SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER

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1 FORSCHUNGSBERICHT ZUM BMU-VORHABEN L SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS LAUFZEIT: JUNI 2005 BIS NOVEMBER 2007 GEFÖRDERT DURCH

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3 SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS D. Mangold M. Riegger T. Schmidt Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Nobelstr. 15, Stuttgart, Tel: , Fax Internet: Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unter dem Förderkennzeichen L gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Berichtes liegt bei den Autoren. Titelbild: Bau des Langzeit-Wärmespeichers in München 2007

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5 SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS INHALT 1 Zusammenfassung Kurze Einführung zur saisonalen Wärmespeicherung Pilotprojekte zur solaren Nahwärme mit Langzeit-Wärmespeicher Übersicht zum Stand der Forschung und Entwicklung Einleitung Projekt- und Baubegleitung neuer Pilotprojekte Solare Nahwärme Ackermannbogen in München Projektübersicht Das Anlagenkonzept Wirtschaftliche Optimierung durch die Absorptionswärmepumpe Fotodokumentation der Kollektorfeldmontage Fotodokumentation zur Integration der Haustechnik Crailsheim Hirtenwiesen Das Anlagenkonzept Verfahren zur Sicherstellung niedriger Netzrücklauf-Temperaturen Integration von Solarkollektoren auf dem Lärmschutzwall Fotodokumentation der Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall Fotodokumentation der Kollektorfelder auf den Gebäuden Eggenstein-Leopoldshafen Projektübersicht Wirtschaftliche Optimierung durch Simulation I

6 SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS 4 Weiterentwicklung der Konzepte zur Langzeit-Wärmespeicherung Der Technologiefortschritt in den letzten 10 Jahren Beton-Heißwasser-Wärmespeicher in München Speicheraufbau Fotodokumentation des Speicherbaus in München Kurzzeit-Wärmespeicher in innovativer Bauweise in Crailsheim Speicheraufbau Fotodokumentation des 480 m³-pufferspeicherbaus in Crailsheim Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim Erdbecken-Wärmespeicher in Eggenstein-Leopoldshafen Speicheraufbau Fotodokumentation des Speicherbaus in Eggenstein Perspektiven der Langzeit-Wärmespeicher Entwicklung neuer Pilotprojekte Systematik von der Anfrage zum Pilotprojekt Hegau-Jugendwerk in Gailingen Bestandsaufnahme der derzeitigen Wärmeversorgung Bedarfsmessung in der Heizzentrale der Schwimmhalle Projektstand und Ausblick Der Multifunktionsspeicher in Hamburg Derzeitiger Planungsstand Konsequenzen für den saisonalen Wärmespeicher Internationale Bauausstellung 2013 in Hamburg Beispiele weiterer Anfragen Einsatz eines Monats-Wärmespeichers in der Bestandssanierung Sportzentrum Gemeinde Vogt Saisonale Wärmespeicher für Aufwindkraftwerke II

7 SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS 6 Entwicklung einer Simulationsumgebung Simulationsmodell für Aquifer-Wärmespeicher TRNAST Simulationsmodell für eine solare Nahwärme mit Behälter-Wärmespeicher Systemaufbau Auswertung Modellüberprüfung Zusammenfassung und Ausblick Übergreifende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Speicherung und Nutzung von Abwärme aus einer Biogasanlage Grundlagendaten Mögliche Wärmeversorgungsvarianten Wirtschaftlichkeit CO 2 -Einsparungen Projektrealisierung Kombination von Holzfeuerungen mit Wärmespeicher Emissionen durch Teillast- und Taktverhalten von Holzkesseln Betriebsoptimierung durch Wärmespeicher Allgemeine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Technologietransfer und Öffentlichkeitsarbeit Zweites Hohenheimer Strategiegespräch DSTTP Der Arbeitskreis Langzeit-Wärmespeicher Internationale Zusammenarbeit ESTTP IEA ECES Annex III

8 SOLARE NAHWÄRME UND LANGZEIT-WÄRMESPEICHER WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE PROGRAMMBEGLEITUNG FÜR SOLARTHERMIE2000PLUS 10 Literatur Anhang - Roadmap Solarthermie Seitherige Entwicklung des Marktes Kostensenkungspotentiale Zukünftige Marktentwicklung Datenbasis der Roadmap Verfasser Die letzte Seite IV

9 1 ZUSAMMENFASSUNG 1 Zusammenfassung 1.1 Kurze Einführung zur saisonalen Wärmespeicherung Die Sonne liefert in den Monaten Mai bis September rund zwei Drittel der in einem Jahr in Deutschland eingestrahlten Solarenergie. Der Hauptteil des jährlichen Öl- oder Gasverbrauches von Wohngebäuden liegt dagegen mit deutlich über zwei Drittel in der Heizperiode zwischen Oktober und April (siehe Bild 1.1). Wärmemenge Wärmebedarf Solare Einstrahlung (relativ) ca. 3% ca. 7% ca % ca. 50% Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez VDI 6002 Kombianlage im Sommer 100 % solar mit Langzeit-Wärmespeicher solarer Deckungsanteil Bild 1.1: Monatlicher Wärmebedarf, Solarstrahlungsangebot und solarer Deckungsanteil am jährlichen Wärmebedarf von solarthermischen Großanlagen Um große Teile dieser fossilen Energien einzusparen, muss Solarenergie im Sommer gewonnen und bis in den Winter gespeichert werden. Hierzu werden saisonale Wärmespeicher verwendet, die über die Sommermonate durch Solarwärme aus großen Kollektorfeldern beladen werden, um damit im Winter die über ein Nahwärmenetz angeschlossenen Gebäude zu heizen. Die Speicherung von Solarwärme vom Sommer in den Winter wurde erstmals vor 25 Jahren in Schweden realisiert. In Deutschland wird die Forschung zu saisonalen Wärmespeichern schon viele Jahre gefördert, seit 2004 durch das F+E-Programm Solarthermie2000plus des BMU. In den vergangenen zwölf Jahren konnten elf Pilotanlagen errichtet werden. Hierbei wurden die folgenden vier Speichertechnologien entwickelt, die jeweils in mindestens einer Pilotanlage in Betrieb sind: 1

10 1.1 Kurze Einführung zur saisonalen Wärmespeicherung Behälter-Wärmespeicher bestehen meist aus einem Stahlbetonbehälter, der außen wärmegedämmt und im Inneren meist mit Stahlblech wasserdicht ausgekleidet ist. Der Behälter wird mit Wasser gefüllt, das durch die Solarwärme bis auf 95 C erwärmt werden kann. Erdbecken-Wärmespeicher entstehen, in dem eine Baugrube wärmegedämmt, mit Kunststoffbahnen abgedichtet und mit Wasser gefüllt wird. Dieser wärmegedämmte Teich wird durch einen schwimmenden oder freitragenden Deckel geschlossen. Erdsonden-Wärmespeicher nutzen das Gestein im Untergrund zur Wärmespeicherung. Durch wasserdurchflossene Erdwärmesonden, die in vertikale Bohrlöcher eingegossen werden, wird das Gestein erwärmt und wieder abgekühlt. Aquifer-Wärmespeicher werden durch Brunnen erschlossen, die aus unterirdischen, Wasser führenden Gesteinsschichten (Aquiferen) Wasser an die Erdoberfläche pumpen, dieses erwärmen und wieder in den Untergrund einspeichern. Durch eine Umkehr des Pumpvorganges kann die gespeicherte Wärme genutzt werden. Die Wärmespeicher versorgen große Gebäudekomplexe oder ganze Siedlungen. Sie sind: mindestens m³ groß, um die Wärmeverluste durch die Oberfläche im Vergleich zur im Volumen gespeicherten Energiemenge zu minimieren. Das Mindestspeichervolumen entspricht ungefähr dem Wasserinhalt eines 25 m-schwimmbeckens. in das Erdreich eingebaut, da das Erdreich zusätzlich wärmedämmt und die großen Speicher oft direkt im Wohngebiet integriert sind. durch ihre Größe im Vergleich zu Speichern in Einfamilienhäusern auf das Speichervolumen bezogen kostengünstig. starken Belastungen ausgesetzt: bis zu 95 C heißes Wasser muss über mehrere Monate gespeichert werden und der Speicher soll mindestens 40 Jahre halten. Die ersten Speicher, die 1996 in Betrieb gingen, funktionieren auch heute noch zuverlässig. Durch umfangreiche Forschungsarbeiten, die durch ein koordiniertes bundesdeutsches Netzwerk von Forschungsinstituten und Unternehmen durchgeführt werden, wurde zum einen die Effizienz und Zuverlässigkeit der Speicherkonstruktionen stark erhöht, zum anderen sinken die Baukosten: Im Vergleich zum Jahr 1996 konnten die Kosten für die aus dem Speicher genutzte Wärme halbiert werden. Im Vergleich zu Öl oder Gas ist diese Wärme aber noch doppelt so teuer dafür wird allerdings auch der CO 2 -Ausstoss der Wärmeversorgung dank der saisonal gespeicherten Solarwärme halbiert. Zur zukunftsfähigen Energieversorgung der Bundesrepublik Deutschland ist es in rund 20 Jahren notwendig, jede Energie so effizient wie möglich zu nutzen. So werden die großen Wärmespeicher nicht nur Solarwärme in großem Umfang saisonal speichern, sondern auch zur Speicherung der 2

11 1 ZUSAMMENFASSUNG bei der Stromproduktion durch z.b. dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung entstehenden Abwärme notwendig sein. Deutschland ist heute Technologieführer auf dem Gebiet der saisonalen Wärmespeicher. In den vergangenen zwei Jahren wurden in Dänemark und in Kanada saisonale Wärmespeicher gebaut - mit Beratung durch deutsche Experten. 1.2 Pilotprojekte zur solaren Nahwärme mit Langzeit-Wärmespeicher Acht Pilotanlagen mit solarthermischen saisonalen Wärmespeichern wurden von 1995 bis 2003 realisiert und im Rahmen des Forschungsprogramms Solarthermie-2000 wissenschaftlich begleitet. Dessen Fortsetzung unter dem Namen Solarthermie2000plus durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) ermöglicht den Bau weiterer Pilotprojekte: Nach jahrelanger Projektentwicklung wurde im Jahr 2007 die solar unterstützte Nahwärmeanlage (SuN) mit saisonalem Wärmespeicher in München in Betrieb genommen. In Eggenstein-Leopoldshafen konnte im Jahr 2007 der saisonale Wärmespeicher errichtet werden. In Crailsheim wurde das solare Nahwärmesystem weiter ausgebaut und der Bau des Erdsonden-Wärmespeichers geplant. Dieser ist für das Jahr 2008 vorgesehen. Für eine vollständige Übersicht der elf bislang realisierten Pilotanlagen siehe Tabelle 1.2. Jede der in Tabelle 1.2 aufgeführten Pilotanlagen wird durch ein messtechnisches Begleitprogramm evaluiert. Tabelle 1.1 gibt einen Überblick über die mit der messtechnischen Begleitung beauftragten Institutionen. Für Veröffentlichungen zu Betriebsergebnissen der einzelnen Anlagen wird an die jeweilige betreuende Institution verwiesen. Tabelle 1.1: Mit der messtechnischen Begleitung beauftragte Institutionen für die Pilotanlagen Institution IGS - Institut für Gebäude- und Solartechnik / Technische Universität Braunschweig ITW Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik / Universität Stuttgart Professur Technische Thermodynamik, Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Chemnitz ZAE Bayern Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v., Garching Betreute Pilotanlagen Hamburg, Hannover, Steinfurt Crailsheim, Eggenstein, Friedrichshafen, Neckarsulm, Rostock Chemnitz Attenkirchen, München 3

12 1.2 Pilotprojekte zur solaren Nahwärme mit Langzeit-Wärmespeicher Tabelle 1.2: Übersicht realisierter Pilotanlagen mit Langzeit-Wärmespeicher 4

13 1 ZUSAMMENFASSUNG 1.3 Übersicht zum Stand der Forschung und Entwicklung Übersicht über die Entwicklungsbereiche Die Entwicklungsbereiche auf dem Gebiet der solaren Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher sind umfassend und vielfältig, verursacht durch die Komplexität und Größe des zu betrachtenden Systems. Die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben (F+E) umfassen hierbei mehrere Brachen, wie z.b. Solarthermie, Baugewerbe, Gebäudetechnik, Anlagenbau, Energieversorgung, Geothermie, Projektentwicklung und -steuerung etc. Bild 1.2 gibt einen Überblick. Politischer Wille Betreiber Projektpartner Kunden Architektonische Integration Abstimmung Wärmedämmung und Effizienztechniken Große Kollektorflächen Heizzentrale: solare Einbindung, Regelung hocheffiziente Wärmepumpe Niedertemperatur-Nahwärmenetz und Solarnetz Niedertemperatur- Hausübergabe Saisonaler Wärmespeicher Bild 1.2.: Forschungsbereiche auf dem Gebiet der solaren Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher Große Kollektorflächen Die Technologien zur Realisierung großer Kollektorflächen sind entwickelt (Bild 1.3), es existieren jedoch noch große Qualitätsunterschiede auf dem Markt. Neue Marktanbieter drängen in den Markt und sind nicht unbedingt mit den gut 20-jährigen Erfahrungen der Marktführer vertraut. Die architektonische Integration von großen Kollektorflächen ist noch kaum entwickelt, gestalterisch und technisch ist noch viel zu tun. Das Pilotprojekt Solare Nahwärme Ackermannbogen in München zeigt wie schon die Exposiedlung in Hannover eine architektonisch gelungene Integration von rund m² Flachkollektorfläche (Bild 1.4 links). 5

14 1.3 Übersicht zum Stand der Forschung und Entwicklung Bild 1.3: Ausführung großer Kollektorfelder (links: Großkollektoren, rechts: Solardach) Einen neuen Ansatz verfolgt das Pilotprojekt in Crailsheim. Die Stadtwerke Crailsheim realisieren eine Kollektorfläche mit im Endausbau über m² Kollektorfläche auf einem Lärmschutzwall (Bild 1.4 rechts). Bild 1.4: Montage der Kollekorflächen im Projekt Solare Nahwärme Ackermannbogen in München (links) und auf dem Lärmschutzwall in Crailsheim (rechts) 6

15 1 ZUSAMMENFASSUNG Solare Nahwärme im Bestand In neuen Pilotvorhaben werden zunehmend solare Nahwärmesysteme mit saisonalem Wärmespeicher im Bestand entwickelt. Die Abstimmung der Gebäudesanierung, -technik und der Energieerzeugung erfolgt entspricht dem Ansatz: 1. Energieeinsparung 2. Energieeffizienz 3. Erneuerbare Energien Dieser Ansatz ist als Methodik schon lange entwickelt, die Verbreitung von Relevanz und Nutzen ist jedoch unbefriedigend und bedarf noch viel Engagements. Niedrige Netzrücklauftemperaturen Einer der F+E-Schwerpunkte in diesem Vorhaben ist die Konzeption und Realisierung möglichst niedriger Netzrücklauftemperaturen, da diese in der Regel das tiefste Temperaturniveau im Gesamtsystem liefern, auf das die saisonalen Wärmespeicher ausgekühlt und mit dem die Kollektorfelder beliefert werden können. Niedrige Netzrücklauftemperaturen sind eine wesentliche Voraussetzung für hohe Solarerträge und eine hohe Systemeffizienz. Die Technologieentwicklung hierzu umfasst die folgenden drei Bereiche: Niedertemperatur-Nahwärmenetz: Technologieentwicklung beginnt, Professionalisierung notwendig Niedertemperatur-Hausübergabe: Technologieentwicklung ist im Gange, noch große Qualitätsunterschiede auf dem Markt Niedertemperatur-Hausverteilung: technologischer, wirtschaftlicher und qualitativer Entwicklungsbedarf Mit den neuen Pilotanlagen in München, Crailsheim und Eggenstein wurden hierbei zwei unterschiedliche Wege zur Niedertemperaturtechnik verfolgt: a) Die technologische Lösung (München-Ackermannbogen): 1. Hohe technische Vorgaben für die Bauträger: Wohnungsübergabestationen mit maximalen VL/RL-Temperaturen 50/30 C 2. Hoher Aufwand bei der Bauüberwachung 3. Hohe Kosten b) Die organisatorische Lösung (Crailsheim, Eggenstein): 1. Geringe zusätzliche Anforderungen an die Bauherren 2. maximale VL/RL-Temperaturen 60/30 C 3. Beratung, Schulung und Unterstützung bei der Umsetzung 4. Lokaler politischer Rückhalt notwendig 5. Geringere Kosten 7

16 1.3 Übersicht zum Stand der Forschung und Entwicklung Zur Absicherung einer effizienten Speichernutzung auch bei im Vergleich zum Planungsstand erhöhten Netzrücklauftemperaturen verwenden die drei neuen Pilotanlagen eine Wärmepumpe zur Auskühlung des saisonalen Wärmespeichers. In Crailsheim konnte zusammen mit dem Planer und mit der Industrie eine Wärmepumpe entwickelt werden, für die der Lieferant bei vorgegebenen Betriebsbedingungen des Nahwärmesystems eine Jahres-Arbeitszahl von mindestens 4,9 garantiert. Weiterentwicklung der Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung Die F+E-Arbeiten zur Weiterentwicklung der Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung bilden einen weiteren, zentralen Schwerpunkt im Vorhaben. Innerhalb der Vorhabenlaufzeit konnten der Heißwasser-Wärmespeicher in München, ein großer Pufferspeicher in Crailsheim und der Erdbecken-Wärmespeicher in Eggenstein-Leopoldshafen realisiert werden. Weiterhin wurde der Bau des Erdsonden-Wärmespeichers in Crailsheim vorbereitet. Die Speicherbauweisen sind im Detail im Bericht erläutert. Mit allen Pilotspeichern konnten bei gleichzeitiger Steigerung der Zuverlässigkeit der Speicherkonstruktion die Speicherbaukosten reduziert werden, einhergehend mit einer Effizienzsteigerung durch bessere Dämmung und verbessertem Schichtungsverhalten. Trotz der gestiegenen Speichereffizienz konnten die Baukosten der Wärmespeicher im Vergleich zur vorhergehenden Speichergeneration um ca. 20 % reduziert werden. Der Erdsonden- Wärmespeicher in Crailsheim markiert mit Baukosten von rund 44 /m³ Wasseräquivalent einen neuen Bestwert. Roadmap Solarthermie 2020 Die Arbeiten zur Roadmap Solarthermie 2020 des BMU ergaben, dass bei den derzeitigen Speicherbaukosten die Ergänzung des Gesamtsystems mit einer Wärmepumpe kosteneffizienter ist als eine Vergrößerung der Kollektorfläche und des Speichervolumens, um den selben solaren Deckungsanteil zu erreichen. Mit einer Fortsetzung der Entwicklung zur Effizienzsteigerung der saisonalen Wärmespeicher bei gleichzeitiger Kostenreduktion wird jedoch in ein paar Jahren der Einsatz einer Wärmepumpe im Vergleich zu einer Vergrößerung des Solarsystems keine Kostenvorteile mehr bieten können. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass für die saisonale Wärmespeicherung nun circa die Halbzeit der Technologieentwicklung hin zur Marktbereitschaft erreicht ist. Die Industrie beginnt, Interesse an der Entwicklung der Technologien zu zeigen. Die ersten Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung werden ihre Marktbereitschaft bis ca. zum Jahr 2020 erreichen. 8

17 2 EINLEITUNG 2 Einleitung Die zukünftige Energieversorgung der Bundesrepublik Deutschland wird, darin sind sich die in Szenarienberechnungen führenden Forschungsinstitute wie das ITT des DLR oder das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie einig, vermehrt Systeme zur solaren Nahwärmeversorgung und insbesondere zur solaren Langzeit-Wärmespeicherung einsetzen müssen, wenn die CO 2 - Minderungsziele der Bundesregierung zumindest annähernd erreicht werden sollen [Fischedick et al., 2002; Nitsch et al., 2004]. Auch Entwicklungen wie verteilte Kraftwerke durch Kraft-Wärme-Kopplungsgeräte in Privathaushalten, verstärkter Einsatz von Biomasse zur Stromerzeugung, der Ausbau der Nutzung geothermischer Energie u.ä. führen, zumindest mittelfristig, zu der Notwendigkeit des Einsatzes von Wärmespeichern, die Schwankungen in der Wärmeleistungsanforderung ausgleichen und die Stromvon der Wärmebereitstellung durch Wärmespeicherung entkoppeln. Hierzu werden Wärmespeicher benötigt, die Wärme saisonal oder über mehrere Wochen speichern und die kostengünstig erstellt und einfach in bestehende Siedlungsstrukturen integriert werden können. Dieses Forschungsvorhaben führt die wissenschaftlich-technische Programmbegleitung für solare Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicher fort, basierend auf den Ergebnissen der zuvor durchgeführten Vorhaben (deren Forschungsberichte sind im Anhang aufgeführt). Die Ziele dieses Forschungsvorhabens sind: Erweiterung des Grundlagenwissens, das für die Realisierung von solar unterstützten Nahwärmesystemen (SuN) mit Langzeit-Wärmespeicher (LZWSP) notwendig ist. Entwicklung und Erstellung von weiteren Pilotprojekten zur solar unterstützten Nahwärmeversorgung in Neubau und Bestand mit hohen solaren Deckungsanteilen und damit die weitere Verbreitung der Technologie. Optimierung der Anlagen auf der Basis der Erfahrungen mit den Pilotprojekten der solar unterstützten Nahwärme mit dem Ziel, ein optimales Kosten/Nutzen-Verhältnis unter Berücksichtigung aller wirtschaftlichen und gesamtenergetischen Gesichtspunkte zu erreichen. Bei höherer Effizienz der Systeme und geringeren Kosten zur Verwirklichung der Anlagen sollen die Kosten solar genutzter Wärme aus Langzeit-Wärmespeichern deutlich reduziert werden. Ziel der strategischen Entwicklung der Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung ist es, die Marktbereitschaft der ersten Technologien bis zum Jahr 2020 zu erreichen. 9

18 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München 3 Projekt- und Baubegleitung neuer Pilotprojekte Die im vorausgehenden Vorhaben F begonnene Projektbegleitung der neuen Pilotprojekte Ackermannbogen in München, Hirtenwiesen 2 in Crailsheim und Eggenstein-Leopoldshafen wird mit diesem Vorhaben fortgesetzt. Hierbei wird die Projektentwicklung bei Stadt und Stadtwerken ebenso unterstützt wie die Planung, LV-Erstellung, die Bieterauswahl, Bauausführung, Abnahme und die Inbetriebnahmephase. Da zu Teilen der Anlagentechnik insbesondere die großen Kollektorfelder und der Langzeit-Wärmespeicher noch kein Stand der Technik existiert (keine detaillierten Normen oder Richtlinien), müssen bei Bedarf detaillierte technische Vorgaben durch Solites gemacht werden. Im Rahmen dieser Programmbegleitung werden hierdurch die Erfahrungen von Planung und Umsetzung der vorangegangenen Pilotanlagen in jede neue Pilotanlage eingebracht und das Wissen zu den beteiligten Planern, den Stadtwerken und den betreuenden Institutionen (IGS, ITW, ZAE) transferiert. Die seitherige Arbeit im Rahmen des Vorhabens F hat gezeigt, dass insbesondere die Begleitung des Pilotprojektes in München aufgrund der Größe der Beteiligten (Landeshauptstadt München und Stadtwerke München) sehr zeitaufwändig ist. Die folgenden Kapitel vertiefen die Projekt- und Baubegleitung der jeweiligen Siedlung und der technischen Systeme. Über die Langzeit-Wärmespeicher wird jeweils detailliert in Kapitel 4 berichtet. 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München Projektübersicht Bild 3.1: Modell der solaren Nahwärmesiedlung Ackermannbogen (SNAB) (Arch. Götze und Hadlich, München) Die solare Nahwärme Ackermannbogen (SNAB) in München (Bild 3.1) wird durch die Landeshauptstadt München (LHM) mit Förderung von PTJ/ BMU finanziert und durch die Stadtwerke München (SWM) realisiert und betrieben. Mit dem Bau der Gebäude wurde im Frühjahr 2005 begonnen. Das Pilotprojekt wird vom ZAE Bayern wissenschaftlich begleitet und von Solites als Programmbegleiter wissenschaftlichtechnisch überwacht. 10

19 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Durch die Größe der Projektbeteiligten LHM und SWM, durch Zusatzarbeiten wie z.b. der Durchführung eines Realisierungswettbewerbes für die Gebäude sowie durch notwendige politische Abstimmungen im Stadtrat hatte sich der Bau des Projektes mehrfach verzögert. Einen Lageplan der Siedlung zeigt Bild 3.2, die allgemeinen Daten des solaren Nahwärmesystems können der folgenden Tabelle 3.1 entnommen werden. Bild 3.2: Lageplan der solaren Nahwärme Ackermannbogen (SNAB) (Quelle: Stadt München). Der Plan ist genordet. Tabelle 3.1: Planungsdaten des solaren Nahwärmesystems mit Langzeit-Wärmespeicher Ackermannbogen in München (SNAB) Kollektoraperturfläche m² Fördermittelempfänger Stadt München Wasserinhalt des Speichers m³ Eigentümer Stadtwerke München Versorgungsgebiet 300 Wohnungen Planer Anlagentechnik Kulle und Hofstätter, München Gesamtwärmebedarf ab Heizzentrale Absorptionswärmepumpenleistung MWh/a Planer Speicher Ing.-Büro Lichtenfels, Keltern 1,4 MW th Konzept ZAE Bayern, Garching solarer Deckungsanteil 47 % 1) Wiss. Begleiter ZAE Bayern und Solites solare Nutzwärmekosten 0,24 /kwha 2) Inbetriebnahme ) TRNSYS-Simulation des ZAE Bayern 2 ) nach Rechenbedingungen Solarthermie2000plus 11

20 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München Bei Beantragung des Pilotprojektes wurde ein jährlicher Gesamtwärmebedarf der SNAB-Siedlung ab Heizzentrale von 1996 MWh/a angenommen bei einer leistungsgemittelten jährlichen Netzrücklauftemperatur von 30 C. Im Rahmen des Realisierungswettbewerbes zur Integration der Kollektorflächen in die Siedlung wurde den Bauträgern vom Bauamt der Stadt München zugestanden, die maximale baubare Bruttogeschoßfläche mit der Fläche, die unter den integrierten Solardächern entsteht, überschreiten zu können. Hierdurch konnte eine architektonisch gelungene Solardachlösung für die Siedlung erreicht werden (Bild 3.1). Durch diese Erhöhung der Bruttogeschoßfläche wurde der Gesamtwärmebedarf ab Heizzentrale auf Basis der ENEV-Nachweise auf 2296 MWh/a erhöht. In Abstimmung mit dem Fördermittelgeber wurde aufgrund der im Vergleich zum Antrag gestiegenen Wärmelast nun nicht ein solarer Deckungsanteil von 50 % gefordert, sondern ein solarer Nutzwärmeertrag von mindestens 300 kwh/m² Aperturfläche und Jahr. Beibehalten wurde die Forderung des Zuwendungsbescheides, dass der Jahresmittelwert der leistungsgemittelten Netzrücklauftemperatur von 30 C nicht überschritten werden darf. Die SWM forderten einen hohen Aufwand für die Projektsteuerung und -koordination, der nicht in die förderfähigen Kosten einrechenbar war. Die hierfür insgesamt angesetzten , oder bezogen auf die Kollektorfläche von 2921 m² rund 173 /m², sind im Vergleich zu allen seither realisierten Pilotprojekten der mit deutlichem Abstand höchste Wert Das Anlagenkonzept Ursprünglich war geplant, die Absorptionswärmepumpe mit dem Heißdampf aus dem Fernwärmenetz der SWM anzutreiben und den Dampf zu kondensieren. Die SWM stellen jedoch alle Dampfteilnetze der Fernwärmeversorgung auf ein Heißwassernetz um. Hierdurch konnte das ursprüngliche Anlagenkonzept nicht beibehalten werden. Das Anlagenkonzept (Bild 3.3) wurde durch das ZAE Bayern mehrfach an diese geänderte Randbedingungen angepasst: Die Absorptionswärmepumpe wird als Wärmequelle nun nicht mehr parallel zum Kollektorfeld in den Langzeit-Wärmespeicher eingebunden, sondern diesem seriell nachgeschaltet. Hierdurch kann die Absorptionswärmepumpe nicht mehr bei konstanter Leistung im optimalen Betriebspunkt betrieben werden, sondern muss ihre Leistung dem Massenstrom des Nahwärmenetzes und der zu erwärmenden Temperaturdifferenz anpassen. Die Dimensionierung und Betriebsbetrachtung der Absorptionswärmepumpe erfolgte durch das ZAE Bayern. Die Absorptionswärmepumpe wird mit Heißwasser aus dem Fernwärmenetz der SWM angetrieben. Bei Bedarf kann die direkt eingekoppelte Fernwärme die Vorlauftemperatur des Nahwärmenetzes sicherstellen. Die Restauskühlung des Fernwärme-Rücklaufs auf die geforderte Maximaltemperatur von 50 C erfolgt über eine Rücklaufanhebung des Nahwärmenetzes. 12

21 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Kollektorfelder 5700 m³ M Nahwärmenetz hydraulische Weic he M Ab sorptionswä rmep ump e Nachheizung Fernwä rme max. 50 Bild 3.3: Schema des solaren Nahwärmesystems in München Die Konstruktion des Heißwasser-Wärmespeichers ist detailliert in Kapitel 4 beschrieben. Im Vergleich zu den seither realisierten Bauweisen der Heißwasser-Wärmespeicher in Friedrichshafen, Hamburg und Hannover sind die Speicherbaukosten in München um ca. 20 % reduziert bei gleichzeitig verbesserter Wärmedämmung des Speichers. Bild 3.3 zeigt eine weitere Besonderheit des Speichers: Neben der Schichtbeladeeinrichtung ist ein höhenverstellbares Entnahmerohr eingebaut (blaue gestrichelte Linie im linken oberen Speicherbereich). Diese soll dazu dienen, im Frühjahr das obere Speichervolumen schnell auf die Zieltemperatur des Nahwärmenetz-Vorlaufes zu erwärmen. Erst wenn dieses Puffervolumen erwärmt ist, erfolgt die Entnahme auf der unteren Speicherebene. Die Simulationsergebnisse des ZAE Bayern zeigen eine geringe Erhöhung des solaren Deckungsanteils durch diesen sogenannten Pufferspeicherbetrieb. Die Betriebserfahrungen der seitherigen Pilotanlagen lassen hingegen keine Erhöhung des solaren Deckungsanteils erwarten. Die messtechnische Begleitung der Pilotanlage durch das ZAE Bayern wird hier Klarheit erbringen. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt des Projektes in München ist die Erzielung einer möglichst niedrigen durchschnittlichen Netzrücklauftemperatur. Die Architekten und technischen Planer wurden im Rahmen eines Realisierungswettbewerbes hierauf sensibilisiert. Die Bauträger sind über ein umfangreiches Pflichtenheft verpflichtet, das Nahwärmesystem im Gebäude weiterzuführen, die einzelnen Wohnungen über Wohnungsübergabestationen zu versorgen und die Trinkwassererwärmungs- und Heizsysteme auf eine möglichst hohe Auskühlung des Netzvorlaufes zu optimie- 13

22 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München ren, siehe auch [Bodmann et al., 2005]. Zur Realisierung der geforderten maximalen Jahresdurchschnittstemperatur des Nahwärmenetz-Rücklaufs von 30 C wurden folgende Maßnahmen umgesetzt: Im Vergleich zur EnEV 2000 verbesserter Wärmeschutz der Gebäudehülle Wohnungsübergabestationen, die von der vertikal in die Geschosse verteilten Nahwärmeleitung versorgt werden. Die Wohnungsübergabestationen sitzen teilweise im Installationsschacht der Nahwärmeleitung in den Treppenhäusern der Gebäude (siehe 3.1.5). Die Trinkwassererwärmung erfolgt im Durchflussprinzip möglichst ohne Trinkwasserzirkulationsleitung, die Heizungseinbindung erfolgt in der Wohnungsübergabestation direkt. Die Hausübergabe vom Nahwärmenetz in die hausinterne Verteilung ist durch Wärmeübertrager vom eigentlichen Nahwärmenetz abgetrennt. Raumheizsystem mit großen Wärmeübertragerflächen, meist als Fußbodenheizung ausgeführt. In einem Gebäude wurden Radiatoren eingebaut, deren Rücklauf durch eine seriell nachgeschaltete Fußbodenheizung weiter ausgekühlt wurde. Für niedrige Rücklauftemperaturen optimierte Wohnungsübergabestationen, die vorab vom ZAE Bayern vermessen und bei Bedarf in Zusammenarbeit mit dem Lieferanten verbessert wurden. Grundsätzlich zeigte sich hier, dass generell große Wärmeübertrager einzubauen sind. Einsatz von Differenzdruckreglern in den einzelnen Netzsträngen, um die Wohnungsübergabestationen und Teilfelder der Kollektorflächen selbsttätig hydraulisch abgleichen zu können Wirtschaftliche Optimierung durch die Absorptionswärmepumpe Durch die oben beschriebene, geänderte, nun serielle Einbindung der Absorptionswärmepumpe reduziert sich der Betriebsvorteil, der durch eine Verwendung der Wärmepumpe für das Gesamtsystem erzielbar ist. Durch die SWM wurde mit der GTD GmbH aus Dresden ein unabhängiges Ingenieurbüro beauftragt, die Wirtschaftlichkeit der möglichen Einbindung einer Absorptionswärmepumpe zu überprüfen und mit der technischen Alternative zu vergleichen, ohne Absorptionswärmepumpe eine Nacherwärmung allein durch einen Hochleistungswärmeübertrager zu realisieren. Parallel führte das ZAE Bayern die selben Vergleiche durch ( Vergleich des solaren Wärmepreises für die Varianten Solarsystem mit Absorptionswärmepumpe und Solarsystem mit Wärmeübertrager im Nahwärmekonzept Ackermannbogen, Version vom ). Solites wertete die Ergebnisse der beiden Arbeiten aus und stimmte das weitere Vorgehen zwischen SWM, LHM, der GTD GmbH, dem ZAE Bayern und dem Fördermittelgeber PTJ ab. Ergebnis dieser Abstimmung war, dass mit Zustimmung von allen Seiten die Realisierung der Absorptionswärmepumpe zu einem gesamtwirtschaftlichen Vorteil im Vergleich zum Einsatz eines investiv deutlich kostengünstigeren Hochleistungswärmeübertragers führt. Die folgende Tabelle 3.2 vergleicht die wichtigsten Kenndaten der beiden Varianten. 14

23 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Tabelle 3.2: Vergleich der Varianten mit Absorptionswärmepumpe und ohne Absorptionswärmepumpe, jedoch mit Hochleistungs-Wärmeübertrager für die solare Nahwärme Ackermannbogen (SNAB) Kollektorbruttowärmeertrag Solarer Nutzwärmeertrag mit Absorptionswärmepumpe entspr. Bild MWh/a = 422 kwh/m²a ohne Absorptionswärmepumpe, mit Hochleistungs- Wärmeübertrager 1068 MWh/a = 366 kwh/m²a 1154 MWh/a 965 MWh/a = 395 kwh/m²a 1) = 330 kwh/m²a 1) Wärmeverluste Solarsystem 79 MWh/a = 6 % 105 MWh/a = 10 % Fernwärme 1141 MWh/a 1331 MWh/a Gesamtwärmebedarf ab Heizzentrale 2296 MWh/a 2296 MWh/a Solarer Deckungsanteil 50 % 42 % Max. Speichertemp. 92 C 95 C Min. Speichertemp. 10 C C Investitionskosten der Maßnahme Solarer Wärmepreis des Gesamtsystems 2) 22,2 Cent/kWha 24,5 Cent/kWha 1) Bezug auf eine Aperturfläche von 2921 m² 2) Berechnung durch Solites entsprechend Kostenstand 2006, Projekt noch nicht endabgerechnet. Trotz der höheren Investitionskosten der Variante mit Absorptionswärmepumpe ist der solare Wärmepreis geringer, da der durch die Wärmepumpe erzielbare höhere Wärmeertrag den solaren Wärmepreis reduziert. Zusätzlich sinkt der solare Nutzwärmeertrag durch den Einsatz der Absorptionswärmepumpe nur noch wenig, wenn die Netzrücklauftemperatur über den vorgegebenen 30 C liegt. Die Absorptionswärmepumpe minimiert hier also das Betriebsrisiko. Bei einem Wegfall der Absorptionswärmepumpe kann der Speicher über den Winter nicht mehr auf eine Minimaltemperatur von rund 10 C in den unteren Speicherschichten ausgekühlt werden; diese zusätzliche Wärmemenge steht nicht mehr zur Nutzung zur Verfügung. Unsere Berechnung dieser nicht mehr nutzbaren Wärmemenge ergab bei Ansatz einer Speicherzyklenzahl von 1,2 vergleichbar mit der Anlage in Hannover-Kronsberg eine Höhe dieser nicht nutzbaren Wärmemenge von ca. 143 MWh/a. GTD berechnete diese Wärmemenge zu fast gleichen 145 MWh/a. 15

24 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München Fotodokumentation der Kollektorfeldmontage Anlieferung der Großkollektoren nach Baufortschritt des Gebäudes Heben der Großkollektoren mit Autokran, Halteschleifen sind im Kollektor verschraubt Vorbereitete, konventionelle Dachunterkonstruktion mit unterer Entwässerungsebene, Hinterlüftung und Feldverrohrung Ablegen der Großkollektoren, Ausrichten und Festschrauben Ansicht eines der drei Kollektordächer. Diese sind geteilt, um Südterrassen und Südfenster zu ermöglichen. Oberer Abschluss des Kollektorfeldes zur Terrasse. Platz für Kollektorrohrverbindung und Einblechung 16

25 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Rohranschlüsse einzelner Teilfelder. Verbindung vor Ort durch Hartlöten Führung der Horizontalverrohrung im Abseitenraum des Daches mit Gleitlager Fuge zwischen zwei Kollektoren mit einer Dichtebene Unterer Abschluss der Kollektorfelder mit einzublechendem Regenauslauf, darunter Regenrinne Toleranzfuge über Brandwand, Kollektoren daher mit Faserzementplatten brandschutzverkleidet Fertiggestelltes Kollektorfeld Hinzuweisen ist hier insbesondere auf die untersten beiden Bilder. Durch eine detaillierte Diskussion der Randbedingungen konnte erreicht werden, dass das Kollektorfeld ohne Unterbrechung und ohne durch die Dachebene tretende Brandwände über Brandabschnitte hinweg durchgehen kann. 17

26 3.1 Solare Nahwärme Ackermannbogen in München Die Holzrahmenkollektoren sind hierzu im Bereich von 1 m Abstand zur Brandwand einlagig mit nicht brennbaren Faserzementplatten (A1) zu verkleiden Fotodokumentation zur Integration der Haustechnik Flexibler Innenausbau durch Trockenbauwände und Fußbodenheizung Innenausbau in Trockenbauweise, Integration der Leitungsführungen in Installationsschächten Vertikaler Installationsschacht im Treppenhaus zur Führung des Nahwärmenetzes Zwei Wohnungsübergabestationen mit großem Wärmeübertrager, eine von mehreren Ausführungsvarianten 18

27 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Wohnungsübergabestation über Heizverteiler Fußbodenheizung im Flurbereich einer Wohnung Fußboden- als Flächenheizung, Heizkörper- Rücklauf als Vorlauf für Fußbodenheizung Wandheizkörper, kombiniert mit Fußbodenheizung zur Rücklaufauskühlung Hausanschluss mit Nahwärmenetz (links) und Solarnetz (rechts) 19

28 3.2 Crailsheim Hirtenwiesen Crailsheim Hirtenwiesen 2 Bild 3.4: Solare Nahwärmesiedlung Hirtenwiesen 2 in Crailsheim im Sommer 2007, im Vordergrund Bauplatz für den Erdsonden-Wärmespeicher Ein zu Beginn der Projektentwicklung im Jahr 2000 erstelltes Energiekonzept zeigt, dass die solare Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher für das Baugebiet Hirtenwiesen II (Bild 3.4), welches als ehemaliges Kasernengelände die größte Konversionsfläche Baden- Württembergs darstellt, die wirtschaftlichste Möglichkeit ist, die CO 2 -Emissionen gegenüber dem vorgeschriebenen Baustandard um 50 % zu senken. Ein Lageplan des gesamten Baugebietes ist in Bild 3.5 dargestellt. Nach weiterer Projektentwicklung wurde im Februar 2005 der Ausbau des bestehenden solaren Nahwärmesystems mit Kurzzeit-Wärmespeicher zum größten deutschen Solarsystem mit Langzeit-Wärmespeicher begonnen. Dieser wird vom BMU und vom Wirtschaftsministerium Baden- Württemberg gefördert. Mit Vollendung des ersten Bauabschnittes werden von der solaren Nahwärme 260 Wohneinheiten, überwiegend in Einfamilienhäusern, sowie eine Schule und eine Sporthalle mit Wärme versorgt. Damit liegt der erwartete Jahresgesamtwärmebedarf des Nahwärmenetzes inklusive Verteilverlusten bei ca MWh. Die solare Wärmeversorgung besteht aus ca m² Solarkollektorfläche, zwei Heisswasser-Pufferpeichern mit 100 bzw. 480 m³ Volumen, die als Druckspeicher ohne Wärmeübertrager direkt in das Wärmeversorgungsnetz eingebunden sind, und dem Erdsonden-Wärmespeicher. Die Wärmespeicher sind in den Kapiteln 4.3 und 4.4 erläutert. Tabelle 3.3 gibt einen Überblick der Planungsdaten des 1. Bauabschnittes. Im Endausbau sollen ca. 211 weitere Wohneinheiten versorgt werden. Der dazu notwendige Zubau an Kollektorfläche auf ca m² sowie die Erweiterung des Erdsonden-Wärmespeichers von 80 auf 160 Erdwärmesonden wird dabei dem Wachstumstempo des Wohngebietes angepasst. 20

29 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Wohngebiet Hirtenwiesen I Wohngebiet Hirtenwiesen II 2. BA Solarnetz Wärmenetz Heizzentrale an Nahwärme LM-Gymnasium Wohngebiet Hirtenwiesen II 1. BA Hirtenwiesenhalle 100 m³ WP Heizzentrale mit Wärmepumpe 480 m³ Erdsonden- Wärmespeicher Kollektoren auf dem Lärmschutzwall Bild 3.5: Lageplan der solaren Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher in Crailsheim. Der Plan ist genordet, WP: Wärmepumpe Tabelle 3.3: Daten der solaren Nahwärme Hirtenwiesen 2 in Crailsheim (1. Bauabschnitt) Pufferspeicher Saisonaler Wärmespeicher Versorgungsgebiet Gesamtwärmebedarf ab Heizzentrale Wärmepumpenleistung solarer Deckungsanteil solare Nutzwärmekosten ca m² 100 m³ Heißwasser 480 m³ Heißwasser m³ Erdsonden- Wärmespeicher 260 Wohnungen, Schule und Sporthalle Kollektoraperturfläche Fördermittelempfänger Planer Pufferspeicher Planer Erdsonden- Wärmespeicher Planer Anlagentechnik MWh Konzept 530 kw th Wiss. Begleiter 1) Technische Entwicklungen 50 % Stadtwerke Crailsheim Ing.-Büro Lichtenfels, Keltern EWS GmbH, Lichtenau HGC GmbH, Hamburg ITW, Uni Stuttgart und Solites ITW, Uni Stuttgart und Solites Solites und Planer 0,19 /kwha 2) Inbetriebnahme voraussichtlich ) TRNSYS-Simulation ITW, Uni Stuttgart; 2) nach Rechenbedingungen Solarthermie2000plus 21

30 3.2 Crailsheim Hirtenwiesen 2 Die solare Nahwärme Hirtenwiesen 2 in Crailsheim ist Leuchtturmprojekt der Innovationsoffensive der deutschen Wirtschaft und des Umweltministeriums Baden-Württemberg. Im August 2005 besuchte Bundesumweltminister Trittin dieses Leuchtturmprojekt (Bild 3.6). Bild 3.6: Bundesumweltminister Trittin und Herr Wagner, Geschäftsführer der Stadtwerke Crailsheim, in der Technikzentrale der solaren Nahwärme Hirtenwiesen Das Anlagenkonzept Das Systemkonzept wurde am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit Solites und HGC entwickelt und mit Hilfe zahlreicher Simulationsrechnungen detailliert. Das Anlagenschema ist in Bild 3.7 dargestellt. Das Gesamtsystem gliedert sich in zwei miteinander verbundene Anlagenteile: einen Anlagenteil zur kurzzeitigen Wärmespeicherung (in Bild 3.5 links oben, in Bild 3.7 oberer Anlagenteil) und einen Anlagenteil zur saisonalen Wärmespeicherung (in Bild 3.5 unten, in Bild 3.7 unterer Anlagenteil). Der Grund für die Trennung des Gesamtsystems in zwei Anlagenteile ergibt sich aus der Entwicklung der solar unterstützten Nahwärmeversorgung in Crailsheim. So wurde 2004, als der Ausbau des Gesamtsystems zu einer Anlage mit saisonalem Wärmespeicher noch nicht beschlossen war, zunächst eine solar unterstützte Nahwärme mit 700 m² Kollektorfläche und dem 100 m³ großen Heißwasser-Pufferspeicher zur Kurzzeit-Wärmespeicherung in Betrieb genommen. 22

31 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Kollektorfelder Gebäude 100 m³ Nachheizung Heizwerk Nahwärmenetz Hirtenwiesen II Kollektorfelder Wall 480 m³ Wärmepumpe 530 KW Erdsonden-Wärmespeicher m³ Bild 3.7: Anlagenschema der solaren Nahwärme mit Langzeit-Wärmespeicher in Crailsheim Der aus Betonfertigteilen gebaute Pufferspeicher des Anlagenteils zur Kurzzeit-Wärmespeicherung speist das Nahwärmenetz mit solar erzeugter Wärme. Liefern die auf den Gebäuden montierten Flachkollektoren mehr Wärme, als der 100 m³ große Pufferspeicher (Pufferspeicher 1) aufnehmen kann, wird die überschüssige Wärmemenge über die 300 m langen Verbindungsleitungen in den 480 m³ großen Pufferspeicher des saisonal betriebenen Anlagenteils (Pufferspeicher 2) transportiert. Die Kollektorfeldgrößen und Pufferspeichervolumina sind allerdings so dimensioniert, dass diese Wärmeübertragung auf ein Minimum reduziert wird. Die hauptsächliche Beladung des 480 m³ großen Pufferspeichers erfolgt durch die auf dem Lärmschutzwall montierten Flachkollektoren. Durch die Einbindung dieses Pufferspeichers zwischen der Kollektorfläche und dem Erdsonden-Wärmespeicher kann die maximale Beladeleistung des Erdsonden-Wärmespeichers deutlich unter der maximalen Wärmeleistung des Kollektorfeldes gehalten werden, da eine zeitverzögerte Weitergabe der gewonnenen Wärmemengen möglich wird. Damit ist eine Auslegung des Erdsonden-Wärmespeichers auf die erforderliche Wärmespeicherkapazität und nicht auf die maximale Beladeleistung möglich, wodurch die Größe des Erdsonden-Wärmespeichers so stark reduziert werden kann, dass trotz des zusätzlich notwendigen Pufferspeichers die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verbessert wird. 23

32 3.2 Crailsheim Hirtenwiesen 2 Bild 3.8: Energieflussdiagramm der SuN mit LZWSP in Crailsheim (Planungsstand, TRNSYS- Simulationsergebnisse) Wenn die Wärmelieferung des Anlagenteils zur Kurzzeit-Wärmespeicherung nicht zur Deckung des Wärmebedarfs des Nahwärmenetzes ausreicht, wird der Pufferspeicher 1 über die 300 m langen Verbindungsleitungen von Pufferspeicher 2 aufgeladen. Diese Beladung des an das Nahwärmenetz angeschlossenen Pufferspeichers 1 aus dem saisonal betriebenen Anlagenteil erfolgt direkt, solange die Temperatur im Pufferspeicher 2 die erforderliche Vorlauftemperatur des Nahwärmenetzes übersteigt. Andernfalls geschieht der Wärmetransport von Pufferspeicher 2 zu Pufferspeicher 1 über eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe. Bei Absinken des Temperaturniveaus in Pufferspeicher 2 kann dieser wiederum durch den saisonalen Wärmespeicher beladen werden. Die Integration der Wärmepumpe in das System führt dazu, dass der Erdsonden-Wärmespeicher auf tiefere Temperaturen entladen wird (bis auf ca. 20 C) und damit dessen Wärmeverluste sinken. Außerdem steigt der Nutzungsgrad des Kollektorfeldes auf dem Lärmschutzwall vor allem im Frühjahr durch die niedrigeren Kollektorrücklauftemperaturen. Des Weiteren bewirkt die Absenkung der minimalen Temperatur des Erdsonden-Wärmespeichers und die damit verbundene Erhöhung der nutzbaren Temperaturdifferenz einen Anstieg der volumenbezogenen Speicherkapazität, so dass das Speichervolumen des Erdsonden-Wärmespeichers im Vergleich zu einem identischen System 24

33 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE ohne Wärmepumpe reduziert werden kann. [Bodmann et al., 2005] zeigt, dass der Einsatz der Wärmepumpe zu einer wirtschaftlichen Verbesserung des Gesamtsystems führt, trotz der Zusatzkosten der Wärmepumpe. Falls der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes nicht durch solare Wärme gedeckt werden kann, erfolgt die Nachheizung auf die erforderliche Netzvorlauftemperatur durch das Fernwärmenetz der Stadtwerke Crailsheim. Die Energiebilanz für den ersten Bauabschnitt ist in Bild 3.8 als Energieflussdiagramm dargestellt, basierend auf TRNSYS-Simulationsergebnissen Verfahren zur Sicherstellung niedriger Netzrücklauf-Temperaturen Im Gegensatz zur SuN mit saisonalem Wärmespeicher am Ackermannbogen in München, bei der eine massenstromgemittelte Rücklauftemperatur des Nahwärmenetzes von 30 C durch hohen technischen und finanziellen Aufwand der Bauträger realisiert wurde, wird in Crailsheim lediglich ein Niedertemperatur-Heizsystem mit der Auslegung 60/30 C für alle Häuser gefordert, welches nach Angabe der Stadtwerke Crailsheim mit Mehrkosten von rund Euro je Einfamilienhaus umgesetzt werden kann. Diese Forderung sowie die Anschlusspflicht an das Nahwärmenetz sind bereits in den Grundstückskaufverträgen zwischen der Stadt Crailsheim und dem jeweiligen Käufer festgehalten. Damit und mit einer Vereinbarung zwischen den Stadtwerken Crailsheim und der Stadt Crailsheim, die die tatsächliche Erschließung des Gebietes zusichert, konnten die Stadtwerke ihre Planungssicherheit als Betreiber des Nahwärmenetzes erhöhen. Die Hausübergabestationen sind durch die Hauseigentümer bei den Stadtwerken Crailsheim zu kaufen. Eine Anlieferung findet allerdings nur statt, wenn für das Heizsystem eine Berechnung des hydraulischen Abgleichs vorgelegt werden kann. Nach einer Abnahme durch die Stadtwerke Crailsheim werden die Hausübergabestationen nur dann freigeschaltet, wenn die Rücklauftemperatur auf der Netzseite 35 C nicht übersteigt. Andernfalls wird die Wärmelieferung wieder außer Betrieb genommen und der Hausbesitzer muss seinen Installateur zur Nachbesserung bitten. Dieses Verfahren wurde von den Stadtwerken Crailsheim in einem anderen Nahwärmesystem schon vor Baubeginn der solaren Nahwärme Hirtenwiesen 2 eingeführt. Die Hausbesitzer werden durch vorbereitende Informationsabende über dieses Verfahren aufgeklärt, bestehende Fragen können diskutiert werden. Ebenso werden den Installateuren kostenlose Informations- und Schulungsveranstaltungen zu dem Verfahren an sich, zum Anschluss der Hausübergabestationen etc. angeboten. Mittlerweile wird dieses Verfahren auch von den Installateuren positiv angenommen, da bei Einhaltung der von den Stadtwerken vorgegebenen Abläufe und technischen Randbedingungen ein reibungsloser Bauablauf sichergestellt ist. Spätere Reklamationen der Hausbesitzer werden vom Wartungs- oder Notdienst der Stadtwerke bearbeitet. Die Hausübergabestationen erwärmen das Trinkwasser im Durchflussprinzip und binden die gebäudeseitige Raumheizung indirekt über einen Plattenwärmeübertrager ein. Die Übergabestatio- 25

34 3.2 Crailsheim Hirtenwiesen 2 nen wurden durch die Stadtwerke Crailsheim im Rahmen einer technischen Abklärung zur Bestellung der ersten Stationen in Zusammenarbeit mit den möglichen Lieferanten auf möglichst niedrige Netzrücklauftemperaturen optimiert. Hierbei wurden folgende Punkte beachtet: Dimensionierung der Plattenwärmeübertrager, Auswahl des Regelorgans Auswahl des Regelgerätes hydraulische Verschaltung der Komponenten einschließlich Montageort der Fühler und Sensoren. Nach Auswahl des Lieferanten wurde zusätzlich der Regelalgorithmus verbessert. Dies erfolgte in Zusammenarbeit des Reglerlieferanten, der Stadtwerke Crailsheim und von Solites im Labor des Reglerherstellers, der den Prototypen der Hausübergabestation im Labor betrieb und die Messdaten aufnahm (Bild 3.9). Auch hier zeigte sich, dass eine lange Warmwasserzapfung wie z.b. beim Füllen einer Badewanne generell niedrige Rücklauftemperaturen ergibt. Das Zapfen von Warmwasser in kurzen Intervallen wie z.b. beim Hände abspülen in der Küche (die Bild 3.9: Übergabestation der solaren Nahwärme Hirtenwiesen 2 in Crailsheim im Testlabor sogenannte Hausfrauenzapfung ) kann die des Reglerherstellers Standardeinstellungen der Regler überfordern und die Netzrücklauftemperatur steigt. Hier wurde der Regelalgorithmus gezielt an die für Hirtenwiesen 2 ausgewählte Hausübergabestation angepasst. Die Betriebsergebnisse dieser optimierten Hausübergabestationen entsprechen den Erwartungen Integration von Solarkollektoren auf dem Lärmschutzwall Mit dem Ausbau des Gesamtsystems zur solaren Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher wurden weitere sehr große Kollektorflächen erforderlich, die aufgrund nicht ausreichender, zusammenhängender Dachflächen auf einem Lärmschutzwall installiert wurden (siehe Bild 3.10). Dieser Lärmschutzwall dient der Abtrennung des neu entstehenden Wohngebietes Hirtenwiesen II von einem angrenzenden Gewerbegebiet. Der Erdsonden-Wärmespeicher, der zweite Pufferspeicher mit 480 m³ sowie die zweite Heizzentrale wurden aus Platzgründen in unmittelbarer Nähe des Lärmschutzwalls gebaut. 26

35 3 PROJEKT- UND BAUBEGLEITUNG NEUER PILOTPROJEKTE Bild 3.10: Lage der Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall: das Ökokonzept beinhaltet um die Kollektorfelder herum eine Schüttung aus Haufwerk und niederen Trockenrasenbewuchs in den größeren Grünflächen zwischen den einzelnen Kollektorfeldgruppen. Am Feld vorne links ist zu erkennen, dass die Kollektorfelder vor Inbetriebnahme mit Folie zum Schutz vor zu hohen Stagnationstemperaturen abgedeckt waren. Auf Anregung des Fördermittelgebers Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg wurde ein ökologisches Gesamtkonzept zur Integration der Kollektorflächen auf den Lärmschutzwall entwickelt mit dem Ziel, zum einen die Integration der Umwelt schützenden Technik Solarkollektorfelder in die Umwelt Lärmschutzwall, die als direktes Naherholungsgebiet für das Wohngebiet gedacht ist, sinnvoll abzustimmen. Zum anderen sollten die Betriebskosten zur Pflege des um die Kollektorfelder wachsenden Grüns minimiert werden. Das Ing.-Büro Lichtenfels als Statiker für die Kollektorfeldauflager entwickelte zusammen mit Solites in Abstimmung mit dem Architekturbüro Maass aus Stuttgart als Planer des Ökologiekonzeptes, der Stadt und den Stadtwerken Crailsheim eine möglichst kostengünstige Bauweise zur Auflagerung der ca. 16 x 18 m großen Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall. Die Aufteilung der insgesamt m² großen Kollektorfläche auf dem realisierten östlichen Wallteil wurde durch das Architekturbüro Maass entsprechend ökologischer Kriterien und unter Beachtung der technischen Randbedingungen der Solarthermie vorgegeben. Der Wall selbst wurde lose geschüttet und nicht endverdichtet. Vorgabe aus der Wallschüttung war, dass sich der Wall punktuell um bis zu 50 cm setzen kann. Die Modellierung der Walloberfläche lag zudem nicht vermessen vor. Eine dreidimensionale Einmessung der realen Walloberfläche war durch die Stadtwerke geplant. Aufgrund der hohen Kosten von konnte dies jedoch 27