Ziel dieser Arbeit war es ein Passivhaus mit Solarenergie wärmetechnisch soweit zu
unterstützen, dass auf einen zusätzlichen Einsatz fossiler Ressourcen verzichtet werden
kann, und das Gebäude heizenergetisch autark ist.
Da im Allgemeinen nur die langjährigen Mittelwerte der Jahressumme der Globalstrahlung
bei der Simulation von gebäudetechnischen Anlagen zur Verfügung stehen, konnte eine
Dimensionierung nur für einen durchschnittlichen Jahresverlauf erfolgen. Das Interesse
bestand darin, zu ergründen wie ergiebig eine Solarthermieanlage unter extremen
Witterungsbedingungen ist. Dazu war es notwendig den Jahresverlauf von
meteorologischen Elementen zu analysieren und die täglichen Werte der auf den Kollektor
eintreffenden Globalstrahlung zu ermitteln. Die Angström-Formel erwies sich dabei als
bestes Modell. Durch Ermittlung der täglichen Globalstrahlung war es möglich die
Solaranlage auch für solare Engpässe zu simulieren.------Auszeichnung mit dem Preis der Bauindustrie 2008;
Vorstellung der Arbeit auf der LANDES-BAU-AUSSTELLUNG Sachsen-Anhalt 2009------ Auszeichnung mit dem Preis der Bauindustrie 2008;
Vorstellung der Arbeit auf der LANDES-BAU-AUSSTELLUNG Sachsen-Anhalt 2009
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 REFERENZOBJEKT
2.1 Objektbeschreibung
2.2 Ermittlung der geografischen Koordinaten
2.2.1 Nutzung des Internettools GoogleMaps
2.2.2 Resultierende geografische Koordinaten
3 AUSGANGSSITUATION PASSIVHAUS
3.1 Passivhausstandard
3.2 Heizwärme
3.3 Heizlast
3.4 Ausgangssituation
4 WETTERDATEN DES DEUTSCHEN WETTERDIENSTES
4.1 Datensatz
4.1.1 Stationswahl
4.1.2 Tageswerte
4.1.3 Bearbeiten des Datensatzes
4.1.4 Datensatzimport
4.2 Auswertung
5 EXTRATERRESTRISCHE SONNENSTRAHLUNG
5.1 Ausgangsgrößen
5.2 Solargeometrische Größen
5.3 Berechnung der extraterrestrischen Strahlung
5.4 Beispielberechnung der extraterrestrischen Strahlung
6 GLOBALSTRAHLUNG
6.1 Begriff
6.2 Entwicklung verschiedener Globalstrahlungsmodelle
6.2.1 Datenquellen benutzter Datensätze
6.2.1.1 TSOL
6.2.1.2 PVGIS
6.2.2 TSOL-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.3 PVGIS-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.4 Angepasster PVGIS-Datensatz & Sonnenstunden
6.2.5 PVGIS-Datensatz für unbedeckten Himmel & Bedeckungsgrad
6.2.6 Angström-Formel
6.3 Bewertung der Globalstrahlungsmodelle
6.4 Beurteilung des Globalstrahlungsverlaufes
6.4.1 Langjährigen Schwankungen
6.4.2 Monatliche Schwankungen
7 DIMENSIONIERUNG DER THERMISCHEN SOLARANLAGE
7.1 Zielstellung
7.2 Auslegung mit Simulationssoftware TSOL
7.2.1 Allgemeine Hinweise
7.2.2 Klima
7.2.2.1 Langjähriges Mittel
7.2.2.2 Synthetisierter Datensatz
7.2.3 Heizlast
7.2.4 Kollektor
7.2.4.1 Bauart des Kollektors
7.2.4.2 Kollektorwirkungsgrad
7.2.4.3 Ausrichtung
7.2.5 Speicher
7.3 Parameteranpassung
7.3.1 System
7.3.2 Auslegung der Heizkreise
7.3.3 Vorgehensweise
7.3.4 Anpassung der Kollektorneigung
7.3.5 Anpassung der Kollektoranzahl und der Speichergröße
7.3.6 Ergebnisse
7.3.6.1 Ergebnisse auf Grundlage durchschnittlicher Witterungsbedingungen
7.3.6.2 Ergebnisse auf Grundlage extremer Witterungsbedingungen
7.4 Auswertung der Ergebnisse
8 ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein Passivhaus wärmetechnisch so durch Solarenergie zu unterstützen, dass ein Betrieb als heizenergetisch autarkes Nullheizenergiehaus ermöglicht wird und auf den zusätzlichen Einsatz fossiler Ressourcen verzichtet werden kann. Hierfür werden standortspezifische Witterungsbedingungen analysiert, um eine fundierte Dimensionierung der Solaranlage unter kritischen Verhältnissen zu gewährleisten.
- Analyse standortspezifischer Witterungsdaten für Magdeburg
- Berechnungsmodelle zur Bestimmung der globalen Sonnenstrahlung
- Dimensionierung der thermischen Solaranlage mittels Simulationssoftware TSOL
- Optimierung von Kollektorfläche, Neigung und Speichervolumen
- Bewertung der solaren Deckungsraten unter durchschnittlichen und extremen Bedingungen
Auszug aus dem Buch
6.1 Begriff
Die Globalstrahlung umfasst die gesamte am Erdboden ankommende Sonnenstrahlung, und somit die Summe aus direkter Strahlung und (diffuser) Himmelsstrahlung. Die diffuse Strahlung ist das Resultat von Reflexion und Streuung an und in der Erdatmosphäre. Beim Durchgang der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre wird die Strahlungsintensität geschwächt.
Die maßgebenden Einflussfaktoren für die Globalstrahlung sind:
Geografische Breite
Bewölkung
Sonnenstand
Verunreinigung der Atmosphäre mit Partikeln
Ozongehalt der Atmosphäre
Die geografische Breite ist ein sehr maßgebender Faktor. So beträgt der jährliche Durchschnitt der täglichen Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche am Äquator (Breitengrad 0) 5,9 kWh/m²d und in Mitteleuropa hingegen nur 2,9 kWh/m²d.
An klaren Sommertagen erreicht die Strahlungsstärke in Mitteleuropa bis zu 900 W/m². Dabei besteht die Globalstrahlung zu ungefähr 90% aus Direkt- und zu 10% aus Diffusstrahlung. An trüben Wintertagen mit völlig bedecktem Himmel resultiert die gesamte Globalstrahlung zu 100% aus diffuser Sonnenstrahlung und die Intensität erreicht Werte von weniger als 100 W/m².
Bei tiefstehender Sonne hat die Sonnenstrahlung einen weiteren Weg durch die Atmosphäre der Erde, d.h. die zu durchströmende Luftmasse ist größer, und daher ist die Intensität kleiner im Vergleich zum Sonnenhöchststand.
Die Summe aller Einflussfaktoren führt zu einer erheblichen Streuung der lokalen Globalstrahlung. In Deutschland schwanken die durchschnittlichen Jahressummen der horizontalen Globalstrahlung zwischen 900 und 1200 kWh/m²a.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Problematik der fossilen Energieträger und Zielsetzung der autarken Energieversorgung durch Solarthermie.
2 REFERENZOBJEKT: Beschreibung des Einfamilien-Passivhauses in Magdeburg und Ermittlung der für die Berechnungen notwendigen geografischen Koordinaten.
3 AUSGANGSSITUATION PASSIVHAUS: Definition der Grundlagen eines Passivhauses, Erläuterung der Heizwärmebedarfs-Berechnung und Festlegung der Ausgangswerte für die weitere Planung.
4 WETTERDATEN DES DEUTSCHEN WETTERDIENSTES: Auswahl und Aufbereitung von historischen meteorologischen Zeitreihen zur Analyse standortspezifischer Witterungsbedingungen.
5 EXTRATERRESTRISCHE SONNENSTRAHLUNG: Erläuterung der physikalischen Grundlagen und Näherungsformeln zur Berechnung der Sonnenstrahlung an der oberen Atmosphärengrenze.
6 GLOBALSTRAHLUNG: Detaillierte Darstellung und Bewertung verschiedener Modelle zur Ermittlung der terrestrischen Globalstrahlung für den Standort Magdeburg.
7 DIMENSIONIERUNG DER THERMISCHEN SOLARANLAGE: Simulation und Optimierung der Anlagentechnik mittels TSOL unter Berücksichtigung verschiedener Wetterdatensätze.
8 ZUSAMMENFASSUNG: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Diskussion der technologischen Grenzen eines Nullheizenergiehauses.
Schlüsselwörter
Passivhaus, Nullheizenergiehaus, Solarthermie, Globalstrahlung, Angström-Formel, TSOL, Dimensionierung, Solarkollektor, Langzeitspeicher, Witterungsbedingungen, Heizlast, Holzpelletanlage, Deckungsgrad, Klimadaten, Simulation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung eines bestehenden Passivhauses zu einem sogenannten Nullheizenergiehaus unter ausschließlicher Nutzung von Solarthermie und standortspezifischen Daten.
Welche Themenfelder sind zentral?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der meteorologischen Datenanalyse, der physikalischen Modellierung solarer Einstrahlung und der anlagentechnischen Dimensionierung von Solarsystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es zu untersuchen, ob und unter welchen Bedingungen ein Gebäude ausschließlich durch Solarenergie wärmetechnisch autark betrieben werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine rechnergestützte Simulation (unter Verwendung der Software TSOL) durchgeführt, die auf realen Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes basiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Datensammlung, die Entwicklung von Berechnungsmodellen für die Globalstrahlung und die detaillierte Auslegung der Solaranlage, inklusive Speicher- und Kollektoroptimierung.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlagworte sind Passivhausstandard, Globalstrahlungsmodelle, Solarer Deckungsgrad, Angström-Formel und Langzeitspeicherdimensionierung.
Warum spielt das Jahr 1985 in der Analyse eine besondere Rolle?
Das Jahr 1985 wurde im Rahmen der Arbeit als das ertragsärmste Jahr identifiziert und dient daher als Referenzszenario für die Simulation unter extremen Witterungsbedingungen.
Ist ein Nullheizenergiehaus allein durch Solarthermie wirtschaftlich realisierbar?
Die Ergebnisse zeigen, dass für einen 100%-Grad an Unabhängigkeit exorbitante Speichergrößen und Kollektorflächen nötig wären, was in der Praxis eine Kombination mit anderen Systemen wie Wärmepumpen sinnvoller macht.
- Citar trabajo
- Dipl.- Ing. (FH) Andy Kohl (Autor), 2008, Weiterentwicklung eines Passivhauses zu einem Nullheizenergiehaus unter Verwendung von solaren Langzeitspeichern auf Grundlage standortspezifischer Witterungsbedingungen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186598
