‘Kreislauf-Resultate’ Die errechneten jährlichen Daten für die Kreisläufe

Ihres bestehenden Systems.

‘Min/Max-Werte

hinzufügen’

Mit dieser Option können Sie Mindest- und

Höchstwerte für die Ergebnisse der ausgewählten

Ausgangsgrössen festlegen.

273

8 Wirtschaftlichkeitsberechnung

Mit dem Wirtschaftlichkeitsberechnungstool (WB-Tool) können zu jeder Variante verschiedene finanzwissenschaftliche Werte ermittelt und übersichtlich dargestellt werden. Mit den Berechnungen sind rasche Abschätzungen sowie auch detaillierte Analysen möglich. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung kann somit in der allerersten Projektphase sowie auch in der Detailanalyse einer Variante zum Einsatz kommen. Durch hinterlegte Standardwerte, die z.T. automatisiert eingefüllt werden, ist eine Berechnung innert kürzester Zeit möglich. Die von Hand definierten Daten beziehen sich jeweils auf eine Variante und können für jede Variante gespeichert werden. Es werden jeweils die Vollkosten pro Variante ermittelt, wobei die Eingaben entsprechend vorzunehmen sind. Der interne Nutzen (warmes Wasser, geheizte oder gekühlte Räume, selbsterzeugte Elektrizität, etc.) der Anlage wird nicht monetär berücksichtigt. Werden innerhalb der Betrachtungsperiode also mehr Ausgaben als Einnahmen generiert, werden Berechnungswerte wie der Netto-Barwert negativ und es stellt sich keine Amortisationszeit ein. Sämtliche Berechnungen werden dynamisch durchgeführt und angezeigt. So sind die Auswirkungen veränderter Eingabedaten direkt an den Resultaten ersichtlich. Die Resultate zur Wirtschaftlichkeit werden in einem eigenen Report tabellarisch und grafisch dargestellt.

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung wird über CTRL + ALT + A oder über Resultate Wirtschaftlichkeit geöffnet. Beim geöffneten Tool präsentieren sich auf der linken Seite die Eingabefelder und auf der rechten Seite die verschiedenen Berechnungswerte. Die beiden Seiten können ein- und ausgeblendet werden.

8.1 Eingaben

Das WB-Tool übernimmt die zur Berechnung nötigen energetischen Werte der Variantensimulation automatisch. Für die Eingaben zur Wirtschaftlichkeitsberechnung sind meistens Standardwerte definiert, die angepasst werden können. Die gemachten Eingaben werden pro Variante gespeichert. Mit OK werden die Eingaben gespeichert und das Fenster geschlossen. Mit "Schliessen" wird das Tool ohne Speichern der Werte geschlossen.

8.1.1 Standardwerte

Hinterlegte Standardwerte können im WB-Tool überschrieben und für jede Variante gespeichert werden. Diese Standardwerte entstammen verschiedenen offiziellen Normen und Statistiken. Die Werte für die Energiepreissteigerung entstammen der schweizerischen Energiestatistik 2014 vom Bundesamt für Statistik der Schweiz. Der Katalog für die verschiedenen Komponenten entstammt der Polysun-Datenbank. Die automatisch ausgefüllten Komponenten entsprechen den Komponenten der simulierten Anlage.

274

8.1.2 Energiepreise

Die Energiepreise können für das ganze Jahr konstant angegeben oder als Profil hinterlegt werden. Bei den Preisen für die Elektrizität werden zusätzlich einstellbare Zeiträume und Tarife für Hochtarif und Niedertarif berücksichtigt. Der Leistungspreis für die Elektrizität bezieht sich auf die maximal bezogene Leistung im ganzen Jahr.

Der Verkauf von thermischer Energie (Wärme/Kälte) wird bei Diverses berücksichtigt und als absoluter Betrag für die ganze Betrachtungsperiode oder pro Jahr eingetragen.

Die verschiedenen Energiearten werden mit ihrer jeweiligen jährlichen Energiepreissteigerung verrechnet. Die Preissteigerungen gelten für den Bezug und den Verkauf der Energie.

8.1.3 Komponenten

Die Komponenten werden anhand des Anlageschemas z.T. automatisch ausgefüllt und können ergänzt, verändert oder gelöscht werden. Die Komponenten können dann mit dem jeweiligen Preis und der technischen Lebensdauer ergänzt werden. Die Kapitelnamen der Komponentenauflistung haben keinen Einfluss auf die Berechnungen und dienen der Übersichtlichkeit.

8.2 Berechnungsformeln

8.2.1 Netto-Barwert (NPV)

Formeln:

Einmalige Einnahmen:

Einnahmen Jahr 0 = Förderbeiträge einmalig + Steuererleichterung einmalig + Diverse Einnahmen einmalig + Kredit

𝐵0 = 𝐵𝐹𝑜𝑟,𝑒 + 𝐵𝑑𝑖𝑣,𝑒 + 𝐵𝑘

Laufende Einnahmen:

Jährliche Einnahmen = Energieveräusserung * Energieverkaufspreis * Energiepreisteuerung + Förderbeiträge laufend + Diverse Einnahmen laufend + Verkauf thermische Energie * Energiepreisteuerung

𝐵𝑗 = 𝐸𝑡𝑒𝑔 ∗ 𝐵𝐸𝑛 ∗ (1 + 𝑒𝐸𝑛)𝑗 + 𝐵𝐹𝑜𝑟,𝑐 + 𝐵𝑑𝑖𝑣,𝑐 + 𝐵𝐸𝑛,𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚 ∗ (1 + 𝑒𝐸𝑛)𝑗

275

Einmalige Ausgaben:

Anlagekosten = Investitionsausgaben für Bau

𝐼0 = ∑ 𝐼𝑘𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝐾𝑜𝑚𝑝.𝑘=1

Einmalige Ausgaben = Anlagekosten + Tilgung + Diverse Ausgaben einmalig

𝐴0 = 𝐼0 + 𝐴𝑘 + 𝐴𝑑𝑖𝑣,𝑒

Laufende Ausgaben:

Ersatzraten = Betrachtungsperiode / Lebensdauer

𝑖𝑚,𝑘 = ⌊𝑛𝐵𝑃−1

𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘⌋ 3

Ersatzentscheid ob eine Komponente ausgewechselt werden muss (0 = nein, 1 = ja)

𝑎𝑘,𝑗 = {0, (𝑗 − 1) 𝑚𝑜𝑑 𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘 ≠ 0

1, (𝑗 − 1) 𝑚𝑜𝑑 𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘 = 0 4

Ersatzinvestitionsausgaben pro Jahr = Investition * Ersatzentscheid * Preisänderung Ersatzbeschaffung

𝐼𝑚,𝑗 = ∑ 𝐼𝑘

𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝐾𝑜𝑚𝑝.

𝑘=1∗ 𝑎𝑘,𝑗 ∗ (1 + 𝑒𝑚)𝑗

Jährliche Kosten = Wartung + Gebühren + Komponentenersatz pro Jahr + Energiebezug * Energiepreis * Energiepreisteuerung + max. Leistungsbezug * Leistungskosten * Energiepreisteuerung + Diverse Ausgaben

𝐴𝑗 = 𝐴𝑂𝑀 + 𝐴𝐺 + 𝐼𝑚,𝑗 + (𝐸𝑒𝑎𝑢𝑥 + 𝐸𝑃𝑎𝑟) ∗ 𝐴𝐸𝑛 ∗ (1 + 𝑒𝐸𝑛)𝑗 + 𝑚𝑎𝑥(𝐸𝑡𝑒𝑔) ∗ 𝐴𝑃 ∗ (1 + 𝑒𝐸𝑛)𝑗

+ 𝐴𝑑𝑖𝑣,𝑐

Restwert:

Restwert = Investitionsausgaben * Preisänderung Ersatzbeschaffung * lineare Abschreibung

𝑊 = ( ∑ 𝐼𝑘

𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝐾𝑜𝑚𝑝.

𝑘=1∗ (1 + 𝑒𝑚)𝑖𝑚,𝑘∗𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘 ∗

(𝑖𝑚,𝑘 + 1) ∗ 𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘 − 𝑛𝐵𝑃

𝑛𝑡𝑜𝑡,𝑘)

Netto Barwert:

𝑁𝑃𝑉 = 𝐵0 − 𝐴0 + 𝑊 ∗ (1 + 𝑖𝑖)−𝑛𝐵𝑃 ∗ (1 + 𝑖𝑟)−𝑛𝐵𝑃

+ ∑ ((𝐵𝑗 − 𝐴𝑗) ∗ (1 + 𝑖𝑖)−𝑗 − 𝐴𝑘𝑟,𝑗) ∗ (1 + 𝑖𝑟)−𝑗

𝑛𝐵𝑃

𝑗=1

3 Die Abrundungsfunktion (Floor-Funktion) rundet auf die nächsttiefere ganze Zahl.

4 Die mod-Funktion gibt den Wert nach dem Komma aus.

276

Die Kreditzinskosten 𝐴𝑘𝑟 werden nicht mit der Inflation indexiert. Weitere Informationen können dem Kapitel Begriffe der Wirtschaftlichkeit entnommen werden.

8.2.2 Interner Zinssatz (IRR)

Hier findet eine Gleichsetzung des NPV mit Null statt. Die Formel wird nach ir aufgelöst. Die Lösung für ir wird durch Iteration gefunden und entspricht dann dem IRR.

Weitere Informationen können dem Kapitel „Begriffe der Wirtschaftlichkeit“ entnommen werden.

8.2.3 Amortisationszeit

Die Ermittlung der Amortisationszeit erfolgt kumulativ, d.h. beginnend mit dem Jahr der ersten Zahlung werden die Barwerte der jährlichen Nettozahlungen so lange addiert, bis die Summe erstmals einen Wert ≥ null erreicht. Der Zeitpunkt, bei welchem der NPV ≥ null beträgt zeigt die Amortisationszeit an.

Je nach Konstellation beträgt der NPV mehrere Male null. Sollte sich durch die Eingaben diese Situation einstellen, wird dem Resultat ein entsprechender Zusatz angefügt. Die Amortisationszeit ist in diesem Fall nicht eineindeutig.

Weitere Informationen können dem Kapitel „Begriffe der Wirtschaftlichkeit“ entnommen werden.

Abb. 186: Diagramm mit eingezeichnetem IRR, der NPV=0 ergibt

277

8.2.4 Annuität

Formeln:

𝐴𝐹 =(1 + 𝑖𝑟)𝑛𝐵𝑃 ∗ 𝑖𝑟

(1 + 𝑖𝑟)𝑛𝐵𝑃 − 1

Annuität = Kapitalwert * Annuitätsfaktor (AF)

𝐴𝐴 = 𝑁𝑃𝑉 ∗ 𝐴𝐹

8.2.5 Energiegestehungskosten

Formeln:

Energiegestehungskosten = diskontierte Kosten / diskontierte produzierte Energiemenge

𝐺 =𝐴0 − W ∗ (1 + ir)−𝑛𝐵𝑃(1 + ii)

−nBP + ∑ (Aj ∗ (1 + ii)−j + Akr,j) ∗ (1 + ir)−jnBP

j=1

∑ (𝑄𝑢𝑠𝑒,𝑗 + 𝑄𝑖𝑛𝑣,𝑗 − 𝑄𝑀𝑖𝑛𝑑𝑒𝑟𝑒𝑟𝑡𝑟𝑎𝑔 𝑃𝑉,𝑗) ∗ (1 + ir)−jnBPj=1

Bei der Anteilberechnung über die Zusammensetzung der Energiebestehungskosten wird der Restwert den Ersatzinvestitionen in Abzug gebracht, die Kreditzinskosten werden bei Diverses mit berücksichtigt.

Weitere Informationen können dem Kapitel „Begriffe der Wirtschaftlichkeit“ entnommen werden.

8.2.6 Kreditkosten

Die Kreditkosten (Fremdkapitalkosten) spiegeln die Zinskosten für einen Kredit zu nominellen Konditionen wider (nicht beeinflusst von Inflation). Je nach Tilgung unterscheiden sich die totalen Zinskosten. Für die Rückzahlung des Kredites kann zwischen drei Modellen gewählt werden:

Modell 1: Modell Annuität mit immer gleicher hoher Zahlung, welche aus abnehmenden Zinsanteilen und zunehmenden Amortisationsanteilen zusammengesetzt ist.

278

Formeln:

𝐴𝑛𝑛𝑢𝑖𝑡ä𝑡 = 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑠𝑢𝑚𝑚𝑒 ∗ (1 + 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧)𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑙𝑎𝑢𝑓𝑧𝑒𝑖𝑡 ∗ 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧

(1 + 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧)𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑙𝑎𝑢𝑓𝑧𝑒𝑖𝑡 − 1

𝑇𝑖𝑙𝑔𝑢𝑛𝑔𝑠𝑟𝑎𝑡𝑒 𝐽𝑎ℎ𝑟 1 (𝑇1) = 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑖𝑡ä𝑡 − 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑠𝑢𝑚𝑚𝑒 ∗ 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧

𝑇𝑖𝑙𝑔𝑢𝑛𝑔𝑠𝑟𝑎𝑡𝑒 (𝑇𝑡) = 𝑇1 ∗ (1 + 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧)𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑙𝑎𝑢𝑓𝑧𝑒𝑖𝑡 − 1

𝐽äℎ𝑟𝑙𝑖𝑐ℎ𝑒 𝑍𝑖𝑛𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛 = 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑖𝑡ä𝑡 − 𝑇𝑡

Modell 2: Konstante Teilamortisation (Tilgung) und abnehmende Zinszahlung

Formeln:

𝑇𝑖𝑙𝑔𝑢𝑛𝑔 = 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑠𝑢𝑚𝑚𝑒

𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑙𝑎𝑢𝑓𝑧𝑒𝑖𝑡

𝑍𝑖𝑛𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛 = 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧 ∗ (𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑠𝑢𝑚𝑚𝑒 − ∑ 𝑔𝑒𝑙𝑒𝑖𝑠𝑡𝑒𝑡𝑒 𝑍𝑖𝑛𝑠𝑧𝑎ℎ𝑙𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛)

Abb. 188: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF, Zins 4%, Laufzeit 15 Jahre, Zinskosten ca. 2'800 CHF

Abb. 187: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF, Zins 4%, Laufzeit 15 Jahre, Annuität 899 CHF, Zinskosten total ca. 3'500 CHF

279

Abb. 189: Tilgungsmodell bei Kredithöhe 10'000 CHF, Zins 4%, Kreditlaufzeit 15 Jahre, Zinskosten ca. 6'000 CHF

Modell 3: Festkredit (endfälliges Darlehen) mit Rückzahlung im letzten Jahr und jährlichen, gleichbleibenden Zinszahlungen

Formeln:

𝑍𝑖𝑛𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛 = 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑧𝑖𝑛𝑠𝑠𝑎𝑡𝑧 ∗ 𝐾𝑟𝑒𝑑𝑖𝑡𝑠𝑢𝑚𝑚𝑒

Es ist bei der Eingabe jenes Modell zu wählen, welches dem eigenen Fall am ähnlichsten ist. In der Praxis wird das Annuitätsmodell relativ häufig angewandt.

8.2.7 Ersatzinvestitionen und technische Lebensdauer

Die technische Lebensdauer dient primär dazu, die Kosten für den Ersatz von Komponenten innerhalb der Betrachtungsperiode zu ermitteln und so eine Lebenszyklusanalyse in die Berechnung einzubringen. Weist eine Komponente z. B. eine halb so lange Lebensdauer auf als die Betrachtungsperiode lang ist, wird angenommen, dass die Komponente innerhalb der Betrachtungsperiode einmal ersetzt werden muss. Die Investitionsausgaben für diese Komponente verdoppeln sich entsprechend. Weist die (Rest)lebensdauer mehr Jahre aus als die (Rest)betrachtungsperiode, so entsteht nach Ablauf der Betrachtungsperiode ein Restwert, welcher in Abzug gebracht wird. Der Wertzerfall der Komponenten wird als linear angenommen. Die Preisänderungen im Zeitraum vom Referenzzeitpunkt bis zum Zeitpunkt eines Komponentenersatzes werden mit einem Faktor berücksichtigt. Dieser Faktor soll die Lernkurve für die Anschaffungspreise widerspiegeln und wird nach eigenem Ermessen eingegeben. Der Wert soll in Absprache mit der Bauherrschaft bestimmt oder aus verlässlichen Quellen übernommen werden. Wird der Wert positiv eingetragen, werden die Komponenten mit der Zeit teurer und umgekehrt.

280

8.2.8 Automatisierte Sensitivitätsanalyse

Die Genauigkeit des Resultats einer Wirtschaftlichkeitsberechnung ist stark von der Zuverlässigkeit der Eingabegrössen abhängig. Kleine Variationen in den Eingabegrössen können grosse Auswirkungen auf das Resultat haben. Es ist daher sinnvoll, bei Eingabegrössen mit grossem Einfluss eine Sensitivitätsanalyse bezüglich des Endresultates durchzuführen. Dabei wird die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit den oberen und unteren Extremwerten für diese Eingabegrösse durchgeführt, während die anderen Eingabegrössen auf ihrem ursprünglichen Wert festgehalten werden. Mit der Sensitivitätsanalyse können Risiken und Chancen eines Projektes beurteilt werden.

8.3 Resultate

Im Eingabefeld sind die Ergebnisse in die Kapitel “Übersicht” und “Umfassend” unterteilt. Im Kapitel Übersicht werden die wichtigsten Resultate tabellarisch dargestellt. Für diese Resultate werden zusätzlich grafische Darstellungen angeboten, die durch Anklicken angezeigt werden können. Im Kapitel Umfassend werden diese Resultate um weitere Werte ergänzt.

Abb. 190: Resultateübersicht mit NPV-Sensitivitätsanalyse. Der Restwert der Anlage wird im letzten Jahr angezeigt.

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Abb. 191: Grafische Darstellung der Zusammensetzung der Energiegestehungskosten

Die Übersicht über die Jahreswerte kann am unteren Rand des Fensters „Wirtschaftlichkeitsberechnung“ abgerufen werden.

Abb. 192: Übersicht über die Jahreswerte der wirtschaftlichen Parameter

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Die Übersicht zeigt die wichtigsten Werte und einige zusätzliche Parameter, die für eine wirtschaftliche Machbarkeits-Schätzung wichtig sein können. Hierzu gehören:

Umsatzerlöse aus dem Verkauf von Energie,

Brennstoff- und Fernwärme-Kosten,

Elektrizitäts-Kosten,

Ersatzinvestitionen,

Ertragsminderung durch Energieverlust (nur PV),

Renditeminderung durch Energieverlust (nur PV),

jährliche Cash-Flows. Für jeden Parameter werden die Werte für jedes Betriebsjahr ebenso wie ihre grafische Darstellung in der Vergleichs-Tabelle dargestellt.

Wirtschaftlichkeit: Variantenvergleich

Polysun ermöglicht sowohl technische als auch wirtschaftliche Auswertungen Ihrer Energie-Projekte. Die Entscheidung über die Ausführung von Photovoltaikanlagen basiert oft auf dem Ergebnis einer Wirtschaftlichkeitsberechnung. Die Möglichkeit der Wirtschaftlichkeitsberechnung in Polysun vereinfacht Ihre Entscheidungsfindung. Der Vergleich der wirtschaftlichen Daten ermöglicht Ihnen einen umfassenden Überblick über die wichtigsten wirtschaftlichen Parameter während eines Jahres. Dabei wird das von Ihnen entworfene System mit einem Referenz-System verglichen. Dazu klicken Sie auf „Wirtschaftlichkeit: Variantenvergleich“ in der Menüleiste. Die Vergleichs-Tabelle enthält Parameter wie die Investitionskosten, Barwert (NPV), absoluter Gewinn, Subventionen, Energiegestehungskosten, jährliche Wartungskosten, Energieerzeugung, eingesparte Kosten durch PV-Einsatz, Vergleich des Amortisations-Zeitraums. Die Definition all dieser Begriffe finden Sie im Kapitel 8.4. Basierend auf den in der Tabelle ausgewiesenen Werten kann die Entscheidung getroffen werden, welches System das wirtschaftlich günstigste und damit das beste für den Eigentümer ist.

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Abb. 193: Wirtschaftlichkeits-Variantenvergleich mit tabellarischer und grafischer Darstellung der wirtschaftlichen Parameter

Mit einem Links-Klick auf den jeweiligen Parameter werden die Jahreswerte grafisch dargestellt. Die Grafik zeigt den Wirtschaftlichkeitsvergleich nur für die aktiven Varianten. Um einen Bericht mit Vergleichswerten zu erstellen, müssen Sie mindestens zwei Projekte einbinden. Bis zu sechs aktive Projekte können miteinander verglichen werden. Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Kopieren Sie die Variante, die Sie in den Vergleich mit einbeziehen wollen (Rechts-Klick auf die Variante im Projekt-Baum → Variante kopieren) und nehmen Sie die gewünschte Veränderung in der Kopie vor. Alternativ können Sie aus der Mustervorlagen-Datenbank eine weitere Variante dem Projekt-Baum hinzufügen (Links-Klick auf die Vorlage im Vorlagen-Ordner).

2. Machen Sie eine Variante zur Referenz-Variante. Machen Sie dafür einen Rechts-Klick auf die gewünschte Variante und wählen „Variante als Referenz“. Wenn Sie keine Referenz-Variante auswählen, wird die erste Variante als Referenz-Variante für Vergleichszwecke herangezogen.

3. Die Variante kann aktiviert oder deaktiviert werden und sie kann zur Referenz-Variante gemacht werden – jeweils mit einem Rechts-Klick. Zusätzlich können Sie die Systeme, die Sie miteinander vergleichen wollen, über ein Dialog-Fenster auswählen. Dieses Dialogfenster erscheint, wenn Sie im Polysun-Menü „Resultate“ und dann „Wirtschaftlichkeit: Variantenvergleich“ aussuchen.

4. Wählen Sie die Referenz-Variante aus und erstellen Sie Ihren Bericht.

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Abb. 194: Aktivierung/Deaktivierung der Varianten bzw. Festlegung als Referenz-Variante

Abb. 195: Auswahl der Varianten, die miteinander verglichen werden sollen

Mit Polysun kann leicht ein professioneller Wirtschaftlichkeitsvergleichs-Report erstellt werden. Klicken Sie herfür auf das Feld, das Sie unten in der Eingabemaske finden. Projekte, Vergleichs-Tabellen der Ergebnisse und Grafiken zu Parametern wie Barwert (NPV), Investitionskosten und Energieerzeugung werden in einem einzelnen Dokument präsentiert.

8.4 Begriffe der Wirtschaftlichkeit

8.4.1 Netto-Barwert (NPV)

Der Netto-Barwert wird mit der Kapitalwertmethode ermittelt und ist international als Net Present Value (NPV) bekannt. Mit der Kapitalwertmethode werden alle Einnahmen und Ausgaben einer Anlage innerhalb der gewählten Betrachtungsperiode zinsbereinigt zusammengezählt. Die Zahlungsbeträge in den einzelnen Jahre werden mit dem gewählten Kalkulationszinssatz (drückt die Kosten des Kapitals aus) auf den gegenwertigen Zeitpunkt abgezinst/diskontiert. Daraus resultieren sogenannte Barwerte der Zahlungen. Der Netto-Kapitalwert sagt aus, was für den Kauf und den Betrieb der Anlage während der Betrachtungsperiode netto und unter Berücksichtigung der Kapitalkosten per heute in einem einzigen Betrag zu bezahlen wäre, bzw. was per heute verdient würde. Dieser Betrag ist eine mögliche Form, die wirtschaftliche

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Vorteilhaftigkeit eine Anlage auszudrücken. Er kann in seiner absoluten Höhe beurteilt oder mit alternativen Anlagen verglichen werden.

8.4.2 Kalkulationszinssatz / Kapitalkostensatz

Der Kalkulationszinssatz wird dafür verwendet, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten anfallenden zukünftigen Zahlungsströme bezüglich Zinsen vergleichbar zu machen. Die zukünftigen Einnahmen und Ausgaben werden mit diesem Zinssatz auf die Gegenwart abgezinst/diskontiert. Der Kalkulationszinssatz drückt die Kosten des Kapitals aus bzw. in Projekten mit einem Netto-Einnahmenüberschuss die erwartete Kapitalrendite.

8.4.3 Interner Zinssatz (IRR)

Die Methode des "internen Zinssatzes", international auch Internal Rate of Return (IRR), oder der effektiven Verzinsung drückt die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit einer Investition als finanzmathematisch korrekt berechnete Rendite sämtlicher Zahlungsströme der Investition im gewählten Betrachtungszeitraum aus. Diese Rendite kann in ihrer absoluten Höhe beurteilt oder mit Alternativen verglichen werden. Während die Netto-Kapitalwertmethode von einem bestimmten Zinssatz (Kapitalkostensatz) ausgeht und damit den Netto-Barwert sämtlicher Zahlungen ermittelt, drückt der IRR jenen Zinssatz aus, bei welchem der Netto-Kapitalwert gleich null ist. Ein IRR wird sinnvoll berechnet, wenn im Betrachtungszeitraum die Summe sämtlicher Einnahmen grösser ist als die Summe sämtlicher Ausgaben (nur dann kann von einer Kapitalrendite gesprochen werden).

Der IRR ermöglicht es, für eine Investition oder Kapitalanlage, bei der unregelmäßige und schwanken- de Erträge anfallen, eine (theoretische) mittlere, jährliche Rendite zu berechnen. Ist der IRR negativ, so bedeutet dies, dass die Summe der finanziellen Rückflüsse kleiner ist als das eingesetzte Kapital.

8.4.4 Dynamische Amortisation

Die Amortisationszeit berechnet die Zeit, während welcher die Investition betrieben werden muss, bis die Investitionsausgabe wieder mit Rückflüssen aus der Investition aufgefüllt ist. Eine Amortisationszeit gibt es für Investitionen, deren Rückflüsse bis zu einem bestimmten Zeitpunkt grösser oder gleich hoch wie die Investitionssumme sind.

Die einfache Amortisationsdauer kumuliert vom Beginn der Investition her alle Zahlungen in nomineller Höhe auf, bis der Kassenbestand wieder bei null steht. Die im WB-Tool verwendete dynamische Amortisationsdauer kumuliert vom Beginn der Investition her die Barwerte aller Zahlungen auf, bis der Netto-Kapitalwert wieder bei null steht. Die dynamische Amortisationsdauer drückt somit die Zeit aus, welche eine Investition betrieben werden muss, bis der zur Berechnung der Barwerte verwendete Zinssatz erreicht ist.

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8.4.5 Inflation

Inflation bezeichnet eine allgemeine und anhaltende Erhöhung des Güterpreisniveaus, gleichbedeutend mit einer Minderung der Kaufkraft des Geldes. Gemessen wird die Inflation meist durch jährliche Preisänderungen von Gütern bestimmter Warenkörbe. Wie soll die erwartete Inflation in den erwarteten Zahlungsströmen einer Simulationsrechnung in Polysun berücksichtigt werden?

Im Falle von niedrigen erwarteten Inflationsraten ist von einen Inflationierung der zukünftigen Kosten und Erlöse aus folgenden Gründen dringend abzuraten:

Andere Einflüsse auf die Preise, wie z.B. die Angebots- / Nachfragesituation im Falle der Energiepreise, oder die Lebenszyklus-bedingten Preisänderung im Falle von energietechnischen Geräten, sind viel stärker als der Einfluss der Inflation.

Bei niedrigen Inflationsraten unterliegen die Wirtschaftssubjekte der sogenannten Geldillusion. Das Ausmass der Geldentwertung ist so klein und auf wenige Warengruppen beschränkt, dass Entscheide auf Grund von nominellen Preisen gefällt werden.

Die zukünftige Inflation in einer Volkswirtschaft ist auf lange Sicht nur mit relativ grosser Unsicherheit zu prognostizieren.

Im Währungsraum des Euro und des Schweizer Frankens ist die Inflation auf absehbare Zeit hinaus tief (Stand 2016). Im Falle von hohen erwarteten Inflationsraten (im Durchschnitt mehrerer Jahre über 5%) kann eine Inflationierung zukünftiger Preise und Kosten gerechtfertigt sein, weil dann auch die sogenannte Geldillusion der Wirtschaftssubjekte zerstört wird und die Mechanismen automatischer Indexierungen zu wirken beginnen. In einem solchen Fall gibt es im WB-Tool also die Möglichkeit, die erwarteten Einnahme und Ausgaben zu inflationieren.

Bei den Resultaten (auch in den Reports) werden alle Werte nominal (mit Inflation) angezeigt. Dies kann u.U. zu Verwirrung führen. Zum Beispiel dann wenn manuell gleichbleibende, jährliche Wartungskosten eingegeben werden und das Resultat für die gesamten Wartungskosten nicht dem multiplizierten Wert der Eingabe entspricht weil die Inflation den Wert beeinflusst. Anhand dieser Veränderung ist es aber möglich, den Einfluss der Inflation abschätzen zu können.

8.4.6 Kapitalkosten

Die Berechnung der wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit von Investitionsprojekten basiert grundsätzlich auf einem Gesamtkapital-Ansatz, weil die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit einer Anlage nicht von ihrer Finanzierung abhängt. Der einzusetzende Kapitalkostensatz/Kalkulationszinssatz muss ein gewichteter durchschnittlicher Zinssatz aus Fremdkapital und Eigenkapital sein.5

Soll die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit der Investition unter Einschluss einer Kredit-Teilfinanzierung berechnet werden, so müssen sämtliche mit dem Kredit zusammenhängenden Einnahmen und Ausgaben (Kreditauszahlung = Einnahme, Kreditrückzahlung = Ausgabe, Zinszahlung = Ausgabe) erfasst werden. Die Einnahmen

5 Auch Eigenkapital verursacht Kosten, nämlich Opportunitätskosten in der Höhe der entgangenen Erträge, die mit

einer alternativen Kapitalanlage möglich wären.

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und Ausgaben eines Kredites werden durch das WB-Tool erfasst, wenn eine Kredit (Zinssatz, Summe, Laufzeit) definiert wird. Die Netto-Zahlungsströme sind dann nur noch durch Eigenkapital zu finanzieren. Der einzugebende Kalkulationszinssatz muss dann dem Eigenkapitalkostensatz bzw. im Falle von Projekten mit einem Netto-Einnahmenüberschuss der erwarteten Rendite auf das Eigenkapital entsprechen.

Im Falle eines Kredites (z.B. Bankkredit) rechnet das WB Tool automatisch eine Tilgung und berücksichtigt die entsprechenden Cashflows. Hierbei wird im Jahr Null die Kreditaufnahme als Einnahme und die spätere Tilgung als Ausgabe berücksichtigt. So ergibt sich rechnerisch ein "Nullsummenspiel". Die Tilgungszahlungen werden in den Grafiken der Cash-Flow-Betrachtung angezeigt. Die Tilgung und die Zinskosten sind nicht dem Einfluss der Inflation unterworfen.

8.4.7 Energiegestehungskosten

Die Energiegestehungskosten geben die Kosten für eine bereitgestellte und nutzbare Energiemenge wieder. Bei der Berechnung der Energiegestehungskosten wird die Berechnungsmethode des LCOE6 verwendet. Dabei werden die laufenden Kosten pro Betrachtungsjahr eruiert, über die Betrachtungsperiode aufsummiert und auf den Referenzzeitpunkt mit dem Kalkulationszinssatz diskontiert und die einmaligen Kosten hinzugerechnet. Die diskontierten Kosten werden durch die auf den Referenzzeitpunkt diskontierte, bereitgestellte und nutzbare Energiemenge dividiert. Der LCOE ist eine branchenübliche Berechnungsmethode für Stromgestehungskosten. Hier wird die Formel für die Berechnung der Gestehungskosten aller Energiearten zusammen, unabhängig ob thermisch oder elektrisch, angewandt.

Durch die Diskontierung aller Ausgaben und der erzeugten Energiemenge über die Betrachtungsperiode auf den gleichen Referenzpunkt wird die Vergleichbarkeit der Energiegestehungskosten gewährleistet. Die Energiegestehungskosten stellen eine Vergleichsrechnung nur auf Kostenbasis und nicht eine Berechnung der Höhe von Einspeisetarifen dar. Die Wertigkeit der jeweiligen Energiemenge wird und muss nicht separat berücksichtigt werden.

8.4.8 Eingesparte Kosten durch PV

Die Ersparnis bei den Strombezugskosten wegen der durch die PV-Module erzeugten Energie wird mittels der laufenden Strombezugskosten errechnet. Dadurch können Sie klar erkennen, wie viel Sie für den extern bezogenen Strom würden bezahlen müssen, den Sie durch die PV-Module selbst erzeugen. Dieser Betrag zeigt, wie viel Geld der Eigentümer aufwenden müsste, wenn er kein PV-System installiert. Die eingesparten Kosten durch Einsatz von PV werden wie folgt berechnet:

𝑄𝑖𝑛𝑣(𝑆𝑡𝑢𝑛𝑑𝑒) − 𝐸𝑡𝑒𝑔(𝑆𝑡𝑢𝑛𝑑𝑒) ∗ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑏𝑒𝑧𝑢𝑔𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖𝑓(𝑆𝑡𝑢𝑛𝑑𝑒) + 𝐸𝑡𝑒𝑔(𝑆𝑡𝑢𝑛𝑑𝑒)

∗ 𝐸𝑖𝑛𝑠𝑝𝑒𝑖𝑠𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖𝑓(𝑆𝑡𝑢𝑛𝑑𝑒)

6 Levelized Cost of Energy

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8.4.9 Rentabler als Referenz ab Jahr

Der Vergleich der Amortisationszeiträume für PV-Systeme zeigt, in welchem Jahr sich die Investition in ein PV-System bezahlt gemacht hat im Vergleich zu einem System ohne Photovoltaik-Einsatz. Mit anderen Worten: Das Jahr, in dem ein System mit Einsatz erneuerbarer Energie wirtschaftlicher wird als ein System mit konventioneller Energie. Wenn dieser Zeitpunkt nicht erreicht wird, wenn also der Einsatz der Photovoltaik im Vergleich zu einem konventionellen System wirtschaftlich keinen Sinn macht, erscheinen Striche an Stelle der Jahresangabe. In dem nachstehenden Beispiel ist das Projekt Nr. 3 (gelbe Linie) weniger wirtschaftlich als das System ohne PV (rote Linie), deshalb ist ein Bindestrich angegeben. Das Projekt Nr. 2 (orange Linie) hat sich nach neun Jahren amortisiert.

Abb. 196: Beispiel für den Vergleich von Amortisationszeiträumen

8.5 Tipps und Tricks bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung

8.5.1 Vorgegebene Standard-Werte

Für die Betrachtungsperiode, den Kalkulationszinssatz, Preisänderung bei Ersatz von Komponenten, Inflation, Degradation PV und die Parameter für die automatische Sensitivitätsanalyse sind standardmässig Werte definiert. Diese Werte werden bei jedem neuen Projekt, bei jeder neuen Variante übernommen. Diese Standardwerte basieren z.T. auf Normen und Forschungswerten und wurden von Vela Solaris festgelegt.

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8.5.2 Einsparungen sind keine Einnahmen!

Einsparungen im Vergleich zu einer anderen Variante (z.B. Einsparung von Heizöl beim Einsatz einer Wärmepumpe) dürfen aus wirtschaftlicher Sicht nicht als Einnahmen angegeben werden. Die Einsparungen sind Minderausgaben und der Einsparungseffekt zeigt sich im Vergleich von verschiedenen Varianten.

8.5.3 Wie werden neue Varianten mit einer alten, bestehenden Anlage verglichen?

Für den Vergleich von neuen Anlagevarianten mit einer bestehenden Anlage wird die bestehende Anlage in Polysun abgebildet und die Werte für die Wirtschaftlichkeit eingetragen. Die Resultate der Wirtschaftlichkeit für die bestehende Anlage können dann mit den Resultaten der neuen Lösungen verglichen werden. So können auch auf lange Sicht Unterschiede aufgezeigt werden, was passiert wenn eine Anlage bestehen bleibt oder ersetzt wird. Dabei ist wichtig, dass für jede Variante die vollen Kosten berücksichtigt werden und dieselben Grundkonditionen gelten.

8.5.4 Umgang mit elektrischen Verbrauchern

Die bezogene Elektrizität der eingesetzten elektrischen Verbraucher (z. B. Haushalt), wird bei der Wirtschaftlichkeit als Energiekosten berücksichtigt. Wenn zwei Varianten miteinander verglichen werden, muss darauf geachtet werden, dass beide Varianten identische elektrische Verbraucher haben.

8.5.5 Wie wird definiert, ob der PV-Strom in das Elektrizitätsnetz gespeist oder für den Eigenverbrauch genutzt wird?

Bei den Eigenschaften des elektrischen Verbrauchers wird unter "Mit elektrischem Verbrauch der thermischen Komponenten" (ja/nein-Antwort) definiert, ob der PV-Strom für die Anlage verwendet werden soll (Ja anwählen) oder ins Netz gespeist werden soll (Nein anwählen).

8.5.6 Wie viel kostet der Einsatz einer elektrischen Batterie pro Energieeinheit?

Beim Einsatz einer PV-Anlage stellt sich z.T. die Frage, ob eine Batterie eingesetzt werden soll, um z.B. die solare Energie des Tages für die Verwendung in der Nacht zu speichern. Der Einfluss des Batterieeinsatzes auf die Wirtschaftlichkeit kann durch den Vergleich zweier baugleicher Varianten (einmal mit und einmal ohne Batterie) aufgezeigt werden. Sind bei zwei Varianten, ausser dem Einsatz der Batterie, alle Anlageparameter gleich, so können anhand dem Unterschied der Energiegestehungskosten die Kosten der Batterie pro Energieeinheit aufgezeigt werden.

Polysun-Video

Wirtschaftlichkeitsberechnung

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Literaturverzeichnis

J. A. Duffie and W. A. Beckman, „Solar Engineering of Thermal Processes“, 2006, Hoboken,

New Jersey, John Wiley & Sons Inc.

R. Kröni et.al.; Final Report PV P+D, DIS 47456 / 87538, February 2005; Energy Rating of Solar

Modules

Leitfaden Photovoltaische Anlagen; Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, 2007

E. Vrettos and S. Papathanassiou, "Operating policy and optimal sizing of a high penetration RES-BESS system for small isolated grids," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 26, no. 3, 2011

E. Vrettos, A. Witzig, R. Kurmann, S. Koch and G. Andersson, "Maximizing local PV utilization using," in EU PVSEC, Paris, 2013