Solar-Reports:

Europäische Normen für thermische Solaranlagen: Transparente Qualitätskriterien für wachsende Märkte

von Harald Drück und Rolf Hug
15.03.2002

Solaranlagen haben durch ihre technische Zuverlässigkeit und Effizienz das Vertrauen von umweltbewussten Hausbesitzern und Bauherren gewonnen. Je nach klimatischen und politischen Rahmenbedingungen entwickelten sich in den europäischen Ländern unterschiedlich wachsende Märkte - leider auch mit unterschiedlichen Normen und Testverfahren, die Qualitätsvergleiche nur schwer erlaubten. Mit dem Jahr 2001 hat sich der Dschungel unterschiedlicher Qualitätsnormen gelichtet: Europaweit gültige Normen machen thermische Solaranlagen und ihre Komponenten einheitlich zertifizierbar. Die standardisierten Prüfverfahren stellen sicher, dass hochwertige Erzeugnisse vertrieben werden, deren Leistung nach europaweit gültigen Kriterien ermittelt wurde. Von dieser "europäischen Einigung" profitieren Produzenten, Planer, Installateure und Kunden.

Außenteststände des Forschungs- und Testzentrums für Solaranlagen (TZS) am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart (ITW)

Die Hersteller können ihre Kosten senken, weil sie Produkte für den Vertrieb in die verschiedenen europäischen Länder nicht mehrfach testen lassen müssen. Die einheitlichen Regelwerke mindern zudem das Haftungsrisiko für den Planer, denn die Kenngrößen fließen auch in die Anlagenplanung ein. Für Planer und Verbraucher wird der Vergleich von Kollektoren, Warmwasserspeichern und kompletten Anlagen sowie die Interpretation der Testergebnisse deutlich erleichtert. Die transparenten Qualitätskriterien sind eine wesentliche Voraussetzung für einen funktionierenden europäischen Solar-Markt.
In Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst haben wir die wichtigsten Neuerungen zusammengefasst.

Außenteststände des Forschungs- und Testzentrums für Solaranlagen (TZS) am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart (ITW)
Foto: BINE Informationsdienst

Prüfen, bewerten, vergleichen

Das europäische Normungskomitee (CEN TC 312) hat in den Jahren 1994 bis 2000 ein europaweit akzeptiertes Regelwerk erarbeitet. Darin sind Kenngrößen und Mindestanforderungen an die Produkte definiert. Festgelegt wurden auch die Testmethoden zur Überprüfung der Anforderungen und zur Ermittlung der thermischen Leistung. Die neuen Verfahren sind praxisnah und den europäischen Klimabedingungen angepasst.

Anwendung der europäischen Prüfnormen für thermische Solaranlagen und ihre Bauteile

Nummer der
europäischen Norm

Titel der Norm
Thermische Solaranlagen und deren Bauteile

EN 12975-1

Kollektoren – Teil 1 – Allgemeine Anforderungen

EN 12975-2

Kollektoren – Teil 2 – Prüfverfahren

EN 12976-1

Vorgefertigte Anlagen – Teil 1 – Allgemeine Anforderungen

EN 12976-2

Vorgefertigte Anlagen – Teil 2 – Prüfverfahren

ENV 12977-1

Kundenspezifisch gefertigte Anlagen – Teil 1 -
Allgemeine Anforderungen

ENV 12977-2

Kundenspezifisch gefertigte Anlagen – Teil 2 - Prüfverfahren

EENV 12977-3

Kundenspezifisch gefertigte Anlagen – Teil 3 –
Leistungsprüfung von Warmwasserspeichern für Solaranlagen

Anwendung der europäischen Prüfnormen für thermische Solaranlagen und ihre Bauteile
Grafik: BINE Informationsdienst

Die drei Normen für a) Kollektoren, b) "Vorgefertigte Solaranlagen" und c) "Kundenspezifisch gefertigte Solaranlagen" berücksichtigen den Großteil der auf dem europäischen Markt gängigen Produkte. Die EN-Normen basieren zum Teil auf der Deutschen Industrie Norm (DIN) 4757. Die Einführung dynamischer Testmethoden und die Definition von Mindestkriterien für die Gebrauchstauglichkeit haben deren Aussagekraft entscheidend verbessert.

Die neuen Normen unterteilen das breite Spektrum der Produkte: In die Kategorie "Vorgefertigte Solaranlagen" fallen Serienprodukte mit einem Handelsnamen, die komplett als montagefertiger Bausatz erhältlich sind und auch als ein Produkt behandelt werden. Die "Kundenspezifisch gefertigten Solaranlagen" sind individuell geplante oder aus einem Sortiment an Komponenten zusammengestellte Solarwärmesysteme, bis hin zu ingenieurmäßig geplanten Großanlagen. Die Bestandteile der kleinen kundenspezifisch gefertigten Solaranlagen werden einzeln geprüft, die Anlage an Hand der Ergebnisse der Komponenten bewertet. Seit dem Frühjahr 2002 gelten die Normen (EN) beziehungsweise Vornormen (ENV) in den EU-Ländern.

Anforderungen und Prüfverfahren

Die Normen für Solaranlagen und Bauteile enthalten sowohl Anforderungen und Prüfverfahren im Hinblick auf die Qualität der Produkte (Gebrauchstauglichkeit) als auch deren thermischer Leistungsfähigkeit. Die Prüfungen umfassen Tests bezüglich der Temperaturbeständigkeit des Materials, Druck- und Frostbeständigkeitsprüfungen, die Untersuchung der elektrischen Sicherheit sowie mechanische Belastungsprüfungen. Die Verfahren zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit liefern Qualitätsmerkmale (Kennwerte) der Komponenten. Auf der Basis von Simulationsrechnungen, in die auch standardisierte Referenzbedingungen (Wetter, Last) einfließen, werden Bewertungsgrößen ermittelt, beispielsweise die vom Kollektor gelieferte Energiemenge pro Jahr (Jahresenergieertrag).

Lampenfeld des Sonnensimulators am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnikder Universität Stuttgart (ITW)

Lampenfeld des Sonnensimulators am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnikder Universität Stuttgart (ITW)
Foto: BINE Informationsdienst

Neues Messverfahren für Kollektoren

Die europäischen Normen lassen erstmals ein Verfahren zu, das Messungen auch an Tagen mit stark schwankender Sonneneinstrahlung ermöglicht. Bisher wurden für die Außentests oder Prüfungen mit dem Sonnensimulator enge Grenzen bei den Eingangwerten gezogen (quasi-stationäre Verfahren, s. Tabelle). Messdaten konnten nur an Tagen mit wolkenlosem Himmel zur Auswertung herangezogen werden; Daten von nicht der Sonne nachgeführten Testständen konnten nur im Zeitraum von 2 Stunden vor beziehungsweise nach dem Sonnenhöchststand ausgewertet werden.

Die neuen, quasi-dynamischen Testverfahren für Kollektoren erweitern diese Grenzen oder heben sie sogar auf. Die Messwerte können nun unter fast allen meteorologischen Bedingungen gewonnen werden. An wolkenlosen Tagen ist das Zeitfenster zur Datenerfassung unter den so genannten instationären Bedingungen etwa doppelt so groß wie bei einem stationären Test. Zusätzlich können auch Daten von Tagen mit wechselnder Bewölkung verwendet werden.

 

quasi-stationäre Bedingungen

instationäre
Bedingungen

Eingangsgrößen

Absolutwert

Zulässige Abweichung
vom Mittelwert

Absolutwert

Zulässige Abweichung
vom Mittelwert

Solare Bestrahlungsstärke

> 700 W/m2

50 W/m2

300 < G < 1100 W/m2

-

Einfallswinkel der
direkten Bestrahlung

< 30°

-

-

-

Diffusstrahlungsanteil

< 30 %

-

-

-

Umgebungstemperatur

-

1 K

-

-

spezifischer Massenstrom

0,02 kg/(m2s)

1 %

0,02 kg/(m2 s)

1 %

Kollektoreintrittstemperatur

-

0,1 K

-

1 K

Testbedingungen für quasi-stationäres und instationäres Testverfahren
Quelle: BINE Informationsdienst

 

Das instationäre Testverfahren wurde maßgeblich im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Forschungsvorhabens VELS II (Verbundforschung zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Solaranlagen) entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeiten wurde auch gezeigt, dass beide Verfahren vergleichbare Ergebnisse liefern, zum Beispiel für den jährlichen Solarenergieertrag des Kollektors. Da sich der aus den Ertragsberechnungen resultierende jährliche Kollektorertrag gut zum Vergleich unterschiedlicher Kollektoren eignet, ist er heute in Deutschland integraler Bestandteil jeder Prüfung

Komponentenorientierte Leistungsprüfung von Solarspeichern

Die Anforderungen an Warmwasserspeicher hinsichtlich der Sicherheit und Dichtheit, des Korrosionsschutzes und der Trinkwasserhygiene gelten für konventionelle und solare Heizungssysteme. Sie sind geregelt in DIN 4753 und 4708 beziehungsweise in der europäischen Norm prEN 12897. Solarspeicher müssen jedoch mehr leisten, weil das Wärmeangebot der Sonne im Gegensatz nicht beeinflusst werden kann und in der Regel phasenverschoben zum Wärmebedarf genutzt wird. Der Wirkungsgrad des Kollektors hängt von der Temperatur des Solarrücklaufs ab und wird auch von der Temperaturschichtung im Speicher beeinflusst. Dem thermischen Verhalten der Speicher in Solarsystemen wird mehr Aufmerksamkeit geschenkt als jenen in herkömmlichen Systemen, in denen Verluste durch die Heizung ausgeglichen werden: Charakteristisch für Solarspeicher sind die Minimierung der Wärmeverluste und die Erhaltung der Temperaturschichtung unter allen Betriebsbedingungen.

Schematischer Aufbau und Kennwerte eines Solarspeichersfür die Trinkwassererwärmung

Schematischer Aufbau und Kennwerte eines Solarspeichers für die Trinkwassererwärmung
Grafik: BINE Informationsdienst

Infrarot-Thermographie (Temperatur im Inneren des Speichers ca. 60

Infrarot-Thermographie (Temperatur im Inneren des Speichers ca. 60°)
Fotos: BINE Informationsdienst

Mit der Vornorm ENV 12977-3 liegt erstmals ein spezielles, standardisiertes Testverfahren für Solarspeicher vor. Es liefert Kennwerte für den Vergleich und die Bewertung der Speicher bezogen auf den vorgesehenen Anwendungsfall (Auswahl) sowie zur thermischen Leistungsprüfung von kompletten Solaranlagen auf der Grundlage komponentenorientierter Tests.

Beim Speichertest im Labor (Be- und Entladung) werden einzelne physikalische Phänomene gezielt angeregt und die Volumenströme, sowie Ein- und Austrittstemperaturen kontinuierlich aufgezeichnet. Die Tests im System umfassen die Prüfung der gesamten Solaranlage nach dem DST-Verfahren und zusätzlich Messungen des Volumenstroms im Solarkreis sowie der Ein- und Austrittstemperaturen am Wärmetauscher.

In Verbindung mit einem Rechenmodell können auf der Basis so ermittelter Kennwerte detaillierte Beschreibungen des thermischen Verhaltens eines Speichers erstellt werden.

Solaranlagen-Tests: Prüfung der gesamten Anlage beziehungsweise komponentenorientierte Verfahren

Die auf dem europäischen Markt angebotenen Solaranlagen, von der kleinen Kompaktanlage bis zu solarthermischen Groß-Systemen, müssen auch unter extremen Wetterbedingungen sicher funktionieren (z.B. Schnee oder Windlast). Dies regeln die Normen EN 12976-1 und ENV 12977-1, ebenso wie die richtige Installation und den fehlerfreien Betrieb.

Die thermische Leistungsfähigkeit der vorgefertigten Anlagen mit integrierter Nachheizung erfolgt nach EN 12976-2, in der Regel nach dem DST Verfahren (Dynamischer Systemtest): Die gesamte Anlage wird hierzu auf einem Teststand installiert und unter natürlichen Klimabedingungen betrieben. Aus den aufgezeichneten Messdaten werden die spezifischen Kennwerte der Anlage bestimmt.
Anschließend wird mit einem Simulationsprogramm die thermische Leistung der Solaranlage für definierte Referenzbedingungen (Wetter, Standort) berechnet.

Bei "kundenspezifisch gefertigten" Solaranlagen werden der Kollektor, der Speicher und die Regelung separat geprüft. Hier kommt das Verfahren CTSS (Component Testing - System Simulation) zum Einsatz (ENV 12977-2). Die Prüfungen erfolgen für den Kollektor nach EN 12975-2, für den Speicher nach ENV 12977-3 und für den Regler nach ENV 12977-2, Annex A. Mit den ermittelten Kennwerten der einzelnen Komponenten kann in Verbindung mit einem geeigneten Simulationsprogramm (z. B. TRNSYS) das Verhalten der gesamten Solaranlage rechnerisch nachgebildet werden.

Der Anwendungsbereich des CTSS-Verfahrens ist durch seinen komponentenorientierten Aufbau flexibel und auf beliebige Anlagenkonfigurationen, wie sie z. B. bei Kombianlagen (Solaranlagen zur kombinierten Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung) auftreten können, erweiterbar.

Prinzipieller Ablauf des CTSS-Verfahrens
Prinzipieller Ablauf des CTSS-Verfahrens Grafik: BINE Informationsdienst

Die beste Anlage? Der beste Kollektor?

Für Bauherren ist es nicht leicht, die "richtige" Anlage auszuwählen - trotz der umfangreichen Daten, die erhoben und zum Teil auch von den Prüfinstituten veröffentlicht werden, beispielsweise auf den Internetseiten des Instituts für Solartechnik (SPF) der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR). Eine Rangliste der Kollektoren gibt es nicht und kann es auch nicht geben: je nach Anwendungsfall (z. B. Betriebstemperaturen) und den Wetterbedingungen am Standort sind unterschiedliche Ergebnisse zu erwarten.

Dennoch ist die Entscheidung für eine solarthermische Anlage immer eine vernünftige Investition: Die Produkte der etablierten Hersteller zeichnen sich allesamt durch einen hohen Qualitätsstandard aus. Sonnenkollektoren erwiesen sich auch in langfristig angelegten Untersuchungen als leistungsstabil. Tests und Datenblätter erleichtern die Orientierung bei der Auswahl der Komponenten; Simulationsberechnungen, in die spezifische Daten der gesamten Anlage einfließen, liefern dem Bauherren eine sachliche Grundlage für den Vergleich der Systeme - auch im Hinblick auf das Preis-Leistungs-Verhältnis. Simulationen werden mittlerweile von vielen Herstellern angeboten und stellen eine wertvolle Hilfe für den Kunden dar.

Darüber hinaus helfen kompetente Planer und erfahrene Installateure bei der Suche nach der optimalen Solaranlage, berücksichtigen die Besonderheiten des jeweiligen Gebäudes und behalten auch die Wirtschaftlichkeit im Blick.

Autoren: Dipl.-Ing. Harald Drück, Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW). Rolf Hug, Redaktion Solarserver:

Weitere Informationen:

Das BINE Profi INFO II/01 ist als PDF-Datei erhältlich unter:
http://bine.fiz-karlsruhe.de/bine/indexnew.html.

Die Normen können bezogen werden beim:
Beuth Verlag http://www2.beuth.de/ .

Die Datenbank des SPF Rapperswil finden Sie unter http://www.solarenergy.ch/spf.php?intro=1

Das jährlich erscheinende Nachschlagewerk "Tests" kann beim Sekretariat des ITW, Pfaffenwaldring 6, 70550 Stuttgart, (Fax 0711/685-3503, email: pm@itw.uni-stuttgart.de) bestellt werden, die Ausgabe 2001 ist in Vorbereitung.

In der April-Ausgabe der Zeitschrift "test" der Stiftung Warentest wird ein Vergleich von 16 Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung enthalten sein.

Marktübersicht Thermische Solaranlagen

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