Solaranlagen und Produkte der Vormonate:

Neues Verfahren überwacht Funktion und Ertrag von Solarwärmeanlagen

Sonnenkollektoren liefern warmes Wasser für Bad und Dusche, Wasch- und Spülmaschine; größere Solaranlagen unterstützen außerdem die Heizung. Die Möglichkeit, Störungen der Solarwärmeanlage zu erkennen oder gar einen Ausfall der Solaranlage zu entdecken, besteht in der Regel nicht, da der Heizkessel die fehlende Wärme unbemerkt nachliefert. Eine Funktionskontrolle, welche Störungen zuverlässig meldet, könnte hier Abhilfe schaffen. Doch bislang war dafür aufwändige Messtechnik bei der Inbetriebnahme und Bauabnahme von Solaranlagen nötig, deren langfristige Betreuung in der Regel auch mit erheblichem finanziellem Aufwand verbunden ist.

Prototyp eines Input-Output Kontrollgeräts für Solaranlagen.

Die Gruppe "Thermische Systeme" am Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) hat nun ein Verfahren vorgestellt, mit dem die ständige Kontrolle während des regulären Betriebs der Solaranlage möglich wird. Das Projekt wird als Begleitforschung im Rahmen des Programms "Solarthermie 2000" gefördert.

Prototyp eines Input-Output Kontrollgeräts für Solaranlagen. Quelle: RESOL

In Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst präsentiert der Solarserver die neue Technologie und deren Einsatzmöglichkeiten. Das Verfahren zeichnet sich aus durch Genauigkeit und vor allem durch Transparenz und Nachvollziehbarkeit. Die Ertragsberechung erfolgt auf der Basis normierter Kollektorkennwerte. Ziel ist die Dauerüberwachung vor Ort zu geringen Zusatzkosten.

"Garantierte Erträge" schaffen Vertrauen

Eine zuverlässige Funktionskontrolle nützt nicht nur den Eigentümern sondern auch den Herstellern, den Planern und dem Handwerk. "Garantierte Erträge" schaffen Vertrauen in die Qualität und den zuverlässigen Betrieb der Solaranlagen. Die neu entwickelten Geräte bieten sich an als günstige Alternative zu den aufwändigeren Verfahren, die lediglich auf pauschalen Erträgen basieren.
In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wurden bereits Prototypen gefertigt, die zu kostengünstigen Seriengeräten weiter entwickelt werden sollen. Die Geräte werden derzeit an Solaranlagen unterschiedlicher Größe und mit variierendem Systemaufbau erprobt.

Input/Output-Technologie zur Kontrolle und Ertragsberechnung

Kern der Input/Output-Technologie (IOC) ist der Vergleich des Ertrags einer Solaranlage (Output) mit der Sonneneinstrahlung (Input). Dazu wird die von der Solaranlage gelieferte Energie (Ist-Wert) mit täglich berechneten Erwartungswerten (Soll-Wert) verglichen. Zum Einsatz kommen sowohl selbstständig arbeitende IOC-Kompakt-Geräte (input-output-control) zur Vor-Ort-Kontrolle als auch IOC-DDC-Geräte (display data channel), die in Gebäudeleitsysteme eingebunden werden können. Beide Systeme erlauben auch eine Fernüberwachung. Das Projekt wird als Begleitforschung im Rahmen des Programms "Solarthermie 2000" gefördert. Neu gegenüber anderen Verfahren ist, dass nun die Kollektorkennwerte als Grundlage der Berechnung des Erwartungswertes herangezogen werden. Diese wurden an Hand international genormter Prüfverfahren nach EN- bzw. ISO-Normen ermittelt. Neben den Komponentendaten fließen in die Berechnung des Soll-Wertes auch einige Sensormesswerte ein, welche die aktuellen Klimabedingungen und den Anlagenzustand beschreiben. Zum Beispiel die Bestrahlungsstärke und Außentemperatur, Vor- und Rücklauftemperaturen am Kollektor sowie die Temperatur im Solarspeicher. Hinzu kommen die Werte eines Volumenstromzählers zur Berücksichtigung der Last.

Integration eines IOC-Gerätes in eine Solaranlage.
Integration eines IOC-Gerätes in eine Solaranlage. Grafik: BINE Informationsdienst

Das Berechnungsverfahren ist in eine preisgünstige Überwachungseinheit implementiert, das so genannte IOC-Gerät. Dieses ermittelt aus dem Volumenstrom des Kollektorkreises sowie den Ein- und Auslauftemperaturen des Speicher-Wärmetauschers auch den Ist-Wert.

Technische Umsetzung

Der IOC-Algorithmus wurde als Programm in verschiedene Testgeräte integriert. So hat die RESOL Elektronische Regelungen GmbH auf der Basis einer herkömmlichen Solarregelung ein IOC-Kompakt-Gerät entwickelt, das mit auswechselbarer Massenspeicher-Karte, integrierter serieller Schnittstelle und Relais für die Ausgabe und Anzeige von Warn- und Störmeldungen ausgestattet ist. Sieben dieser Geräte sind seit September 2000 im Test-Einsatz. Eine weitere IOC-Test-Konfiguration entstand in Zusammenarbeit mit der INGA GmbH, die Software zur Gebäudeautomatisierung um den vollständigen IOC-Algorithmus erweitert hat. Die erste Testversion eines kompletten IOC-DDC-Gerätes überwacht seit Anfang Februar 2002 die 45 Quadratmeter große Solarkollektoranlage einer Schule im Rahmen eines Projekts des Klimaschutz-Fonds in Hannover. Die Messdaten dieser Anlage werden dem Projekt zur Verfügung gestellt und ausgewertet.

Erprobung und Validierung

Seit September 2000 wurden bundesweit 8 Solaranlagen mit Kollektorflächen von 6 bis 286 m2 mit IOC-Testgeräten ausgerüstet, um deren Einsatztauglichkeit zu demonstrieren. Ein Teil der Anlagen verfügt über eine umfangreiche Messtechnik, so dass die Resultate der Testgeräte durch Referenzmessungen abgesichert werden können. In den bislang 129 Betriebsmonaten währenden Erprobungszeit konnten fünf Stör- bzw. Minderertragsfälle in vier der Anlagen entdeckt werden. Ohne die IOC-Technologie wären diese wahrscheinlich sehr viel später aufgefallen - möglicherweise zusammen mit Folgeschäden.

An den Messwerten einer Anlage mit einer Kollektorfläche von 6 m2 kann die Genauigkeit des Verfahrens gezeigt werden. Die Entsprechung von gemessenem und erwartetem Kollektorertrag ist in folgender Grafik dargestellt.

Korrelation von gemessenem und erwartetem Kollektorertrag.

Die gemessenen Erträge und die vom IOC-Verfahren berechneten Kontrollgrößen (erwartete und typische Erträge) wurden über der Einstrahlung aufgetragen. Die mittlere quadratische Abweichung der beiden Größen beträgt lediglich 0,05 Kilowattstunden pro Quadratmeter Kollektorfläche und Tag (kWh/m2d). Dies entspricht einer mittleren Abweichung von zirka 5% bezogen auf den Mittelwert des gemessenen Kollektorertrages.

Korrelation von gemessenem und erwartetem Kollektorertrag. Grafik: BINE Informationsdienst
Einen weiteren Beleg für den sinnvollen Einsatz des Verfahrens lieferte die Solaranlage der Stadtklinik Baden-Baden: Sie wurde im August 2001 mit einem IOC-Gerät zur Ertragskontrolle und Funktionsüberwachung ausgestattet, das bei einem Minderertrag von 0,3 bis 0,6 kWh/m2d eine Warnmeldung und bei höheren Mindererträgen eine Störmeldung lieferte. Bereits nach etwa einer Woche mit sehr großen Übereinstimmungen von gemessenem und erwartetem Ertrag meldete das Gerät eine Störung, die nach gründlicher Untersuchung des Heizungssystems behoben werden konnte.
Erwarteter und gemessener Ertrag in Äbhängigkeit von der Einstrahlung.
Erwarteter und gemessener Ertrag in Äbhängigkeit von der Einstrahlung. Grafik: BINE Informationsdienst

Ausblick

Besonders für größere Solaranlagen ab zirka 25 Quadratmetern Kollektorfläche, bietet die IOC-Technologie dem Betreiber eine eigenständige Kontrollmöglichkeit zur Überprüfung der Funktion. Werden die IOC-Geräte weiterentwickelt, können auch die zugesicherten Erträge überprüft werden. Für den Einsatz in kleineren Anlagen müssen die hohen Kosten der Prototypen deutlich gesenkt werden. Bei Serienfertigung können solche Geräte zu akzeptablen Preisen auf den Markt kommen. Um der Solarbranche die IOC-Technologie als standardisiertes Verfahren zur "in-situ-Qualitätssicherung" zur Verfügung stellen zu können, wurde das Verfahren zum Patent angemeldet. Ziel der Forscher und Entwickler ist die Zertifizierung von IOC-Geräten. Beim VDI werden derzeit Überlegungen zu einer VDI-Richtlinie "Funktions- und Ertragskontrolle an thermischen Solarsystemen" angestellt.

Text: BINE Informationsdienst. Red. Solarserver: Rolf Hug.

BINE Logo Detaillierte Informationen zum IOC-Algorithmus und den Betriebserfahrungen enthält das BINE Projekt-Info 07/03 "Funktions- und Ertragsüberwachung für thermische Solaranlagen". Es ist kostenfrei erhältlich bei BINE Informationsdienst, Tel. 0228/9 23 79-0 oder bei BINE im Internet.
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