Nutzer-Seminar - Solarenergie

Transkript

1 Nutzer-Seminar - Solarenergie Sebastian Burhenne, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg, den Folie 1

2 Agenda Einführung Passive Solarenergienutzung Aktive Solarenergienutzung Vorstellung von Projekten Zusammenfassung Diskussion Folie 2

3 Überblick Fraunhofer ISE Rund 1000 Mitarbeiter Über m² Büros, Laboratorien und Testgelände Geschäftsfeld Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Marktbereich Gebäudekonzepte, Analyse, Betrieb (rund 40 Personen) Gebäudekonzepte Gebäudeanalyse und betrieb Energie-Versorgungsanlagen für Wohngebäude

4 Übersicht Solarenergienutzung in Gebäuden Solarenergienutzung passiv aktiv Fenster Wände Solarthermie Photovoltaik Raumheizung Warmwasserbereitung Kälteerzeugung

5 Reduktion des Heizwärmebedarfs Energieeffizienz (Heizung, Strom) Passive Solarenergienutzung (Orientierung, Fenster) Aktive Solarenergienutzung (Solarthermie, PV) Optimierte Gebäudehülle (Verglasung, Dämmung)

6 Einflüsse auf den Energieverbrauch eines Gebäudes Geometrie (Kompaktheit A/V) Standort / Klima Orientierung Konstruktion Versorgung Nutzung / Nutzer Quelle: Hirsch, Lohr [Hrsg.] 1996: Energiegerechtes Bauen und Modernisieren. Grundlagen und Beispiele für Architekten, Ingenieure und Bewohner. Birkhäuser Verlag.

7 Fensterflächenanteil Quelle: Hirsch, Lohr [Hrsg.] 1996: Energiegerechtes Bauen und Modernisieren. Grundlagen und Beispiele für Architekten, Ingenieure und Bewohner. Birkhäuser Verlag.

8 Passive Solarenergienutzung Solarhaus Gundelfingen

9 Zusammenfassung passive Solarenergienutzung Solare Gewinne durch Bauteile (Fenster, Wände, transparente Wärmedämmung) Sommerlicher Wärmeschutz ist wichtig Speichermasse in Gebäude ist entscheidendes Kriterium Am besten sind vertikale Flächen geeignet (Orientierung) , ca. 13 Uhr , ca. 13 Uhr

10 Photovoltaik & Solarthermie Solarstromanlagen / Photovoltaik Wirkungsgrade: 10% bis 15% Investition ca. 450 bis 500,- pro m² 7,50 pro kg CO 2 -Einsparung Amortisationszeiten: 10 bis 12 Jahre Solarthermische Anlagen Wirkungsgrade: 35% bis >50% Investition ca. 500,- bis pro m² 3,50 bis 10,50 pro kg CO 2 -Einsparung Amortisationszeiten: 10 bis 30 Jahre Wärmepreis ca. 0,10 bis ca. 0,25 /kwh Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

11 Solarstrahlung in Deutschland

12 Anwendungsgebiete Schwimmbäder / Hallenbäder, wirtschaftlich lukrativ Warmwasserbereitung: Hauptanwendungsgebiet, wirtschaftlich einsetzbar in Mehrfamilienhäusern > 5 WE. Heizungsunterstützung: Anwendungsbereich mit hohen Zuwachsraten, Wirtschaftlichkeit vergleichbar mit reiner WW-Bereitung. Prozesswärme & solare Kühlung: Seltene Anwendung, nur im Rahmen von Pilotprojekten 100% Energieversorgung: sportliche Herausforderung, meist nur > 95% Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

13 Grundsätze: Planung von Solaranlagen Systemtemperaturen: Je niedriger die Betriebstemperatur, desto höher der Ertrag. Bruttowärmeertrag bei 30 K: 100% Bruttowärmeertrag bei 50 K: 80 % Orientierung: Ideal: Süd 30 bis 45 : 100% Süd-Ost / Süd-West: ca. 90 % / 95% Ost / West: ca. 75 % / 83% Neigung: Ideal: Süd 30 bis 45 Süd: 60 : ca. 95 % Süd: 15 : ca. 90 % Planung mittels professioneller Simulationsprogramme: Polysun, TRNSYS, IDA-ICE etc. Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

14 Flachkollektor

15 Vakuumröhrenkollektor

16 Auswahl der Kollektortechnologie

17 Warmwasserbereitung

18 Planungshinweise: Solare Warmwasserbereitung Maßnahmen zur Energieeinsparung prüfen: Reduktion von Zirkulationswärmeverlusten: (kleine Rohrquerschnitte, kurze Wege, wenige Steigstränge) 200% Wärmedämmung bei Wärmeverteilung niedrige Systemtemperaturen wo möglich Eingeschränkte Betriebszeiten der Zirkulationspumpe soweit möglich

19 DVGW W 551 Geltungsbereich / Anliegen: Anliegen: Verminderung des Legionellenwachstums in Trinkwasser- Installationen, in denen erwärmtes Trinkwasser erzeugt wird. Geltungsbereich Großanlagen: Trinkwasserspeicher > 400 l oder Rohrleitungsinhalt zwischen Abgang Trinkwassererwärmer und Entnahmestelle > 3 l. (DN 20: max. 9,5 m / DN 15: max: 17 m abzüglich sonstige Einbauten) Damit gelten mit Ausnahme kleiner EFH alle Anlangen in Wohngebäuden als Großanlagen.

20 DVGW W 551 Vorgaben für Großanlagen nach DVGW W 551: Wasserinhalt Vorwärmespeicher 1 x pro Tag auf 60 C Am Warmwasseraustritt müssen 60 C eingehalten werden Die Trinkwassertemperatur darf an keiner Stelle der Anlage unter 55 C abfallen. Zirkulation darf nicht länger als 8 Stunden täglich unterbrochen sein.

21 Wärmeschutz & Wärmeverteilung gedämmte: Rohrbefestigung Erhöhte Dämmung Pufferspeicher: 16 cm Quelle für die Bilder: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

22 Neigung & Orientierung: Warmwasserbereitung

23 Planungshinweise: Solare Warmwasserbereitung Auslegungskennwerte: 1 bis 3-Familienhäuser: Kollektorfläche: ca. 1,2 m² pro Person Speicher: ca. 70 l pro m² Kollektorfläche Kosten: ca. 900,- bis /m² Mehrfamilienhäuser: Kollektorfläche: ca. 0,6 bis 1,0 m² pro Person Speicher: ca. 60 l pro m² Kollektorfläche Kosten: ca. 400,- bis 800 /m² Empfehlungen : Anlangen bis 3-Familienhäuser: Verwendung von Gesamtsystemen (Kollektor, Speicher, Regelung, etc.) eines Herstellers. Fachhandwerk sollte mit dem gewählten Produkt Erfahrung haben. Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

24 Heizungsunterstützung

25 Planungshinweise: Solare Heizungsunterstützung Maßnahmen zur Energieeinsparung prüfen: Wärmeschutz am Gebäude entsprechend folgender Richtwerte: Dämmstärken: Erdreich (12 cm), Außenwand (20 cm), Dach (30 cm), Einsatz von Wärmeschutzverglasung. Einsatz energiesparender / umweltfreundlicher Energieerzeuger: Brennwertnutzung, Biomasse, Kraft-Wärme-Kopplung. 200% Wärmedämmung bei Wärmeverteilung Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

26 Heizung & Warmwasser Kombispeicher mit integriertem Speicher

27 Heizung & Warmwasser: Frischwassersystem / Durchlauferwärmer

28 Neigung & Orientierung: Solare Heizungsunterstützung

29 Planungshinweise: Solare Heizungsunterstützung Grobe Auslegungskenndaten: Heizungsunterstützung nur bei gut wärmegedämmten Gebäuden (Niedrigenergiehaus, KFW 60-Standard,...) 1 m² Kollektor auf ca. 15 m² Wohnfläche + Kollektoranteil für WW-Bereitung (z.b. 1,2 m² pro Person) 70 l Speicher pro m² Kollektor Spezifische Anlagenkosten: ca. 800,- /m² Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

30 Hinweise zum Betrieb von Solaranlagen Lebensdauer: Bei richtiger Planung und bewährten Komponenten > 25 Jahre Sicherung langfristiger Produktqualität: Einsatz von langjährig marktgängigen Komponenten Qualitätslabel nach EN Zusammenarbeit mit langjährig erfahrenen, qualifizierten und motivierten Handwerkern.

31 Häufige Fehlerquellen Stillstandssicherheit: Problematik: ab 130 C verdampft Solarflüssigkeit Anlagen bis 3-Fam.-Häuser: Bei bewährten Systemherstellern kein Problem. Großanlagen: Einsatz von großzügigen Ausdehnungsgefäßen, korrekte Leitungsführung, richtige Platzierung des Kollektorfühlers, flexible Verbindung zwischen d. Kollektoren, uvm. Solarleitungen: UV-Schutz, Regenschutz, Schutz vor Vogelfraß mittels Kunststoffrohren, Blechmantel o.ä, Dämmung: wasserdicht und hochtemperaturbeständig (> 150 C)

32 Empfehlungen Aufstellfläche: Verschattungsfreiheit muss gewährleistet sein Orientierung Süd +/- 90 sind unproblematisch Neigungen: 15 bis 50 sind unproblematisch Möglichkeiten zur Energieeinsparung genau prüfen und ggf. zuerst ausführen. Wirtschaftlichkeit: Großanlagen > 30 m² sind wirtschaftlich konkurrenzfähig bei Ölpreisen > 0,60 /l. Lebensdauer > 25 Jahre bei korrekter Planung und Ausführung Quelle für die Kennzahlen: Martin Ufheil (2010), solares Bauen GmbH, Freiburg

33 Förderung von Solaranlagen Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle fördert thermische Solaranlagen (auch Biomasseanlagen oder Wärmepumpen) im Rahmen des Marktanreizprogramms Anlagen zur Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung bis zu einer Größe von 40 m²: 90,- pro m² (mindestens 9 m² Flachkollektor und mindestens 40 Liter Speichervolumen je m² Bruttokollektorfläche, 7m² Vakuumröhrenkollektor und mindestens 50 Liter Speichervolumen je m² Bruttokollektorfläche) Weitere Informationen und Fördermöglichkeiten unter:

34 Vorstellung von Projekten

35 Energieautarkes Solarhaus 1991, Freiburg Ziele: Energieautarkie Reine solare Versorgung Forschungsgebäude im Realbetrieb Technologieentwicklung/ Technologieträger

36 Energieautarkes Solarhaus 1991, Freiburg Technologien: U-Wert Fenster 0,5 W/m²K N Solarkollektoren Photovoltaik Wasserstoff zum Heizen und Kochen µ-kwk: Brennstoffzelle Grundriss

37 Passivhaus Wohnen und Arbeiten 1999, Freiburg Versorgung: Flachkollektoren PV Anlage Blockheizkraftwerk Zentrale Lüftungsanlage

38 Nullenergie- / Plusenergiegebäude Nullenergie Bilanzieller Ausgleich von erzeugter und verbrauchter Energie (PV- Anlage, BHKW) Plusenergie Bilanzieller Überschuss von erzeugter zu verbrauchter Energie Bild: Solar- Nullenergiehaus, Emmendingen

39 Versorgungsstrategie Nullenergie-/ Plusenergiegebäude Gutschriften aus Stromeinspeisung von KWK oder PV Bilanzieller Ausgleich über das Jahr aus verbrauchter und erzeugter Energie (Primärenergie) Dezentrale Erzeugung Reduzierung des Bedarfs

40 Solar- Nullenergiehaus 1999, Emmendingen Bild: Solar- Nullenergiehaus, Emmendingen

41 Solar- Nullenergiehaus 1999, Emmendingen Notwendige PV- Flächen für bilanziellen Ausgleich des erzeugten und verbrauchten Stroms HH- Stromverbrauch: 16 m² PV TGA- Verbrauch: 13 m² PV

42 Solar- Passivhäuser Neuenburg 723 m² WF verteilt auf 7 Reihenhäuser Kern in Massivbau, Außenwände als Holzleichtbau: UAW = 0.12 W/m²K UFenster = 0.80 W/m²K gfenster = X 5 m² Solarkollektor, 7 X 60 m Erdregister 7 Lüftungs-Kompaktgeräte

43 Energieverbrauch Gleicher Verbrauch für Warmwasser und Heizung Größter Verbrauch durch HH- Strom Nutzenergie Stromverbrauch

44 Rislerstrasse, Freiburg Baujahr:1961 Sanierung: 2005 Beheizte Wohnfläche: 1230 m² bzw m² Gebäudenutzfläche A N nach EnEV: 1630 m² bzw m² Wohneinheiten 18 bzw. 24

45 Sanierungskonzept bauliche Maßnahmen Dämmung der Außenwände, Dachboden, Kellerdecke Verglasung: KfW40: 3- fach Verglasung KfW60: 2- fach Verglasung Transmissionswärmeverlust KfW40: H T =0,27 W/m²K KfW60: H T =0,35 W/m²K Verteilleitungen in Dämmebene Dachboden

46 Sanierungskonzept - Versorgung Brennwertkessel je 60kW Solarkollektoren zur Warmwasserbereitung KfW 40: 24 m² KfW 60: 29 m² Solarspeicher 750 l, Warmwasserspeicher 500 l Lüftung KfW 40: Zu- und Abluftanlage, WRG 85% KfW 60: Abluftanlage

47 Energieverbrauch KfW 40 - Standard Zeitraum: 01/07 12/07 PE- Verbrauch 58 kwh/m²a

48 Energieflussdiagramm KfW 40 - Standard Etwa gleiche Anteile WW und Heizung Lüftungsbeitrag? Solarbeitrag ~ 12 kwh/m²a Summe Verluste ~ 11 kwh/m²a

49 Energieverbrauch KfW 60 - Standard Zeitraum: 01/07 12/07 PE- Verbrauch (EBF) 64 kwh/m²a

50 Energieflussdiagramm KfW 60 - Standard Etwa gleiche Anteile WW und Heizung Solarbeitrag ~ 11 kwh/m²a Summe Verluste ~ 10 kwh/m²a

51 Mittlere Heizleistung - Rislerstrasse KfW 40: mittlere Heizleistung: 2,9 W/m² Warmwasser: 2,6 W/m² KfW 60: mittlere Heizleistung: 3,0 W/m² Warmwasser: 3,4 W/m²

52 Solarer Deckungsgrad Solar Beitrag KfW 40 Q gesamt: 21% Warmwasser: 48% Solar Beitrag KfW 60 Q gesamt: 17% Warmwasser: 34%

53 Zusammenfassung Rislerstrasse Ähnlicher Wärmeverbrauch für Warmwasser und Heizung Anlagennutzungsgrad im Bereich der Erwartungen Signifikanter Beitrag durch Solaranlage trotz Lüftungsanlage mit WRG: kein deutlicher Minderverbrauch des KfW40 - Standards Einfluss des Nutzers Lüftungsverhalten/ Belegung/ Luftqualität?

54 Passivhaus Voggenthal 2005 Technologien: Vorfertigung mit Vakuumisolationspaneelen Kühlung mit Regenwasserzisterne Phasenwechselmaterial zur Erhöhung der Speichermasse

55

56

57 Energieversorgung PV Solarkollektor Netz Haushalt Beheizte Nettogrundfläche 294 m² WP Nachheizregister Trinkwarmwasser Hüllfläche 709 m² Nettovolumen: 735 m³ Speicher Heizwärme HT Photovoltaik 0,23 W/m²K 4,05 kwp Zisterne / warm Zisterne / kalt Kühlung Kollektoranlage 12 m² Vakuum-Röhren

58 Strombilanz 2006

59 Wärmebilanz 2006

60 Ertrag Photovoltaik 2006: spezifischer Ertrag 918 kwh/kwp

61 Solaraktivhaus, Sonnenkraft GmbH, Regensburg 2009 fabi architekten bda

62 Solaraktivhaus, Sonnenkraft GmbH, Regensburg 2009 fabi architekten bda

63 Solaraktivhaus, Sonnenkraft GmbH, Regensburg 2009 Nullenergiegebäude PV-Anlage Wärmepumpe in Kombination mit thermischer Solaranlage fabi architekten bda

64 Zusammenfassung Unterscheidung passive und aktive Solarenergienutzung Übersicht passive Solarenergienutzung Übersicht aktive Solarenergienutzung (Solarthermie und PV) Beispielprojekte zur Veranschaulichung

65 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sebastian Burhenne Fraunhofer ISE Heidenhofstrasse 2 D Freiburg i. Br. sebastian.burhenne@ise.fraunhofer.de Fon: +49(0)761/ Fax: +49(0)761/ Folie 65