Solarwärme und EnEV: mit Solarsimulation zum optimierten Ergebnis kommen

Sonnenkollektoranlagen verringern deutlich den Primärenergiebedarf von Wohngebäuden. Bei betriebswirtschaftlicher Betrachtungsweise reicht die damit verbundene Energiekosteneinsparung aber häufig nicht aus, tatsächlich in Solartechnik zu investieren.

Die Energieeinsparverordnung (EnEV) hat u.a. zum Ziel, dass auch der volkswirtschaftlichen Nutzen der Solarenergie bei der Investitionsentscheidung beachtet wird. Im Berechnungsverfahren zur EnEV können die solaren Energiegewinne erheblich dazu beitragen, die erforderlichen Höchstwerte des Jahres-Primärenergiebedarfs einzuhalten. Bei Neubauten ermöglicht das architektonische Gestaltungsfreiheiten, die sonst dem baulichen Wärmeschutz geopfert werden müssten. Die Einhaltung von 60 bzw. 40 kWh Primärenergieverbrauch je m² Nutzfläche kann über zinsgünstige Förderkredite der KfW aber auch zur Finanzierung des Bauvorhabens dienen. Ebenso gibt es im KfW-CO₂- Gebäudesanierungsprogramm äußerst zinsgünstige Kredite für Altbauten. Wenn bei der energetischen Sanierung das Niedrigenergiehausniveau im Bestand erreicht werden, ist unter bestimmten Voraussetzungen sogar ein Teilschulderlass von 15% möglich. Details sind unter www.kfw.de nachzulesen.

Auf diese Weise kommen finanzielle Einsparungseffekte der Solaranlage bereits zum Tragen, noch bevor die erste Kilowattstunde Solarwärme im Speicher eintrifft. Dem Berechnungsverfahren für die Ermittlung des solaren Deckungsanteils kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Es muss rechtlich belastbar sein - immerhin geht es beim Anspruch auf KfW-Kredite um größere finanzielle Beträge -, darf aber aus demselben Grund auch keine Prozente verschenken.

Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung

Für die Berechnung des Energieertrages von Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung beschreibt die DIN 4701-10 ausführlich ein Rechenverfahren mit Formeln. Leider setzen diese einer großzügigen Dimensionierung der Kollektorfläche enge Grenzen.

Die folgende Grafik zeigt für einen angenommenen Trinkwasser-Wärmebedarf Q_TW von 4.600 kWh/a (entsprechend rund 200 m² Nutzfläche) die Deckungsraten für Kollektorflächen zwischen 4 und 24 m².

Sicherlich ist es korrekt, dass selbst stark überdimensionierte Kollektorflächen keine 100%-Deckung des Trinkwasserwärmebedarfs erreichen können. Überraschend ist aber, dass die Formeln der DIN dann sogar eine rückläufige Deckungsrate ergeben (in diesem Beispiel ab 18 m² Kollektorfläche).

Glücklicherweise lässt die Norm auch die Verwendung von Simulationsrechnungen zu:

"Die Ermittlung des Energieertrags (...) erfolgt mit dem im folgenden beschriebenen Rechenverfahren (alternativ können auch die Ergebnisse von Simulationsrechnungen verwendet werden, sofern die Simulationsrechnung mit den gleichen Randbedingungen durchgeführt wird, die bei dem Rechenverfahren dieser Norm zu Grunde gelegt wurden)."

Simulationsrechnungen bestätigen bei reichlich dimensionierten Kollektoranlagen in der Regel höhere Solare Deckungsanteile als die Formeln der Norm. Das ist vor allem dann interessant, wenn die Dimensionierung der Kollektorfläche für einen tatsächlich höheren Trinkwasser- Wärmebedarf erfolgt, als von der Norm angenommen (Q_TW ist vor allem abhängig von der Nutzfläche A_N) wird. Die Simulationsrechnung muss dabei jedoch mit dem Q_TW-Wert der Norm erfolgen.

Solaranlagen zur Heizungsunterstützung (Kombianlagen)

Hier empfiehlt die Norm von vornherein die Computersimulation: "Die Ermittlung des Deckungsanteils für Solaranlagen zur Heizungsunterstützung (Kombianlagen) erfolgt anhand anerkannter Regeln der Technik bzw. unter Hinzuziehung der dokumentierten Rechenergebnisse anerkannter Simulationsprogramme."

Die Norm räumt auch die Möglichkeit ein, einen pauschalen solaren Deckungsanteil zur Heizungsunterstützung anzusetzen. Dazu muss die Kollektorfläche mindestens das 1,8-fache der von der Norm als Standard angenommenen Kollektorfläche für die Trinkwassererwärmung betragen. (Die Kollektorfläche muss dazu bei Flachkollektoren1,8 x 0,09*A_N^0,8 erreichen.) Dieser Weg empfiehlt sich allerdings nur dann, wenn die Kollektorfläche zufälligerweise dem 1,8-fachen Wert entspricht bzw. diesen nur geringfügig überschreitet, denn

• bei kleinen Kombianlagen mit unter 1,8-facher Flächenvergrößerung kann der 10%-Pauschalwert nicht in Anspruch genommen werden;
• bei Kombianlagen mit genau über 1,8-facher Kollektorfläche könnte der tatsächliche Anteil der solaren Heizungsunterstützung mehr als 10% betragen - die Norm bietet aber keine Formeln, diesen Wert genau zu bestimmen;
• bei Solaren Heizungsanlagen mit sehr großen Kollektorflächen - z.B. 30 m² Solardach auf einem Einfamilienhaus - werden sowohl die solare Heizungsunterstützung als auch der Solare Deckungsanteil an der Trinkwassererwärmung von der Norm weit unterschätzt.

Die Simulation mit einer Solarsoftware, die passende Rechenmodelle für Solare Kombianlagen bereitstellt, ermittelt den durchschnittlichen solaren Gesamtertrag. Die Aufteilung zwischen solarer Heizwärme und solarer Trinkwassererwärmung kann dabei nicht mit letzter Genauigkeit erfolgen, da sie u.a. stark vom Nutzerverhalten abhängt. Die Aufwandszahlen für die Heizwärmeerzeugung durch Heizkessel oder Wärmepumpen unterscheiden sich zwar von denen für die Trinkwassererwärmung. Diese Ungenauigkeit ist aber um Größenordnungen tolerierbarer als die der "10%-Pauschale"

Solaranlagen  mit zwei unterschiedlich orientierten Kollektorflächen

Nicht viele Solaranlagen werden mit "Ost-West-Kollektor"-Schaltung installiert - aber häufig genug, dass entsprechend programmierte Solarregler dafür angeboten werden (z.B. RESOL DeltaSol Pro, MidiPro oder DeltaSol M):

"Ost-West"-Kollektoranlage (aus: Montage- und Bedienungsanleitung RESOL MidiPro)

Viele dieser Anlagen dienen gerade wegen der etwas ungünstigen Kollektororientierung nur zur Trinkwassererwärmung. Trotzdem bietet die DIN 4701-10 keinen Rechenweg, den Solarertrag z.B. durch "Mittelung" der Erträge beider Kollektorflächen zu bestimmen.

Hier ist die Solar-Simulation also nicht die bessere Alternative, sondern die einzige Möglichkeit, die Solaren Energiegewinne für die EnEV-Berechnung zu ermitteln.

Normgerechte Solar-Simulation

Wie bereits zitiert, ist Voraussetzung für die normgerechte Simulationsrechnung, dass diese "mit den gleichen Randbedingungen durchgeführt wird, die bei dem Rechenverfahren dieser Norm zu Grunde gelegt wurden". Daher muss das Solar-Simulationsprogramm die EnEV-relevanten Parameter - allen voran die Nutzfläche (A_N) abfragen oder aus den Eingaben ableiten.

GetSolar-Eingabemaske für EnEV-Parameter

Die "EnEV-Parameter" ersetzen dabei viele der für die Dimensionierung real anzunehmenden Parameter:

• Der Trinkwasserwärmebedarf ergibt sich vor allem aus der Nutzfläche und nicht aus der tatsächlichen Anzahl der Bewohner;
• Bei Heizungsunterstützenden Solaranlagen darf die Heizgrenze nicht willkürlich gewählt werden, da die Sommerbeheizung von Kellerräumen dem Komfort und nicht der Energieeinsparung im Sinne der EnEV dient. Ein Wert von 12°C, bis zu dem Solarwärme energiesparend die Heizung unterstützt, erscheint legitim. (Bei Amortisationsrechnungen für den Bauherrn wird dieser Wert besser auf 15°C oder noch höher angesetzt.)

Im Anschluss daran kann die Simulationsrechnung laufen. Dabei muss die Software berücksichtigen, dass die simulierten Speicherverluste dem angegebenen Bereitschafts-Wärmeverlust entsprechen. GetSolar durchläuft deshalb die Simulation ein zweites Mal mit entsprechend korrigiertem Wert für die Speicherwärmedämmung.

Die Simulation muss mit den Einstrahlungs- und Temperaturdaten von Würzburg erfolgen. Es würde naheliegen, dass auch regionale Solarklimadaten verwendet dürfen. Das stößt jedoch auf zwei Schwierigkeiten:

1. Es ist ungeklärt, ob diese Vorgehensweise mit der Forderung nach "gleichen Randbedingungen" vereinbar wäre;
2. Es gibt keine Veröffentlichung, die verbindlich für alle Regionen der Bundesrepublik Deutschland Solarklimadaten zur Verwendung in der EnEV-Berechnung nennt.
   Vergleichweise: In Polen gibt es dazu die PN-B-02025 (Juli 2001) "Calculation of annual space heating requirements for residential and collective residential buildings", die solche Standortdaten festschreibt.

Letzte Unklarheiten ...

Neben dem Solarertrag muss auch der Hilfsenergiebedarf ermittelt werden. Die Norm macht aber keine Angaben, welcher Hilfsenergiebedarf für die solare Heizungsunterstützung anzusetzen ist. Ich bin der Ansicht, dass der Hilfsenergiebedarf für die solare Heizungsunterstützung proportional zu dem der solaren Trinkwassererwärmung sein sollte.

Es wird offensichtlich, dass die normgerechte Berechnung des Solarertrages eine gewisse Bandbreite richtiger Ergebnisse zulässt. Deshalb ist der von einer "EnEV-Software" ausgewiesene Solarertrag nicht von vornherein als "falsch" zu betrachten, wenn er vom Ergebnis einer normgerecht durchgeführten Simulation abweicht.

Wünschenswert ist aber, dass die Programmierer von EnEV-Software offen dafür sind, die Ergebnisse von Solar-Simulationsprogrammen in ihren Rechenweg zu integrieren.

... und die Perspektiven

Die Berücksichtigung der solaren Energiegewinne in der EnEV ist die Chance der Solarthermiebranche, die Umsatzzahlen ihrer Produkte vom ökologischen Bewusstsein einzelner Bauherren und von den staatlichen Förderprogrammen abzukoppeln.

Solarsimulationsprogramme wie GetSolar bieten sich als Werkzeug an, um die solaren Energiegewinne von Kollektoranlagen realistischer (meistens mit höheren Werten) zu bestimmen, als das die einfachen Rechenformeln der DIN leisten können.

• Im Hinblick auf die Weiterentwicklung der DIN 4701-10 könnte der Normenausschuss die Rechenregeln für Solaranlagen stärker auf die Vorparametrierung für die normgerechte Simulationsrechnung ausrichten, anstatt umfangreiche Formelzusammenhänge aufzustellen, die letztlich doch für nur einige wenige Anlagentypen gültig sein können.
• Hersteller von EnEV-Software müssen keine eigene Solar-Simulationsmodule entwickeln - es genügt der Datenaustausch mit bewährter Solar-Software; (umgekehrt wird das EnEV- Berechnungsmodul von GetSolar nie eine komplette EnEV-Software ersetzen können);
• Für Solarfirmen verbessert es die Chancen, dass eine nachgewiesenermaßen effiziente Solaranlage auch gebaut wird.;

Für entsprechende Kooperationen steht das Ing.-Büro solar energie info gerne zur Verfügung.

Sauerlach, den 01.10.2003

Axel Horn

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