Solarthermie, Erdspeicher und Wärmepumpe für hohe solare Deckungsgrade im Gewerbe

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1 Solarthermie, Erdspeicher und Wärmepumpe für hohe solare Deckungsgrade im Gewerbe Bernd Windholz AIT - Austrian Institute of Technology GmbH Sustainable Thermal Energy Systems Giefinggasse 2, 1210 Wien, Österreich Christian Fink, Samuel Knabl AEE Institut für Nachhaltige Technologien Abteilung Solarthermische Komponenten und Systeme 8200 Gleisdorf, Feldgasse 19, Österreich Funktionsweise Solaranlage liefert Energie u. a. in Erdspeicher (Ziel: Saisonalspeicher) Sole-Wasser-Wärmepumpe hebt ggf. Temperaturniveau an und macht Solarenergie für Raumheizung und WW-Bereitung nutzbar Dadurch steigt der solare Deckungsgrad (Verhältnis von eingespeister Solarenergie zur gesamten Wärmeerzeugung) Effizienz der Wärmepumpe steigt mit der Temperatur des Erdspeichers (im Heizbetrieb) Wärmepumpe kann Gebäude auch kühlen, dabei wirkt Erdspeicher als Wärmesenke. Effizienz der Wärmepumpe höher, wenn Erdspeicher kühler 2 1/1 1

2 Vorstellung von 4 Anlagen Verkaufsmarkt Hotel Gewerbegebäude Betriebsgebäude: Luftwärmepumpe, keine Sole-Wasser-Wärmepumpe ECKDATEN DER BEIDEN ANLAGEN Einheit Verkaufsmarkt Hotel Gewerbegebäude Betriebsgebäude Solarkollektorfläche m² Pufferspeichervolumen m³ 2 x 5 2 x Pufferspeichervolumen bezogen auf Solarkollektorfläche l/m² Heizleistung der Wärmepumpe(n) kw 2 x Erdkollektoren m² Erd- bezogen auf die Solarkollektorfläche Erdkollektorfläche bezogen auf die Heizleistung der Wärmepumpe(n) m²/kw Dämmschicht Erdspeicher cm - 30 allseitig 10 oben - 3 Verkaufsmarkt Neubau 332 m² Bruttokollektorfläche 10 m³ Pufferspeicher, 300 l WW-Boiler, m² Erdregister 2 x 260 kw Sole-Wasser-Wärmepumpe Raumheizung und WW-Bereitung: Deckenstrahlplatten, Torluftschleier, Lüftung, Fußbodenheizung Erdregister (Flachkollektoren) unter der Bodenplatte des Parkdecks 4 1/1 2

3 Verkaufsmarkt - Hydraulikschema 5 Verkaufsmarkt - Energiebilanz Pufferverluste und Notheizung Erdspeicher und solarer Deckungsgrad MAZ: 4,6 (Okt), 5 (Nov); η C =55% 6 1/1 3

4 Verkaufsmarkt Erdspeicher Maximaltemperaturen um 20 C Energieaustausch mit der Umgebung (Dez.-Feb.) 7 Verkaufsmarkt Zufolge von Problemen mit der Regelungstechnik wurde solare Einstrahlung teilweise nicht genutzt, daher Solarertrag hinter den Erwartungen Erdspeicher: Wärmeaustausch mit belüftetem Parkdeck viel zu hoch Nachträgliche Dämmung des Erdspeichers ist v. a. wg. Gewichtsbelastung nicht möglich Mögliche Wasserspeicher als Ersatz wären zu klein Daher Notheizung nötig Umstellung einer der WPs auf Flußwassernutzung Versuch, dass WPs Solarenergie direkt nutzen (Durchflüsse, Hochdruckstörung) 8 1/1 4

5 Hotel Neubau 120 m² Bruttokollektorfläche, 20 m³ Pufferspeicher 550 m³ Erdspeicher 25 kw Sole-Wasser-Wärmepumpe Raumheizung und WW-Bereitung: Fußbodenheizung, Lüftung 9 Hotel - Hydraulikschema 10 1/1 5

6 Hotel Energiebilanz Pufferverluste eher überschätzt Erdspeicher und solarer Deckungsgrad Fehlströmungen, Regelungstechnik 11 Hotel Erdspeicher Maximaltemperaturen um 55 C Speicherverluste etwa 39% im ersten Betriebsjahr 12 1/1 6

7 Hotel Solarertrag hat Erwartungen übertroffen, Verbrauch stimmt gut überein Sehr komplexes Hydraulikschema macht Betrieb und Analyse aufwändig Fehlströmungen, Regelungstechnik Messequipment nicht für alle Fragen ausreichend Gedämmter Erdspeicher (30 cm PU-Hartschaum) erreicht eine Temperatur von etwa 55 C Solarer Deckungsgrad gesamt bei knapp 60% 13 Gewerbegebäude Neubau 111 m² Bruttokollektorfläche 5,5 m³ Pufferspeicher, 740 m² Erdregister 2 x 22 kw Sole-Wasser-Wärmepumpen Raumheizung und WW-Bereitung: Fußbodenheizung, Deckenkassetten 14 1/1 7

8 Gewerbegebäude - Hydraulikschema 15 Gewerbegebäude Wärmepumpen Monatsarbeitszahlen von 3,4 (Heizen) bis 5,8 (Kühlen) Durchschnitt im Beobachtungszeitraum: 4,1 Abgeschätzte Gütegrade: % im Heizbetrieb, % im Kühlbetrieb 16 1/1 8

9 Gewerbegebäude Erdgekoppelte Flachkollektoren Temperaturen zwischen -3 und 23 C Messung auf WP-Nutzerseite elektr. Energie einrechnen Energie und Temp.-niveau der Einspeisung relevant (Okt 2013) 17 Gewerbegebäude Fazit Verbrauch überschätzt Großanlagen sorgfältig planen! Solare Einstrahlung in Kühlsaison teilweise nicht genutzt (Regelung) Entladung der Solar-Pufferspeicher bei WP-Heizbetrieb Ventile 18 1/1 9

10 Betriebsgebäude Neubau: Bürotrakt, Lagerhalle 121 m² Bruttokollektorfläche 8 m³ Pufferspeicher, Heizkreise unter der Bodenplatte 10 kw Luftwärmepumpe Raumheizung: Fußboden-, Wand- und Deckenheizung 19 Betriebsgebäude - Hydraulikschema 20 1/1 10

11 Betriebsgebäude Energiebilanz Solarer Deckungsgrad 97% 21 Betriebsgebäude Wärmepumpe Gesamtarbeitszahl monatlich Kühlbetrieb: 3,2..4,3 Heizbetrieb: 2,3..2,6 Durchschnitt im Betrachtungszeitraum: 3,3 22 1/1 11

12 Betriebsgebäude Fazit Dimensionierungsziel erreicht (97% SD), jedoch teilweise solare Einstrahlung nicht weiter nutzbar Verbrauch überschätzt Großanlagen sorgfältig planen! Ungewollte Strömungen innerhalb der Rohre erhöhen Speicherverluste Bodenplatte als Wärmesenke verringert Stillstandszeiten, Temperaturen zwischen 19 und 32 C (Lagerhalle) 23 Energetische Gegenüberstellung der Solaranlagen Einheit Verkaufsmarkt Hotel Gewerbe- Gebäude Betriebsgebäude Betrachtungszeitraum 06/2012 bis 05/ /2012 bis 02/ /2013 bis 12/ /2013 bis 05/2014 Spezifischer Solarertrag kwh/m² ,5 ( ) 213 Wärmeverbrauch Raumheizung Wärmeverbrauch WW- Bereitung Kollektorfläche bezogen auf den Wärmeverbrauch MWh MWh ,2 - m² / MWh 0,5 2,4 2,2 7,6 Solarer Deckungsgrad % ~ 20 (?) >57 > /1 12

13 Fazit Sorgfältige Planung ist wichtigster erster Schritt Von bereits umgesetzten Anlagen lernen Einfache Hydraulikkonzepte und Verschaltungen wählen Verbrauch möglichst genau abschätzen! Stillstand der Solaranlage belastet die Anlage (Wärmeträger) und erhöhte Wartungskosten Vermeiden Klare und übersichtliche Regelungstechnik einsetzen Speichermanagement Arbeitszahl der Wärmepumpe Beobachtung und Adaption der Anlage in allen hydraulischen Kreisläufen für hohen Solarertrag und gegen Fehlströmungen 25 Fazit Wirtschaftlichkeit Wärmepumpe bringt Flexibilität Billigere Anlage hat mitunter höhere Solarwärmegestehungskosten Erdspeicher als Wärmequelle und -senke, fördert hohe Arbeitszahlen Auslegung und Wärmedämmung des Erdspeichers z. B. mittels TRNSYS- Simulationen Einreichung bei 5. Ausschreibung noch bis möglich 26 1/1 13

14 Danke für Ihre Aufmerksamkeit - Beauftragt vom Klima- und Energiefonds - Abgewickelt von der KPC 1/1 14

15 Verkaufsmarkt Teilweise Stillstand der Solaranlage Temperatur der Erdspeicherfühler 29 Verkaufsmarkt Zufolge von Problemen mit der Regelungstechnik wurde solare Einstrahlung teilweise nicht genutzt, daher Solarertrag hinter den Erwartungen Verbrauch geringer als im Endausbau, eine Halle wird nur frostfrei gehalten Leittechnik: Kollektortemperaturfühler liefern bei Überschreitung eines gewissen Maximalwerts einen sehr kleinen Standardwert Solarertrag wurde nicht gespeichert Erdspeicherfühler in den Zuleitungen täuschen höheren Ladezustand des Erdspeichers vor UPs teilweise im Dauerbetrieb, obwohl keine Energie übertragen wird 30 1/1 15

16 Gewerbegebäude Energiebilanz Heizfall Kühlenergie hat Vorrang am Erdspeicher Ca. 29% Pufferspeicherverluste Solarer Deckungsgrad mind. 22 % 31 Gewerbegebäude Energiebilanz Kühlfall Ca. 9% Pufferspeicherverluste Kühlenergie etwa 14% der Heizenergie 32 1/1 16

17 Betriebsgebäude Heizkreise unter der Bodenplatte der Halle Rohrleitungen in Schüttung, keine Wärmedämmung Bodenplatte als Wärmesenke verringert Stillstandszeiten Temperaturen zwischen 19 und 32 C 33 Wirtschaftliche Gegenüberstellung der Solaranlagen Umweltrelevante Mehrkosten am geringsten Dennoch höchste Solarwärmegestehungskosten 34 1/1 17

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