klima:aktiv solarwärme

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1 klima:aktiv solarwärme KONZEPT FÜR EINE SOLARANLAGE DES Alpen Adria Hotels in Hermagor Studienersteller arsenal research, Geschäftsfeld Erneuerbare Energietechnologien DI Fritz Brandstetter In Kooperation mit AEE INTEC, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie Institut für Nachhaltige Energietechnologien

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Gegenstand der Studie Ausgangssituation Bedarfsermittlung für die Dimensionierung der Solaranlage Empfehlungen für die Auswahl eines passenden Hydraulikschemas Auslegung der Kollektorfläche und des Solarspeichervolumens Dimensionierungsvariante 1: Solarer Deckungsgrad der Warmwasserbereitung in den Monaten Mai bis September - 55 % (grüne Linien im Nomogramm) Dimensionierungsvariante 2: Solarer Deckungsgrad im oberen Bereich bei etwa 78 % Deckung von Mai bis September (blaue Linien im Diagramm) Berechnung der Einsparungen Minimierung der Systemkosten Qualitätssicherung Zusammenfassung und Empfehlung

3 1 Gegenstand der Studie Ziel dieses Konzeptes ist die Untersuchung unterschiedlich dimensionierter Solarsysteme hinsichtlich ihrer technischen und betriebswirtschaftlichen Eignung für die Unterstützung von Warmwasserbereitung und Beheizung des Alpen Adria Hotels in Hermagor Die Untersuchungen basieren auf den von Herrn Rainer zur Verfügung gestellten Angaben. Untersucht und verglichen werden: Brauchwasser- und Heizwärmebedarf des Alpen Adria Hotels Anlagenhydraulik Dimensionierung von Solaranlagen unterschiedlicher Kollektorfläche und Speichergrößenordnung Ermittlung der solaren Erträge sowie der erreichbaren solaren Deckungsgrade durch eine Computersimulation Kostenabschätzung sowie Informationen zu Förderungsmöglichkeiten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Anlehnung an die VDI Ausgangssituation Das bestehende Gebäude mit 110 Betten soll 2008 erweitert werden. Der geplante Zubau soll weiter 10 Zimmer mit 28 Betten umfassen. Die Beheizung des Gebäudes erfolgt mit einer Ölzentralheizung. Die durchschnittliche Auslastung in den Sommermonaten betrug %. 3 Bedarfsermittlung für die Dimensionierung der Solaranlage Für die Ermittlung des durchschnittlichen Warmwasserbedarfes wird in einem ersten Schritt die Auslastung des Betriebes bezogen auf die Gesamtbettenanzahl errechnet. Anhand dieser Kennzahl und des für diese Betriebsart typischen Warmwasserbedarfes wird der durchschnittliche Bedarf ermittelt. 1) Durchschnittlicher täglicher Warmwasserbedarf (Bestand plus Neubau bei angenommener gleicher Auslastung) Verbrauchertyp Warmwasserverbrauch pro Tag Temperaturniveau Warmwasser Hotels 40 Liter pro Person 60 C Pensionen 30 Liter pro Person 60 C Jugendherbergen 25 Liter pro Person 60 C Ferienappartement 40 Liter pro Person 60 C Campingplätze 20 Liter pro Stellplatz 60 C Sportanlangen mit Duschen Liter und Sportler 60 C 3

4 = Warmwasser verbrauch pro Tag * durchschnittliche Auslastung * Anzahl Betten = =40*0,75 *138 = l/tag mit 60 C 2) Verbrauch für Küche/Essen Berechnet wird der Anhand der durchschnittlichen Anzahl an Gästen benötigte Warmwasserbedarf in der Küche. Nachfolgende Tabelle zeigt typische Warmwasserverbräuche für Mahlzeiten. Verbrauch pro Mahlzeit in Liter, 60 C Frühstück 2 3 Mittag-, Abendessen 4 8 Warmwasserbedarf Küche/Essen = Durchschnittliche Anzahl Frühstück/Tag * (2-3 l) + durchschnittliche Anzahl Gedecke* (4-8 l)= = (138*0,75)* 3 + (138*0,75)* 6 = 930 l/tag mit 60 C Zuschläge für Raumreinigung, Waschmaschinen oder auch Sauna oder Schwimmbad sind mit den zur Verfügung stehenden Unterlagen nicht ermittelbar und werden daher nicht berücksichtigt. Gesamtwarmwasserbedarf pro Tag (Zimmer und Küche) = 5.170l/Tag mit 60 C 4

5 Zirkulation 4 Empfehlungen für die Auswahl eines passenden Hydraulikschemas In Tourismusbetrieben mit hohen Warmwasserverbräuchen empfiehlt es sich, Zweispeichersysteme (ein Energiespeicher und ein bzw. mehrere trinkwasserführende Bereitschaftsspeicher) einzusetzen. Zweispeichersysteme bestehen aus einem einfachen, unbeschichteten Stahlspeicher als Energiespeicher und einem bzw. mehreren kleinen Bereitschaftsspeicher zur Abdeckung der Spitzenlast. Dieser wird in Abhängigkeit des Bedarfes an Brauchwasser über einen externen Wärmetauscher nach dem Ladespeicherprinzip geladen. Die bestehenden Vorwärme- und Brauchwasserspeicher können für die Solaranlage weiterverwendet werden. Raumheizung Kollektorfeld Energiespeicher T3 Bereitschaftsspeicher Warmwasser T2 Kaltwasser Kessel Solarsysteme die hydraulisch auch in die Raumwärmeversorgung eingebunden werden haben bei gleicher Dimensionierung um bis zu 10% höhere Erträge verglichen mit reinen Warmwasserbereitungsanlagen. Der Grund dafür liegt in der besseren Ausnutzung der solaren Erträge in den einstrahlungsreichen Monaten im Frühjahr und Herbst. Die zusätzlich dazu auftretenden Kosten sind vergleichsweise gering es wird daher empfohlen diese bei der Planung zu berücksichtigen. Ebenfalls zu berücksichtigen ist der Umstand, dass Warmwasserverteilnetze (Zirkulation) auf relativ hohem Temperaturniveau betrieben werden. Wird der Rücklauf der Zirkulationsleitung in den Bereitschaftsspeicher eingebunden, kommt es zu einer permanenten Durchmischung des Speicherinhaltes Kaltwasserzulauf und Zirkulation. Diese Durchmischung stellt für die Solaranlage einen ungünstigen Verbraucher dar. Besser ist es die Zirkulationsverluste über einen weiteren externen Wärmetauscher auszugleichen. 5

6 Warmwasser Kollektorfeld T3 T2 Energiespeicher Bereitschaftsspeicher Zirkulation Raumheizung KW Kessel 5 Auslegung der Kollektorfläche und des Solarspeichervolumens Allgemeines Die Dimensionierung der Kollektorfläche thermischer Solaranlagen orientiert sich bei Tourismusbetrieben meist am Brauchwasserverbrauch, da durch dessen Kontinuität über das gesamte Jahr eine Abnahme der solaren Wärme garantiert ist. Solaranlagen sind umso wirtschaftlicher, je höher die Kollektoren ausgelastet sind. Bei Vorhandensein von zusätzlichen Wärmeverbrauchern wie Schwimmbecken sollte die Anlagenhydraulik trotzdem so gestaltet werden, dass eine Einbindung der Solarenergie in die Heizwärmeversorgung ermöglicht wird. So können durch geringere Belegung bedingte ungenützte Überschüsse der Solaranlage zur Beheizung verwendet werden. In der Übergangszeit können die Solarerträge direkt die Heizung unterstützen, wodurch eine maximale Ausnutzung der Solaranlage erreicht wird. Zusammengefasst ergeben sich folgende Prämissen für die Dimensionierung der Kollektorfläche im Kosten-Nutzen optimierten Bereich: Erzielen von hohen Kollektorlaufzeiten (geringe Stillstandszeiten im Sommer das Maximum der eingestrahlter Solarenergie wird genutzt) Basis für die Dimensionierung ist damit der durchschnittliche Verbrauch an Warmwasser in der Periode Mai bis September Auslegung der Solaranlage mit Dimensionierungsnomogrammen Für die Dimensionierung von Solarsystemen stehen in der Praxis vielfach bewährte Nomogramme zur Verfügung. Die darin ausgewiesene so genannte Auslastung (in Liter Warmwasser mit 60 C pro Quadratmeter Kollektorfläche und Tag) bildet die Basis für die Berechnung der Kollektorfläche der Solaranlage. Wie im Nomogramm ersichtlich wird bei einer Auslastung von etwa 10 l/d mit 60 C und m 2 Kollektorfläche eine nahezu 100% ige Sommerdeckung erreicht. Der empfohlene Auslegungsbereich zur Erreichung eines Kosten-Nutzen-Optimum liegt im gelb ausgewiesenen Bereich. Erfahrungswerte für das optimale Solarspeichervolumen liegen für die in weiterer Folge erwähnten solaren Deckungsgrade von 50 bis 75% bei ungefähr 50 bis 75 Liter pro m² Kollektorfläche. 6

7 5.1 Dimensionierungsvariante 1: Solarer Deckungsgrad der Warmwasserbereitung in den Monaten Mai bis September - 55 % (grüne Linien im Nomogramm) Bei einem solaren Deckungsgrad des Warmwassers von etwa 55 % ergibt sich eine Auslastung von 28 Liter / Tag mit 60 C je Quadratmeter Kollektorfläche Zur Berechnung der entsprechenden Kollektorfläche wird der durchschnittliche Tagesverbrauch durch die Auslastung geteilt: Durchschnittlicher Warmwasser bedarf Auslastung pro Tag 5170 = = 184 Quadratmeter 28 Bei einem Solarspeichervolumen zwischen 50 und 70 Liter pro Quadratmeter Kollektorfläche ergibt sich eine empfohlene Pufferspeichergröße von Litern. Basierend auf diesen Dimensionierungsgrößen von 184 m² Sonnenkollektorfläche und Liter Solarpufferspeicher wurde eine Simulation der Solaranlage in einem anerkannten Simulationsprogramm 1 für Solaranlagen durchgeführt. Ergebnisse der Jahressimulation: Einstrahlung Kollektorfläche 185,9 MWh kwh/m 2 Abgegebene Energie Kollektoren 73,13 MWh 500 kwh/m 2 1 T*SOL, Software zur Simulation von Solaranlagen, 7

8 Abgegebene Energie Kollektorkreis 69,8 MWh 477 kwh/m 2 Energielieferung Trinkwassererwärmung Energielieferung Heizwärme Energie Solarsystem Zugeführte Energie Zusatzheizung 100,25 MWh 241 MWh 66,84 MWh 275,53 MWh Einsparung Heizöl Liter Vermiedene CO 2 Emissionen 32 Tonnen Deckungsanteil gesamt 19,5 % Systemnutzungsgrad 36% Interpretation der Ergebnisse: Durch diese Auslegungsvariante wird die Solaranlage maximal ausgenutzt. Ersichtlich ist dies am ausgezeichneten Systemnutzungsgrad der Solaranlage von 36 Prozent. Bedingt durch die hohe Auslastung ergeben sich auch hohe Anlagenerträge von rund 477 kwh/m², was einem sehr guten Wert in unseren Breitengraden entspricht. Diese hohen Anlagenerträge schlagen sich in einer besonders günstigen Wirtschaftlichkeit der Solaranlage nieder. Vom gesamten Wärmebedarf (Warmwasser und Heizung) werden durch die Solaranlage etwa 19,5 % gedeckt. 5.2 Dimensionierungsvariante 2: Solarer Deckungsgrad im oberen Bereich bei etwa 78 % Deckung von Mai bis September (blaue Linien im Diagramm) Bei einer Auslastung von 15 Liter / Tag mit 60 C je Quadratmeter Kollektorfläche errechnet sich analog Variante 1 folgende Kollektorfläche: Durchschni ttlicher Warmwasser bedarf Auslastung protag 5170 = = 345 Quadratmet er 15 Die empfohlene Speichergröße beträgt etwa Liter. Basierend auf diesen Dimensionierungsgrößen von 345 m² Sonnenkollektorfläche und Litern Solarpufferspeicher wurde eine Simulation der Solaranlage mit einem anerkannten Simulationsprogramm 2 für Solaranlagen durchgeführt. Ergebnisse der Simulation: Einstrahlung Kollektorfläche 395 MWh kwh/m 2 Abgegebene Energie Kollektoren 115,7 MWh 372,44 kwh/m 2 2 T*SOL, Software zur Simulation von Solaranlagen, 8

9 Abgegebene Energie Kollektorkreis 109,98 MWh 353,9 kwh/m 2 Energielieferung Trinkwassererwärmung Energielieferung Heizwärme Energie Solarsystem Zugeführte Energie Zusatzheizung 100 MWh 241 MWh 107 MWh 234 MWh Einsparung Heizöl Liter Vermiedene CO 2 Emissionen 52 Tonnen Deckungsanteil gesamt 31,5 % Systemnutzungsgrad 27,3 % Interpretation der Ergebnisse: Durch diese Auslegungsvariante wird die Solaranlage noch immer gut ausgenutzt. Ersichtlich ist dies am Systemnutzungsgrad der Solaranlage von 27,3 Prozent. Bedingt durch die etwas großzügigere Auslegung der Kollektorfläche ergeben sich verglichen zu Variante 1 etwas geringere Anlagenerträge von rund 353 kwh/m². Dem gegenüber wird natürlich durch die größere Kollektorfläche ein größerer Teil von etwa 31 % des gesamten Wärmebedarfes durch die Solaranlage gedeckt. Die vom Solarsystem erbrachten Erträge sowie die solaren Deckungsgrade sind das Ergebnis der mit dem Simulationsprogramm T*SOL durchgeführten Berechnungen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen zur Entscheidungsfindung beitragen, können aber eine gesamtheitliche Detailplanung der solarunterstützten Wärmeversorgungsanlage nicht ersetzen. 6 Berechnung der Einsparungen Für die Abschätzung der betriebswirtschaftlichen Sinnhaftigkeit der Solaranlage wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Anlehnung an die VDI 2067 durchgeführt. Rahmenbedingungen: Lebensdauer der Solaranlage 25 Jahre Aktueller Ölpreis 0,55 /Liter Förderung durch Kommunalkredit Public Consulting (30 %) Förderinformationen unter Pensionen/Foerderungen/ Energiepreissteigerung 5 % pro Jahr Variante 1: Anlage mit 25 Quadratmeter Kollektorfläche Die Investitionskosten mit Berücksichtigung der Förderungen für die Solaranlage betragen etwa Bei einem Jahresertrag der Solaranlage von 66,9 MWh ergibt sich damit bezogen auf den ersetzten Wärmeträger Öl und dem derzeitigen Energiepreis eine jährliche Ersparnis von Die Solaranlage hat sich durch diese Einsparung in etwa 13 Jahren refinanziert und liefert ab diesem Zeitpunkt für den Rest der etwa 25-jährigen Lebensdauer 9

10 etwa 20 % des Wärmebedarfs zum Nulltarif. Über die Lebensdauer der Anlage beträgt der erzielte Kapitalwert Variante 2: Anlage mit 345 Quadratmeter Kollektorfläche Die Investitionskosten mit Berücksichtigung der Förderungen für die Solaranlage betragen etwa Bei einem Jahresertrag der Solaranlage von 107 MWh ergibt sich damit bezogen auf den ersetzten Wärmeträger Öl eine jährliche Ersparnis von Die Solaranlage hat sich durch diese Einsparung in etwa 16 Jahren refinanziert und liefert ab diesem Zeitpunkt für den Rest der etwa 25-jährigen Lebensdauer etwa 31 % des Wärmebedarfs zum Nulltarif. Die Solaranlage erwirtschaftet innerhalb ihrer Lebensdauer über Der Amortisationsrechnung wurde der maximal von der Kommunalkredit Public Consulting anerkannte Systempreis von 675 pro Quadratmeter Kollektorfläche zu Grunde gelegt. Wie in nachfolgender Grafik zu erkennen ist sinken die Systempreise je größer die Anlage wird. Eine nachträgliche Wirtschaftlichkeitsberechnung basierend auf den tatsächlichen Kosten kann auf Wunsch nachgereicht werden. 7 Minimierung der Systemkosten Die wichtigsten Kriterien für die Minimierung der Systemkosten bei Großanlagen sind im Folgenden zusammengefasst: Durch eine frühzeitige Einbeziehung der Solarplanung in die Gesamtplanung des Neubaus oder der Sanierungsmaßnahmen lassen sich günstige Montagesituationen und kurze Leitungswege sicherstellen. Ausdrückliche Einbeziehung aller Solarmaßnahmen in den Bauzeitplan, um eine optimale Abstimmung der Gewerke zu erreichen und Doppelarbeiten sicher zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig bei allen Maßnahmen zur Gebäudeintegration. 10

11 Vielfach wird der Kostenvorteil, den z.b. Vormontage bieten kann, durch unnötige Wartezeiten auf der Baustelle wieder zunichte gemacht. Vormontagemöglichkeiten nutzen! Dies gilt insbesondere bei aufgeständerten Kollektoren. Vormontierte Einheiten benötigen einen Kran, der an der Baustelle meist ohnehin vorhanden ist. Oft genug wird aber die Nutzung des Krans nicht abgesprochen und er wird vor Anlieferung der Kollektorelemente abgezogen oder abgebaut. Möglichkeiten zur großflächigen Kollektormontage nutzen, vorzugsweise als Gebäudeintegration. Mit den entsprechenden Gutschriften eingerechnet, lassen sich Kostenreduktionen von bis zu 100 /m² erreichen. Bei großflächiger Fassaden- oder Dachintegration vielfach sogar darüber. Einfache, standardisierte Systemschaltungen verwenden mit den vom Hersteller vorgegebenen Komponenten. 8 Qualitätssicherung Bedingt durch die teilweise noch geringe Erfahrung von Professionisten sind bei der Vergabe der Planung und Ausführung von Solaranlagen einige Maßnahmen zur Sicherung der Qualität anzuraten. Die Qualitätssicherung setzt am Besten bereits bei der Ausschreibung ein. Bestandteil der Ausschreibung können etwa Anforderungen für die zu verwendeten Komponenten, die Inbetriebnahme, Betriebsführung und Wartung sein. Für Solarsysteme existieren einschlägige Normen, auf die Bezug genommen werden kann. Musterausschreibungen mit einer Zusammenstellung der wichtigsten Anforderungen können vom solarwärme Team bereitgestellt werden. Es ist anzuraten, zur Vergleichsmöglichkeit Angebote von verschiedenen Firmen einzuholen. Auf jeden Fall soll das Angebot auch eine Ertragssimulation der Solaranlage auf Basis der zugrunde liegenden Dimensionierung beinhalten. Grundsätzlich sollte auf erfahrene Firmen und Professionisten, die bereits eine Reihe von Referenzanlagen vorweisen können zurückgegriffen werden. Für geprüfte Kompetenz im Solarbereich wurde in Österreich die Marke Zertifizierter Solarwärmeinstallateur bzw. planer eingeführt. Eine Liste der zertifizierten Installateure und Planer und deren Firmen kann auf der Seite bezogen werden. Ertragsgarantien Der Hauptfaktor für die Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen ist die Refinanzierung der Anfangsinvestition über die eingesparten Betriebskosten. Je höher die Wärmeerträge der Solaranlage ausfallen, desto mehr Zusatzenergie kann eingespart werden und desto schneller amortisiert sich die Anlage. Der Solarertrag bezogen auf die Kollektorfläche ist somit die wichtigste Kennzahl zur Beurteilung von Solaranlagen. Zur Absicherung besteht die Möglichkeit, vom anbietenden Unternehmen eine vertragliche Garantie eines definierten Solarertrags einzufordern. Der Garantiewert muss dabei auf einer hochwertigen Simulation unter realen Betriebsbedingungen basieren. Erbringt die Solaranlage die vertraglich zugesagten Erträge nicht, wird der Minderertrag auf die Lebensdauer der Solaranlage hochgerechnet und vom Haftrücklass abgezogen. Vorlagen für die Vertragsgestaltung können vom solarwärme Team bereitgestellt werden. 11

12 9 Zusammenfassung und Empfehlung Aufgrund der Ergebnisse dieser Untersuchung ist sowohl aus betriebswirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht die Errichtung einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung zu empfehlen. Aufgrund der energetischen Vorteile ist im Zuge der Planung der Solaranlagen die Einbindung der Heizung zu prüfen. Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Anlehnung an die VDI 2067 liefern für beide Varianten positive Ergebnisse. Durch die gute Ausnutzung beider Anlagenvarianten ist die Empfehlung gleich eine größere Anlage (Variante 2) zu errichten. Die in der auslastungsschwächeren Zeit erzielten Erträge lassen sich zur Temperierung des Gebäudes verwenden. In der Planung des Zubaues ist gleich ein entsprechend großer Raum für den Energiespeicher vorzusehen. Österreich hat sich im Kyoto-Protokoll verpflichtet, die Emissionen der Treibhausgase CO 2, CH 4, N 2 O, HFKW, PFKW, und SF 6 von 75 Mio t CO 2 Äquivalent im Basisjahr 1990 um 13 % auf 66 Mio t bis zur Zielperiode zu vermindern. Der weitaus größte Anteil der Emissionen mit 62 Mio t im Jahr 1190 entfällt auf das Treibhausgas CO 2, das unter anderem bei der Verbrennung fossiler Energieträger entsteht. Die Forcierung erneuerbarer und CO 2 - neutraler Energieträger ist daher ein wesentliches Anliegen der österreichischen Klimapolitik. Durch die von der KPC Kommunalkredit Public Consulting sowie des Landes NÖ gewährten Förderungen wird erreicht, dass solar unterstützte Wärmeversorgungseinrichtungen wirtschaftlich mit herkömmlichen Versorgungskonzepten konkurrieren können. 12