Förderprogramm des BMU zu Forschung und Entwicklung im Bereich. Niedertemperatur Solarthermie. Integration von Heizkesseln in Wärmeverbundsysteme mit

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1 Förderprogramm des BMU zu Forschung und Entwicklung im Bereich Niedertemperatur Solarthermie Integration von Heizkesseln in Wärmeverbundsysteme mit großen Solaranlagen FKZ: A Projektpartner: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften - Institut für Energieoptimierte Systeme, Labor für Heizungstechnik Zuwendungssumme: EUR Laufzeit:

2 Inhaltsverzeichnis: 1 Kurzfassung Partner Vorhabensbeschreibung Problemstellung Zielsetzung Beschreibung der Arbeitspunkte des Projektes Gemeinsam zu bearbeitende Arbeitspunkte Arbeitspunkte Ostfalia Hochschule Arbeitspunkte ISFH GMBH Arbeitspunkte ZfS GmbH / FH Düsseldorf Verwertung der Ergebnisse... 18

3 1 Kurzfassung Das Projekt hat folgende Schwerpunktthemen: a) Erstellung eines Kesselmodells als TRNSYS-Type. Ziel: Zeitverhalten (z.b. Takten) sinnvoll abbilden, Berücksichtigung von Prüfstandswerten als Parameter b) Kesselprüfstandsmessung. Ziel: fehlende Daten zum Betriebsverhalten erheben (insbesondere zeitveränderliche Größen) c) Validierung des TRNSYS-Types anhand von hochaufgelösten Feldmessungen von 4 Kessel/Solar-Anlagen (Sekunden/Minutenmessungen). d) Berechung von weiteren praxistypischen Kessel/Solar-Varianten mit dem validierten Kesselmodell in TRNSYS. Ziel: Ermittlung energiesparender hydraulischer und regelungstechnischer Lösungen. e) Feldmessung verschiedener Kessel/Solar-Systeme zur Bestimmung von Endenergieeinsparungen (Monatsmessungen) und zur Ermittlung der Speicher- und Verteilverluste. Die Projektbearbeitung erfolgt durch EOS Institut für Energieoptimierte Systeme der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften (Antragsteller) ISFH Institut für Solarenergieforschung in Hameln/Emmerthal (Unterauftragnehmer) ZfS Rationelle Energietechnik GmbH in Hilden (Unterauftragnehmer bis ) Fachbereich 4 Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Fachhochschule Düsseldorf (Unterauftragnehmer ab )

4 2 Partner Das Projekt wird bearbeitet von folgenden Institutionen als Antragsteller und Unterauftragnehmer: 1 Antragsteller EOS Institut für Energieoptimierte Systeme Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften (Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel) 2 Unterauftragnehmer ISFH Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal 3a Unterauftragnehmer (bis ) ZfS Rationelle Energietechnik GmbH Hilden 3b Unterauftragnehmer (ab ) Fachbereich 4 Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Düsseldorf

5 3 Vorhabensbeschreibung 3.1 Problemstellung Die optimale Nutzung der Erträge solarthermischer Anlagen hängt im Wesentlichen von folgenden Punkten ab: einer sehr guten Planung des Solarsystems und seiner Komponenten abgestimmt auf den Verbrauch für Raumheizung und Trinkwassererwärmung, einer zweckmäßigen Integration der Solaranlage in das Verbrauchssystem, einer optimalen Verbindung zwischen Solaranlage, Verbrauchern und konventionellen (oder auch weiteren neuen) Wärmerzeugern, einer sehr sorgfältigen Installation des Solarsystems. Im Fokus steht hierbei die sowohl hydraulisch als auch regelungstechnisch optimale Einbindung aller wichtigen Komponenten zur Trinkwarmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung. Maßstab für die Effizienz von Wärmeverbundsystemen mit großen Solaranlagen ist die Höhe der Endenergieeinsparung in absoluten Energiemengen (Liter Öl, m³ Gas etc.) bzw. als Kennwert bezogen auf die beheizte Fläche gegenüber einer Vergleichsanlage ohne Solartechnik. Nicht aussagekräftig ist der solare Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf, da eine einem konventionellen Kessel vorgeschaltete Solaranlage das Betriebsverhalten des Kessels beeinflussen kann und zudem weitere Wärmeverluste hervorrufen kann, die anderenfalls gar nicht vorhanden gewesen wären (Speicher, Verrohrung usw.). Langfristig sollte der End- und Primärenergiebedarf für Wärmeanwendungen auf etwa die Hälfte bis ein Drittel des heutigen Wertes reduziert werden; bei einem regenerativen Anteil von mindestens 50%. Der zusammengefasste Endenergiekennwert für Raumheizung (RH) und Trinkwassererwärmung (TWW) in Wohngebäuden liegt im älteren Bestand bei heute typisch kwh/(m²a) und im Neubau bei etwa der Hälfte oder einem Drittel, bei besonders gut gedämmten Gebäuden (evtl. auch mit verstärkter passiver Nutzung der Solarenergie) auch noch niedriger. Für die Trinkwassererwärmung fallen davon zwischen typisch kwh/(m²a) incl. Speicher-, Verteil- und Zirkulationsverlusten an (weitgehend unabhängig vom Alter des Gebäudes). Ein solarer Anteil von etwa kwh/(m²a) für die Trinkwarmwasserbereitung und weitere 5 10 kwh/(m²a) für die Heizungsunterstützung sind anzustreben, um langfristig einen solaren Deckungsanteil von % zu erreichen. In der Praxis erreichen thermische Solaranlagen selbst bei korrekt ermitteltem Endenergiebedarf meist nicht die erwarteten Einsparungen an konventioneller Endenergie (z.b. Öl, Gas). Dies kann folgende Gründe haben:

6 aufgrund des gewählten Solarkonzeptes ergeben sich in der Praxis Zusatzwärmeverluste (Speicher, Rohre) oder Zusatzstromaufwendungen (Pumpen, Regelung), die bei der Planung nicht korrekt erfasst wurden, die Solaranlage wurde hinsichtlich ihrer Größe nicht optimal ausgelegt oder nicht zweckmäßig in das bestehende Energiesystem integriert, die reale Hydraulik und das Speicherkonzept (Dämmstandard, Einbindung), die Regelung und die Rücklauftemperaturen in den Verbrauchssystemen und im Kesselkreis weichen von denen der Planung ab, es wurden Fehler bei der Installation gemacht, das Betriebsverhalten des Kessels wird durch die Solaranlage negativ beeinflusst (z.b. erhöhte Kesselrücklauftemperatur, starkes Takten des Kessels); dabei ist die Beeinflussung des Kessels um so höher, je höher der solare Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf des Gebäudes ist. 3.2 Zielsetzung Hauptziel des beantragten Projektes ist die Optimierung des Gesamtsystems "Solaranlagen zur Trinkwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung mit Zusatzwärmeerzeuger". Es gibt zwei Teilschwerpunkte: zum einen die Abbildung des Gesamtsystems durch Simulation, zum anderen die Auswertung von Verbrauchsdaten. Simulation Zur Beurteilung des Betriebsverhaltens von Kesseln kann neben Feldauswertungen auf Simulationsrechnungen zurückgriffen werden, da i. d. R. keine Möglichkeit besteht, den Gesamtendenergieverbrauch eines Gebäudes unter exakt gleichen Witterungsbedingungen und bei gleichem Nutzerverhalten in zwei Stadien (ohne Solaranlage und mit Solaranlage) direkt messtechnisch zu erfassen. Im Simulationsprogrammen können alle störenden Variablen (Wetter, Nutzer etc.) eliminiert und so rechnerisch ermittelt werden, wie hoch die Einsparungen an konventionell erzeugter Wärme und an Endenergie durch den Einsatz einer Solaranlage sind. Dies kann zukünftig auch durch Einsatz einer Energieanalyse aus dem Verbrauch E A - V (Siehe unten) konkreter solarthermischer Feldanlagen mit ausreichender Aussagekraft im Vergleich zu einfachen Referenzsystemen ohne Einbindung von Solarwärme erfolgen. Außerdem kann beurteilt werden, ob durch andere hydraulische oder regelungstechnische Kesseleinbindungen das System theoretisch optimiert werden kann. Dies ist dann durch Praxismessungen zu bestätigen. Vor Projektbeginn existierten keine ausreichend genauen Module zur dynamischen Abbildung des Kesselbetriebsverhaltens unter Berücksichtigung der veränderten Betriebsbedingungen durch die vorgeschaltete Solaranlage. Eines der Hauptziele dieses Projektes ist es, derartige Module zu entwickeln, auf Tauglichkeit zu überprüfen und in vorhandene Simulationsprogramme einzubinden (bzw. von Herstellern der Programme einbinden zu lassen). Dieser Aufgabenteil ist eine reine Grundlagenforschung. Mit den resultierenden Simulationsergebnisse zu den Systemverschaltungen und Kessel- bzw. Speichervarianten kann man nachweisen, dass bzw. ob es bezüglich der Auswahl der Kessel, deren Regelung und deren Einbindung in das System zukünftig weiteren Entwicklungsbedarf gibt, wenn das gesamte Verbundsystem optimal arbeiten soll. Eine alternative Möglichkeit dieses Nachweises erfolgt anhand von einfachen Verbrauchsanalysen (E A V), siehe unten.

7 Die Programmierung des entsprechenden Moduls und die Einbindung in TRNSYS geschieht durch die ISFH GMBH im Unterauftrag und in kontinuierlichem Austausch der Zwischenergebnisse mit der Ostfalia Hochschule. Das fertige Modul wird jedoch auch anderen Herstellern von Simulationsprogrammen zur Verfügung gestellt werden, damit sie es auf ihr Programm "umschreiben" und in ihr Programm integrieren können. Es wird gewährleistet, dass das Kesselmodul durch die Eingabe der relevanten Kesselparameter für einen weiten Bereich der Kesselleistung zu benutzen ist. Auch hier ist es wichtig, die richtigen Parameter für die Kesselbeschreibung zu definieren. Das Modell wird mit Messwerten eines Kesselprüfstandes des Ostfalia Hochschule sowie mit Messwerten von Anlagen in der Praxis abgeglichen. Die Untersuchungen der 4 bestehenden Anlagen werden ergänzt durch die reine Simulation von nicht in der Praxis untersuchten Systemvarianten mit Hilfe des Programms TRNSYS und des neu entwickelten Kesselmoduls bei der ZfS GmbH bzw. Fachhochschule Düsseldorf. Dies ist bedingt durch die Tatsache, dass mit den 4 Anlagen, die hier zur Praxisbeobachtung und -analyse vorgesehen sind, nur ein kleiner Teil der Zahl der möglichen Systemvarianten abgedeckt werden kann. Dabei erstrecken sich die Ergebnisse der Untersuchungen nicht nur auf die End- und Primärenergieeinsparung sondern auch auf die Wirtschaftlichkeit, in deren Berechnung auch die unterschiedlich hohen Kosten der diversen Solarsystemvarianten einfließen. Diese Untersuchungen in der Praxis und per Simulation dienen - neben der notwendigen Validierung des zu entwickelnden Kesselmoduls - auch dazu, für künftige Kombianlagen zweckmäßige Systemkonfigurationen zu erstellen, zu verbreiten und am Markt zu etablieren. Feldmessungen Parallel zu den Simulationen werden Messungen an etwa 10 Realanlagen durchgeführt. Mit einfachen Messmethoden (Aufzeichnung von Endenergien und relevanten Wärmemengen) wird nachgewiesen, ob und wieviel Endenergieeinsparung erreicht wurde. Die Messmethodik ist auch geeignet zu überprüfen, ob die heute am Markt verfügbaren solaren Kombianlagen energetische Vorteile (i. S. einer höheren Endenergieeinsparung) gegenüber klassischen reinen Trinkwarmwasseranlagen aufweisen. Es zeichnet sich ab, dass dies in den untersuchten Anlagen nicht der Fall ist. Darüber hinaus werden mit den Messwerten kritische Untersuchungen zur Peripherie durchgeführt. Dies betrifft die Leitungsverluste in Gebäuden und Nahwärmenetzen, zusätzliche Speicherverluste und Hilfsstromaufwendungen. Die Auswertung liefert Hinweise, unter welchen Umständen die Einbindung von Solarthermie sinnvoll ist.

8 4 Beschreibung der Arbeitspunkte des Projektes Für die Projektpartner ergeben sich die unten aufgeführten Arbeitspunkte; sie beinhalten nur die wichtigsten Aktivitäten. Die Auflistung kann daher nicht vollständig im Detail sein. Die entsprechenden Arbeitspunkte werden unten kurz erläutert. Für die einzelnen Arbeitpunkte ist markiert, in welchem Stadium sich die jeweilige Bearbeitung gerade befindet. Stand des Berichtes: März AP Inhalt des Arbeitspunktes 1 Grundsatzuntersuchung zur Einbindung von Kesseln bei Gebäuden mit großen Solaranlagen 2 Definition Kesselparameter 3 Einbindung von Kesseln in der Praxis; Ermittlung von Anlagenparametern 4 Sammeln Kesseldaten; Ausbau vorhandener Datenbank 5 Vorbereitung Teststand für Kessel 6 Beschaffung der zu testenden Kessel 7 Definition Lastprofile und Testbedingungen 8 Test der Kessel (incl. evtl. notwendiger Nachtests) Erweiterung und Definition der vorhandenen Verbrauchsstrukturen auf andere Gebäudevarianten (besser gedämmt, Neubau, Altbau etc.); Auswertung der ZfS-Rechenergebnisse mit TRNSYS (vgl. unten) 9 10 Fragen zur Qualitätssicherung und Ausführung 11 Prüfung vorliegender vorläufiger Kessel-Abbildungsmodelle 12 Erstellung neuer Kesselmodule (Erstfassungen) 13 Integration erste Fassung(en) Kesselmodul(e) in TRNSYS 14 Vergleich Ergebnisse Kesselmodul mit Kesselteststandsdaten 15 Modifikation Kesselmodule anhand Vergleich mit Kesselteststandsdaten und Messergebnissen aus den Feldanlagen Endentwicklung Kesselmodul und Integration in TRNSYS sowie Bereitstellung für andere Hersteller von Simulationsprogrammen Auswahl der Feldanlagen (4 aus ST2000) und Definition ergänzende Messtechnik 18 Installationsanweisung, Installation, Einbaukontrolle Messtechnik, Dataloggerumbau 19 Erst-Überprüfung Betriebsverhalten Solarsystem mit Kessel in den Feldanlagen 20 Bei Bedarf begrenzte Optimierung der Systeme Analyse Betriebsverhalten der Feldanlagen nach Optimierung (kontinuierlich bis nahe Projektende) Abbildung der Feldanlagen in TRNSYS; Validierung der Abbildung an Messwerten 23 Überprüf. erste Variante neuer Kesselmodul (Vergleich TRNSYS mit realen Daten) 24 Überprüfung Kesselverhalten in Feldanlagen mit fertigem Kesselmodul 25 Theoretische Untersuchungen zum Kesselverhalten bei wichtigen Anlagenvarianten, die nicht im Feldtest vertreten waren Rechenläufe unter TRNSYS für unterschiedliche Gebäudevarianten gem. Definitionen der neuen Verbrauchsstrukturen (vgl. oben) Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit der berechneten Systemvarianten 28 Öffentlichkeitsarbeit (Tagungen, Veröffentlichungen, Broschüren, Internet) 29 Zwischenberichte und Abschlussbericht

9 4.1 Gemeinsam zu bearbeitende Arbeitspunkte AP 1. Grundsatzuntersuchungen zur Einbindung von Kessel und Solaranlage in Gebäude Es wird definiert, in welcher Form Kessel und Solaranlage zweckmäßig in die Gebäudeversorgung integriert werden. Diese Definition ist abhängig vom Gebäudetyp (Neubau, Altbau, gute Wärmedämmung, Nutzungstyp), vom Kesseltyp und vom Verbrauchssystem sowie der Solaranlagengröße etc. Diese Definitionen spielen bei der Auswahl der zu untersuchenden Feldanlagen eine Rolle. AP 2. Definition der wesentlichen Parameter und Aufgaben des Kesselmoduls AP 28. Es wird festgelegt, welche Aufgaben der TRNSYS-Type erfüllen muss, und welche Eingabeparameter dazu erforderlich sind. Wichtiges Kriterium ist die einfache Beschaffbarkeit der Produktkenndaten und der zu erwartenden Betriebsdaten, die als Parameter benutzt werden. Weitere Kriterien wie z.b. Anforderungen an die Genauigkeit der Abbildung des Kesselverhaltens (bzw. der Simulationsergebnisse) sind festzulegen. Von den o. g. Definitionen hängt auch ab, wie die Messtechnik im Labor und bei den Feldanlagen gestaltet werden soll und wie detailliert der Vergleich der Messdaten mit den Simulationsdaten erfolgen muss. Öffentlichkeitsarbeit / Reisen / Abstimmung Die Ergebnisse des Projekts werden sowohl im Internet als auch auf Tagungen, Seminaren etc. vorgestellt werden. Herstellern von Simulationssoftware (z.b. Tsol) und anderen Interessenten werden die Unterlagen zur Gestaltung des Kesselmoduls zur Verfügung gestellt, damit bei Bedarf Kesselmodule in entsprechender Software aktualisiert werden können (Umsetzung auf im Programm notwendige Form beim Softwarehersteller). Selbstverständlich werden auch die Kessel- und Solarsystemhersteller etc. über die Ergebnisse informiert. Ziel ist es, dass Hersteller die Ergebnisse bei der Weiterentwicklung der Komponenten und der Systemtechnik entsprechend berücksichtigen, um so die Gesamteffizienz des Energieverbunds Solaranlage-Kessel- Verbraucher zu optimieren. Status: es ist für den eine gemeinsame Tagung für interessierte Vertreter der Solar- und Kesselbranche, der Wissenschaft, von Verbänden sowie Anlagenbetreibern geplant. Im Nachgang zu dieser Veranstaltung wird es auch Fachveröffentlichungen geben.

10 AP 29. Berichtswesen Die notwendigen Zwischen- und Abschlussberichte werden von jedem Projektpartner separat erstellt. Die Ostfalia Hochschule wird daraus den Gesamt- Abschlussbericht erstellen. Die Berichte werden intern abgestimmt. Alle ausführlichen Berichte werden als PDF-Dateien im Internet zur Verfügung gestellt. Status: offen. 4.2 Arbeitspunkte Ostfalia Hochschule AP 3. Einbindung von Kesseln in der Praxis; Ermittlung von Anlagenparametern in der Praxis Der Nachweis der Endenergieeinsparung und der Relevanz der Kesselparameter wird nicht nur durch das zu entwickelnde Kesselmodul (Simulationsprogramm) erbracht, sondern mit Unterstützung durch Industriepartner auch durch die Auswertung von weiteren Feldmessungen an 5 Neuanlagen. Status: Messungen abgeschlossen. Die Ergebnisse dieser Felduntersuchungen werden sofern möglich in der Tendenz mit den TRNSYS-Berechnungen der ZfS/FHD zu den Systemvarianten (vgl. Arbeitspunkte 25 und 26) verglichen. Eine Abbildung der o. g. 5 Systeme unter TRNSYS erfolgt nicht durch die ZfS/FHD. Die Auswertungen mit der Energieanalyse aus dem Verbrauch (E-A-V) ergeben wichtige Kennwerte für die Effizienz der Gesamtanlage und umfassen: Nutzenleistung für Raumheizung und Trinkwarmwasser (incl. Zirkulation) Energiebilanz des Gesamtsystems Aufwandsleistung (Endenergie und Solarertrag) in Abhängigkeit der Nutzenleistung Mit dieser Art der Auswertung lassen sich auch Aussagen über die Endenergieeinsparung der untersuchten Anlage gegenüber einer Vergleichsanlage treffen, z.b. einer Vergleichsanlage nur für solare Trinkwarmwasserbereitung oder einer konventionellen Anlage ohne Solarthermie. In den ausgewerteten Anlagen mit gebäudezentraler Versorgung aber auch in den detailliert untersuchten Anlagen mit solarer Nahwärmeeinspeisung hätte sich im Vergleich zum heutigen Stand der Technik ein geringerer Endenergieeinsatz bei dezentraler, nur solarer Trinkwarmwasserbereitung und sogar ein geringerer Endenergieeinsatz bei Anlagen ohne Solarthermie ergeben. Ursache sind hierbei die beim heutigen Stand der konventionellen Technik geringeren Kessel- und Verteilverluste bzw. höheren Effizienzen kompakter Anlagesysteme. Status: die Endauswertung aller untersuchten Einzelanlagen läuft.

11 AP 4. Sammeln von Betriebsdaten zu Kesseln Eine an der Ostfalia Hochschule vorhandene Datenbank (Mehrkesselanlagen; DBU Brennwertkessel) soll ausgebaut werden. Ziel ist es, diese Datenbank (mit den für die Simulation relevanten Kesselkennwerten) den Herstellern von Simulationsprogrammen zur Verfügung zu stellen, damit sie diese Informationen in ihre Simulationsprogramme übernehmen können. Status: die Kenndaten sind erhoben, die Datenbank (mit Steckbriefen aller untersuchten Anlagen) wird zusammen mit dem Endbericht verfügbar sein. AP 5. Vorbereitung Teststand für Kesseltest Drei Kesselteststände (bis 30 kw Nennleistung) sind bei der Ostfalia Hochschule vorhanden. Diese können nach geringfügigen Anpassungen für die Messungen in dem beantragten Projekt eingesetzt werden. Weiterhin besteht Zugang zu zwei größeren Kesselzentralen der Ostfalia Hochschule (Mehrkesselanlagen), an denen bereits früher Messungen durchgeführt wurden. Ein weiterer Teststand für die Holzfeuerung soll hinzukommen. AP 6. Auswahl und Beschaffung zu testender Kessel Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt bei Kesseln mittlerer Leistung (ca. 20 bis 50 kw). Gemäß Planung soll das Betriebsverhalten von 6 heute typischen Kesseln (Bodenstehende und Wandhängende Kessel mit Heizöl- bzw. Gasgebläsebrenner unter definierten Betriebssequenzen (vgl. Arbeitspunkt 7) im Labor analysiert werden. Die Ergebnisse können je nach Konstruktionsprinzip der Kessel auch auf Mittel- und Großkessel übertragen werden. Ob dabei auch kleinere Kessel (ca. 10 kw) noch untersucht werden, hängt davon ab, welche Arten von Kesseln mittlerer Leistung für die Prüfung gewählt werden und wie weit die Mittel reichen. Es ist vorgesehen, Kessel mit und ohne Brennwertnutzung, Kessel mit ein- oder zweistufigem Brenner, modulierende und nicht modulierende Kessel in die Überlegungen zur Auswahl einzubeziehen. Die erweiterte Ausstattung der Prüfstände mit Messtechnik muss im Rahmen des Projektes erfolgen. AP 7. Erstellung typischer Lastprofilsequenzen und der Testbedingungen für die Kessel Die Kessel (unter Einschluss der Verrohrung in nicht beheizten Räumen) werden unter typischen Lastprofilsequenzen im Labor untersucht (auf Effizienz, CO 2 - Ausstoß, evtl. Verbrauch elektrischer Energie). Diese typischen Lastprofilsequenzen müssen je nach vorgeschalteter Solaranlage (bzw. auch ohne Solaranlage) und je nach Systemkonfiguration (mit/ohne Kesselpuffer) sowie Modulationsverhalten des Kessels definiert werden.

12 Für Profile mit Solaranlagen werden messtechnische Untersuchungen der ZfS/FHD an realen Anlagen und Simulationsergebnisse der ZfS/FHD benutzt. Weitere Lastprofilsequenzen können aus den Feldergebnissen und den Auswertungen der Energieanalyse aus dem Verbrauch (E-A-V) des Projektes DBU- OPTIMUS sowie weiteren von der Ostfalia Hochschule durchgeführten Messungen generiert werden. Durch ausführliche Feldmessungen (DBU Brennwertprojekt und DBU OPTIMUS) und bisherige Labormessungen (Mehrkesselanlagen) konnten wesentliche Einflüsse unterschiedlicher Komponenten (z.b. Brennwertkessel) sowie der regelungstechnischen und hydraulischen Konzeption sowie der Einbindung auf die Gesamteffizienz und auf den Energieverbrauch nachgewiesen werden (z.b. zentrale Vorlauftemperaturregelung, geregelte Pumpen, zentrale und dezentrale Regelventile etc.). AP 8. Test der Kessel In den Prüfstandmessungen im Labor und in zugänglichen Heizzentralen werden die ausschlaggebenden simulationsrelevanten Parameter für das dynamische Verhalten von Kesseln unterschiedlicher Konstruktion (vgl. dazu auch Arbeitspunkt 6) gemessen. Dies erfolgt durch gezielte Variation der Kesseleingangsgrößen (Volumenstrom, Eintrittstemperatur) und des Lastprofils sowie bei unterschiedlichen Möglichkeiten der Brennersteuerung bzw. -regelung (Modulationsbereich, Schaltdifferenzen auch in Mehrkesselanlagen und Kesselkaskaden). Auch hier kann zum Teil auf frühere Projektergebnisse der Ostfalia Hochschule zurückgegriffen werden (Mehrkesselanlagen). AP 9. Erweiterung und Definition der vorhandenen Verbrauchsstrukturen auf andere Gebäudevarianten; Auswertung der TRNSYS-Ergebnisse (vgl. Punkt 26 bei ZfS/FHD) Aus den Erfahrungen der Ostfalia Hochschule und denen der anderen Partner sollen für verschiedene Gebäude (schlechte/gute/sehr gute Dämmung etc.) typische Lastprofile ermittelt werden, mit denen dann per Simulation (TRNSYS) bei der ZfS/FHD geprüft wird, wie sich diese Lastprofilveränderungen auf das Kesselverhalten bzw. den gesamten Energieverbund auswirken. Die Auswertung der Simulationsergebnisse wie auch die Definition zum Verlauf der unterschiedlichen Energiebedarfsstrukturen obliegt dann federführend der Ostfalia Hochschule (wie bei den meisten Arbeitspunkten in enger Kooperation mit den Partnern). Status: die Lastprofile sind erstellt, die Endauswertung der Simulation läuft.

13 AP 10. Fragen zur Qualitätssicherung und Ausführung bei der Kesselintegration Auf der Basis früherer Projekte (DBU-OPTIMUS) werden die relevanten Einflüsse auf die Integration der Anlagenkomponenten im Rahmen der Planung und Ausführung zusammengestellt und in den untersuchten Anlagen konsequent überwacht. Kontinuierliche Funktionskontrollen sind hierbei wesentlicher Bestandteil. Status: die Erkenntnisse aller Teilprojekte werden im Rahmen der Endberichterstellung als Qualitätssicherungsleitfaden zusammengestellt. 4.3 Arbeitspunkte ISFH GMBH AP 11. AP 12. Prüfung vorliegender Kessel-Abbildungsmodelle Für TRNSYS sind die Types 700 und 751 (TESS- Library), 370 (Transsolar) und 210 (SERC, für Holzpelletbrenner) und der Type 869 (TU Graz und SPF) bekannt. Diese Types und ggf. weitere Kesselmodelle (Modell der Ostfalia Hochschule, Prof. Wolff) werden in Bezug auf ihre Algorithmen analysiert und in Bezug auf die unter a.) festgelegten Kriterien in enger Abstimmung mit der Ostfalia Hochschule bewertet. Erstellung eines Kesselmodells Anhand der Kriterien aus AP 2, der Analyse der vorhandenen Modelle aus AP 11, der Messdaten (Prüfstandsdaten Ostfalia Hochschule) und dem weitergehendem Austausch zwischen den Projektpartnern wird die mathematische Beschreibung eines Kesselmodells erstellt. AP 13. Integration erste Kesselmodulvariante(n) in TRNSYS 15 und 16 incl. Lieferung neuer Treiber zur Einbindung der Module in TRNSYS-Decks der ZfS / FHD In diesem AP wird der Kesseltype entsprechend dem Modell nach AP 12 für die Einbindung in TRNSYS 15 und 16 programmiert und auf Funktion getestet. Die Programmierung erfolgt in Kooperation mit einem Ingenieurbüro. AP 14. Vergleich Ergebnisse Kesselmodul(e) und Validierung der Module mit realen Daten (Kesselteststand und Feldanlagen) Bei der Ermittlung der Kriterien, wie ein Vergleich durchzuführen ist (vgl. AP 2) spielt z. B. die zeitliche Auflösung und der Grad der erlaubten Abweichung eine wichtige Rolle- Wesentlich ist zudem die Frage, ob die Parameter vorher zu bestimmen sind oder aus den Messdaten zu identifizieren sind (oder gemischt).

14 Der Vergleich der simulierten Kessel- Ausgangsdaten mit den Messdaten (Teststand und Feld) führt zu einer Aussage, ob zum einen die mathematische Beschreibung (die zur Verfügung stehenden Gleichungen) grundsätzlich ausreichend ist oder zu detaillieren ist, und zum zweiten, ob die Parameter richtig gewählt wurden. AP 15. Modifikationen Kesselmodul(e) anhand der Testergebnisse der Ostfalia Hochschule und der Vergleiche der ZfS GmbH / FH Düsseldorf zwischen TRNSYS-Simulation und echten Messdaten Die Ergebnisse aus AP 14 fließen zurück in die Verfahrens- und Modell- Erstellung nach AP 12, dem sich dann die Umprogrammierung (AP 13) anschließt. AP 16. Endentwicklung (Reduzierung auf bevorzugte Variante) des Kesselmoduls für TRNSYS und Integration in TRNSYS 15 und 16 (Treiber); Bereitstellung für andere Entwickler von Simulationssoftware (z.b. T SOL) Die Arbeiten zu Type- Entwicklung werden in diesem AP abgeschlossen. Dies umfasst die endgültige Strukturierung und Dokumentation des Quellcodes, die Bereitstellung der DLL- und TPF- Dateien sowie eine ausführliche Beschreibung des Types. 4.4 Arbeitspunkte ZfS GmbH / FH Düsseldorf AP 17. Auswahl der Testanlagen und Definition der zu ergänzenden Kessel-Messtechnik (4 Anlagen aus ST2000 bzw. ST 2000+) Unter Berücksichtigung der gewünschten Systemvielfalt, der Zuverlässigkeit der Solarsysteme, dem Aufwand für die Messtechnik und die Datenanalysen sowie der unter Arbeitspunkt 1 erarbeiteten Kriterien werden 4 Anlagen aus Solarthermie-2000(+) als Feldanlagen ausgewählt. Diese Anlagen dienen dazu, das erarbeitete Kesselmodul in der Praxis am vollständigen System Solaranlage-Kessel-Verbraucher zu validieren. Die Verhältnisse des praktischen Betriebs können nicht vollständig im Testfeld nachgestellt werden, da die Einflussparameter und die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu vielfältig sind. AP 18. Installationsanweisung, Installation und Einbaukontrolle Messtechnik; Aufrüstung und Programmänderung Datalogger Angepasst an die Kesseltechnik in den Feldanlagen wird die zusätzliche Messtechnik für den oder die Kessel definiert. Dem Installateur werden Einbauhinweise gegeben, die Installation wird überprüft.

15 Der Datalogger wird bei Bedarf um zusätzliche Messkarte(n) ergänzt und das Messprogramm wird neu programmiert. AP 19. Überprüfung Betriebsverhalten von Solarsystem und Kessel in den Testanlagen AP 20. AP 21. Die erste Überprüfung des Betriebsverhaltens von Solaranlage und Kessel (Kessel wird erstmals vermessen) soll zeigen, ob Systemfehler (Regelungsfehler, Fehlströmungen in der Hydraulik etc.) vorhanden sind. Status: anhand der Verbrauchsmessungen abgeschlossen. TRNSYS ist nicht in der Lage, evtl. nur unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretende Fehler im System abzubilden. Daher muss das System so arbeiten, wie es in TRNSYS abgebildet werden kann, also weitgehend frei von unerfassbaren Fehlern. Ein korrekt arbeitendes Solarsystem ist zudem wichtig dafür, dass es den Kessel entsprechend stark beeinflusst. Läuft das Solarsystem zu schlecht, wird der Einfluss auf den Kessel zu gering sein, um vernünftige Aussagen zur Veränderung des Kesselbetriebsverhaltens mit und ohne Solaranlage machen zu können. Bei Bedarf Optimierung Systemtechnik an Testanlagen Die Notwendigkeit für die eventuell durchzuführenden Optimierungen ergibt sich aus den Erläuterungen zu Arbeitspunkt 19. Optimierungen werden wegen des stark beschränkten Mittelansatzes nur dann durchgeführt, wenn mit den geringen zur Verfügung stehenden Mitteln ein später stabiler und effizienter Systembetrieb zu erreichen sein wird. Im Notfall bei zu hohem Optimierungsbedarf kann evtl. versucht werden, ein anderes Feldsystem in die Untersuchungen aufzunehmen wenn die Projektmittel dies zulassen. Status: dieser Arbeitspunkt bleibt offen. Es wurde an praktisch allen Anlagen ein Optimierungsbedarf festgestellt. Dieser bezieht sich in den seltensten Fällen allein auf die Solarthermie, sondern vielfach auch auf die restlichen Anlagenkomponenten (Kesselregelung, hydraulische Verschaltungen usw.). Teilweise sind Mängel so erheblich, dass eine Änderung den kompletten Systemumbau bedeutet. Es wird dann aus Kostengründen darauf verzichtet. Nur in wenigen Fällen hat der Betreiber auf eigene Kosten eine Systemverbesserung vorgenommen. Der Rückbau einer einzelnen Anlage wurde ebenfalls in Betracht gezogen. Überprüfung Betriebsverhalten der Testanlagen nach Optimierung Diese Überprüfung dient dazu, zu untersuchen, ob die Optimierung den geplanten Erfolg hatte und ob das System nunmehr ohne größere Störungen arbeitet. Dies ist Voraussetzung für eine korrekte Abbildung unter TRNSYS. Status: siehe AP 20.

16 AP 22. Abbildung der 4 Testanlagen (Feldanlagen) in TRNSYS; Validierung TRNSYS-Abbildung mit Messwerten Die Systeme werden unter TRNSYS abgebildet und die Abbildungen werden sehr sorgfältig anhand der Messdaten mit dem evtl. optimierten, aber auf jeden Fall stabil und effizient arbeitendem System validiert. Da die Austrittstemperaturen aus einem Solarsystem bzw. die Solarspeichertemperaturen neben den entsprechenden Volumenströmen in der Regel wichtige Eingangsgrößen für den Kessel sind, müssen die entsprechenden Werte, die das Simulationsprogramm errechnet in ihrer Größe und in ihrem zeitlichen Verlauf sehr gut mit den realen Messwerten übereinstimmen. Große Abweichungen müssen hier vermieden werden, da sonst das Kesselmodul in TRNSYS mit Werten beaufschlagt wird, die von der Realität abweichen. In der Folge wäre dann auch das Simulationsergebnis für den Kessel falsch. AP 23. Überprüfung der ersten Variante(n) des Kesselmoduls durch Vergleich TRNSYS-Simulation der ZfS GmbH / FH Düsseldorf mit realen Messdaten an ausgewählten Anlagen Hier wird jetzt die erste Fassung des (der) neuen Kesselmoduls (Kesselmodule) in die TRNSYS-Rechnungen zu den Feldanlagen eingebunden. Es ist zu erwarten, dass diese erste Fassung noch keine optimale Abbildung des realen Kesselverhaltens liefern wird. Genaue Vergleiche zwischen dem Verlauf wichtiger Kesselmesswerte mit den in der Simulation erzeugten Werten werden Hinweise auf Veränderungsnotwendigkeiten am Modul geben. Ob ein oder mehrere Modifikationsschritte am neuen Kesselmodul notwendig werden, müssen die Untersuchungen (Vergleich TRNSYS-Simulation Realität) zeigen. AP 24. Überprüfung der Endvariante des Kesselmoduls durch Vergleich TRNSYS-Simulation der ZfS GmbH / FH Düsseldorf mit realen Messdaten an ausgewählten Anlagen Mit dem nach Modifikationen als endgültig betrachteten Modul werden die in Punkt 23. beschriebenen Schritte erneut durchgeführt. Jetzt sind jedoch nur noch kleinere Modifikationen am neuen Kesselmodul möglich, da für die folgenden Untersuchungen (ab Arbeitspunkt 25) ein nicht mehr modifizierbares Endmodul zur Verfügung stehen muss, damit die folgenden Untersuchungen vergleichbar bleiben.

17 AP 25. Untersuchung zum Kesselverhalten mit fertigem Kesselmodul bei ausgewählten Systemvarianten, die nicht durch die 4 Testsysteme abgedeckt wurden Mit den vier Feldanlagen (Systeme aus ST2000) kann man die Vielfalt zweckmäßiger Systemvarianten bei Kombianlagen nicht abdecken. Die hier geplanten nur theoretischen (per Simulationsprogramm durchgeführten) Untersuchungen an solchen Systemvarianten, die sinnvoll erscheinen, aber nicht im Feldtest zur Verfügung standen, sollen diese Lücke so weit füllen, wie es möglich ist. Die Aussagen sind wegen fehlender Validierung an Messwerten natürlich nicht ganz so aussagekräftig, wie die an den Feldanlagen erarbeiteten. Es wird aber davon ausgegangen, dass eine für relative Vergleiche ausreichende Sicherheit erzielt werden kann. Status: die Simulation läuft. AP 26. Rechenläufe mit TRNSYS zur Untersuchungen zum Einfluss der Verbrauchsstruktur (siehe auch Punkt 9 der Ostfalia Hochschule) an unterschiedlich gedämmten Gebäuden für ausgewählte Systemvarianten Im Feldtest können nicht nur nicht alle Systemvarianten erfasst werden, sondern natürlich auch nicht alle Gebäudevarianten. Daher wird in diesem Arbeitspunkt definiert, wie die Bedarfsstrukturen bei anderen Gebäuden (Neubau, Altbau, Heizsystem, Dämmung des Gebäudes etc.) aussehen würden. Mit diesen Daten auf der Verbrauchsseite werden dann die von der ZfS GmbH / FH Düsseldorf erstellten TRNSYS-Abbildungen neu "gefüttert", um die Effekte herausarbeiten zu können. Da die ZfS GmbH / FH Düsseldorf die TRNSYS-Abbildungen erstellt, ist es zweckmäßig, die Rechendurchläufe mit TRNSYS bei der ZfS GmbH / FH Düsseldorf zu machen. Die Auswertung der Rechenergebnisse wie auch die Definition zum Verlauf der unterschiedlichen Energiebedarfsstrukturen (vgl. Arbeitspunkt 9) obliegt dann federführend der Ostfalia Hochschule (wie bei den meisten Arbeitspunkten in enger Kooperation mit den Partnern). Status: In Bearbeitung. Die Ergebnisse sind dem in kürze folgenden Endbericht zu entnehmen.

18 AP 27. Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit Letztlich kommt es nicht nur darauf an, wie viel konventionellen Brennstoff man einspart, sondern auch darauf, zu welchen Kosten dies geschieht. So kann ein um 5 % effizienteres System (5 % relativ betrachtet bezüglich der Brennstoffeinsparung) betriebswirtschaftlich gesehen dennoch ungünstiger sein, wenn es z.b. 10 % mehr kostet. Die hier vorgesehenen Untersuchungen der ZfS GmbH / FH Düsseldorf sollen an ausgewählten Systemen dazu Aussagen liefern. Status: offen. 5 Verwertung der Ergebnisse Die Verwertung und Verbreitung der Ergebnisse ist ein Schwerpunkt des Projektes, hier der Arbeitspunkt 29. Die Ergebnisse des Projekts werden sowohl im Internet als auch auf Tagungen, Seminaren etc. vorgestellt werden. Herstellern von Simulationssoftware (z.b. Tsol) und anderen Interessenten werden die Unterlagen zur Gestaltung des Kesselmoduls zur Verfügung gestellt, damit bei Bedarf Kesselmodule in entsprechender Software aktualisiert werden können (Umsetzung auf im Programm notwendige Form beim Softwarehersteller). Selbstverständlich werden auch die Kessel- und Solarsystemhersteller etc. über die Ergebnisse informiert. Ziel ist es, dass Hersteller die Ergebnisse bei der Weiterentwicklung der Komponenten und der Systemtechnik entsprechend berücksichtigen, um so die Gesamteffizienz des Energieverbunds Solaranlage-Kessel-Verbraucher zu optimieren. Die Auswerteverfahren für die einfache messtechnische Untersuchung von Solaranlagen mit Wärmemengenzählern wird an interessierte Kreise (Hausbesitzer, Wohnungsbaugesellschaften usw.) in Form von Fachartikeln, Montageanleitungen und Hilfen zur Auswertung (Exceltabellen) per Internet und Fachpresse vermittelt.