Regelungen für die Steuerung und Regelung einer Solaranlage

Die Steuerung und Regelung von Solaranlagen ist ein entscheidender Faktor für deren Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Sie gewährleisten, dass die erzeugte Energie optimal genutzt wird und die Anlagenkomponenten vor Schäden geschützt sind. Dieser Fachbeitrag erläutert die wichtigsten Regelungen und Steuerungsaspekte, die im Kontext der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) stehen.

Grundlagen

Ziel der Regelung:

Die Regelung von Solaranlagen dient dazu:

Effizienz zu maximieren: Sicherstellung, dass die Energieerzeugung dem Verbrauch angepasst wird.
Schutz der Anlage: Verhinderung von Überhitzung, Auskühlung oder Materialschäden.
Integration in bestehende Systeme: Abstimmung mit Heizkesseln, Wärmepumpen und Pufferspeichern.

Komponenten einer typischen Regelung:

Sensoren: Temperatur- und Strahlungssensoren zur Erfassung von Betriebsdaten.
Regler: Elektronische Steuerungseinheit, die Sollwerte mit Ist-Werten vergleicht.
Aktoren: Pumpen, Ventile und Schalter, die Regelbefehle ausführen.

Regelstrategien:

Differenztemperaturregelung: Vergleich von Kollektor- und Speichertemperatur, um die Solarpumpe zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Volumenstromregelung: Optimierung des Durchflusses zur Maximierung der Energieübertragung.

Formeln

1. Energieertrag einer Solaranlage:

Der Energieertrag $Q_{\text{solar}}$ wird berechnet mit:

$Q_{\text{solar}} = A \cdot G \cdot \eta$

$A$ : Fläche des Solarkollektors [m²]
$G$ : Globale Sonneneinstrahlung [W/m²]
$\eta$ : Wirkungsgrad des Kollektors (dimensionslos)

2. Wärmemenge im Speicher:

Die gespeicherte Wärmemenge $Q_{\text{speicher}}$ ergibt sich aus:

$Q_{\text{speicher}} = m \cdot c \cdot \Delta T$

$m$ : Masse des Speichermediums (z. B. Wasser) [kg]
$c$ : spezifische Wärmekapazität [kJ/(kg·K)]
$\Delta T$ : Temperaturdifferenz [K]

3. Differenztemperaturregelung:

Die Aktivierung der Solarpumpe erfolgt, wenn:

$\Delta T = T_{\text{kollektor}} - T_{\text{speicher}} > \Delta T_{\text{min}}$

$T_{\text{kollektor}}$ : Temperatur am Solarkollektor [°C]
$T_{\text{speicher}}$ : Temperatur im Speicher [°C]
$\Delta T_{\text{min}}$ : Mindesttemperaturdifferenz (z. B. 5 K)

Anwendungsbeispiel

Ein Einfamilienhaus mit einer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung benötigt eine Regelung, die folgende Funktionen sicherstellt:

Temperaturüberwachung: Sensoren messen kontinuierlich die Kollektor- und Speichertemperatur.
Pumpensteuerung: Eine Differenztemperaturregelung sorgt dafür, dass die Pumpe nur dann aktiviert wird, wenn genügend Wärme zur Verfügung steht.
Frostschutz: Bei drohenden Minustemperaturen wird das System entleert oder die Flüssigkeit beheizt.

Berechnungsbeispiel:

Ein Solarkollektor mit einer Fläche von 10 m², einem Wirkungsgrad von 70 % und einer Sonneneinstrahlung von 800 W/m² liefert:

$Q_{\text{solar}} = 10 \cdot 800 \cdot 0,7 = 5600 \, \text{W}$

Diese Wärmeleistung wird genutzt, um 200 Liter Wasser um 30 K zu erwärmen:

$Q_{\text{speicher}} = 200 \cdot 4,18 \cdot 30 = 25,080 \, \text{kJ} \approx 6,97 \, \text{kWh}$

Geschichte des Themas in Deutschland

Die Regelung von Solaranlagen entwickelte sich in den 1980er Jahren mit dem Aufkommen moderner Solarthermieanlagen. Die ersten Steuerungen waren rein mechanisch und wurden später durch elektronische Regelungen mit Differenztemperaturmessung ersetzt. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Digitalisierung die Entwicklung weiter vorangetrieben, und moderne Systeme bieten heute Funktionen wie Fernüberwachung und automatisierte Fehlerdiagnose.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Energieeffizienz: Optimierte Regelungen steigern die Energieausbeute.
Komfort: Automatische Steuerung reduziert den Wartungsaufwand.
Sicherheit: Schutz vor Überhitzung und Frost.

Nachteile:

Kosten: Hohe Investitionskosten für hochwertige Regelungen.
Komplexität: Erfordert spezifisches Fachwissen für Installation und Wartung.
Störanfälligkeit: Elektronische Komponenten können anfällig für Ausfälle sein.

Ergänzende und wichtige Gesetze innerhalb Deutschlands

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG): Fördert die Integration von Solaranlagen und deren effizienten Betrieb.
DIN EN 12977: Anforderungen an Solarthermieanlagen, insbesondere an Steuerung und Regelung.
ENEV/GEG: Vorschriften zur Energieeinsparung und effizienten Nutzung von Wärmeenergie.
VDI 6002: Planung und Betrieb solarthermischer Anlagen.