Solare Nahwärme Am Ackermannbogen (SNAB), München

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1 Solare Nahwärme Am Ackermannbogen (SNAB), München Systemsimulationen zum solaren Nahwärmesystem mit saisonalem Wärmespeicher und Heißwasser-Absorptionswärmepumpe Dr. Jens M. Kuckelkorn, W. Dallmayer, M. Reuß, M. Schmidt, W. Schölkopf Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. - ZAE Bayern Abteilung 1: Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Walther-Meißner-Str. 6, D Garching Tel.: (089) , Fax: (089) kuckelkorn@muc.zae-bayern.de Internet: Einleitung In einem Neubaugebiet am Olympiapark in München wurde ein solares Nahwärmesystem mit einem saisonalen Erdbeckenspeicher realisiert. Die beheizte Geschossfläche der 13 angeschlossenen Wohngebäude (s. a. Abb. 1) mit 320 Wohnungen beträgt etwa m², das beheizte Bruttovolumen m³. Der realisierte Wärmedämmstandard unterschreitet die Mindestanforderungen der EnEV 2002 um mehr als 30 %. Drei Kollektorfelder (s. a. Abb. 2) mit einer Gesamtabsorberfläche von 2877 m² sollen in Verbindung mit einem m³ großen, stark geschichteten Warmwasserspeicher bis zu MWh/a solarthermische Energie in das Nahwärmenetz einspeisen. Das Volumen des Speicherwassers beträgt 5700 m³ bei 20 C. Die Deckung des verbleibenden Wärmebedarfs erfolgt über Fernwärme, wobei deren Arbeitsfähigkeit über eine Heißwasser-Absorptionswärmepumpe (AWP) mit 550 kw Heizleistung genutzt wird. Um das Ziel einer solaren Deckung von bis zu 50 % für den erwarteten Wärmebedarf von MWh/a für Heizung, Brauchwarmwasser und Nahwärmenetzverluste zu erreichen, wurden seit der ersten Machbarkeitsstudie im Jahr 2000 zur Optimierung des Systems und seiner Einzelkomponenten sowie zur Untersuchung verschiedener Betriebsarten am ZAE Bayern umfangreiche Systemsimulationen mit dem Programm TRNSYS durchgeführt.

2 Abbildung 1: Wettbewerbs-Entwurf der Solarsiedlung mit 13 Wohngebäuden, Dachkollektoren und Erdbeckenspeicher. Dabei mussten gravierende Änderungen gegenüber dem ursprünglichen Konzept umgesetzt werden: Der Antrieb der Wärmepumpe erfolgt nicht mehr mit dem bestehenden Dampfnetz, sondern mit dem zukünftigen Heißwassernetz, das mit einer gleitenden Vorlauftemperatur von 130 C bis 80 C betrieben wird. In Folge muss nicht Kondensat auf 70 C, sondern der gesamte Heißwasservolumenstrom auf 50 C ausgekühlt werden. Die nicht entspiegelten Kollektorflächen wurden im Mittel mit nur 18,5 Neigung eingebaut, zudem liegt der Azimutwinkel 14 aus der Südrichtung nach Osten. Statt der benötigten 3000 m² Absorberfläche konnten nur 2877 m² realisiert werden. Die Zahl der Wohnungen stieg von 250 auf 320, die beheizte Geschossfläche von m² auf m².

3 Abbildung 2: Solare Nahwärmesiedlung am Ackermannbogen, München. Die Kollektoren wurden auf drei der 13 angeschlossenen Gebäude montiert. Anlagentechnik Die Solarenergie wird über das parallel zum Nahwärmenetz verlegte Kollektorsammelnetz in die Energiezentrale transportiert. Dort erfolgt an einem Wärmeübertrager die Übergabe an den drucklosen Speicherkreis. Durch den Einsatz einer Schichtladeeinrichtung wird der Wärmespeicher stratifiziert (s. a. Abb. 3). Der Speicher (s. a. Abb. 4) ist mit drei Entnahmepunkten ausgestattet, in der wärmsten Schicht (oben), in der kältesten Schicht (unten) und mit einer verstellbaren mittleren Entnahmeeinrichtung, die zwischen den oberen 15 % und 30 % des Wasservolumens positioniert werden kann. Auf diese Weise kann oben ein Puffervolumen vorrangig aufgeheizt werden. Als Entnahmepunkt für den Kollektor- Sekundärkreis kann die untere oder die mittlere Entnahmestelle gewählt werden (s. a. Abb. 3). Der Heizkreis entlädt wahlweise aus der oberen oder mittleren Entnahmestelle die solare Wärme und transferiert diese über einen Wärmeübertrager in das

4 Nahwärmenetz. Der Rücklauf des Heizkreises wird immer unten in die Schichtladeeinrichtung eingeleitet. Das Wärmeversorgungsnetz wird ohne hydraulische Entkopplung bis zur Wohnungsübergabe geführt. Die Heizsysteme der Wohnungen werden vom Nahwärmenetz direkt über Wohnungsübergabestationen versorgt. In einem Teil der Wohnungen wurde eine Kombination aus Radiatoren mit seriell nachgeschalteter Fußbodenheizung realisiert. Da hier nur diffusionsdichte Rohre verwendet wurden, ist eine direkte Durchströmung mit dem Wasser des Nahwärmenetzes möglich. Für nicht diffusionsdichte Fußbodenheizungen erfolgt eine Systemtrennung. Die Brauchwarmwasserbereitung wird im Durchflussprinzip bedarfssynchron mit einem in der Wohnungsübergabestation integrierten Frischwassersystem realisiert. Abbildung 3: Anlagenschema des SNAB-Projektes. Kollektor mit Kollektorkreisen, Schichtladeeinrichtung und Entnahmestellen im Speicher, Energiezentrale mit Speicherauskühlung, Heißwasser-Absorptionswärmepumpe und Fernwärme- Rücklaufauskühlung (Backup-Wärmeübertrager), Wärmeversorgungsnetz mit Wohnungsübergabestationen (WÜS). Bei nicht ausreichender solarer Wärmeversorgung wird Wärme direkt von einem Fernwärme-Backupsystem aus dem Heißwasser-Fernwärmenetz der Stadt München ausgekoppelt. Ihre Arbeitsfähigkeit wird von der in der Energiezentrale installierten LiBr-Absorptionswärmepumpe als Antrieb genutzt. Dabei dient der Speicher der AWP als Niedertemperaturquelle. Warmes Wasser aus der oberen oder mittleren Entnahmestelle wird ausgekühlt und in die unterste Schicht eingespeist. Die entnommene Wärme und die Antriebswärme werden direkt in das Nahwärmenetz übertragen. Nachgeschaltet wird das Nahwärmenetz im Wärmeübertrager des Backupsystems auf die erforderliche Vorlauftemperatur angehoben, wobei der Fernwärmerücklauf noch zusätzlich bis auf 50 C ausgekühlt werden muss.

5 Systemtemperaturen Die Heizsysteme der Wohnungen sind auf eine Temperaturspreizung von 25 K ausgelegt. Sie werden vom Nahwärmenetz direkt über die Wohnungsübergabestationen mit einer garantierten Vorlauftemperatur von 55 C versorgt, die Netzrücklauftemperaturen liegen dann bei ca. 30 C. Die Brauchwarmwasserbereitung macht aufgrund des hohen Wärmedämmstandards über 30 % des Nutzwärmebedarfs aus. Sie wird ohne hygienische Beeinträchtigung im Durchflussprinzip mit Frischwassersystemen realisiert. Hierbei werden Netzrücklauftemperaturen von ca. 20 C erreicht. Bei Frischwassersystemen muss aus hygienischen Gründen nach DVGW W 551 ein maximales Wasservolumen von 3 Litern bis zur Zapfstelle eingehalten werden. Abbildung 4: Erdbeckenspeicher des SNAB-Projektes während der Bauphase. Links dahinter befindet sich die Energiezentrale. Rechts befindet sich die Solarsiedlung.

6 In den Gebäuden erfolgt die Warmhaltung von Teilsträngen ohne Lastanforderung durch thermische Zirkulationsbrücken am Strangende oder in den einzelnen Wohnungsübergabestationen. Der Zirkulationsvolumenstrom wird dabei sehr niedrig gehalten. Erfahrungen aus früheren Projekten haben gezeigt, dass niedrige Rücklauftemperaturen im Nahwärmenetz eine Grundvoraussetzung für hohe Systemnutzungsgrade sind. Daher wurde bei Planung und Bau besonderes Augenmerk auf dieses Kriterium gelegt. Reicht im Winter die Speichertemperatur für eine Direktversorgung nicht mehr aus, hebt die AWP mit nachgeschalteter Fernwärme-Rücklaufauskühlung (auf 50 C) den Nahwärmenetzvorlauf auf Solltemperatur an, wobei der Speicher als Niedertemperaturquelle dient. Die Speicherauskühlung erfolgt bis zu einem Temperaturniveau von etwa 10 C (s. a. Abb. 5), wodurch die Speicherverluste minimiert, die Speicherkapazität und der solare Ertrag erhöht werden. Für das System aus AWP und Fernwärme-Rücklaufauskühlung wird eine thermische Leistungszahl von COP = 1,45 erwartet. Abbildung 5: TRNSYS-Simulation der Speichertemperaturen für ein Betriebsjahr mit 28 Speicherschichten. Der Pufferspeicherbetrieb beginnt hier Anfang März, ab Mitte November erfolgt eine zweistufige Auskühlung durch die Absorptionswärmepumpe.

7 Bei der vorgegebenen Heizungsauslegung sind im Nahwärmenetz Vorlauftemperaturen von 56 C bis 60 C ab Energiezentrale erforderlich. Das zukünftige Heißwasser-Fernwärmenetz der Stadt München wird mit gleitenden Vorlauftemperaturen zwischen 130 C und 80 C betrieben. Abbildung 6: Simulierte Monatsbilanzen der Wärmeenergie für die Energiezentrale mit dem saisonalen Wärmespeicher. Die Speicherbe- und Entladung zeigt den saisonalen Anteil der Solarenergie. Die relativ hohen Kollektorerträge im Winter sind auf die niedrigen Speichertemperaturen zurückzuführen.

8 Speicherbetrieb Nach der vollständigen Speicherauskühlung im Winter wird im Frühjahr durch die Kollektoren zunächst nur ein kleines Volumen im oberen Speicherbereich auf maximal 80 C erwärmt (s. a. Abb. 5, bei ca h), damit möglichst schnell eine rein solarthermische Versorgung erreicht werden kann (Pufferspeicherbetrieb). Dabei wird der Kollektorsekundärkreis auf die mittlere Entnahmestelle geschaltet und das erwärmte Fluid über die Schichtladeeinrichtung zurückgespeist. Im Sommer, wenn das Pufferspeichervolumen bereits aufgeheizt ist, wird der Speicher über die Schichtladeeinrichtung vollständig beladen und im Herbst sukzessive direkt entladen (Sommerbetrieb). In dieser Phase wird der Kollektorsekundärkreis auf die untere Entnahmestelle geschaltet. Sinken bei der direkten Entladung die Speichertemperaturen unter den für die Netzvorlauftemperatur erforderlichen Sollwert, kann zunächst mit einer geringen Fernwärmeleistung nachgeheizt werden. Wie die Simulationsrechnungen zeigen, erfolgt spätestens im Dezember die weitere Speicherauskühlung über den Kaltwasserkreis der AWP (Winterbetrieb). Dabei kann der Speicher auch in zwei Temperaturstufen ausgekühlt werden (s. a. Abb. 5, ab ca h). Solarer Systemertrag In der Systemsimulation wird für die ursprünglich konzipierte Auslegung auf 2000 MWh/a ab Energiezentrale ein solarer Deckungsanteil von 55 % ermittelt, für den neu berechneten Bedarf von knapp 2300 MWh/a ein solarer Deckungsanteil von 50 %. Das entspricht einem Kollektorertrag von 400 kwh/(m²*a) bezogen auf die Absorberfläche. In der Realisierung wird gegenüber den idealen Randbedingungen des Modells nur ein solarer Systemertrag von ca MWh/a erwartet, was einem solaren Deckungsanteil von 45 % und einem Kollektorertrag von 358 kwh/(m²*a) bezogen auf die Absorberfläche entspricht. Ausblick Das Projekt wird nach Inbetriebnahme in einer zweijährigen Monitoringphase wissenschaftlich begleitet. Die Investition und die Kosten für die Begleitforschung werden vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit im Programm Solarthermie 2000plus (FKZ G) sowie der Landeshauptstadt München gefördert.