Solares Heizen: Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen

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1 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Vom Solar-Puffer-Speicher zur Solaren Heizzentrale Stand: Dipl. Ing. Thomas Krause SOLVIS Solarsysteme GmbH Dipl. Ing. Lars Kühl TU Braunschweig, Institut für Gebäude- und Solartechnik

2 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 1 Inhalt 1 Zeit für solares Heizen Energieverbrauch durch besseren Dämmstandard reduzieren Ersatz fossiler Heizenergie durch solare Energie Bessere Geräte-Wirkungsgrade Energiesparen Speicherkonzepte der solaren Heizungsunterstützung Zwei-Speicher-Anlagen Der geschichtete Kombi-Speicher als Energie-Manager (Einspeicheranlage) Integration der WW-Bereitung in den Heizungspufferspeicher Schichtung als Garant für Effektivität Witterungsgeführte Heizungspuffer-Beladung Pufferbeladung über zwei Sensoren Integration des Brennwertgerätes in den Speicher 8 Vereinfachte Anlagenhydraulik Vereinfachte Regelungstechnik Weniger Platzbedarf Weniger Gewicht Elemente einer Solaren Brennwertzentrale Low-Flow-Solartechnik Kostenreduktion durch Low-Flow-Technik Schnellere Bereitschaft durch Low-Flow-Technik Befüllung und Inbetriebnahme mit der Low-Flow-Pumpe Geschichtete Entladung bei der Warmwasserbereitung Der Low-Flow Heizkreis: Solare Wärme 50/ Geringere Rohrquerschnitte Besserer Wirkungsgrad der Solaranalge Bessere Brennwertnutzung Verringerung der Heizungs-Pumpenleistung Optimale Verbrennungstechnologie Optimale Gas/Luft-Verbund-Regelung Taupunkteinstellung Minimale Emissionen - Maximaler Wirkungsgrad...20 Anlagenbeispiel: Ein gemischter Heizkreis Auslegung der Anlage Die Energieeinsparung im Überblick Jahreszeitliche Darstellung des Kollektor-Ertrags Praxiserfahrungen Monitoring Thermographische Untersuchungen Feldanlagenauswertung bezüglich Taktverhalten und Brennerlaufzeit Durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Zündung: Durchschnittliche Zündzahl pro Jahr Durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Jahr Brenner-Gewebetest Optimierung durch Systemdenken 39

3 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 2 1 Zeit für solares Heizen Konzepte zur solaren Heizungsunterstützung stellen einen sinnvollen Beitrag zur Einsparung fossilier Energie und damit zur notwendigen Schadstoffreduzierung dar (siehe Abbildung 1). Besonders wenn die Investitionskosten und Installationskosten durch integrative Systeme gesenkt werden können, werden sich diese Anlagen auch mehr und mehr auf dem Markt durchsetzen. Bereits jetzt können Kombianlagen mit dem Kosten-Nutzen- Verhältnis der Warmwasseranlage bestens konkurrieren [Thomas Pauschinger, TZS und ITW in: Heizen mit der Sonne, SBZ 7/97] Abbildung 1: Faktor Vier - die notwendige CO 2 -Reduktion 1.1 Energieverbrauch durch besseren Dämmstandard reduzieren Wie Abbildung 2 zeigt, nimmt der Energiebedarf von Wohngebäuden mit zunehmend besserem Dämmstandard wesentlich ab: Während ein Gebäude im Bestand (Durchschnittswert eines Hauses vor 1980) noch ca. 225 kwh/m² Heizenergie benötigt, hat sich der Bedarf für ein Haus nach der Wärmeschutzverordnung von 1995 schon um den Faktor 2,25 (!) auf 100 kwh/m² reduziert. Energiebedarf von Wohngebäuden Deckungsanteil einer 10 qm Solaranlage (bei 120 qm Wohnfläche) Bestand Bestand WSch VO 1984 W Sch VO 1984 WSch VO 1995 WSCH VO 1999 (NEH) Heizung Warmwasser W Sch VO 1995 W Sch VO 1999 (NEH) Passivhäuser Passivhäuser Energiebedarf KWh/qm pro Jahr Solarer Deckungsanteil (%) Abbildung 2: Der Netto-Energiebedarf von Wohngebäuden pro m² Wohnfläche (Der Warmwasseranteil ist auf 120 m² Wohnfläche umgerechnet worden).

4 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 3 Der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung wird dabei als konstant angenommen. Somit wächst die Möglichkeit, einen wesentlichen Anteil des Energiebedarfs durch regenerative, solare Energie zu decken und damit auch die Bereitschaft, diese Technik als Möglichkeit der weiteren CO 2 -Reduzierung einzusetzen. Bei Passivenergiehäusern ist sogar der Anteil der Heizenergie am Energiebedarf kleiner als der Warmwasseranteil. 1.2 Ersatz fossiler Heizenergie durch solare Energie In Abbildung 2 ist ebenfalls der Deckungsanteil einer 10 m² Solaranlage bei den jeweiligen Haustypen dargestellt. Während bei einem Haus des Typs Bestand nur ca.12 % des gesamten Energiebedarfs solar gewonnen werden können, sind es bei einem Haus nach der aktuellen Wärmeschutzverordnung schon 23%. Besonders gilt dabei zu beachten, daß nach der geplanten ESV 99 aktive Solarenergienutzung dem Wärmebeadrf eines Hauses gegengerechnet werden darf. 1.3 Bessere Geräte-Wirkungsgrade Eine weitere Möglichkeit der Energieverbrauch-Reduzierung ist die Verbesserung des Wirkungsgrades der Heizungsanlage. Im Rahmen einer Heizungsanlagenrenovierung besteht ein großes Potential: während ein veralteter Kessel noch einen Nutzungsgrad von 65 % hat, kann mit einem Gas-Brennwertgerät ein Jahresnutzungsgrad von bis zu 105% erreicht werden (bei gleichzeitig wesentlich niedrigeren Emissionen). Hier sind jetzt die physikalischen Grenzen erreicht, eine weitere wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades wird nicht mehr erwartet, lediglich die Schadstoffemissionen könnten durch katalytische Verbrennungsprozesse noch weiter reduziert werden. 1.4 Energiesparen Als letztes sei hier noch kurz auf das allgemeine Benutzerverhalten hingewiesen. Hier steckt natürlich generell ein bedeutendes Potential zur Energieeinsparung, auf das hier nicht weiter eingegangen werden soll. In den Abbildung 2 zugrundeliedenden Berechnungen ist jedoch ein sinnvoller Umgang mit den Ressourcen vorrausgesetzt worden (z.b. beim Warmwasserverbrauch). Die Chancen der Solarenergie sind also gegeben, nutzen wir sie!

5 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 4 2 Speicherkonzepte der solaren Heizungsunterstützung Für die Einbindung der Solarenergie in die Heizungstechnik ist ein Konzept notwendig, das der Solaranlage die Möglichkeit gibt, mit einem guten Wirkungsgrad zu arbeiten: nur niedrige Solarrücklauf-Temperaturen ermöglichen einen guten Kollektorwirkungsgrad und die Möglichkeit, solare Energie effektiv zum Heizen einzusetzen. Gleichzeitig muß das Konzept eine möglichst hohe Integration der Solaranlage in die Haustechnik anstreben, nur so können Kosten gesenkt, Installations-, Abstimmungs- und Bedienfehler vermieden sowie die Regelungstechnik vereinfacht werden. 2.1 Zwei-Speicher-Anlagen Bei Zweispeicheranlagen wird neben dem Brauchwasserspeicher, der etwa das zwei- bis zweieinhalbfache Volumen des täglichen Warmwasserverbrauchs beinhalten sollte, ein Heizungspufferspeicher eingebaut. Das Volumen beider Speicher sollte zusammen etwa 70 bis 100 Liter je Quadratmeter Kollektorfläche betragen. Die Wärmezufuhr durch den Kollektorkreis kann dann, je nach Temperaturen in den Speichern, durch ein Dreiwege-Ventil zwischen Warmwasser- und Heizungspufferspeicher umgeschaltet werden. Kollektor Nachheizung Temperaturfühler Warmwasser Heizungsvorlauf Regeleinheit Heizkessel Heizungspufferspeicher Warmwasserspeicher Beimischung Kaltwasser Solarkreispumpe Beimischung Heizungsrücklauf Abbildung 3: Typischer Aufbau einer 2-Speicher-Anlage Wie Abbildung 3 zeigt, ist der Hydraulische Aufwand nicht unerheblich. Bis zu 35 Anschlüsse sind vor Ort vom Installateur zu erstellen. Hinzu kommt der Platzbedarf und die nicht marktüblichen Anforderungen an die Regelungstechnik.

6 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Der geschichtete Kombi-Speicher als Energie-Manager (Einspeicheranlage) In einem Kombispeicher werden die Funktionen der Warmwasserbereitung und der Heizwasserspeicherung miteinander verbunden. Kaltwasser Solar- Regler Warmwasser Regelung Kessel Abbildung 4: Anlagenschema für den Stratos Integral Integration der WW-Bereitung in den Heizungspufferspeicher Zur Integration des Brauchwasserspeichers in den Heizungspufferspeicher ist die Warmwasserbereitung in den Heizungspufferspeicher zu verlegen, um nur ein Speichermedium bevorraten zu müssen. Eine Möglichkeit ist die Warmwasserbereitung im Direktdurchlauf über einen externen Plattenwärmetauscher. Sie bietet neben der hohen Leistungsfähigkeit die garantiert legionellenfreie Warmwassererwärmung Schichtung als Garant für Effektivität Basis des Konzepts ist der geschichtete Speicher als Energie-Manager, in dem jede Energiequelle (Solaranlage, Heizkessel) nur in dem Temperaturbereich einspeichert, der sich auf gleichem Niveau befindet. Denn jede Vermischung führt zu einem Abkühlen einer wärmeren Temperaturschicht und zur Erwärmung einer kälteren Temperaturschicht, der Solarkreis würde unnötig angehoben und unter Umständen würde sogar eine weitere Nachheizung (z.b. des Warmwasserpuffers) ausgelöst werden. Ebenso wird für jeden Verbraucher die Energie am Punkt mit möglichst entsprechendem Temperaturniveau entnommen und je nach Rücklauftemperatur wieder zugeführt:

7 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 6 Pufferwasser zur Warmwasserbereitung wird ganz oben dem Speicher entnommen und (als kältestes Wasser im System) unten wieder zugeführt der Heizungsvorlauf wird oberhalb der Speichermitte abgezogen und je nach Rücklauftemperatur über den Schichtenlader zurückgegeben. Eine Verwirbelung des Speichers wird somit vermieden. Das Schwedische Solarenergie-Forschungs-Zentrum (SERC) an der Universität Falun/Borlänge hat 10 Kombispeicher in einem 6-Tages-Test verglichen. Das Konzept des Stratos Integral hat mit Abstand am besten abgeschnitten (Abbildung 5). Abbildung 5: Testergebnisse von 10 Pufferspeichern (SERC)

8 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 7 Daraus lassen sich die wesentlichen Anforderungen an einen Kombispeicher ableiten: schnelle Nutzung der Solarwärme durch Einsatz von Low-Flow-System-Technik mit geschichteter Beladung Vermeidung von Vermischung im Speicher beim Zapfen des Warmwassers durch Verwendung von externen Plattenwärmetauschern mit geregeltem Volumenstrom Reduzierung von Wärmeverlusten durch Verwendung einer geschlossenen Isolierung im warmen Speicherbereich und Durchführung der Anschlüsse durch den kalten Bodenbereich Witterungsgeführte Heizungspuffer-Beladung Nach der Heizungsanlagenverordnung sind zwei Führungsgrößen für den Heizungsvorlauf vorgeschrieben. Dies sind in der Regel die Außentemperatur und die Uhrzeit (in Verbindung mit zusätzlichen vom Benutzer einstellbaren Faktoren). Somit ergibt sich die Forderung, daß auch der Heizungspuffer nicht auf unnötig hohem Niveau beladen werden sollte, sondern nur auf die witterungsgeführte Vorlauf-Temperatur Pufferbeladung über zwei Sensoren Damit der Heizkessel möglichst lange Laufzeiten erreichen kann und durch häufiges Starten erhöhte Emissionen vermieden werden, erfolgt die Pufferbeladung über zwei Sensoren und nicht über eine Hysteresefunktion. Somit kann definitiv ein bestimmtes Volumen beladen werden. In Abbildung 4 sind diese Sensoren mit B1 und B2 gekennzeichnet. Der Heizbetrieb erfolgt aus dem Heizungspuffer heraus. Der Kessel wird erst dann angeschaltet, wenn B2 unter die witterungsgeführte Vorlauf-Solltemperatur sinkt. Nun bedient der Kessel den Heizkreis und den Heizungs-Puffer zugleich. Erst wenn B1 den Soll-Wert erreicht hat, schaltet der Kessel wieder ab.

9 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 8 3 Integration des Brennwertgerätes in den Speicher Letztendlich bleiben mit diesem Konzept aber immer noch zwei Geräte aufeinander abzustimmen. Besonders müssen folgende regelungstechnische Probleme gelöst werden: Unabhängiges Schalten der Kesselpumpe und der Heizkreispumpe Umschalten zwischen den beiden Heizungspuffer-Fühlern Auch das Abstimmen des Speicher-Ladekreises und des Heizungskreises aufeinander (der Volumenstrom des Heizkreises darf am Auslegungspunkt maximal gleich groß wie der Speicher- Ladekreis sein) ist eine für die gute Funktion unabdingliche Notwendigkeit Kollektor Warmwasser Kollektor Warmwasser KW KW Heizkreis Heizkreis Abbildung 6: Vollständige Integration der Solaranalge in die Heizungstechnik (Quelle: SOLVIS) Somit liegt eigentlich die Entwicklung eines Kompaktgerätes auf der Hand, das die strenge Schichtung, den Wirkungsgrad eines Brennwertgeräts und die Kompaktheit eines einzelnen Kessels mit dem Volumen eines Solarspeichers verbindet. zeigt den Schnitt durch ein solches Gerät mit optimaler Brennwertnutzung. Wesentliche Konstruktionsmerkmale sind: ideale Positionierung der Brennkammer genau auf Höhe Oberkante Heizungspuffer / Unterkante Puffer zur Warmwasserbereitung Abgasführung nach unten durch den kälteren Speicherbereich zur weiteren Steigerung der Kondensation voll vormischender Oberflächenbrenner für minimale Schadstoffemissionen

10 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 9 Isolierung Solarvorlauf Solarrücklauf Brennkammer Brenner Abgaswärmetauscher Bedienkonsole mit Solar- und Heizungsregler Schichtenlader Solarausdehnungsgefäß Warmwasserstation Solarwärmetauscher Solarpumpe Warmwasser Kaltwasser Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Abbildung 7: Schnitt durch den SolvisMax

11 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Vereinfachte Anlagenhydraulik Wie aus dem Anlagenschema in Abbildung 8 hervorgeht, sind die gerade beschriebenen Entwicklungsziele erreicht worden: Kompaktheit und einfache Installation einfache Inbetriebnahme (es entfällt z.b. das Abstimmen der Pumpen-Kreise aufeinander) Vollständige Integration des Brennwertkessels in den Solarspeicher Gas Kaltwasser Solar- Regler Kessel- Regler Warmwasser Abbildung 8: Anlagenschema für die Solare-Brennwert-Zentrale SolvisMax 3.2 Vereinfachte Regelungstechnik Die gesamte Regelungstechnik liegt nun in einer Hand, so daß übersichtliche und kostengünstige Schnittstellen zwischen den Komponenten geschaffen werden konnten. Feuerungsautomat und Heizungsregler sind zu einem Kesselmodul integriert, das die oben beschriebene Heizungspufferbeladung bereits enthält. Der Warmwasser-Vorrang-Betrieb wird über eine einfache Schnittstelle zwischen dem Solarregler SI-Control und dem Kesselmodul verarbeitet.

12 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Weniger Platzbedarf Im Neubau wird 1 m² Fläche mit mindestens 2000 DM angesetzt. Durch den SolvisMax wird der Platzbedarf auf den für einen Speicher notwendigen Raum reduziert. 3.4 Weniger Gewicht Auch das Gewicht wird durch die Bauteilreduzierung minimiert: statt über 250 kg wiegt das Kompaktgerät nur noch 160 kg. In Abbildung 9 werden die eben beschriebenen Auswirkungen der Integration anhand einiger Kennzahlen verdeutlicht Solaranlage mit Heizkessel, Brauchwasserspeicher, Pufferspeicher und Brennwertgerät Stück m² kg Kombianlage mit Heizkessel, Pufferspeicher, Frischwasserbereitung und Brennwertgerät Solare Heizzentrale mit Frischwasserbereitung 0 Hydraulische Anschlüsse 0 Platzbedarf 0 Gewicht Abbildung 9: Einsparungen bei hydraulischen Anschlüssen, Platzbedarf und Gewicht durch Geräte-Integration (Quelle: SOLVIS) Die Zahl der hydraulischen Anschlüsse hat sich von 35 auf 8 reduziert, der Platzbedarf hat sich auf ca. 2,2 m² halbiert und das Gewicht um ca. 1/3 abgenommen. 4 Elemente einer Solaren Brennwertzentrale 4.1 Low-Flow-Solartechnik Low-Flow steht für Volumenströme, mit denen der Kollektor das Medium in einem Durchlauf auf Betriebstemperatur hebt. Um dies zu erreichen, muß der Volumenstrom von ca. 40 l/(h*m²) in

13 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 12 Standardanlagen auf ca. 12 l/(h*m²) bei Low-Flow-Anlagen reduziert werden. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile, die im folgenden dargestellt werden. Wichtig ist dabei jedoch, daß Low-Flow eigentlich nur dann funktioniert, wenn alle Komponenten zusammenpassen: Im wesentlichen bedeutet das für die Wärmetauscher (Solar- und Warmwasser- Wärmetauscher), daß die Volumenströme auf der primär- und sekundär-seite im Verhältnis von ca. 1:1 eingeregelt sein sollten. Ebenso wichtig für ein niedriges Temperaturniveau im Speicher sind geringe logarithmische Temperaturdifferenzen an den Wärmetauschern, daher sollten sie im Gegenstrom betrieben werden (denn es liegen zwei Wärmeübergänge zwischen Solar- und Warmwasserkreis). Dabei bleibt bei richtiger Abstimmung und Anpassung der Komponenten aufeinander der Kollektorwirkungsgrad gleich oder wird sogar durch die optimale Abstimmung besser, denn die mittlere Kollektortemperatur bleibt im Tagesmittel bei einer Low-Flow-Anlage im Vergleich zu einer Standard-Anlage in etwa gleich, wie Vergleichsmessungen des ISFH gezeigt haben. Um die thermodynamischen Ziele (sehr gute Wärmeübergänge mit kleinen log. Temperaturdifferenzen bei für die Heiztechnik minimalen Volumenströmen) in einer Low-Flow-Analge jedoch erreichen zu können, ist eine Punpe mit entsprechenden Förderdaten notwendig: große Förderhöhe (für kleine Leitungsquerschnitte) bei kleinem Volumenstrom Kostenreduktion durch Low-Flow-Technik Durch Low-Flow-Technik läßt sich Kostenreduktion auf der Herstellerseite durch geringeren Materialeinsatz erreichen, wie am Beispiel des Schnellmontagerohrs gezeigt wird: Vergleich "Standard-Verrohrung mit SOLVIS SMR" - der neue ökologische Standard ,62 Prozent ,78 8,22 Watt / m Standard 10 0 SOLVIS SMR Kupfermaterial Wärmeverluste

14 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 13 Abbildung 10: Materialeinsparung und Dämmverbesserung beim Schnellmontagerohr (Alle Werte beziehen sich auf 1 m Solarverrohrung, d.h. 1 m Solarvorlauf und 1 m Solarrücklauf) Bei der Installation sind weitere Kostenreduktionen aufgrund wesentlich verkürzter Installationszeiten deutlich spürbar: Schnellmontagerohr: flexibbel von der Rolle, Vor- und Rücklauf fertig isoliert, mit Fühlerkabel, zu verbinden mit Klemmringverschraubungen, ummantelt mit 30 UV-beständigem PE-Band Fühlerleitung 2 x 0,75 Solare Umwälzpumpe dient gleichzeitig auch als Befüllpumpe Rohrschelle (SMR-RS) kein Entlüfter auf dem Dach notwendig Cu-Rohr 10 x 0,75 Fluid fertig angemischt PE-Klebeband M8 Isolierung 13 mm: Armaflex SH (SMR) Armaflex HT (SMR-HT) Schnellere Bereitschaft durch Low-Flow-Technik Abbildung 11 zeigt das Prinzip der geschichteten Beladung - also die effektive Strahlungsausnutzung ohne Vermischung des Speichers. Abbildung 11: Optimale Einschichtung in verschiedene Speicherhöhen durch den SOLVIS-Schichtenlader Bei wolkenlosem Himmel und somit voller Einstrahlung können maximale Beladetemperaturen für den Speicher erreicht werden. In diesem Fall erfolgt die Beladung ganz nach oben in die oberste Speicherschicht. Geht hingegen die Einstrahlung zurück, zum Beispiel aufgrund von Wolken, so

15 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 14 können nur geringere Temperaturen erreicht werden. Um den Speicher nicht zu vermischen, wird er nun in der Ebene beladen, die gleiche Temperatur wie der Ladestrom aufweist. Dies wird durch den Schichtenlader ohne komplizierte Technik nur aufgrund der Dichteunterschiede zwischen dem zuströmenden Ladestrom und dem Speicherwasser in den verschiedenen Höhen erreicht. Temperatur [ C] Temperaturen über der Speicherhöhe Temperaturen [ C] Temperaturen am Wärmetauscher Solarkreis Eintritt 70 Schichtenlader Solarkreis Austritt 30 Pufferkreis Eintritt Zeit [Stunden] Abbildung 12: ideale Schichtbeladung mit internem Solarwärmetauscher (Quelle: SOLVIS) Eine ideale Beladekurve, bei der zuerst der Bereitschaftsteil des Speichers erwärmt wird, zeigt Abbildung 12. Im unteren Teil der Abbildung sind die Temperaturen am Solarwärmetauscher dargestellt. Es wird deutlich, daß trotz der hohen Solarvorlauftemperaturen, die notwendig sind, um in nur einem Durchlauf die Bereitschafttemperatur im Speicher herzustellen, der Solarrücklauf fast bis auf die untere Speichertemperatur abgekühlt wird und somit ein hoher Kollektorwirkungsgrad erreicht werden kann. Das Resultat dieser schnellen Bereitschaftbeladung zeigt folgende Meßsequenz. Sie stammt aus einer Vergleichsmessung des ISFH zwischen einer Standard-Solaranlage und einer Low-Flow-Anlage. Abbildung 13 zeigt, daß die energetischen Vorteile einer Low-Flow-Anlage im wesentlichen auf verringerte Laufzeiten der Nachheizung beruhen, da der Speicher - vor allem der Bereitschaftsteil - bei guter Einstrahlung schnell Nutztemperatur erreicht.

16 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 15 Abbildung 13: Erhöhung des solaren Deckungsgrades durch verringerte Einschalttakte der Nachheizung in Low-Flow-Systemen Befüllung und Inbetriebnahme mit der Low-Flow-Pumpe Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Montage ist die Möglichkeit, die Anlage mit der Umwälzpumpe (die das Medium im eigentlichen Betrieb fördert) auch zu befüllen. Normalerweise ist dazu eine spezielle Füllpumpe notwendig. Nicht bei Low-Flow-Anlagen, denn die hier eingesetzte Verdrängerpumpe kann einen Förderdruck von bis zu 4 bar aufbauen und somit sogar die Anlage befüllen. Die Pumpe saugt dazu über einen am direkt an der Pumpe anschließbaren Füllschlauch aus dem bereits fertig angemischten gelieferten Solarfluidbehälter das Solarmedium an und befüllt die Anlage. Durch die engen Rohrquerschnitte ist kein Entlüfter auf dem Dach notwendig, die Luft wird wie ein Propfen vor dem Fluid herausgedrückt. Befüllanschluß Zahnräder Abbildung 14: Low-Flow-Pumpe mit Füllanschluß Pumpengehäuse aus Kunststoff Kupplung

17 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Geschichtete Entladung bei der Warmwasserbereitung Der externe Plattenwärmetauscher zur Warmwasserbereitung im Direktdurchlauf wird im Gegenstrom-Prinzip durchströmt. Er ist so ausgelegt, daß trotz der großen Übertragungsleistung (maximale Dauerleistung Qd beträgt 48,85 kw bei einem Durchfluß von 1200 l/h) die Rücklauftemperatur im Primärkreis maximal ca. 10 Kelvin über der Kaltwassertemperatur liegt. In Abbildung 15 sind beispielhaft die Temperaturen bei einem Zapftest zusammen mit den Volumenströmen über der Zeit aufgetragen. Deutlich ist die konstante Zapftemperatur bei verschiedenen Zapfraten zu erkennen. Die Rücklauftemperatur vom Plattenwärmetauscher in den Speicher liegt hier nur Kelvin über der (hier recht hohen) Kaltwassertemperatur. Dadurch steht wiederum dem Solarkreis ein kalter Vorlauf zur Verfügung, wesentlich für einen guten Kollektorwirkungsgrad.

18 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 17 Warmwasser-Wärmetauscher / Messung an der Zapfstelle (10m Rohrleitung, isoliert) Temperaturen [ C] WW-Puffertemperatur Zapftemperatur Zapftemperatur direkt hinter dem Pl.WT WW-Temperaturfühler: tau 0,9 = 4 sec. Rücklauftemperatur in den Speicher Kaltwasser-Temperatur Durchfluß (Brauchwasser sekundär) 1000 Zeit [Minuten] 1000 Durchfluss [l/h] Zeit [Minuten] Abbildung 15: Temperatur-Verhältnisse am SOLVIS-WW-Wärmetauscher 4.3 Der Low-Flow Heizkreis: Solare Wärme 50/30 Die Auslegung von Niedertemperatur-Heizungsanlagen sieht oft eine Temparturspreizung von nur ca. 10 Kelvin zwischen Vor- und Rücklauf vor. Für effektive solare Heizungsunterstützung sollte aber eine Temperaturspreizung von mindestens 20 Kelvin, idealerweise von 30 Kelvin vorgesehen werden. In Abbildung 16 ist zusätzlich die Jahresheizarbeits-Kurve eingezeichnet. Interessante Eckdaten dieser Kennlinie sind: nur 10% des Jahres arbeitet der Kessel bei Außentemperaturen von unter -5 C, also mit einer witterungsgeführten Vorlauftemperatur von über 50 C. nur 10% des Jahres ist die Außentemperatur über 12 C, wobei dann die Vorlauftemperatur unter 30 C liegt. somit arbeitet der Kessel 80% seiner Betriebsstunden mit einer Vorlauftemperatur zwischen 30 und 50 C.

19 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 18 Abbildung 16: Die solare Wärme 60/30 und die Jahresheizarbeits-Verteilung (JHA) Im folgenden wird gezeigt, daß die Auslegung des Heizkreises auf eine größere Temperaturspreizung sich auf mehrere Punkte positiv auswirkt: Geringere Rohrquerschnitte Aufgrund der deutlich geringeren Volumenströme können die Rohrleitungen kleiner dimensioniert werden Besserer Wirkungsgrad der Solaranalge Der optimale Arbeitsbereich der Solaranlage ist in Abbildung 16 mit Rücklauf-Temperaturen zwischen 20 und 35 C dargestellt. Durch niedrige Rücklauftemperaturen im Heizkreis können somit günstigere Betriebsbedingungen für die Solaranlage erreicht werden.

20 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Bessere Brennwertnutzung Nur wenn die Rücklauftemperatur des Heizkreises deutlich unter dem Taupunkt des Brennwertkessels liegt, besteht die Möglichkeit, den Brennwert durch Kondensation auch wirklich zu nutzen. Als notwendige Temperaturdifferenz zwischen der Rücklauftemperatur und der Abgastemperatur sind ca. 5 bis 10 Kelvin zusätzlich zu berücksichtigen. Dies bedeutet z.b., daß die Rücklauftemperatur unter 40 C liegen muß, um Abgastemperaturen von unter 50 C zu erreichen, bei denen dann eine wesentliche Kondensation stattfindet. In Abbildung 16 ist die Taupunktgrenze noch bei 50 C eingezeichnet. Wie wir später sehen werden, läßt sich diese Taupunktgrenze über die Verbrennungsluft-Einstellung (Lambda-Wert) weiter nach oben verschieben Verringerung der Heizungs-Pumpenleistung Die Heizkreispumpen-Leistungsaufnahme läßt sich durch zwei Maßnahmen verringern: Aufgrund der geringeren Volumenströme im Heizkreis (durch größere Temperaturspreizung) ist prinzipiell eine geringere Förderleistung notwendig. Durch den Einsatz von elektronisch geregelten Umwälzpumpen, die bei einer Erhöhung des Anlagendruckverlustes (aufgrund von schliessenden Thermostatventilen) mit einer Leistungsreduzierung reagieren (dp-constant-regelung) und damit bis zu 40% Energie eingespart werden. 4.4 Optimale Verbrennungstechnologie Optimale Gas/Luft-Verbund-Regelung Für eine optimale Verbrennung ist eine gute Vermischung von Gas und Luft notwendig. Gleichzeitig soll dieses Verhältnis trotz wechselnder äußerer Einflußfaktoren konstant bleiben bei zugleich modulierender Brennerleistung. Dies kann durch eine vollständige Vormischung erreicht werden, wie sie in Abbildung 17 dargestellt ist. Abbildung 17: Vollständige Vormischung bei konstantem Gas/Luft-Verhältnis (Quelle: HONEYWELL)

21 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Taupunkteinstellung Ein bestimmender Faktor bei der Brennwertnutzung ist der Taupunkt. Dieser hängt im wesentlichen von dem Brennstoff, aber auch von dem Luftüberschuß ab. Bei Heizöl liegt er wesentlich niedriger als bei Erdgas, d.h. die Kondensation beginnt erst bei niedrigeren Abgastemperaturen. In Abbildung 18 ist die Abhängigkeit des Taupunktes (Erdgas) vom Luftüberschuß (Lambda- Wert) dargestellt. Abbildung 18: Abhängigkeit der Taupunkttemperatur von der Luftzahl Lambda [Jannemann, Kompendium Gas-Brennwerttechnik, 2.Auflage 1996] Der SolvisMax arbeitet mit einem Lambda-Wert von ca. 1,15 bei Volllast und somit einer Taupunkttemperatur von ca. 57 C. Bei kleiner Leistung steigt der Lambda-Wert minimal (auf ca. 1,2); da aber die Abgase aufgrund des nun kleineren Massenstroms weiter abgekühlt werden können, herrschen auch jetzt ideale Kondensationsbedingungen Minimale Emissionen - Maximaler Wirkungsgrad Aufgrund der großzügig dimensionierten Brennkammer, der vollständigen Vermischung, der problemlosen Einstellbarkeit auf minimalen Luftüberschuß und der entsprechenden Auslegung der Brenneroberfläche und der Brennkammer auf niedrige Flammentemperaturen und weitestgehende Abgasabkühlung können maximale Wirkungsgrade und minimale Emissionen erreicht werden, wie die folgenden Abbildungen zeigen. Dabei werden selbst die schärfsten Förderrichtlinien (Hamburger Modell) unterschritten.

22 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite CO [mg/kwh] NOx [mg/kwh] 150 Emissionen [mg/kwh] DIN 4702 Blauer Engel Hamburger Modell SolvisMax 110 Kesselwirkungsgrad (50/30 C) [%] SolvisMax Niedertemperatur-Kessel Abbildung 19a und b: Maximaler Wirkungsgrad und minimale Emissionen

23 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Anlagenbeispiel: Ein gemischter Heizkreis T3 bd SOLVIS- Kollektoren Nhzg P2 SV 4 b ar SO L Lieferzubehör (extra bestellen): Solar: T3 Kollektorfühler bd Blitzschutzdose SOL Solarausdehnungsgefäß Warmwasser: WWS Warmwasserstation T6 Zirkulationsfühler Heizung: CoCo Kommunikation-Controler BM-C Bedienmodul MM-WS Mischermodul Wandsockel HKS-G Heizkreisstation Gemischt SG-H Sicherheitsgruppe Heizkreis Lieferumfang SolvisMax T A Außenfühler Solar-Brennwertkessel SolvisMax Gebläse- Brenner- Einheit Frisc h luft estb & Heizung oben Adresse 1 BM -C Raum fühler Ze itschaltu h r Fe rnbed ienung Ke sselre g e lung CoCo Heizkreis Abluft WWS Ke sse lre g e lung SI- C o n trol eastb Heizung unten Kond e nsa t So larvorlauf So larrücklauf C TM V P1 T5 T2 SV P3 Trinkw asser warm T6 Zirku lation Ka ltw a sse r T T M 1 HKS-G Tv L Heizu n g srücklauf Legende: P1 Warmwasserpumpe P2 Solarpumpe P3 Zirkulationspumpe (bauseits) M1 Heizkreispumpe (Heizkreisstation) T1 Vermischungsschutzfühler (Solarregler) T2 Warmwasserfühler (Solarregler) Heizu n g svo rlauf T4 Speicherreferenzfühler (Solarregler) T5 Warmwasserrücklauffühler (Solarregler) TVL Vorlauflüfter TVM Thermostatisches Mischventil MAG Membran Ausdehnungsgefäß (bauseits) SV Sicherheitsventil 10 bar (bauseits) M AG Bei Verwendung von Kunststoffrohr im Heizkreis muss eine Systemtrennung (Wärmetauscher) vorgenommen werden. M M -W S A d re sse 1 SG -H P P M

24 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 23 5 Auslegung der Anlage Das Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen Stuttgart (ITW) hat im Auftrag von SOLVIS eine Simulationsstudie zu den Kombianlagen Stratos Integral durchgeführt. Die Basis der Simulationsrechnungen bilden die folgenden 4 Anlagen: Kollektor Speicher Speicher / Kollektor Solares Nutzvolumen Anlage A F 60 / 6,31 m² SI 350 / 363 l 57,5 l/m² 206 l Anlage B F 75 / 7,58 m² SI 500 / 518 l 68,3 l/m² 287 l Anlage C 2 x F 50 / 10,1 m2 SI 750 / 775 l 77 l/m² 371 l Anlage D 2 x F 60 / 12,62 m² SI 1000 / 952 l 75 l/m² 434 l Tabelle 1: Verschiedene SOLVIS-Anlagenkonfigurationen zur solaren Heizungsunterstützung Die Ertragsrechnungen wurden für folgende Referenzbedingungen durchgeführt: Dachausrichtung: Süd, Aufstellwinkel 45 Wetterdaten: TRY Würzburg, Einstrahlung in Kollektorebene 1231 kwh/(m²a) Warmwasserverbrauch: 200 l/d Kaltwassertemepratur 10 C mit jahreszeitlicher Schwankung ± 3 K Warmwassertemperatur: 45 C Netto-Jahresverbrauch: 2936 kwh/a Heizwärmebedarf: Einfamilienhaus, Nutzfläche 128 m² Simulationen für verschiedene Dämmstandards und Heizungsauslegungen (VL / RL- Temperaturen)

25 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 24 Die folgende Tabelle zeigt für zwei verschiedenen Dämmstandards mit jeweils zwei Heizungsauslegungen den Jahresenergiebedarf: WSVO 95 Niedrigenergiehaus (NE) 20% besser als WSVO Heizungsauslegung 70/50 50/30 70/50 50/30 Netto-Heizwärmebedarf [kwh/a] Energiebedarf für Raumheizung [kwh/a] Energiebedarf für Warmwasser * [kwh/a] Energiebedarf gesamt [kwh/a] Tabelle 2: Energiebedarf bei verschiedenen Dämmstandards und verschiedenen Heizungsauslegungen / (*) unter Berücksichtigung der Speicherverluste und des Kesselwirkungsgrades 5.1 Die Energieeinsparung im Überblick In Tabelle 3 sind nun für diese vier Energiebedarfs-Situationen die rechnerischen Energieeinsparungen durch die jeweils vier SOLVIS-Solaranlagen mit Heizungsunterstützung dargestellt. Abbildung 20 verdeutlicht dieses Ergebnis graphisch: WSVO - 70/50 WSVO - 50/30 NE - 70/50 NE - 50/30 Anlage A 15,4 % 16,2 % 18,4 % 19,3 % Anlage B 16,7 % 17,6 % 19,8 % 20,9 % Anlage C 18,2 % 19,2 % 21,5 % 22,8 % Anlage D 20,2 % 21,6 % 23,5 % 25,3 % Tabelle 3: Energieeinsparung durch die Solaranlage in Prozent für verschiedene Dämmstandards / Heizungsauslegungen in Abhängigkeit von der Kollektorfläche und Speichergröße

26 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite solare Energieeinsparung [%] WSVO - 70/50 C WSVO - 50/30 C NE - 70/40 C NE - 50/30 C Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D F60 SI 350 F 75 SI 500 2xF50 SI 750 2xF60 SI Abbildung 20: Energieeinsparung durch die Solaranlage für verschiedene Dämmstandards / Heizungsauslegungen in Abhängigkeit von der Kollektorfläche und Speichergröße Die Tabelle 3 und Abbildung 20 zeigen, daß allein durch die Heizungsauslegung 50/30 statt 70/50 die solare Energieeinsparung relativ um 6% gesteigert werden kann (3774 kwh/a Einsparung statt 3550 kwh/a bei 70/50 C). 5.2 Jahreszeitliche Darstellung des Kollektor-Ertrags Interessant ist der jahreszeitliche Verlauf des Kollektorertrags. Er wird in Tabelle 4 für zwei Fälle dargestellt, die Rohrleitungsverluste bis zum Speicher sind bereits abgezogen. Auffällig ist die Ertragsspitze im April (im Gegensatz zu einer Anlage zur reinen Brauchwasserbereitung): hier kann vom Haus aufgrund des noch anhaltenden Heizwärmebedarfs vollständig die von der Solaranlage angebotene Energie abgenommen werden, während im Mai der Kollektor bereits mehr Energie anbietet als abgenommen wird.

27 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 26 Kollektorkreis-Ertrag abzüglich der Verluste [kwh] Anlage 2 F60, SI 1000, NE 50/30 2 F50, SI 750, WSVO 50/30 Januar 151,6 123,6 Februar 159,4 130,1 März 279,8 231,8 April 514,4 480,5 Mai 357,1 333,3 Juni 343,2 325,4 Juli 335,9 325,1 August 307,8 291,2 September 333,9 301,5 Oktober 291,6 233,2 November 150,6 125,3 Dezember 80,7 65,4 Jahres-Summe Tabelle 4: Jahreszeitliche Darstellung des Kollektorertrags (abzüglich der Verluste) Kollektorkreisertrag (2xF60, SI 1000, NE 50/30) Kollektorkreis-Ertrag (2xF50, SI750, WSVO 50/30 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Kollektorkreis-Ertrag [kwh] Dezember Abbildung 21: Jahreszeitliche Darstellung des Kollektorertrags

28 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 27 6 Praxiserfahrungen 6.1 Monitoring Das die Untersuchung von zwei Anlagen umfassende Monitoring - Projekt wird vom Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig meßtechnisch begleitet. In dem Projekt wird das Betriebsverhalten der Geräte unter realen Einsatzbedingungen überwacht und die Nutzungsgrade des Systems ermittelt werden. Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart erstellt im Rahmen des Projektes weiterhin ein TRNSYS- Simulationsmodell des Gerätes, das durch die aus der Überwachung der Anlagen gewonnenen Meßdaten validiert werden soll. Die aus dem Projekt gewonnenen Ergebnisse sollen der Systemoptimierung und damit der weiteren Reduktion des noch erforderlichen Einsatzes an fossilen Brennstoffen sowie der damit verbundenen Emissionen dienen. Die Meßperiode für die beiden, jeweils in Wohngebäuden im Niedrigenergiehaus-Standard (30% unter WSVO 95) installierten Anlagen, beträgt jeweils 1 Jahr. Die Daten für die beiden Anlagen sind der Zusammenstellung in Tabelle 1 zu entnehmen. Anlage 1 Anlage 2 Gebäude Vierfamilien-Wohngebäude im NEH-Standard Einfamilien-Wohngebäude im NEH-Standard Standort D Evessen D Wittmar Norm-Heizlast (DIN 4701) 15 kw 7 kw Kollektorbauart, -fläche Flachkollektor, 10 m² Flachkollektor, 7,5 m² Speichervolumen 750 l 400 l Tabelle 1 Zusammenstellung der Kenndaten der Anlagen Zur Bestimmung des Nutzungsgrades der Anlagen im Betrieb werden die dem Speicher zu- und abgeführten Energiemengen im Solarkreis, Heizkreis und der Warmwasserbereitung über Wärmemengenzähler (WMZ) meßtechnisch erfaßt (siehe Abbildung 22). Die Temperaturschichtung im Speicher wird über 5 Meßstellen aufgenommen, für die Nachheizung werden der Gasvolumenstrom und die Abgastemperatur gemessen. Weiterhin wird neben den Wetterdaten (Globalstrahlung und Umgebungstemperatur) auch die Temperatur im Aufstellraum erfaßt. Die Daten werden vor Ort durch ein Meßsystem aufgenommen und per Datenfern

29 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 28 übertragung an das Institut weitergeleitet und dort ausgewertet. Die Installation des Meßsystems vor Ort in der Anlage 1 zeigt Abbildung 23. Abbildung 22: Meßtechnische Ausrüstung der Anlagen Abbildung 23: Meßsystem in Anlage 1 Weiterhin wurde im Rahmen des Projektes eine Untersuchung des Einflusses des Brennerbetriebes auf die Speicher-Schichtung im Warmwasser-Pufferbereich durchgeführt. Hierzu wurde der Bereitschaftsteil des Speichers über eine Laufzeit des Brenners von etwa 30 Minuten auf Solltemperatur erwärmt. Die sich hierdurch ergebenden Änderungen in der Temperaturschichtung wurden mit einer Infrarotkamera dokumentiert. Die Ergebnisse aus dieser Untersuchung sowie erste Meßergebnisse werden im nächsten Abschnitt dargestellt.

30 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 29 Erste Monitoring-Ergebnisse Die nachfolgend dargestellten Meßwerte wurden in der Anlage 1 (Vierfamilien-Wohngebäude im NEH-Standard, 750 l Speichervolumen) aufgenommen. Beispielhaft sind hier die Daten der Anlage über eine Meßperiode vom 15. bis im Sommerbetrieb dargestellt (Abbildung 24). Die kontinuierlich hohen Werte der Globalstrahlung sorgen für einen ausreichenden solaren Wärmeeintrag in den Speicher. Die im wesentlichen auf die Warmwasserbereitung reduzierte Wärmelast im Sommer kann somit ohne Einschalten des Brennwertkessels gedeckt werden. Der solare Wärmeeintrag wird über die Schichtenladerohre in den Speicher eingelagert. So erkennt man am 17. August deutlich die Einschichtung in den oberen Speicherbereich, so daß der Speicher von oben nach unten beladen wird, während am 18. August die solare Einstrahlung aufgrund ihrer geringeren Stärke in der Speichermitte die Temperaturen anhebt. Die sich im Speicher ausbildende Temperaturschichtung stellt die zur Warmwasserbereitung erforderliche Betriebstemperatur im Bereitschaftsteil zur Verfügung. Die Temperaturschichten im Speicher verlaufen ungestört. Die Warmwasserzapfung führt besonders in der unteren Schicht zu einer Abkühlung des Speicherwassers, ermöglicht so niedrige Kollektorrücklauftemperaturen und somit einen hohen Kollektorwirkungsgrad. Dies verdeutlicht den guten Wärmeübergang in dem Platten-Wärmetauscher zur Warmwasserbereitung. In dem in Abbildung 25 dargestellten Verlauf des Volumenstroms (Vsol), der Vorlauf- (Tvsol) und der Rücklauftemperatur (Trsol) im Kollektorkreis sowie der jeweiligen Meßwerte für die Globalstrahlung (Eext) ist die Funktionsweise der Solarkreispumpe gut zu erkennen. Die strahlungsabhängige Drehzahlregelung der Solarkreispumpe im Matched-Flow -Betrieb sorgt für einen der momentanen solaren Einstrahlung angepaßten Volumenstrom im Kollektorkreis. Bei einem starken Absinken der solaren Einstrahlung sinkt der durch die Pumpe geförderte Volumenstrom jedoch nicht in gleichem Maße ab.

31 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Strahlung (Eext) und Außentemperatur (Text) Eext Text Strahlung [W/m²] Temperatur [ C] Aug98 16.Aug98 17.Aug98 18.Aug98 19.Aug98 20.Aug98 21.Aug98 Zeit Temperaturschichtung im Speicher bei solarem Wärmeeintrag 90 6 Speichertemperatur unten Speichertemperatur 2.v. unten 80 Speichertemperatur 3.v. unten Speichertemperatur 4.v. unten 5 Speichertemperatur oben Qsol 70 4 Temperatur [ C] Wärmeleistung [kw] Aug98 16.Aug98 17.Aug98 18.Aug98 19.Aug98 20.Aug98 21.Aug98 Zeit Temperatur [ C] Temperaturschichtung im Speicher bei Warmwasserzapfung Speichertemperatur unten Speichertemperatur 2.v. unten Speichertemperatur 3.v. unten 13 Speichertemperatur 4.v. unten Speichertemperatur oben Qwwb Aug98 16.Aug98 17.Aug98 18.Aug98 19.Aug98 20.Aug98 21.Aug98 Zeit Wärmeleistung [kw] Abbildung 24: Temperaturschichtung des Speichers in Anlage 1

32 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite Vsol Eext Tvsol Trsol Solarkreis (Detail) Strahlung [W/m²] Temperatur [ C] Durchfluß [l/h] Aug98 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 Zeit 90 Abbildung 25: Detailaufnahme der Temperatur- und Volumenstromverläufe im Solarkreis bei wechselnder Einstrahlung Hier gilt es einen Mindestvolumenstrom für einen guten Wärmeübergang im Wärmetauscher zu gewährleisten. Abschließend ist in Abbildung 26 der Temperaturverlauf im Speicher bei der Beheizung über den Brennwertkessel in der Heizperiode dargestellt. Temperaturschichtung im Speicher, Abgastemperatur (Heizperiode) 80 Speichertemperatur unten Speichertemperatur 2.v. unten 70 Speichertemperatur 3.v. unten Speichertemperatur 4.v. unten Speichertemperatur oben Tbrn 60 Temperatur [ C] Nov98 2.Nov98 3.Nov98 4.Nov98 5.Nov98 6.Nov98 7.Nov98 Zeit Abbildung 26: Temperaturschichtung im Speicher bei Brennerbetrieb (Heizperiode)

33 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 32 Aufgrund des fehlenden solaren Wärmeeintrags weist der untere Speicherbereich relativ geringe Temperaturen auf, die ein Einschalten der Nachheizung zur Warmwasserbereitung und Bereitstellung der Wärme zur Raumheizung erfordert. Gut zu erkennen ist die ausschließliche Anhebung der Temperatur im Bereitschaftsteil des Speichers. Die Abgastemperatur (Tbrn) liegt stets im Kondensationsbereich, sodaß eine gute Brennwertnutzung gewährleistet ist. Der Einfluß des Brennerbetriebes auf die Speicherschichtung wurde weiterhin in einer thermographischen Untersuchung analysiert. Die Ergebnisse werden nachfolgend dargestellt. 6.2 Thermographische Untersuchungen Die Untersuchung zum thermischen Verhalten der Gas-Brennwertzentrale bei Betrieb des Brenners wurde an einem Gerät mit einem Pufferspeichervolumen von 400 l durchgeführt. Der mit einer Infrarotkamera erfaßte Temperaturbereich lag zwischen 20 und 70 C. Insgesamt wurde also der Verlauf der Temperatur im Warmwasser-Pufferbereich über eine Spreizung von 50 K aufgenommen. Abbildung 27: Meßaufbau, Erfassung der Brennkammer und des darüberliegenden Warmwasser- Pufferbereichs Vor Durchführung der Messung war der Speicher im Ruhezustand, die Temperatur des Speicherwassers betrug durchgehend 25 C. Zur Durchführung der Messungen wurde der kalte Speicher mit maximaler Leistung des Brenners von 15 kw (Warmwasser-Vorrang-Betrieb) über etwa 30 Minuten auf die Solltemperatur von 70 C aufgeheizt. Der Meßbereich erstreckt sich vom unteren Drittel des Brennerflansches bis zum oberen Rand des zylindrischen Teils des Speichers (siehe Abbildung 27).

34 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 33 Der direkte Einflußbereich des Brenners ist in den Thermographieaufnahmen im Abbildung 28 deutlich zu erkennen. Die Größe des beeinflußten Bereichs ist relativ eng begrenzt und bleibt über den gesamten Verlauf der Meßperiode konstant. Brennerlaufzeit: 5,5 Minuten Brennerlaufzeit: 11,5 Minuten Brennerlaufzeit: 29,5 Minuten (Abschaltung) Abbildung 28: Verlauf der Temperaturschichtung über die Brennerlaufzeit Über die gesamte Aufheizzeit ergeben sich waagerechte Schichten gleicher Temperaturen, die sich deutlich voneinander abgrenzen und ungestört verlaufen. Die durch den Brennerbetrieb eingetragene Wärme steigt in einer in Abbildung 28 gut erkennbarenkonvektionsschleife zum oberen Speicherrand auf und schichtet sich entsprechend ihrer Temperatur ein. Unterhalb der Brennerzone fällt die Temperatur des Speicherwassers merklich ab, womit sich der Bereitschafts

35 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 34 teil bzw. der Warmwasser-Pufferbereich deutlich vom Solarteil abgrenzt. Durch die Anordnung und die Funktionsweise des Brenners ist damit eine definierte Wärmezufuhr in den Bereitschaftsteil des Speichers gewährleistet. Die durch den Betrieb des Brenners eingetragene Wärme schichtet sich ihrer Temperatur entsprechend in den Warmwasser-Pufferbereich des Speichers ein. Hiermit ist eine definierte Aufheizung des Bereitschaftsteils auf die Solltemperatur von 70 C möglich. Der Betrieb des Brenners unterstützt damit die Funktionsweise des als Schichtladespeichers konzipierten Pufferspeichers. Der Restwärmebedarf wird bei fehlendem Solarenergieeintrag für einen definierten Teil des Speichervolumens durch den integrierten Brennwertkessel gedeckt. 6.3 Feldanlagenauswertung bezüglich Taktverhalten und Brennerlaufzeit Eine CO 2 - Reduktion bei Heizanlagen läßt sich jedoch nicht nur über den Ersatz von fossilen Brennstoffen (Erdgas oder Heizöl) durch regenerative Energieträger wie die Solarenergie erreichen. Auch die Betriebsweise des Wärmeerzeugers mit den Laufzeiten des Brenners und der Zahl der Brennerstarts pro Jahr stellt ein erhebliches CO 2 Reduktionspotential dar. So können die Start- und Abschaltemissionen des Brenners als kurzzeitige Spitzenemissionen im Vergleich zu den Emissionen im stationären Betrieb bis zu fünffache Werte erreichen (Abbildung 29). Emissionen Startemissionen Abschaltemissionen Laufemissionen (stationärer Betrieb) Abbildung 29: Emissionsentwicklung beim Betrieb von Heizkesseln / Quellen: [Buderus], [Pfeiffer] Kombianlagen weisen bedingt durch ihre relativ großen Wärmespeicher gegenüber herkömmlichen NT- oder Brennwertkesseln eine hohe Wärmekapazität auf. Sie lassen demnach nicht nur durch den Ersatz von fossilen Energieträgern, sondern auch durch eine aufgrund des hohen Speichervolumens reduzierte Anzahl der Brennerstarts und insgesamt reduzierten Brennerlaufzeiten eine Reduktion der CO 2 Emissionen erwarten. Insgesamt wurden 1997 in Zusammenarbeit mit den Heizungsinstallateuren vor Ort 44 Feldversuchsanlagen aufgebaut und überwacht. Da sie sich in der Praxis bewährt haben, sind zum Serienbeginn im wesentlichen nur montagetechnische Veränderungen vorgenommen worden.

36 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 35 Bislang sind nur wenig Betriebsdaten solcher Kombianlagen bekannt. Daher bot es sich an, den durch die Feldanlagenüberwachung vorhandenen Datenstamm zu nutzen und die Feldanlagen bezüglich ihres Betriebsverhaltens weiterhin auszuwerten. Denn in der Kesselregelung werden die Betriebsstunden, die Zündzahl und Brennerlaufzeit sowie aufgetretene Fehler automatisch aufgezeichnet. Mittels einer speziellen Software können diese Daten ausgelesen werden. Ein Teil der Anlagen ist in Musterhäusern installiert worden oder wird zu Schulungszwecken benutzt. Diese werden in der folgenden statistischen Untersuchung nicht berücksichtigt. Statistische Feldanlagenauswertung Anzahl der ausgewerteten Anlagen Summe der Betriebsstunden der ausgewerteten Anlagen Gesamt-Brennerlaufzeit der ausgewerteten Anlagen Gesamt-Zündanzahl der ausgewerteten Anlagen Durchschnittliche Laufzeit der ausgewerteten Anlagen 37 von 44 Anlagen Stunden (29144 Tage) Stunden Zündungen 788 Tage (ca. 2,2 Jahre) Neben dem allgemeinen Betriebsverhalten sind vor allem folgende Kenngrößen einer Heizungsanlage von Bedeutung und daher näher untersucht worden: Durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Zündung: Jedes An- und Abschalten des Brenners an sich verbraucht Energie (Vor- und Nachspülen, Zündenergie) und erzeugt höhere Emissionen als im eigentlichen Betrieb. Ziel ist somit, ein unnötiges Takten zu verhindern, also möglichst genau die Leistung brennerseitig zu liefern, die als Heizlast vom Haus auch gerade benötigt wird. Dazu ist zuerst ein großer Modulationsbereich von Vorteil. Aber gerade in der Übergangszeit ist die Heizlast oft kleiner als die kleinste vom Gerät fahrbare Leistung. Dann beginnt das Gerät zu takten, da es ganz schnell auch bei kleinster Leistung die Vorlauf-Solltemperatur überschreitet und ausschaltet. Kurze Zeit später ist die Brennkammer ausgekühlt und die Vorlauf-Solltemperatur wird unterschritten, das Gerät muß wieder zünden. So kann ein Brennwertgerät mit wenig Masse und ohne Puffervolumen unter Umständen jede Minute ein- und wieder ausschalten. Durch einen zusätzlichen Heizungspuffer kann die vom Kessel zuviel abgegebene Energie zwischengespeichert werden und somit die Laufzeit pro Zündung deutlich verlängert werden. Wenn man bedenkt, daß 90% der Jahresheizarbeit bei Außentemperaturen oberhalb von -5 C verrichtet werden und 70% oberhalb einer Außentemperatur von 0 C, so überwiegt dieser Teillastbereich deutlich und hat einen wesentlichen Einfluß auf die durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Zündung.

37 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 36 Bei den meßtechnisch erfaßten Anlagen liegt die durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Zündung bei 24,2 Minuten, bei einigen Anlagen werden sogar Laufzeiten von fast 80 Minuten pro Zündung erreicht. 80 Durchschnittl. Brennerlaufzeit pro Zündung: 24,2 Minuten 70 Brennerlaufzeit pro Zündung Abbildung 30: Brennerlaufzeit pro Zündung Durchschnittliche Zündzahl pro Jahr Das bereits beschriebene Verhalten wirkt sich auch auf die durchschnittliche Zündzahl pro Jahr aus. Bei konventionellen Anlagen können dabei über bis zu Brennerstarts pro Jahr erreicht werden (Quelle: Buderus). Zündungen pro Jahr Durchschnittl. Anzahl an Zündungen pro Jahr: 4636 Zündungen Abbildung 31: Zündzahl pro Jahr

38 : Konzepte, Auslegung und Praxiserfahrungen Seite 37 Bei den untersuchten SolvisMax-Anlagen betrug die durchschnittliche Zündzahl pro Jahr 4636 Zündungen, ein Teil der Anlagen lag sogar bei nur 2199 Zündungen! Durch diese geringe Zahl an Zündungen kann nochmals ein Großteil an Emissionen eingespart werden. So wurde in einer Studie verglichen [Pfeiffer], wie sich die Gesamtemissionen, bezogen auf 1 kwh eingesetzen Brennstoff für den Start-Stopp-Betrieb von den Emissionen im Dauerbetrieb unterschieden. Für Gas-Brennwertheizkessel mit vergleichbarem Leistungsbereich lagen die Emissionen im Start-Stopp-Betrieb deutlich höher: Die Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) waren dabei im Dauerbetrieb um den Faktor 2 bis 50 niedriger, die flüchtigen organischen Verbindungen (THC) sogar um den Faktor 2,8 bis 120! Je weniger eine Anlage taktet, desto niedriger die Emssionen! Brennerstarts pro Jahr Kessel mit fester Kessel mit variabler Kessel mit großem 7020 optimierter Systemregler 4636 SolvisMax Durchschnitt 2200 SolvisMax bester Wert Durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Jahr Die Brennerlaufzeit pro Jahr hängt im wesentlichen von dem Wärmebedarf des Gebäudes, der Größe der Solaranlage und dem Modulationsverhalten des Kessels ab. Je geringer der Wärmebedarf, je größer die installierte Kollektorfläche, desto weniger konventionelle Energie wird benötigt und desto weniger läuft der Brenner. Ein großer Modulationsbereich und ein Puffervolumen wirken sich hingegen positiv auf die durchschnittliche Brennerlaufzeit pro Zündung aus, verlängern aber auch die Brennerlaufzeit pro Jahr, da das Gerät längere Zeit mit kleinerer Leistung läuft.

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