Optimierte Integration von Heizkesseln in solarthermische Kombisystemen

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1 Industrietag: Niedersachsens Heizungsindustrie am ISFH Emmerthal, Optimierte Integration von Heizkesseln in solarthermische Kombisystemen Jens Glembin Quelle: Ostfalia Hochschule für Angewandte Wissenschaften

2 Typische solarthermische Kombianlagen WW- Speicher Kessel Raumheizung Speicher Raumheizung Solarpuffer Kesselpuffer Kessel WW-Speicher Solarpuffer Kessel

3 Aufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad durch: Anhebung der Kesseleintrittstemperatur, weniger Kondensat Häufigeres Takten, geringere mittlere Betriebszeit des Kessels Aber: Solar ersetzt Kessel über längere Perioden im Sommer

4 Aufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad Werkzeug: Dynamische Systemsimulationen in TRNSYS

5 Vorhandene Kesselmodelle Drei detaillierte Kesselmodelle für Trnsys*, eine Vielzahl anderer Modelle # Aufwendige Parametrierung Umfangreiche Messungen für sinnvolle Parametrierung notwendig Ungenaue Berechnung der Kondensatmengen Dynamisches Verhalten stark vereinfacht Ohne Start-/Stoppautomatik Ohne Wärmeverluste beim Spülen Konstanter Brennstoff * Koschak, A.: Ergänzung des Trnsys-Type 370 um einen Simulationsmodus zur realitätsnahen Simulation des Betriebsverhaltens von Gaskesseln mit Takten, Fachhochschule Zittau, 1998 * Persson, T.: Validation of a dynamic model for wood pellet boilers and stoves, In: Applied Energy 86(5), Elsevier Science Ltd., 2008 * Haller, M.Y., et al.: A unified model for the simulation of oil, gas, and biomass space heating boilers for energy estimating purposes Part I: Model Development, In: Journal of Building Performance Simulation 4(1), Taylor and Francis Group, 2010 # Lebrun, J., et al.: Testing and modeling of fuel oil space-heating boilers Synthesis of available results, In: ASHRAE Transactions 99(2), 1993 # André, P. et al.: From model validation to production of reference simulations: how to increase reliability and applicability of building and HVAC simulation models, In: Building Services Engineering Research and Technology 29(1), CIBSE Certification Ltd., 2008

6 Neues Kesselmodell Eingangsgrößen Ausgangsgrößen Parameter Kesselregelung Stationäre Werte Dynamik

7 Neues Kesselmodell Eingangsgrößen Ausgangsgrößen Parameter Allgemeine Herstellerangaben Typische Werte oder Kurze und einfache Messungen am Prüfstand oder im Feld

8 Validierung Quelle: Ostfalia Hochschule für Angewandte Wissenschaften 1. Prüfstand: Stationäre Wirkungsgradpunkte 2. Prüfstand: dynamische Messungen, manuelle Schaltung 3. Prüfstand: dynamische Messungen, Kesselregler an 4. Messungen in Feldanlagen

9 Forschungsaufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad durch: Anhebung der Kesseleintrittstemperatur, weniger Kondensat Häufigeres Takten, geringere mittlere Betriebszeit des Kessels Aber: Solar ersetzt Kessel über längere Perioden im Sommer

10 Anwendungsbeispiel Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung 200 l/tag (45 C) 3 MWh/a Warmwasser Raumheizung 40 C/35 C 9 MWh/a (60 kwh/m²a) 150 l 0, 8,15,30 m² WW-Speicher Solarpuffer Kessel Gas-BW-Therme 2,1 bis 10 kw 60 l/m² Simulation des Gesamtsystems in TRNSYS

11 Temperaturen sind energetisch gemittelt

12 Temperaturen sind energetisch gemittelt

13 Temperaturen sind energetisch gemittelt

14 Temperaturen sind energetisch gemittelt

15 Temperaturen sind energetisch gemittelt

16 Temperaturen sind energetisch gemittelt

17 Temperaturen sind energetisch gemittelt

18 Ergebnis: - Eintrittstemperatur wird durch Solaranlage nur leicht erhöht - Kondensation nahezu konstant, ebenso Wirkungsgrad im Betrieb - Grund: Negativer Effekt durch höhere Eintrittstemp. im gleichzeitigen Betrieb und positiver Effekt durch Wegfall WW-Betrieb im Sommer

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20 Ergebnis: - Taktanzahl im Jahr wird mit Solar reduziert - Durchschnittliche Betriebszeit wird erhöht

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24 Ergebnis: - Solar hat nur geringen Effekt auf den Kesselnutzungsgrad - Gleiches Ergebnis bei Variation von Kesseltyp, Systemschaltung und Nutzerprofilen (Warmwasser- und Raumheizungsbedarf, Lasttemperaturen)

25 Varianten mit 30 m² Kollektor Basis: V = 2,5 l Hysterese 5 K 40/35

26 Fazit (1) Ziel 1: Entwicklung eines neuen Kesselmodells Schwerpunkt: Einfache Parametrierung bei guter Genauigkeit Modell steht als TRNSYS-Type zur Verfügung Umfangreiche Validierung mit Projektpartnern Modell & Bericht bei ISFH kostenlos erhältlich Modell erlaubt Analyse des Kessels in unterschiedlichen Systemen Solarthermische Kombianlagen Alle Wärmeversorgungssysteme mit Heizkesseln

27 Fazit (2) Ziel 2: Einsatz des Kesselmodells zur Analyse Wechselwirkung Kessel/Solaranlage Analyse typischer Systeme mit/ohne Solar Taktzahl sinkt, durchschnittliche Betriebszeit steigt Kesselnutzungsgrad nur leicht reduziert durch Solaranlage Grund: Gleichzeitiger Betrieb Solar/Kessel selten Weitere mögliche Untersuchungen Optimierung der Verschaltung von Sonnenkollektoren und Heizkesseln Starthäufigkeit je nach Kessel und Verschaltung Optimierung des Kesselmassenstroms (z.b. zur Beladung eines Pufferspeichers) Analyse aus Vergleich Experiment - Simulation

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