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Rechner: Solar

Solarthermie-Rechner: Kollektorfläche, Speichergröße, solarer Deckungsgrad und Ersparnis

Legt eine solare Warmwasseranlage nach dem f-Chart-Verfahren aus, das auch Ingenieure nutzen, gespeist mit NASA-Klimadaten für deinen Standort: monatlicher Deckungsgrad, Ersparnis gegenüber Strom, Gas oder Wärmepumpe und Amortisation.

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Ergebnisse

4 m² Kollektoren (Flachkollektor, selektiver Absorber) decken 61 % des Warmwasserbedarfs von 3.411 kWh/Jahr: 91 % im besten Monat, 23 % im dunkelsten. Gegenüber deiner bisherigen Warmwasserbereitung (Elektroheizstab) sparst du damit rund 507 €/Jahr, die Anlage amortisiert sich in 6,9 Jahren.
Solarer Deckungsgrad (Jahr)
61%
2.097 kWh von 3.411 kWh
Gelieferte Solarwärme
2.097kWh/Jahr
524 kWh pro m² Kollektor
Wärmebedarf für Warmwasser
3.411kWh/Jahr
inkl. 631 kWh Bereitschaftsverluste des Speichers
Weiterhin nötige Nachheizenergie
1.314kWh/Jahr
Elektroheizstab, Wirkungsgrad/COP 1
Jährliche Ersparnis
507 €
nach 68 kWh Pumpenstrom
Amortisation
6 J. 11 Mon.
IRR 14,4 % · Kapitalwert 3.663 €
Vermiedenes CO₂
0,81t/Jahr
16,2 t über 20 Jahre
Speicher pro m² Kollektor
50L/m²
50–75 L/m² sind ideal
Monate mit ~100 % Solar
2
Jul, Aug: Stagnation einplanen
Täglicher Warmwasserbedarf
200L bei 45 °C
1 Speichervolumen pro Tag
Monatliche Warmwasserwärme: Solar und Nachheizung
Kollektorfläche und solarer Deckungsgrad

Monatliche f-Chart-Ergebnisse

MonatSonne auf dem Kollektor (kWh/m²/Tag)Kaltwasser °CBedarf (kWh)Solarer DeckungsgradSolar (kWh)
Jan2,376,433228%94
Feb3,346,629946%137
Mär4,38,431862%198
Apr5,0810,829075%219
Mai5,4213,428183%233
Jun5,5115,825687%221
Jul5,7717,425391%230
Aug5,811824891%227
Sep5,0216,724980%199
Okt3,9713,927861%171
Nov2,51128934%97
Dez2,048,231923%72

Auslegungsvarianten (Speicher ≥ 50 L/m²)

KollektorSpeicher (L)Solarer DeckungsgradkWh/JahrkWh pro m²
1 m²20023%785785
2 m²20040%1.365683
3 m²20053%1.792597
4 m² ◀20061%2.097524
5 m²25068%2.312462
6 m²30072%2.451408
8 m²40077%2.618327
10 m²50080%2.731273
12 m²60082%2.813234
  • Klima: langjährige NASA-POWER-Monatswerte für Einstrahlung und Temperatur bei 44,43, 26,1 (hinterlegte Standarddaten für das Vorab-Rendering), umgerechnet auf 45° / 180° (Hay–Davies). Die Kaltwassertemperatur folgt der gedämpften Lufttemperatur mit einem Monat Verzögerung.
  • Verfahren: monatliches f-Chart für Flüssigkeitsanlagen mit Korrektur für Speichergröße und Warmwassertemperatur; Kollektor F_R(τα) = 0,693, F_R·U_L = 3,92 W/m²K.
  • f-Chart wurde für Flachkollektoren entwickelt. Für Vakuumröhren ist es eine brauchbare Näherung (meist auf ±5 Prozentpunkte genau).

So funktioniert der Solarthermie-Rechner

Eine Solarthermieanlage ist schwerer auszulegen als eine PV-Anlage, weil ihr Ertrag vom Verbrauch abhängt. Ist der Speicher schon warm, liefert der Kollektor weniger Wärme, und hat er die Solltemperatur erreicht, gar keine mehr. Wer nicht stündlich simuliert, bildet dieses Zusammenspiel üblicherweise mit der f-Chart-Methode von Klein, Beckman und Duffie ab. Der Rechner setzt sie für Warmwasseranlagen mit flüssigem Wärmeträger vollständig um.

Für jeden Monat:

  1. ermittelt er die Heizlast: die Energie, um dein tägliches Warmwasser von der Kaltwassertemperatur auf 45 °C zu bringen, plus die Bereitschaftsverluste des Speichers;
  2. berechnet er die Einstrahlung auf den Kollektor aus den langjährigen Klimadaten von NASA POWER für deinen Standort, umgerechnet auf deine Neigung und Ausrichtung;
  3. bildet er die beiden f-Chart-Kennzahlen X (Kollektorverluste im Verhältnis zur Last) und Y (absorbiertes Sonnenlicht im Verhältnis zur Last), korrigiert um das Speichervolumen pro m² Kollektor und die Warm- und Kaltwassertemperaturen;
  4. liest er den monatlichen Solaranteil f aus der f-Chart-Korrelation ab und multipliziert ihn mit der Last.

Die Kaltwassertemperatur folgt der Außentemperatur, gedämpft und um etwa einen Monat verzögert, so wie es erdverlegte Wasserleitungen tun. Die Ersparnis rechnet der Rechner gegen den Wirkungsgrad (oder COP) und den Energiepreis deiner bisherigen Warmwasserbereitung, abzüglich des Pumpenstroms.

Die Formeln

L = m_water × c_p × (45 °C − T_mains) + UA_tank × (T_tank − T_room) × Δt X = A × F_R'U_L × (100 °C − T_air) × Δt ÷ L × (V/A ÷ 75)^−0.25 × (11.6 + 1.18 T_w + 3.86 T_m − 2.32 T_a) ÷ (100 − T_a) Y = A × F_R'(τα) × H_T × N ÷ L f = 1.029 Y − 0.065 X − 0.245 Y² + 0.0018 X² + 0.0215 Y³ (0 ≤ f ≤ 1)

F_R(τα) und F_R·U_L leiten sich aus den Prüfkennwerten des Kollektors ab (η0, a1, a2 nach EN ISO 9806), dazu kommen ein mittlerer Einfallswinkel-Korrekturfaktor und ein Abschlag für den Wärmetauscher bei indirekten Kreisen.

Rechenbeispiel: vierköpfige Familie bei Bukarest

Vier Personen, die täglich je 50 L Wasser mit 45 °C verbrauchen, brauchen rund 2.780 kWh Wärme im Jahr. Ein 200-L-Speicher, der bei 55 °C in einem 15 °C warmen Raum steht, verliert zusätzlich etwa 630 kWh. Die Gesamtlast liegt damit bei 3.411 kWh.

Vier Quadratmeter selektiv beschichtete Flachkollektoren mit 45° Neigung nach Süden, indirektem Glykolkreis und 8 % Leitungsverlusten liefern rund 2.100 kWh im Jahr, ein Solaranteil von 61 %, also 524 kWh pro m². Die Monatswerte reichen von etwa 90 % im Juli und August bis 23 % im Dezember. Gegenüber Strom zu 0,25 €/kWh spart die Anlage nach Abzug von 68 kWh Pumpenstrom etwa 507 € im Jahr. Eine Installation für 3.500 € hat sich so in rund sieben Jahren bezahlt gemacht, und jährlich werden etwa 0,8 t CO₂ vermieden.

Die Tabelle zur Dimensionierung zeigt, wie schnell der Zusatznutzen schrumpft: 2 m² bringen 40 %, 6 m² 72 % und 8 m² nur noch 77 %, während der Ertrag pro m² von 680 auf 330 kWh fällt.

So liest du die Ergebnisse

  • Solaranteil ist der Anteil der Wärmelast für Warmwasser, den die Sonne übers Jahr deckt.
  • kWh pro m² zeigt, wie viel jeder Quadratmeter leistet. 400–600 kWh/m² sind für gut ausgelegte Hausanlagen in Europa typisch; niedrigere Werte deuten auf Überdimensionierung hin.
  • Monate mit ~100 % Solaranteil weisen auf Stillstand des Kollektors hin: Die Anlage muss mit Wärme klarkommen, die sie nicht nutzen kann (Ausdehnungsgefäß, hochtemperaturfestes Glykol oder eine Wärmeabfuhr).
  • Speicher pro m² sollte meist bei 50–75 L/m² liegen. Deutlich weniger führt zu Überhitzung, deutlich mehr hält den Speicher nur lauwarm.

Typische Werte

Klima Kollektor pro Person Typischer Solaranteil Ertrag pro m² (Flachkollektor)
Nordeuropa (55° N) 1,2–1,8 m² 40–55 % 300–450 kWh
Mitteleuropa (48–52° N) 1,0–1,5 m² 50–65 % 350–500 kWh
Südosteuropa, Norden der USA 0,9–1,2 m² 55–70 % 450–600 kWh
Mittelmeerraum, Kalifornien 0,6–1,0 m² 70–85 % 550–750 kWh
Sonnengürtel, Naher Osten 0,5–0,8 m² 80–95 % 600–850 kWh

Tipps für mehr Ertrag aus Solarthermie

  • Steiler neigen als bei PV. 45–60° gleichen den Ertrag zwischen Sommerüberschuss und Winterlücke aus; siehe den Neigungswinkel-Rechner.
  • Speicher und Leitungen dämmen. Bereitschaftsverluste machen oft 15–25 % der Last aus. Ein besser gedämmter Speicher (kleinerer UA-Wert) hebt den Solaranteil unmittelbar.
  • Die Solltemperatur vernünftig wählen. 55–60 °C schützen vor Legionellen; höhere Temperaturen erhöhen die Verluste und senken den Kollektorwirkungsgrad.
  • Warmwasser nachmittags oder abends nutzen, wenn der Kollektor den Speicher geladen hat, statt gleich morgens.
  • Mit PV vergleichen. Seit Module so billig sind, kann eine PV-Anlage mit Warmwasser-Wärmepumpe ähnlich viel sparen, mit weniger Rohrleitungen. Prüfe das mit dem Wärmepumpen-Rechner und dem Solarrechner.

Grenzen des Modells

f-Chart wurde für Flachkollektoren mit gut durchmischtem Speicher korreliert. Bei Vakuumröhren, Schichtenspeichern, Thermosiphon- und Drain-Back-Anlagen können die Ergebnisse um einige Prozentpunkte abweichen. Langjährige Monatsmittel glätten die Schwankungen von Jahr zu Jahr (±5–10 %). Der Warmwasserverbrauch wird übers Jahr als konstant angenommen. Verschattung, Verschmutzung der Kollektoren und Details der Regelung bildet der Rechner nicht ab, und die Kosten hängen stark von Land und Installateur ab.

Methode & Annahmen

Monatlicher Wärmebedarf L = Warmwasser (kg) × 4,186 kJ/kg·K × (45 °C − Kaltwassertemperatur) + Bereitschaftsverlust des Speichers UA × (T_Speicher − T_Raum) × Stunden. Die monatliche Einstrahlung auf den Kollektor stammt aus der NASA-POWER-Klimatologie, umgerechnet auf die geneigte Fläche.

f-Chart (Klein, Beckman & Duffie, 1976): X = A·F_R'U_L·(100 − T_a)·Δt ÷ L und Y = A·F_R'(τα)·H_T·N ÷ L, wobei X für das Speichervolumen ((L/m² ÷ 75)^−0,25) und die Warmwassertemperatur korrigiert wird. f = 1,029Y − 0,065X − 0,245Y² + 0,0018X² + 0,0215Y³, begrenzt auf 0–1. Solarertrag = Σ f·L × (1 − Rohrleitungsverluste). Ersparnis = Solarertrag ÷ Wirkungsgrad der Nachheizung × Preis − Pumpenstrom.

Häufige Fragen

Wie groß muss meine Solarthermieanlage sein?
Als Ausgangspunkt rechnest du in Mittel- und Südeuropa oder im Norden der USA mit etwa 1–1,5 m² Flachkollektor und 50–75 Litern Speicher pro Person, in sonnigem Klima mit 0,6–1 m² pro Person. Eine vierköpfige Familie kommt meist mit 4 m² Kollektor und einem Speicher von 200–300 L aus. In mittleren Breiten deckt das in der Regel 55–70 % der Jahreswärme für Warmwasser, im Sonnengürtel 80–90 %.
Welcher Solaranteil ist für eine Solarthermieanlage sinnvoll?
In gemäßigtem Klima planen Fachleute meist mit 50–70 % pro Jahr. Wer 90 % oder mehr will, braucht einen viel größeren Kollektor, der im Sommer ungenutzt herumsteht und überhitzt; jede zusätzliche kWh wird dann sehr teuer. Kostengünstig ausgelegte Anlagen in Mitteleuropa decken im Sommer fast den gesamten Bedarf und im Winter 15–30 %.
Sind Vakuumröhrenkollektoren besser als Flachkollektoren?
Pro Quadratmeter Aperturfläche verlieren Vakuumröhren weniger Wärme und arbeiten bei Kälte oder hohen Temperaturen besser. Flachkollektoren haben einen höheren optischen Wirkungsgrad und kosten weniger. Für Warmwasser in mildem und sonnigem Klima schneiden sie deshalb genauso gut oder besser ab. Vergleiche beide Bauarten über die Option Kollektortyp für deinen Standort.
Wie viel Geld spart eine Solarthermieanlage?
Sie ersetzt die Energie, die dein bisheriger Warmwasserbereiter verbraucht hätte. Liefert die Anlage 2.000 kWh Wärme im Jahr, spart sie gegenüber einem Heizstab 2.000 kWh Strom (rund 500 € bei 0,25 €/kWh). Gegenüber einem effizienten Gas-Brennwertkessel sind es nur etwa 200 €, gegenüber einer Warmwasser-Wärmepumpe mit COP 2,8 rund 180 €.
Was ist die f-Chart-Methode?
f-Chart ist ein Auslegungsverfahren, das in den 1970er-Jahren an der University of Wisconsin aus Tausenden stündlicher Simulationen entstand. Es verknüpft den monatlichen Solaranteil mit zwei dimensionslosen Kennzahlen: dem Verhältnis der Kollektorwärmeverluste zur Heizlast (X) und dem Verhältnis der absorbierten Sonnenenergie zur Last (Y). Für die Auslegung solarer Warmwasseranlagen ist es bis heute ein Standardwerkzeug.
Funktioniert Solarthermie im Winter?
Ja, aber mit deutlich weniger Ertrag. Im Dezember erhält ein gut geneigter Kollektor in Mitteleuropa nur ein Drittel bis ein Viertel der Einstrahlung vom Juli, und das kalte Wasser, das in den Speicher nachläuft, muss stärker erwärmt werden. Anlagen mit Frostschutzmittel (Glykol) im Solarkreis oder Drain-Back-Systeme laufen auch bei Frost sicher; die Nachheizung deckt den Rest.

Quellen & Literatur

  1. Klein, S.A., Beckman, W.A. & Duffie, J.A. (1976). A design procedure for solar heating systems. Solar Energy 18(2)
  2. Duffie, J.A. & Beckman, W.A. — Solar Engineering of Thermal Processes, 4th ed., Wiley (f-Chart, Kapitel 20)
  3. IEA Solar Heating & Cooling Programme — Solar Heat Worldwide (jährlicher Markt- und Ertragsbericht)
  4. NASA POWER — langjährige monatliche Solar- und Klimadaten

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