Energiebedarf des AquaSystems für den Frostschutz

Von anderen Herstellern von Solarthermieanlagen, aber auch von Anlagenbetreibern wird immer mal wieder die Effizienz der Frostschutzfunktion von AquaSystemen in Frage gestellt.

Insbesondere wird behauptet oder befürchtet, dass nachts unnötig Wärme aus dem Speicher auf das Dach transportiert und dadurch die tagsüber gewonnene Solarenergie wieder vernichtet wird. Nachfolgende Ausarbeitung entkräftet eindrucksvoll diese Befürchtungen und zeigt, dass die Frostschutzfunktion bei AquaSystemen, insbesondere mit der neuen Solarstation STAqua II mit integriertem Solarregler SystaSolar Aqua II höchst effizient arbeitet und andere Systeme der Solarthermie deutlich in den Schatten stellt.

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1. Vorgehensweise und Randbedingungen

2. Energetischer Vergleich von Systemen Aqua II, Aqua I und Glykol mit Flachkollektor

3. Frostschutzbedarf Aqua II bei verschiedenen Systemvarianten und Außenrohrlängen

4. Frostschutzbedarf Aqua II in verschiedenen Klimazonen

5. Abschätzung Frostschutzbedarf Aqua II

6. Frostschutzbedarf von wasserbasierten Nachahmerprodukten anderer Hersteller

7. Zusammenfassung der Untersuchung

1. Vorgehensweise und Randbedingungen

Verlässliche und genaue Rückschlüsse über den Energiebedarf für den Frostschutz von Solaranlagen lassen sich ausschließlich durch detaillierte und exakte Computersimulationen unter festgelegten Randbedingungen gewinnen. Dies geschieht mit der äußerst leistungsfähigen Simulationsumgebung COLSIM. In dieser Ausarbeitung werden zunächst für einen mittleren deutschen Standort (Würzburg) folgende Solaranlagen-Systeme bezüglich ihrer energetischen Leistungsfähigkeit und insbesondere ihres Frostschutzbedarfs miteinander verglichen:

• Flachkollektor-Anlage mit Glykolfüllung und Regelung SystaSolar
• AquaSystem mit Regelung SystaSolar Aqua I
• AquaSystem mit Regelung SystaSolar Aqua II

Um Anhaltswerte für einen mittleren Frostschutzbedarf von AquaSystemen zu gewinnen sowie die oberen und unteren Grenzen des Frostschutzbedarfs abzustecken, wird dann eine größere Bandbreite an AquaSystemen (bis maximal 15 m² Kollektorfläche) betrachtet:

• Kleine AquaSysteme mit kurzen Außenrohrleitungen an warmen Standorten
• Mittlere AquaSysteme mit mittellangen Außenrohrleitungen an gemäßigten Standorten
  
• Große AquaSysteme mit langen Außenrohrleitungen an kalten Standorten

Die den Simulationen zugrunde liegenden Randbedingungen entsprechen zum Teil den Randbedingungen bei Ertragsvorhersagen von Solarsystemen im Rahmen von Kollektortests nach EN 12975 bzw. Stiftung Warentest. Weitere Randbedingungen wurden praxisnah angenommen.

2. Energetischer Vergleich von Systemen Aqua II, Aqua I und Glykol mit Flachkollektor

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahressimulation mit COLSIM für verschiedene Solarsysteme des für bezüglich der Sonneneinstrahlung in den Breitengraden Deutschlands repräsentativen Standorts Würzburg:

• Aqua II - AquaPaket 1 x CPC 21 Star azzurro (3,5 m²), Aqua 290, SystaSolar Aqua II
• Aqua I - AquaPaket 1 x CPC 21 Star azzurro (3,5 m²), Aqua 290, SystaSolar Aqua I
• Glykol - Glykolsystem mit Hochleistungs-Flachkollektor (5,0 m²), Sunny 300, SystaSolar
  

Jedes Glykolsystem muss nach einer kalten Nacht erst mühsam von der Sonne erwärmt werden, während sich ein AquaSystem schon nahezu auf Betriebstemperatur befindet. Der Frostschutzbedarf wird daher berechnet aus der dem Speicher während des Frostschutzbetriebs entnommenen Energiemenge, abzüglich der Energiemenge, die morgens bei Sonnenaufgang noch im System vorhanden ist.

Kriterium	Einheit	Aqua II	Aqua I	Glykol
Spezifischer Kollektorertrag	[kWh/(m²a)]	559	553	367
Speichereintrag solar	[kWh/a]	1.630	1.622	1.495
Energiebedarf für Frostschutz	[kWh/a]	14	21	0
Pumpenstrombedarf	[kWh/a]	12	26	53

Die Funktions- und Frostsicherheit mit Aqua II gegenüber Aqua I wurde noch einmal deutlich erhöht. Die in der Tabelle dargestellten Simulationsergebnisse zeigen nun, dass sich darüber hinaus noch ganz erhebliche energetische Vorteile für Aqua II ergeben:

• Der Energiebedarf für Frostschutz bei Aqua II (14 kWh/a) wurde gegenüber Aqua I (21 kWh/a) trotz höherer Sicherheit noch einmal erheblich reduziert und liegt im Verhältnis zum Speichereintrag solar (1.630 kWh/a) im Fall mit kurzer Außenleitung bei weniger als 1%. 
• Der Pumpenstrombedarf konnte mit Aqua II (12 kWh/a) gegenüber Aqua I (26 kWh/a) nochmals halbiert werden und liegt damit bei weniger als einem Viertel im Vergleich zum betrachteten Glykolsystem (53 kWh/a).

Hinweis: Alle hier dargestellten Zahlen geben lediglich Tendenzen an, welche bei veränderten Randbedingungen abweichen können. Die Bandbreite der Abweichungen für den Frostschutzbedarf für das AquaSystem wird in den folgenden Abschnitten abgeschätzt.

3. Frostschutzbedarf Aqua II bei verschiedenen Systemvarianten und Außenrohrlängen

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahressimulation mit COLSIM für verschieden große AquaSysteme in einem Niedrigenergiehaus am Standort Würzburg:

Kriterium	Einheit	1 x CPC 21Aqua 290	2 x CPC 21 Aqua 490	3 x CPC 45 Expresso 1100
Spezifischer Kollektorertrag	[kWh/(m²a)]	559	512	446
Speichereintrag solar	[kWh/a]	1.630	3.012	5.185
Energiebedarf Frostschutz	[kWh/a]	14	42	118
Quotient aus 3 und 2	[%]	0,86%	1,39%	2,28%

Bezieht man den Frostschutzbedarf der Solar-Systeme am Standort Würzburg auf die in den Speicher eingetragene Solarenergie, so ergibt sich ein Quotient zwischen 0,86% und 2,28% grob also etwa zwischen 1% und 2,5%.

4. Frostschutzbedarf Aqua II in verschiedenen Klimazonen

Nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer Jahressimulation mit COLSIM für das AquaSystem mit 2 x CPC 21 Star azzurro und Speicher Aqua 490 in verschiedenen Klimazonen:

• Freiburg – Warmes Klima
• Würzburg – Mittleres Klima (häufig Referenzstandort für Deutschland)
• Stötten – Kaltes Klima

Kriterium	Einheit	Freiburg	Würzburg	Stötten
Spezifischer Kollektorertrag	[kWh/(m²a)]	514	512	555
Speichereintrag solar	[kWh/a]	3.034	3.012	3.270
Energiebedarf für Frostschutz	[kWh/a]	26	42	62
Quotient aus 3 und 2	[%]	0,86%	1,39%	1,90%

Bezieht man den Frostschutzbedarf der Systeme in den verschiedenen Klimazonen auf die in den Speicher eingetragene Solarenergie, so ergibt sich ein Wert zwischen 0,86% und 1,90% grob also etwa zwischen 1% und 2%.

5. Abschätzung Frostschutzbedarf Aqua II

Aus den durchgeführten Simulationen lässt sich der zu erwartende Frostschutzbedarf für Solarthermieanlagen mit AquaSystem unter verschiedenen Randbedingungen zumindest grob abschätzen:

• Kleinere AquaSysteme - bis 5 m² mit kurzen Rohrleitungen bis 2 x 1 m
• Mittlere AquaSysteme - von 5 bis 10 m² mit mittleren Rohrleitungen bis 2 x 8 m
• Größere AquaSysteme - von 10 bis 15 m² mit langen Rohrleitungen bis 2 x 15 m 

Frostschutzbedarf [kWh/a]	Warmes Klima	Mittleres Klima	Kaltes Klima
Kleinere AquaSysteme	10	15	20
Mittlere AquaSysteme	25	40	60
Größere AquaSysteme	70	120	200

Ausgehend von einem mittleren AquaSystem bei mittlerem Klima (40 kWh/a) kann der Frost-schutzbedarf der Solaranlagen unter günstigen Bedingungen (kleines System mit kurzen Außenleitungen) also um Faktor 4 nach unten (10 kWh/a) abweichen. Bei ungünstigen Bedingungen (großes System mit langen Außenleitungen) ist eine Abweichung um Faktor 5 nach oben (200 kWh/a) möglich.

Der Frostschutzbedarf bewegt sich dabei in der Regel zwischen 0,5% und 3,5% des Solarertrages!

Die jährlichen Verluste üblicher Solarspeicher liegen im Vergleich dazu in einem Bereich oberhalb von 600 kWh/a und können bei kleinen thermischen Solaranlagen bis zu 40% des Solarertrages „auffressen“.

6. Frostschutzbedarf von wasserbasierten Nachahmerprodukten anderer Hersteller von Solarthermie - Systemen

Es versteht sich von selbst, dass alle in diesem Papier gemachten Angaben ausschließlich für die AquaSysteme von Paradigma in Form von AquaPaketen bis 15 m² Kollektorfläche gelten. Der Frostschutzbedarf von  wasserbasierten Nachahmerprodukten anderer Hersteller  kann um ein vielfaches über den hier genannten Werten liegen. Insbesondere das häufig praktizierte, stetige Pumpen in festen Zeitintervallen ist in der Regel energetischer äußerst zweifelhaft. Häufig wird ein Nachahmer allerdings nicht in der Lage (und schon gar nicht Willens) sein, nähere Untersuchungen zum Frostschutzbedarf des eigenen Solar-Systems durchzuführen bzw. durchführen zu lassen. Ganz nach dem Motto: „Was ich nicht weiß, macht das Dach nicht heiß“.

7. Zusammenfassung der Untersuchung

• Aqua I - Für ein AquaPaket CPC 40 Allstar wurde im Jahre 2004 am ITW Stuttgart der messtechnische und wissenschaftliche Nachweis geführt, dass sich der Frostschutzbedarf zwischen 30 und 80 kWh/a bewegt.
  
• Aqua II - Mit Aqua II wird nun die Funktions- und Frostsicherheit gegenüber Aqua I noch einmal deutlich erhöht. Darüber hinaus ergeben sich mit Aqua II erhebliche energetische Vorteile in Bezug auf den Solarertrag, den Frostschutzbedarf und den Pumpenstrombedarf des Solaranlagen-Systems.
  
• Als Anhaltswert für den Frostschutzbedarf eines mittelgroßen AquaSystems (Aqua II) mit nicht allzu langen Außenleitungen können 40 kWh pro Jahr angesetzt werden. Bezogen auf den Solarertrag sind dies etwa 1,5% oder das was 0,5 Vakuum-Röhren (!) im Laufe eines Jahres an Solarenergie erzeugen.
• Je nach Ausführung und Standort des AquaSystems der Solaranlage kann sich der Frostschutzbedarf zwischen 10 und 200 kWh also etwa zwischen 25% und 500% des Anhaltswertes 40 kWh/a bewegen. Es genügen daher selbst bei großen Kollektorfeldern bis 15 m² mit sehr langen Außenleitungen maximal 2,5 Vakuum-Röhren um im Laufe eines Jahres die Energie zu erzeugen, die zur Deckung des Frostschutzbedarfs benötigt wird.
• Der jährliche Frostschutzbedarf einer Solarthermieanlage mit AquaSystem bewegt sich in der Regel zwischen 0,5% und 3,5% des jährlichen Solarertrages. Die Wärmeverluste üblicher Solarspeicher können im Vergleich dazu bis zu 40% des jährlichen Solarertrages ausmachen.
• Aufschluss über die Qualität der Frostschutzfunktion von Nachahmerprodukten anderer Hersteller können ausschließlich Untersuchungen der vorliegenden Art geben. Können diese nicht präsentiert werden, so sollte man sich selbst eine Meinung über diese Tatsache bilden...

Lexikon

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