Pilotanlage Dreieich Messergebnisse und Analyse

Transkript

1 Workshop Projekt BiSolar-WP Emmerthal, Pilotanlage Dreieich Messergebnisse und Analyse E. Bertram

2 Übersicht Grundlagen und Zielsetzung Pilotanlage Dreieich Synergetischer Nutzen - PV-Mehrertrag - Effizienzsteigerung Wärmepumpe

3 Kennlinien Photovoltaik und Wärmepumpe

4 Synergieeffekte Photovoltaik und Wärmepumpe Elektrischer PV-Mehrertrag pvt+ pvt 4%P 10 K el,stc T aus Effizienzsteigerung Wärmepumpe T ref (1 c T ( T) 1 ) COP abgegebene Wärmeleist ung zugeführte el. Leistung JAZ COP Wärmemenge imjahr el. Arbeit 1.2 T aus Linearisierung 10 K Kennlinie bei COP 0 / 35 1 Florschuetz L.W. 1979, Solar Energy 22, p

5 Betriebsbereiche Photovoltaik und Wärmepumpe Typischer Betriebsbereich Betrieb mit Erdsonde PV- Mehrertrag pvt 4% P 10 el,stc Einsparung Wärmepumpe COP K K T T

6 BiSolar-WP Photovoltaik und Wärmepumpe Betrieb mit Erdsonde PV- Mehrertrag 4%Pel,STC pvt 20K 8% 10 K Einsparung Wärmepumpe COP 1.2 JAZ 10 K 3 K P el % P PV P WP 20%

7 Systemkonzept Einfache Hydraulik Solarwärme ausschließlich auf der Wärmequellenseite Niedrigste Temperatur an den PVT-Kollektor

8 Pilotanlage Dreieich 280 m² Einfamilienhaus Messbeginn März kw Wärmepumpe Flächenheizung 39 m² PVT Kollektor (24 Module) 3 x 75 m Erdwärmesonde Ungekühlte PV- Module 2 PVT-Kollektor Bauformen (mit und ohne Rückseitendämmung) 2 PV-Referenzmodule ohne Kühlung (= 3.2 m²)

9 Aufbau und Installation PVT-Kollektoren

10 Sensorausstattung und Datenerfassung 30 Temperatursensoren (Kollektor, Fluid, Wohnraum, ) Wärmemengen (Verdampfer, Heizung, Warmwasser) Meteorologie - Belüftete Umgebungstemperatur - Windgeschwindigkeit - Infrarotstrahlung - Globalstrahlung Elektrische Leistung - Wärmepumpe - Umwälzpumpen - PV-Felder Messwerterfassung in 1 Minuten- Intervallen 0.4 GByte Messdaten (txt) Nahezu lückenlose Datenerfassung

11 PV Leistung Tagesverlauf sonniger Tag Mehrertrag variiert im Tagesverlauf PV-Mehrertrag am Sonnentag bis 9%

12 Temperaturen Tagesverlauf sonniger Tag Kühlung an sonnenreichen Tagen gemessen K Mehrertrag pvt+ verknüpft mit Soletemperatur Verbesserungspotential vorhanden

13 PV-Leistung Tagesverlauf wechselhafter Tag Typischer PV- Mehrertrag wechselhafter Tag 2-3%

14 Temperaturen Tagesverlauf wechselhafter Tag Kleinere Temperaturdifferenzen Typischer Temperaturunterschied 6 K

15 Mittlere energetisch gewichtete Temperatur T (g) t t 2 t2 E in kw C t t T(t) E(t) dt t 1 E(t) dt 1 Bewertung von Temperatur zusammen mit umgesetzter Energiemenge Beispiel: T T (g) t (g) t t... t kwh 25.4 C 30 C 30 kwh 130 kwh 10 C C T (g) im fo lgendenden T * t in h 1 Bronstein I. N. et al., Taschenbuch der Mathematik, 5te Auflage, S. 811

16 PVT-Kollektorfeld Thermische Bewertung April Energ. gew. Temperatur T* C 38.6 T* durch Kühlung K Thermischer Ertrag kwh/m² 450 März Energ. gew. Temperatur T* C 35.9 T* durch Kühlung K Thermischer Ertrag kwh/m² 460

17 PV-Mehrertrag pvt+ über 2 Jahre PV-Mehrertrag im Sommer über 4 % ansonsten bei 2-3% Herausforderung: hochgenaue Bestimmung der Erträge

18 Teilverschattung des PVT-Kollektorfelds Kein Vergleich bei Verschattung möglich

19 PV Leistung Tagesverlauf Kein Vergleich bei Verschattung möglich Bewertung in Vergleichszeiträumen Vergleichszeitraum

20 Sonnenhöhenwinkel in Verschattung im Jahresverlauf Auswertebereich PV-Mehrertrag Azimutwinkel in 1 Verschattung Feld 1-76 Azimut 2 Verschattung Feld 2-43 Azimut 3 Eigenverschattung Module 4 Wechselrichterleistung > 10% 4 Vergleichszeitraum für den PV-Mehrertrag

21 Kombinierte relative Standardunsicherheit der Leistungsmessung ' in % Analyse Messunsicherheit PV-Mehrertrag Wh / Wpeak alles <1 A 1<3 A 3 < 5 A 5 < 7 A > 7 A Strombereich Feld 1 Feld 2 Feld 3 Feld Strom I in A Feld 1 Feld 2 Feld 3 Feld 4 Einschränkung Auswertebereich - Verschattung - Schnee - Blätter Kalibriermessungen Einflussgrößen - Strommessung - Spannungsmessung - MPP-Trackverhalten - Kabellängen

22 Ergebnisse: PV-Mehrertrag pvt+ PV-Mehrertrag pvt+ in % PV-Mehrertrag pvt+ in % Elektrische Messung Berechnung aus Temperaturdifferenz und Temperaturkoeffizient PVT-Feld 1 1. Betriebsjahr 1 PVT-Feld PVT-Feld 1 1. Betriebsjahr 1 PVT-Feld 2 1. Betriebsjahr 2. Betriebsjahr PV-Mehrertrag im Mittel ca. 4 % (elektrische Messung) Temperaturunterschied im Vergleichszeitraum für T* ca. 15 K

23 Wärmepumpenarbeitszahlen

24 Wärmepumpenarbeitszahlen AZ Verdampfer AZ Verbraucher = = Q_Verdampfer + Pel Q_Verbraucher P_el (WP+Pumpe) P_el (WP+Pumpe)

25 Jahresarbeitszahlen Wärmepumpe AZ Verdampfer AZ Verbraucher 4.4 = 1. Betriebsjahr April/April = = 2. Betriebsjahr März/März = 4.2 Inkl. Sole/Kollektorpumpe (ca JAZ )

26 Wärmebilanz Quellenseite Regeneration durch Kollektor Sommer: Kleiner Wärmebedarf Große Kollektorerträge Winter: Großer Wärmebedarf Kleine Kollektorerträge

27 Erdsondeneintrittstemperaturen Temperaturen im Jahresverlauf der Erdsonde Bewertung der Solarwärme nur in Simulation

28 Thermische Bewertung des PVT-Kollektors

29 Modell Wärmequelle Nachbildung der Wärmequelle (PVT + Erdwärmesonde) TRNSYS-Modell

30 Modell Wärmequelle Meteorologisch Messdaten Nachbildung der Wärmequelle (PVT + Erdwärmesonde) Aufprägen der Messdaten in 1-Minutenschritten Q Gemessener Verdampferwärmestrom TRNSYS-Modell

31 Modell Wärmequelle Meteorologisch Messdaten Q Gemessener Verdampferwärmestrom Nachbildung der Wärmequelle (PVT + Erdwärmesonde) Aufprägen der Messdaten in 1- Minutenschritten Kontrollgröße T*WP,in (Tageswerte) Keine Abbildung der Wärmepumpe TRNSYS-Modell T*WP,in

32 Validierung Modell Wärmequelle * Messung: T*WP,in = 5.71 C Simulation: T*WP,in = 5.73 C Standardabweichung: 0.41 K, Max : 1.7 K

33 Modell Wärmequelle ohne PVT Meteorologisch Messdaten Modellierung ohne PVT-Kollektor Q TRNSYS-Modell

34 Modell Wärmequelle ohne PVT Meteorologisch Messdaten Modellierung ohne PVT-Kollektor Modellvereinfachung Bewertung mit T*WP,in Q T*WP,in TRNSYS-Modell

35 Simulation mit und ohne PVT-Kollektor Saisonaler PVT-Kollektoreinfluss auf T*WP,in PVT-Kollektor erhöht T*WP,in um 3.00 K

36 Langzeitverhalten 20 Jahre mit und ohne PVT-Kollektor Extrapolation des 1. Betriebsjahres PVT-Kollektor dämpft langfristiges Auskühlen der Erdsonden PVT-Kollektor erhöht T*WP,in im Mittel um 4.27 K

37 Bewertung Temperaturerhöhung T*WP,in JAZ Elektrische Einsparung Wärmepumpe 1tes Jahr 3.00 K % 20 tes Jahr 4.65 K % Über 20 Jahre 4.27 K % Annahme: Die Leistungswerte der WP-Kennlinie sind übertragbar auf die Jahreswerte. Für Pilotanlage Dreieich mit Linearisierung: 1.2 JAZ/ 10 K

38 PV-Ertrag in kwh / a (vor WR) Planungsziel ausgeglichene elektrische Bilanz Planung El. Jahresverbrauch in kwh / a 2010 PV-Ertrag höher als geplant Nutzwärmebedarf wesentlich erhöht Planung 27.8 MWh/a 1. Betriebsjahr: 34.6 MWh/a 2. Betriebsjahr: 41.2 MWh/a

39 Zusammenfassung Systemfunktion nachgewiesen, keine Probleme Gemessener PV-Mehrertrag 4% Hochgenaues Modell der Wärmequelle - Temperaturerhöhung 3.0 K im ersten Jahr 4.3 K über 20 Jahre. - Elektrische Einsparung 10% - Verbesserung der JAZ um 0.4 im ersten Jahr 0.5 über 20 Jahre.

40 Danksagung Das Verbundvorhaben Solare Gebäude-Wärmeversorgung mit unverglasten photovoltaischthermischen Kollektoren, Erdsonden und Wärmepumpen für 100% Deckungsanteil -Kurzname BiSolar-WP- Förderkennzeichen: wird mit Mitteln des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Projektpartner bedanken sich für die Unterstützung. Verbundpartner