Solarthermie. Stand der Dinge Ing.-Büro solar energie information Axel Horn, D Sauerlach

Transkript

1 Solarthermie Stand der Dinge 2015 Ing.-Büro solar energie information Axel Horn, D Sauerlach

2 Ziel des Fortschritts Die dauerhafte Wirtschaft muss ausschließlich auf die regelmäßige Benutzung der jährlichen Strahlungsenergie begründet werden. (...) Als späteres Ziel des Fortschritts wird daher die unmittelbare Benutzung der Sonnenenergie anzusehen sein, wobei die Erde mit Apparaten bedeckt sein wird, in denen dies geschieht.... Wilhelm Ostwald, Chemie Nobelpreis

3 Solarthermie Die Solarthermie-Technik bietet eine kostengünstige und robuste Speichertechnik; ein hohes Potential der Einsparung von Brennstoffen. Voraussetzungen sind: eine schnell auskühlende Solar-Zone im Pufferspeicher vor allem durch zuströmendes Kaltwasser bei der Trinkwassererwärmung. Verwendung von Niedertemperaturwärme 3

4 Sonnenkollektoren liefern Niedertemperaturwärme Wohngebäude benötigen Niedertemperaturwärme Trinkwassererwärmung ca. 900 kwh/jahr pro Person für die Wassererwärmung von 10 auf 45 bis 60 C Das sind typischerweise rund kwh/jahr für ein Einfamilienhaus. Raumheizung ca. 40 bis 200 kwh/jahr pro Quadratmeter beheizter Wohnfläche Bei Heizkreistemperaturen von 25 C (Rücklauf, Flächenheizung) bis 75 C (Vorlauf, Radiatorenheizung) Das sind typischerweise bis kwh/jahr für ein Einfamilienhaus. 4

5 Wärmeangebot der Sonne Die Sonne strahlt jährlich über kwh pro Quadratmeter auf ein Süddach. Eine Kollektoranlage nutzt davon zwischen 300 kwh/jahr bis 600 kwh/jahr. Der Wirkungsgrad eines Kollektors hängt vor allem vom Temperaturniveau ab: 80% bei Temperaturgleichheit zwischen Kollektor und Umgebung 30 50% im Jahresmittel bei typischen Kollektoranlagen 0% wenn die Wärmeverluste des Kollektors der aktuellen Einstrahlung entsprechen. 5

6 Solarsimulation klärt den Wirkungsgrad Viele Parameter bestimmen das Temperaturniveau und damit den Wirkungsgrad einer solarthermischen Anlage. Standort Größe und Orientierung des Kollektors Größe und Typ des/der Solarspeichers Verbraucher mit typischen Temperaturanforderungen und Verbrauchsprofilen 6

7 Software für Solarthermie-Simulation in Deutschland Die meisten Anwender für verwenden eines der folgenden drei Programme: GetSolar Hottgenroth Software, Köln Polysun Vela Solaris, Winterthur T*Sol Valentin Software, Berlin 7

8 GetSolar GetSolar ist eine auf einfache und schnelle Bedienung optimierte Simulationssoftware. 8

9 Momentanleistung Der Rechenmodus Momentanleistung gibt einen Einblick, wie der Sonnenstand, die Direkt- und Diffusstrahlung, die Kollektorneigung und -ausrichtung und letztlich die Kollektorleistung zusammen hängen. 9

10 Energiespeicherung Wasser ist ein guter Energiespeicher. Ein 1000 Liter Pufferspeicher ( C) speichert 70 kwh Das entspricht dem wöchentlichen Energieverbrauch eines Vier-Personen-Haushaltes für die Trinkwassererwärmung 10

11 Temperaturzonen in Speicher und Anlage Jede reguläre heizungstechnische Anlage besitzt grundsätzlich diese drei Zonen: Trinkwarmwasser-Zone Heizkreis-Zone Speicherzone für Erneuerbare Energien In vielen Anlagen ist die Speicherzone für regenerative Wärme noch mit Null Litern dimensioniert. Bei einfachen TrinkwarmwasserSolaranlagen fehlt dagegen die Speicherzone für den Heizwärmebedarf. 11

12 Trinkwarmwasser-Zone Diese Zone liefert Trinkwarmwasser mit der erforderlichen Temperatur. Im Hinblick auf Komfort und Trinkwasserhygiene muss hier ggf. stark exergiehaltige Energie verbraucht werden. Je höher die Temperatur ist, auf die das Trinkwasser in den anderen Zonen vorgewärmt wurde, desto weniger hochwertige Energie ist erforderlich. In Anlagenschemen wird diese Zone häufig rot dargestellt. 12

13 Heizkreis-Zone Aus diesem Bereich liefert die Anlage Heizwasser mit der erforderlichen Vorlauftemperatur der Heizkreise. Bei einfachen Solaranlagen, die nur zur Trinkwassererwärmung dienen, ist diese Zone dennoch vorhanden nur eben außerhalb des Solarspeichers. In Anlagenschemen sollte diese Zone mit der Mischfarbe von rot und blau dargestellt werden, also violett. 13

14 Speicherzone für Erneuerbare Energien Diese Zone wird durch zuströmendes Kaltwasser und durch niedrige Rücklauftemperaturen aus Heizkreisen abgekühlt, aber zumindest im Normalbetrieb nur durch Energie aus erneuerbaren Quellen aufgeheizt. In Anlagenschemen wird diese Zone häufig blau dargestellt. Damit die Vergabe dieser Farbe auch wirklich berechtigt ist, darf der konventionelle Wärmeerzeuger mit seinem Ladekreis die Solarzone nicht durchlaufen. Auch ein Einleiten höherer Temperaturen, z.b. aus der Trinkwasserzirkulation oder aus Radiatorheizkreisen kann die kalte Temperaturschicht zerstören. 14

15 Solaranlage zur Trinkwassererwärmung Solaranlagen mit bivalentem Trinkwarmwasserspeicher ("Solarspeicher") sind darauf ausgelegt, im Hochsommer den Trinkwasser-Wärmebedarf möglichst zu 100% zu decken. Im Jahresschnitt ergibt sich darauf durchschnittlich eine Deckungsrate von rund 60%. Interessant ist diese Technik immer noch bei Neubauten, deren Heizwärmebedarf bereits über passive Solarwärmegewinne weitgehend abgedeckt wird. 15

16 Simulationsergebnisse Durch Simulationsrechnung lässt sich zeigen, dass eine Erhöhung der Deckungsrate mit Wirkungsgradverlusten erkauft wird: Je größer die Kollektorfläche, desto geringer ist der spezifische Kollektorertrag in kwh pro Quadratmeter 16

17 Anlagen mit Kombi-Pufferspeicher Die aus der bivalenten Solaranlage abgeleiteten Kombianlagen haben einen Kombi-Pufferspeicher mit internen Tank-in-Tank Trinkwasserteil bzw. DurchlaufWärmetauscher. Sie teilen sich in eine Trinkwarmwasser-Zone und eine Solar-Zone. 17

18 Solare Rücklauftemperaturanhebung Die Heizkreis-Zone liegt außerhalb des Speichers im herkömmlichen System. Wenn die Heizungsrücklauftemperatur jedoch unter der Temperatur in der Solar-Zone liegt, leitet ein Dreiwege-Umschaltventil den Rücklauf durch die Solar-Zone, was eine Anhebung der Rücklauftemperatur bewirkt. Der konventionelle Wärmeerzeuger muss dadurch weniger Energie aufwenden, um im Heizkreis die volle Vorlauftemperatur aufrechtzuerhalten. Dieses Prinzip nennt sich Solare Rücklauftemperaturanhebung. 18

19 Puffer-Parallelschaltung Im Unterschied gibt es auch den Solarpuffer in Parallel-Schaltung zwischen Kessel und Heizkreis. Hier ist das Speichervolumen ungefähr gedrittelt in Trinkwarmwasser-Zone, HeizkreisZone und Solar-Zone. Während der Zeiten, in denen die Solaranlage die Heizung zu 100% versorgen kann, hat der konventionelle Wärmeerzeuger drastisch reduzierte Wärmeverluste. 19

20 Lohnt sich Solares Heizen? Immer wieder wird in Frage gestellt, ob es sich lohnt, die Kollektoranlage auch zum solaren Heizen zu verwenden. Nach einer vereinfachten Betrachtungsweise lohnt es sich nicht, denn im Winter erreicht der Solarertrag nicht einmal 100% des Trinkwasserwärmebedarfs im Sommer gibt es normalerweise keinen Heizwärmebedarf. Dem stehen drei gute Argumente entgegen: Ein Wohnhaus, selbst ein Passivhaus, verbraucht wesentlich mehr Energie für die Raumheizung, als für die Trinkwassererwärmung. Flächenheizkreise haben in den Übergangsjahreszeiten eine so niedrige Rücklauftemperatur, dass bei Kopplung mit der Solaranlage die Speichertemperaturen deutlich niedriger liegen. Eine niedrige Speichertemperatur lässt den Kollektorwirkungsgrad ansteigen. 20

21 Kollektor-Wirkungsgrad 21

22 Vorteile von Großflächenkollektoren Großformatige Sonnenkollektoren bieten gegenüber Standardkollektoren viele Vorteile: Hoher Wirkungsgrad durch geringe Randverluste; Angepasste Position der Solarkreisanschlüsse für minimierten Verrohrungs aufwand; Optimale Anpassung an die Architektur, insbesondere bei Indachmontage. 22

23 Solar Keymark Zertifizierung Das Solar Keymark ist das erste international anerkannte Qualitätszeichen für solarthermische Produkte. Es basiert auf drei Elementen: Erstprüfung des Produktes nach DIN EN oder DIN EN Ein eingeführtes produktbezogenes Qualitätssicherungssystem (QS-System) Jährliche Überwachung des QS-Systems sowie Produktkontrolle alle 2 Jahre Unter ist die Liste der zertifizierten Kollektoren verlinkt. 23

24 Solarertrag beim Solaren Heizen Bei Kollektoren auf Süddächern mit Neigung zwischen 25 und 35 sind zwei Effekte zu beobachten: besserer Solarwirkungsgrad in den Übergangsjahreszeiten aufgrund niedriger Systemtemperaturen; schlechterer Solarwirkungsgrad außerhalb der Heizperiode, da Solarwärme ungenutzt im Kollektor bleibt bzw. weggekühlt werden muss. Beide Effekte sich heben sich ungefähr auf, wenn die Kollektorfläche gegenüber der Dimensionierung für den Trinkwasserwärmebedarf ungefähr verdoppelt wird. Eine moderate Flächenvergrößerung zusammen mit einer Kopplung der Solaranlage an das Heizungssystem steigert die Summe des Solarwärmeertrags beträchtlich! 24

25 Anlage mit Pufferspeicher und Frischwarmwasserstation Dieses Anlagenschema entspricht weitgehend denen mit Kombi-Pufferspeichern, jedoch erfolgt die Trinkwassererwärmung hier außerhalb des Speichers in einer Frischwarmwasserstation. 25

26 Frischwarmwassertechnik Die Hauptvorteile dieser Technik: Pufferspeicher wird schichtend entladen; dadurch ergibt sich ein guter Solarwirkungsgrad auch bei nicht-schichtender Beladung; Komfort durch weitgehend konstante Trinkwarmwasser-Zapftemperatur, solange die Puffer-Vorlauftemperatur nur über der TWWSolltemperatur liegt; Optimale Trinkwasserhygiene 26

27 Maximale Speicherausnutzung Im Gegensatz zu Kombi-Pufferspeichern steht bei Frischwarmwasserstationen auch dann die volle Schüttleistung zur Verfügung, wenn nur noch die oberste Speicherschicht auf voller Temperatur ist. 27

28 Kombisystem-Kaskade mit Solar-Pufferspeicher Dieses Anlagenschema lehnt sich am Schema mit Pufferspeicher und Frischwassererwärmer an, jedoch wird der Speicher nicht konventionell nachgeheizt. Daher liefert der Plattenwärmetauscher häufig nicht die volle Trinkwassertemperatur. Die Nacherwärmung übernimmt Durchlauferhitzer. Über das somit hybrid betriebene Heizgerät kann Solarwärme auch in die Heizkreise geschickt werden. 28

29 Kollektorflächen nach EnEV und EEWärmeG Energieeinsparverordnung (EnEV) Wichtigste Norm in diesem Bereich ist die DIN Aus dieser ergeben sich in Abhängigkeit von der Gebäudenutzfläche (A N) Vorschlagswerte für die Kollektorfläche. Standardwert der Kollektorfläche A C nach Tabelle : A C = 0,09 A N 0,8 für Flachkollektoren bzw. A C = 0,066 A N 0,8 für Röhrenkollektoren Bezugsfläche ist die Apertur. 29

30 Kollektorflächen nach EnEV und EEWärmeG Kollektorfläche für heizungsunterstützende Solarthermie-Anlagen nach EnEV DIN Für Solare Kombi-Anlagen (zur solaren Heizungsunterstützung) ist zu prüfen, ob die Kollektorfläche nach Vorgabe des Kapitels "mindestens das 1,8-fache der nach berechneten Kollektorfläche für die Trinkwassererwärmung" beträgt. In diesem Fall lässt sich ein pauschaler solarer Deckungsanteil α solar,hu = 0,10 bescheinigen. Wichtig: Bei der so errechneten Kollektorfläche nie abrunden! Bezugsfläche ist die Apertur. Solarthermie-Anlagen, die gegenüber der Dimensionierung auf Deckung des Trinkwarmwasserbedarfs um den Faktor 1,8 größer ausgelegt sind, stellen meistens auch das wirtschaftliche Optimum dar. 30

31 Kollektorflächen nach EnEV und EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) Eigentümer von Neubauten mit einer Nutzfläche von mehr als 50 m² sind verpflichtet, den Wärme- (oder Kälte)-Energiebedarf zu einem bestimmten Anteil aus erneuerbaren Energien zu decken Bei Erfüllung über Solarthermie ist ein Deckungsanteil von 15% vorgesehen. Für den Nachweis werden dabei vereinfachend die folgenden Flächenverhältnisse in Bezug auf die Gebäudenutzfläche (A N) angenommen: A C = 0,04 A N für Ein-/Zweifamilienhäuser bzw. A C = 0,03 A N für Mehrfamilienhäuser Bezugsfläche ist auch hier die Apertur. 31

32 Kollektorflächen nach EnEV und EEWärmeG Fallbeispiel Zuerst muss die Gebäudenutzfläche aus einem vorliegenden, meistens vorläufigen EnEV-Bewertung entnommen werden. Hier ist A N = 964,89 m². 32

33 Kollektorflächen nach EnEV und EEWärmeG Daraus ergibt sich nach den oben genannten Formeln für ein Mehrfamilienhaus mit 964,89 m² Nutzfläche: DIN DIN EEWärmeG nur Trinkwarmwasser TWW und 10% Heizung 15% Gesamtdeckung 22,0 m² Orientierungswert 39,6 m² verbindlicher Mindestwert 29,0 m² Mindestwert 1) 1): bei Unterschreitung sind Ersatzmaßnahmen erforderlich 33

34 Ertragsprognose Vorhersage über den zu erwartenden Solarenergiegewinn und die Energieeinsparung durch Computersimulation. Eingangsparameter in GetSolar am Beispiel eines Mehrfamilienhauses: 34

35 Ertragsprognose Ergebnisse aus GetSolar zu diesem Projekt. Tabellarisch: 35

36 Vom Solarertrag zur Energieeinsparung Bei gut dimensionierten Solarthermieanlagen liegt die Energieeinsparung höher als die vom Solarkreis an den Speicher gelieferte Wärmemenge. Dieser Effekt ist auf den schlechten Sommernutzungsgrad herkömmlicher Wärmeerzeuger zurückzuführen. 36

37 Mehr Effizienz durch Solarthermie-Technik Man darf nicht nur betrachten, wieviele Kilowattstunden Solarwärme den Speicher bzw. den Verbraucher erreichen. Interessant ist eher, wieviele Liter Öl oder Kubikmeter Gas konkret dadurch eingespart werden. Der Sommernutzungsgrad von Heizkesseln liegt häufig deutlich unter dem für den Vollastbetrieb angegebenen Nennwirkungsgrad, bei älteren Kesseln nicht selten unter 60%. Ein spezifischer Kollektor-Jahresertrag von 400 kwh lässt nach der Faustformel "1 Liter Öl = 10 kwh" eine Einsparung von 40 Litern Öl erwarten. Die Öleinsparung pro Quadratmeter Kollektorfläche liegt dagegen bei über 50 Liter/m² pro Jahr, was einem Nutzungsgrad von nicht mehr als 80% entspricht. 37

38 Saisonale Speicherung Jede Sonnenkollektoranlage, die mit einer brennstoffgespeisten Wärmequelle im Haus gekoppelt ist, leistet einen Beitrag zur Langzeitspeicherung! Solare Kombianlagen kommen je nach Dämmstandard des Hauses auf 25 bis 50% solare Brennstoffeinsparung. Nicht verbrauchter Brennstoff, ob Öl, Gas oder Holzpellets, ist nichts anderes als die wirtschaftlichste Form der Langzeitspeicherung von Energie. 38

39 Anlagensimulation mit Polysun Bei Bedarf steht Polysun Designer zur Verfügung, um anlagenbezogen erstellte Schemen simulieren zu können. 39

40 Zuverlässigkeit von Sonnenkollektoranlagen Die mögliche Energieeinsparung durch einen Sonnenkollektor wird nur dann erreicht, wenn die Solaranlage störungsfrei läuft. Fehler bei der Planung oder Ausführung einer Solarthermieanlage können dazu führen, dass die Solarerträge geringer ausfallen und dass der Verbrauch an konventioneller Energie vielleicht sogar höher liegt, als ohne Solaranlage. Wenn eine Sonnenkollektoranlage über längere Zeit nicht ordnungsgemäß betrieben wird, kann das die Lebensdauer des Kollektors oder anderer Komponenten im Solarkreis drastisch verkürzen. Es lohnt sich daher, bewusst Fehler bei der Planung und Ausführung sowie beim Betrieb einer Solaranlage zu vermeiden, um die gewünschten positiven ökologischen und ökonomischen Effekte auch tatsächlich zu erzielen. 40

41 Energieeinsparung durch Solarthermie in der Praxis Eine statistische Auswertung der Energieeinsparung nach Installation einer Solarthermieanlage zeigt zum Teil deutlich positive Effekte. Einige Anlagen hatten aber sogar einen Mehrverbrauch zur Folge. Auswertung zur Verfügung gestellt von CO2online.de 41

42 Die beliebtesten Fehler in Solarthermieanlagen Temperaturfühler am Rücklaufanschluss des Kollektors positioniert: dadurch schaltet der Solarkreis vorzeitig wieder ab; Speichertemperaturfühler sitzt an der falschen Stelle: Kollektorkreis läuft nicht an, obwohl der Wärmetauscher eigentlich bereits Solarwärme aufnehmen könnte; Temperaturfühler ist aus der Hülse gerutscht: der Solarkreis läuft nur, wenn auch das Dach wärmer als der Speicher ist; Verkehrte Zuordnung von Speicherfühler und dem tatsächlich durchströmten Solarkreis: da die Solarwärme den zugeordneten Speicherfühler nicht erreicht (z.b. bei falsch geschaltetem Dreiwegeventil) kann der tatsächlich betroffene Speicher überhitzen bzw. versorgt abends auch lange nach Sonnenuntergang den Kollektor mit Wärme für den nur "virtuell" laufenden Solarkreis; Auswertung zur Verfügung gestellt von CO2online.de 42

43 Stichwort: Exergie Exergie ist der nutzbare Teil der Energie. Im Gegensatz zur Energie kann Exergie vernichtet werden, d. h. sie wird in Anergie (nicht weiter nutzbare Energie) umgewandelt. Praxisbeispiel: Mischer im Heizkreis Optimale Exergienutzung bei Betrieb des Heizkreises mit fast vollständig geöffnetem Mischer. 43

44 Anlagenschema Solarthermie im Einfamilienhaus In Einfamilienhäusern bewährt sich ein robustes Anlagenschema mit EinkreisSolarstation. Entscheidend für die Effizienz ist hier die schichtende Entladung über den Frischwassererwärmer und die Heizkreise. 44

45 Anlagenschema Solarthermie im Mehrfamilienhaus In der hydraulischen Schaltung gibt es hier mehrere Pufferspeicher, eine Frischwarmwasserkaskade und eine Zweikreis-Solarstation. Entscheidend für die Effizienz ist hier exergieoptimierte Schaltung der Frischwassererwärmer 45

46 Regelungstechnik Eine sinnvolle hydraulische Schaltung ist Voraussetzung für ein gutes Regelungskonzept. Fehler in der hydraulischen Schaltung können nur bedingt durch die Regelung ausgeglichen werden Ein durchdachtes Regelungskonzept kann das Betriebsverhalten jeder Anlage verbessern 46

47 Drehzahlregelung im Solarkreis Die Drehzahlregelung der Solarkreispumpe hilft, die Kollektorvorlauftemperatur möglichst durchgehend über der Abschalt-Temperatur zu halten. Beim (Wieder-)Einschalten des Kollektorkreises ist eine Temperaturspitze zu beobachten. 47

48 Solaroptimierung In der Übergangsjahreszeit sollte die Nachheizung außerhalb der Sonnenscheinstunden erfolgen. Auffällig: kaum Vermischung der Speicherschichten durch Konvektion. 48

49 Vielen Dank für Ihr Interesse! Axel Horn Dipl.-Ing. (FH) Versorgungstechnik Buchenstr. 38 D Sauerlach