Sonnenhaus und Bauteilaktivierung

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1 Workshop Energieeffiziente Niedrigenergiegebäude Sonnenhaus und Bauteilaktivierung Ergebnisse des Forschungsprojekts Jan Steinweg Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal

2 Ergebnisse des Forschungsprojekts Vergleich der Solarerträge mit Systemsimulationen: Standard Sonnenhaus neues Sonnenhaus Mess- und Simulationsergebnisse aus dem Betrieb Betriebsbeispiele aus Messdaten Leistungsreserven: Stresstest und Erdreichtemperaturen Ausblick: Solar-Direkt-Heizung

3 Vergleich der Solarerträge 3 m² Solar thermal collector m² 3 m² Solar thermal collector m² Thermally activated building slabs (TABS) C First floor Ground floor 7 m³ Fresh water unit Fresh water unit C Radiator C 1 m³ Radiator Heat Storage tank 8 kw 8 kw pump m³ C Heat pump Storage tank m³ Ground heat exchanger Ground heat exchanger SH1: Standard Konzept (mit WP) SH2: Neues Konzept Gebäude: Wetter: Testgebäude (27 m² WFL) Hannover

4 Vergleich Solarertrag Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec SH1: ST 1 Solar gain per sink in kwh Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

5 Vergleich Solarertrag Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec % kleinerer Speicherertrag 1 SH1: ST 1 Solar gain per sink in kwh SH2: ST Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

6 Vergleich Solarertrag Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec SH1: ST 1 6 % kleinerer Speicherertrag 2 % höhere winterliche Solarerträge (Nov-Feb) Solar gain per sink in kwh SH2: TABS SH2: ST Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

7 Vergleich Solarertrag Solar gain per sink in kwh Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec SH1: ST SH2: GHX 6 6 SH2: TABS % kleinerer Speicherertrag 2 % höhere winterliche Solarerträge (Nov-Feb) Schnelle EWK Regeneration und kaum Stagnation 2 2 SH2: ST Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

8 Vergleich Solarertrag Solar gain per sink in kwh Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec SH1: ST SH2: GHX 6 6 SH2: TABS SH2: ST Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 6 % kleinerer Speicherertrag 2 % höhere winterliche Solarerträge (Nov-Feb) Schnelle EWK Regeneration und kaum Stagnation 15 % höherer Solarertrag bei SH2 (24 % inkl. EWK) Kollektornutzungsgrad bei SH2 um 2 % höher Nachheizbedarf bei SH2 um ca. 5% geringer

9 Ergebnisse des Forschungsprojekts Vergleich der Solarerträge mit Systemsimulationen: Standard Sonnenhaus neues Sonnenhaus Mess- und Simulationsergebnisse aus dem Betrieb Betriebsbeispiele aus Messdaten Leistungsreserven: Stresstest und Erdreichtemperaturen Ausblick: Solar-Direkt-Heizung

10 Messdaten Testgebäude Messung 215/16 Messung 216/17 Differenz Jahresmitteltemperatur 1,3 C 1,6 C +3 % Einstrahlung 1146 kwh/m² 1195 kwh/m² +4 % Gradtagzahl 3382 Kd 3263 Kd -4 % Monatliche Einstrahlung in kwh E 215/16 E 216/17 T 216/17 T 215/ Monatsmitteltemperatur in C Vergleichbare meteorologische Messperioden 215/16 und 216/17 Geringere Temp. und Einstrahlung im Winter 216/17

11 Messdaten Testgebäude Messung 215/16 Messung 216/17 Differenz Nutzwärme RH (Rad) 5369 kwh 6394 kwh +2 % Nutzwärme TWW 994 kwh 885 kwh -11 % Solarertrag gesamt 8525 kwh 8971 kwh (274 kwh/m²) (288 kwh/m²) +5 % An BTA 499 kwh (48 %) 3179 kwh (35 %) -22 % An Puffer 2844 kwh (33 %) 3258 kwh (36 %) +15 % An EWK 1295 kwh (15 %) 2188 kwh (24 %) +69 % Solare Deckung 52 % 47 % -1 % Wärme WP Puffer 6438 kwh 7149 kwh +11 % JAZ 3,45 3,4-1 % Strombedarf gesamt 2173 kwh 238 kwh +9 % Gestiegener Wärmebedarf, gesunkener TWW Bedarf Solarertrag: Nicht wieviel sondern wann! Strombedarf von 7,5 kwh/m²a auf 8,1 kwh/m²a gestiegen

12 Vergleich Messergebnisse und Simulation Solar thermal collector m² C Thermally activated building slabs (TABS) First floor Ground floor Fresh water unit Systemsimulationen in TRNSYS Wesentliche Komponenten mit Messdaten validiert Gebäudemodell, Wärmelast, etc. angeglichen Messperiode: 216/ C Heat pump 1 m³ Storage tank m³ Radiator Vergleich von Mess- und Simulationsergebnissen unter vergleichbaren Randbedingungen C Ground heat exchanger

13 Vergleich Messung/Simulation Messung 216/17 Simulation Differenz Solarertrag gesamt 8971 kwh 7868 kwh (288 kwh/m²) (252 kwh/m²a) -12 % An BTA 3179 kwh (35 %) 487 kwh (26 %) +5 % An Puffer 3258 kwh (36 %) 2263 kwh (29% -31 % An EWK 2188 kwh (24 %) 136 kwh (13 %) -52 % Solare Deckung 47 % 48 % +2 % Wärme WP Puffer 7149 kwh 6954 kwh -3 % JAZ 3,4 3,68-8 % Strombedarf gesamt 238 kwh 2139 kwh -1 % Geringerer BTA Ertrag im Testgebäude durch defekten Regelfühler im Testgebäude Schlechtere Pufferschichtung führt zu höherem WP-Wärmebedarf und schlechterer JAZ (11 K höhere WP-Austrittstemperatur in RH-Bereich) Nachbesserungen bei der Regelung Mehr Informationen Steinweg J., Rockendorf G. (216), Annual Performance of a Solar Active House Prototype Comparing Measurement and Simulation, Conference Proceedings EuroSun 216, Palma de Mallorca

14 Ergebnisse des Forschungsprojekts Vergleich der Solarerträge mit Systemsimulationen: Standard Sonnenhaus neues Sonnenhaus Mess- und Simulationsergebnisse aus dem Betrieb Betriebsbeispiele aus der Messperiode Leistungsreserven: Stresstest und Erdreichtemperaturen Ausblick: Solar-Direkt-Heizung

15 Massenstrom in kg/h Solarstrahlung in W/m² Temperatur in C Betriebsbeispiele I Heiterer Frühlingstag Tagesmitteltemp. 9,2 C 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: Massenstrom Erdwärmekollektor 16 Austrittstemperatur Kollektor WP- Betrieb 2. BTA- Betrieb Speichertemperatur NH1 Solarstrahlung Kollektormassenstrom Speicherbeladung 4 2 Massenstrom BTA Eintrittstemperatur BTA 2 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: Uhrzeit

16 Massenstrom in kg/h Stahlung in W/m² Temperatur in C Betriebsbeispiele II Bedeckter Tag Tagesmitteltemp. 6,4 C 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 6 5 Kollektormassenstrom 4 3 Massenstrom BTA Austrittstemperatur Kollektor 2 Solarstrahlung Eintrittstemperatur BTA 1 9: 1: 11: 12: 13: Uhrzeit 14: 15: 16: 17: Betrieb ab ca. 12 W/m² Vorlauftemperaturen von C BTA liefert 2/3 des Wärmebedarfs Kerntemperatur steigt um 3 K

17 Ergebnisse des Forschungsprojekts Vergleich der Solarerträge mit Systemsimulationen: Standard Sonnenhaus neues Sonnenhaus Mess- und Simulationsergebnisse aus dem Betrieb Betriebsbeispiele aus der Messperiode Leistungsreserven: Stresstest und Erdreichtemperaturen Ausblick: Solar-Direkt-Heizung

18 Stresstest Temperature in C 1 5 Energy for space heating in kwh/d Temperature in C 12 1 TABS Radiator Tr,BA Tr,GF Tr,FF Tamb Tr,m Raumtemp GHX-->HP Tsoil,m Tamb T_GHX,in,min T_GHX,out,min Extractedheat from ground in kwh/d -5 Day of the year Day of the year Ziel: Erschöpfung des EWK am Ende der Heizperiode 215/16 EWK-Fläche 5% kleiner, Raumtemperatur +2,5 K: RH Bedarf +36 % Min. EWK-Ein und Austrittstemperaturen fast immer unter C Mittlere Erdreichtemperatur zeigt keinen deutlichen Einbruch Keine messbare Überlastung des EWK während Stresstest

19 Erdreichtemperatur in C Zugeführte bzw. entnommene Erdreichwärme in kwh/d Diagramme Anlagenbetrieb 25 Wärmeentnahme EWK Solarwärme in EWK avgt,erde mint,erde maxt,erde Ta Stresstest Stagnationsschutz außer Betrieb Wärmeentzug WP Stagnationsschutz Apr. 15 Mai. 15 Jun. 15 Jul. 15 Aug. 15 Sep. 15 Okt. 15 Nov. Dez. Jan Feb. Mrz Apr. 16 Mai. 16 Jun. 16 Jul. 16 Aug. 16 Sep. 16 Okt. 16 Nov. Dez. Jan Feb. Mrz Tag des Jahres WP-Betrieb durchschnittlich von Mitte/Ende Okt. bis Mitte/Ende Mrz. Erdreichtemperaturen nie im Frostbereich Kein Heizstabbetrieb wegen Erdreicherschöpfung

20 Praxisbewertung Neues Sonnenhauskonzept Konzeptbewertung: Neues Sonnenhauskonzept funktioniert wie erwartet Etwa 45 % Raumwärmebedarf durch BTA solarthermisch gedeckt Betrieb des kleinen EWK ohne kritische Frostbildung oder Erschöpfung Kaum Stagnation Konzept bereit für Markteinführung, Vereinfachungspotential vorhanden Konzeptunabhängige Kritikpunkte: Speicherverluste und Schichtungseffizienz: Nicht ideal für WP Betrieb Heizkreisvorlauftemperatur schwingt auf: Regelstrecke schlecht abgestimmt Defekte Ventile und Temperatursensor: Ohne Monitoring nicht erkannt Betriebsüberwachung!

21 Ergebnisse des Forschungsprojekts Vergleich der Solarerträge mit Systemsimulationen: Standard Sonnenhaus neues Sonnenhaus Mess- und Simulationsergebnisse aus dem Betrieb Betriebsbeispiele aus der Messperiode Leistungsreserven: Stresstest und Erdreichtemperaturen Ausblick: Solar-Direkt-Heizung

22 Solar-Direkt-Heizung Systemvergleich Neues Sonnenhaus Kombisystem Solar-Direkt-Heizung

23 Solar-Direkt-Heizung Potentialstudie Solar-Direkt-System Vergleich typischer Solar- Kombisysteme mit Systemen mit direkter Solareinbindung Heizsystem: Radiator-/ Flächenheizung (FBH und BTA), Zusatzheizung: Sole- Wärmepumpe/ Gas- Brennwertkessel Kollektorfläche 1 6 m² Speichergröße 1 l (3 l bei Standard- Kombisystem)

24 Solar-Direkt-Heizung Ergebnisse WP Effizienz WP abhängig vom Temperaturniveau der RH: BTA/FBH vorteilhaft Direkte Systeme gleichwertig/ besser als Puffersysteme, Ausnahme: Radiatoren mit hoher Betriebstemperatur Rad + BTA hat höchsten Solarertrag aber auch hohen Energieverbrauch aufgrund geringer Effizienz der WP Institut für Solarenergieforschung Hameln

25 Solar-Direkt-Heizung Ergebnisse Heizkessel Höherer Energieverbrauch als mit WP, da keine Umweltwärme Einfluss der Betriebstemperaturen der RH auf den Nutzungsgrad des Kessels geringer als WP Folge: nur solare Direktheizung von höheren Betriebstemperaturen betroffen Rad + BTA hat höchsten Solarertrag und geringsten Energieverbrauch Institut für Solarenergieforschung Hameln Mehr Informationen Glembin J., Haselhorst T., Steinweg J., Nutzung des Gebäudes als Wärmespeicher durch direkte Integration von Sonnenwärme in die Raumheizung, 26. Symposium thermische Solarenergie, , Bad Staffelstein, 216

26 Solar-Direkt-Heizung Technisches Potential Solar-Direkt-Systeme sind genauso effizient wie Sonnenhauskonzept, wenn das Heizsystem auf geringem Temperaturniveau arbeitet und das Pufferspeichervolumen klein ist. 5% solare Deckung: 3 m² Koll. + 3 l Speicher oder + 1 l Speicher und direkter Solarbeheizung Institut für Solarenergieforschung Hameln

27 Fazit Theoretisch entwickeltes Sonnenhauskonzept konnte Funktion als Prototyp erfolgreich unter Beweis stellen Sehr geringer End- (8 kwh/m²a) und Primärenergiebedarf (14 kwh/m²a) Kombination ST+BTA vielversprechend - Im Mittel 2 % höhere winterliche Solarerträge - 2 % höherer Kollektornutzungsgrad - BTA kann auch im Wohnungsbau als alleiniges Heizsystem betrieben werden Systemvereinfachungen wie die Solar-Direkt-Heizung können Berührungsängste und Kosten weiter senken Gebäude als Speichermasse funktioniert nicht nur für EFH, sondern auch für MFH und Industriegebäude Weiteres Potential für Entwicklung und Optimierung

28 Vielen Dank! Vielen Dank für die gute Zusammenarbeit an unsere Projektpartner Vielen Dank an das BMWi für die Projektförderung (FKZ ) und an das PTJ für die Projektbegleitung Präsentationen in Kürze auf