Photovoltaik und Solarthermie aus DWD-Testreferenzjahren

Sonnenstand: Für jede Stunde des Testreferenzjahres wird der Sonnenstand zur Stundenmitte berechnet (DWD-Zeitstempel HH steht für das Ende der Stunde in MEZ)^[1],[2],[3], mit Deklination und Zeitgleichung nach Spencer^[5] und dem Einfallswinkel nach Duffie und Beckman^[6]. Breite und Länge stammen aus der Gitterzelle im Dateikopf (EPSG:3034)^[4].

Strahlung auf die geneigte Fläche: Anisotropes Himmelsmodell nach Hay und Davies^[7],[8]: G_T = B_n·cosθ + D·[A_i·R_b + (1−A_i)·(1+cosβ)/2] + (B+D)·ρ·(1−cosβ)/2 mit Anisotropie-Index A_i = B_n / I_0 und Bodenalbedo ρ = 0,2. Bei Sonnenhöhen unter 2° wird die Direktstrahlung als diffus behandelt.

Einfallswinkel: K(θ) = 1 − b₀·(1/cosθ − 1) für den Direktanteil; für Himmels- und Bodenstrahlung gelten die effektiven Einfallswinkel nach Brandemuehl und Beckman^[9].

Photovoltaik: Zelltemperatur T_Z = T_L + (NOCT − 20)·G/800^[6], Leistung P = n·P_STC·G/1000·(1 + γ·(T_Z − 25))·(1 + 0,02·ln(G/1000)), abzüglich DC-Verlusten; AC-seitig mit europäischem Wirkungsgrad. Jeder Wechselrichter begrenzt nur den an ihm angeschlossenen Anteil auf seine Nennleistung.

Verschaltung: Die höchste Stringlänge ergibt sich aus der Leerlaufspannung bei der kalten Auslegungstemperatur und der oberen MPP-Grenze, die niedrigste aus der MPP-Spannung der heißen Zelle und der unteren MPP-Grenze. Die Module werden auf möglichst wenige, möglichst gleich lange Strings verteilt; gleich lange Strings werden parallel auf einen MPP-Tracker gelegt, solange der MPP-Strom und der 1,25-fache Kurzschlussstrom (IEC 60364-7-712 / DIN VDE 0100-712^[11]; Auslegungsgrundsätze des PV-Generators nach IEC 62548-1^[12]) die Grenzen des Eingangs einhalten. Als kalte Auslegungstemperatur ist −20 °C voreingestellt, die übliche Faustregel für Deutschland^[13]; liegt die tiefste Lufttemperatur des Testreferenzjahres darunter, wird sie übernommen. Für die MPP-Spannung bei Kälte und Hitze wird näherungsweise der Temperaturkoeffizient der Leistung verwendet. Die Zahl der Wechselrichter folgt aus der Zahl der benötigten Tracker; je Gerät wird die Baugröße gewählt, deren DC/AC-Verhältnis dem Zielwert am nächsten kommt. Voreingestellt ist 1,10, am oberen Rand der üblichen Empfehlung, den Wechselrichter mit 90 bis 110 % der Generatorleistung auszulegen^[14]; die Obergrenze von 1,3 ist eine Annahme dieses Tools.

Solarthermie: Kollektorgleichung nach DIN EN ISO 9806:2025^[10]: q = η₀·G_K − a₁·(T_m − T_L) − a₂·(T_m − T_L)², nur positive Werte, mit pauschalen Rohrleitungsverlusten.

Speichermodell (Standard): Der Trinkwasserspeicher wird in zehn übereinanderliegende Schichten geteilt. Der Solar-Wärmetauscher liegt im unteren Drittel; die Kollektor-Eintrittstemperatur ist die Temperatur der untersten Schicht plus einer Grädigkeit, die mit der Solarleistung wächst. Gerechnet wird in Viertelstundenschritten; wärmeres Wasser unter kälterem wird sofort vermischt. Gezapft wird oben mit Beimischung auf die Zapftemperatur, Kaltwasser strömt unten nach (Pfropfenströmung). Die Nachheizung hält den oberen Bereitschaftsteil auf Solltemperatur. Die Warmhalteverluste entsprechen ohne eigene Angabe der Effizienzklasse B (Verordnung (EU) 812/2013)^[15].

Solarregelung: Zweipunktregler mit Ein- und Ausschaltdifferenz zwischen Kollektor und Speicher unten; voreingestellt sind 6 K und 3 K, gängige Regler schalten bei etwa 5 K ein und 2 K aus^[16]. Bei stehender Pumpe nähert sich die Kollektortemperatur mit ihrer Wärmekapazität (Kollektor und Inhalt der Solarleitung) der Stillstandstemperatur an; die Pumpe startet erst, wenn der Kollektor um die Einschaltdifferenz wärmer ist als der Speicher, und stoppt, wenn die Austrittstemperatur weniger als die Ausschaltdifferenz über der Speichertemperatur liegt. Beim Anfahren gelangt der Wärmeinhalt des aufgeheizten Kreises in den Speicher, ein kalter Kreis kühlt ihn dagegen. Erreicht der Wärmetauscherbereich die Höchsttemperatur, bleibt die Pumpe aus (Stillstand).

Zirkulation: Wärmeverlust der Zirkulationsleitung als Länge × Verlustkoeffizient × (Speichertemperatur oben − Umgebung), während der gewählten Laufzeit aus dem Bereitschaftsteil gedeckt. Ein heißer Solarspeicher erhöht diesen Verlust. Zirkulationsverluste machen in der Praxis 25 bis 50 % und mehr des Energiebedarfs für Warmwasser aus^[18]; ein Einfamilienhaus-Beispiel mit 16 h Laufzeit weist 462 kWh/a aus^[17].

Legionellenschaltung: Zur gewählten Zeit (17 Uhr, damit Solarwärme mitgenutzt wird) erwärmt die Nachheizung den gesamten Speicher auf die Desinfektionstemperatur. Nach DVGW W 551 ist sie in Ein- und Zweifamilienhäusern (Kleinanlagen) nicht vorgeschrieben^[19]; der DVGW hält sie dort für abschaltbar, sofern mindestens 50 °C gehalten werden^[20].

Solare Nutzwärme und Deckungsanteil: Dieselbe Anlage wird zusätzlich ohne Kollektoren gerechnet, mit gleicher Zirkulation und Legionellenschaltung. Die Differenz der Nachheizenergie ist die solare Nutzwärme; bezogen auf die Nachheizung ohne Solaranlage ergibt sie den Deckungsanteil als Energieeinsparung. Zum Vergleich mit Herstellerangaben steht daneben der Solaranteil am gesamten Wärmeeintrag in den Speicher, Q_sol / (Q_sol + Q_Nachheizung). Mit „feste Kollektortemperatur“ lässt sich weiterhin die Leistungsfähigkeit des Kollektorfelds ohne Speichereinfluss ausweisen.

Vergleich mit Erfahrungswerten: Mit den Voreinstellungen (Bahlingen a. K., drei Flachkollektoren mit 6,9 m², 400 l, vier Personen) ergeben sich rund 71 % Energieeinsparung und rund 350 kWh je m² Kollektorfläche. Übliche Auslegungen für Warmwasser zielen auf etwa 60 % Deckung bei rund 30 l je Person und Tag nach VDI 6002^[21]; genannt werden 50 bis 65 % und 300 bis 500 kWh/(m²·a)^[22] sowie 40 bis 60 %^[23]. Bei hoher Deckung liefern Flachkollektoren im Mittelland 350 bis 450 kWh/(m²·a)^[24]. Die Ergebnisse liegen damit im Rahmen der Praxiswerte, wegen des sonnigen Standorts und der etwas größeren Fläche am oberen Rand.