Daniel Tschopp. Stadt:Werk:Lehen - Wärmebereitstellung für Niedertemperaturnetz mit Solaranlage und speicherintegrierter Wärmepumpe

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1 Stadt:Werk:Lehen - Wärmebereitstellung für Niedertemperaturnetz mit Solaranlage und speicherintegrierter Wärmepumpe qm heizwerke Fachtagung Wärmenetze der Zukunft Daniel Tschopp AEE Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC) A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA 1

2 Inhalt Einleitung Anlage Stadt:Werk:Lehen Ergebnisse Anlagenauswertung Fazit 2

3 Einleitung Förderprogramm Solare Großanlagen Forschungsprojekt Förderprogramm Solarthermie Solare Großanlagen von Klima- und Energiefonds Wissenschaftliche Begleitforschung durch AEE INTEC (Leitung) und AIT - Auswertung von solaren Großanlagen über ein Betriebsjahr - Aufzeigen von Technologie-Entwicklungspotenzial Förderkategorie Solare Wärmenetzintegration Insgesamt 30 Anlagen - Solare Einspeisung in urbane Wärmenetze (7 Projekte) - Integration in kommunale Wärmenetze (16 Projekte) - Mikronetze mit solarthermischer Unterstützung (7 Projekte) 4 realisierte Anlagen mit Solarthermie + Wärmepumpe Bei einem Viertel aller geförderter Anlagen wird Wärmepumpe eingesetzt. 3

4 Anlage Stadt:Werk:Lehen Eckdaten Hochhaus 287 WE + KiTa + StuWoHeim + Gewerbe Umnutzung für ehemaliges Stadtwerke Areal in Salzburg Lehen Neubau Wohnen m² BGF Neubau Gewerbe m² BGF Thermisch saniertes Hochhaus Guter Wärmeschutzstandard! Bildquelle: Steinbeis Transferzentrum Competence Park, Verwaltung, Labor, Supermarkt, Wohnungen 4

5 Anlage Stadt:Werk:Lehen Niedertemperaturnetz Niedertemperaturnetz 65/35 C mit 3 Verteilergruppen Netz Wohnen Netz Gewerbe Netz Sanierung Wärmebereitstellung Solarthermieanlage (2.047 m 2 ) mit Kollektoren auf Dachflächen Wärmepumpe (160 kw) Nachheizung über Fernwärme (1,8 MW; 2 MW) Pufferspeicher (200 m 3 ) Bildquelle: Steinbeis Transferzentrum 5

6 Anlage Stadt:Werk:Lehen Anlagenschema und Regelung Wärmepumpe in Speicher integriert 2 Betriebsweisen: Heizbetrieb und Sommerbetreib Regelung WP Sommerbetrieb wenn T a > 15 C, sonst Winterbetrieb In Betrieb wenn Speicher unten nicht zu kalt und Speicher oben nicht zu warm Regelung Fernwärme Nachheizen wenn Speichertemperatur oben < 65 C Messkonzept ~300 Messstellen 10 Speichertemperaturen 6

7 Ergebnisse Anlagenauswertung Übersicht Auswerteperiode: August 2013 Juli 2014, zuvor zweijährige Betriebsoptimierung Abnahme: ~3500 MWh/a WP-Verdampfer: ~740 MWh/a (165 MWh Strom) Spezifischer Solarertrag: 533 kwh/m 2 apa Solarer Deckungsgrad: 29% (12% direkt, 17% für WP-Kondensator) Hoher Solarertrag in der Übergangszeit! 7

8 Ergebnisse Anlagenauswertung Temperaturen Netz Temperaturen Netz Hohe Vorlauftemperaturen im Sommer aufgrund Überhitzung durch Solaranlage Rücklauftemperaturen ~40 C Temperaturen Verteilergruppen Netz Wohnen Rücklauftemperaturen ~35 C Netz Gewerbe stark schwankende RL-Temperaturen Netz Sanierung Rücklauftemperaturen ~50 C 8

9 Ergebnisse Anlagenauswertung Speicherschichtung in der Übergangszeit Gute Speicherschichtung! (bis zu C im Speicher) Solaranlage stellt Energie zur Verfügung Wärmepumpe Erhöht Speicherschichtung Ausschalten bei zu hohen Temperaturen Nachheizung Schichtung bleibt erhalten 9

10 Ergebnisse Anlagenauswertung Speicherschichtung im Winter Drei Temperaturniveaus ~65 C (=Temp. Netz-VL) ~40 C (=Temp. Netz-RL) ~15-30 C Wärmepumpe Ausschalten bei zu tiefen Temperaturen Nachheizung Schichtung bleibt erhalten 10

11 Ergebnisse Anlagenauswertung Speichertemperaturen & Solarertrag Speichertemperaturen unten bis auf Sommermonate wesentlich unter Netzrücklauf- Temperatur Solaranlage Tiefe Rücklauftemperaturen für Solaranlage 11

12 Ergebnisse Monitoring Wärmepumpe I Betriebsstunden > 4000/a Betriebsweise Sommerbetrieb: Sommer & teilweise Übergangszeit Betriebsweise Heizbetrieb: Winter & teilweise Übergangszeit WP in der Übergangszeit oft in Betrieb! Jahresarbeitszahl: 4,5 Leistungszahlen im Winter deutlich besser 12

13 Ergebnisse Anlagenauswertung Wärmepumpe II Starke Abhängigkeit der Leistungszahl vom Temperaturniveau zwischen Kondensator und Verdampfer Häufigkeitsverteilung Günstige thermodynamische Betriebsbedingungen für Wärmepumpe 13

14 Conclusio Fazit Anlage Stadt:Werk:Lehen Technische Herausforderungen Regelung von Wärmepumpe + Zusammenspiel mit Solaranlage Speicherschichtung Anlage funktioniert gut! Hoher spezifischer Solarertrag: 533 kwh/m 2 ap Arbeitszahl Wärmepumpe: 4,5 Temperaturspreizung im Speicher durch WP funktioniert, gute Speicherschichtung (~40-50 K) Regelkonzept (2 Betriebsweisen von WP) Speicherdesign Exergetische Analyse bestätigt gute Performance. Kleinere Verbesserungen der Regelung möglich 14

15 Conclusio Fazit Technologie Wärmebereitstellung für Niedertemperaturnetz mit Solaranlage + Wärmepumpe Anlage Stadt:Werk:Lehen zeigt Machbarkeit & Vorteile der Kombination von Solaranlage + Wärmepumpe Hoher Solarertrag durch tiefe RL-Temperaturen für Solaranlage & Solarwärme auf niedrigem Temperaturniveau nutzbar Effiziente Wärmepumpe durch hohe Wärmequellentemperatur Integration von Wärmepumpe in Speicher bringt Flexibilität gegenüber Solaranlage Monitoring für Betriebsoptimierung sehr wichtig? Für Primärenergiefaktor & CO2-Emssionen ist Stromquelle für WP entscheidend PEF nicht erneuerbar für Solar + WP: ~0.16 mit Ökostrom PEF nicht erneuerbar für Solar + WP: ~0.39 mit Strom-Mix Ö? Richtiges Maß für WP-Einsatz 60 % der Solarwärme < 65 C 15

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