Solare Wärme für Großanlagen zum Heizen und Kühlen -

Transkript

1 Wärme für Großanlagen zum Heizen und Kühlen - Erfahrungen aus dem Programm Solarthermie ST2000plus Prof. Elmar Bollin der Hochschule Offenburg

2 Solarthermie2000plus Trinkwassererwärmung Gebäudeheizung Thermische Kühlung Kühlung bei der Festo AG Inhaltsübersicht

3 Solarthermischer Energiewandler Flachkollektor

4 Solarthermischer Energiewandler Sydney- Vakuumröhrenkollektor: Prinzip Thermoskanne

5 Solarpraxis Berlin Vakuum-Röhrenkollektor mit CPC Spiegel

6 Solarthermische Großanlage zur Demonstration Forschungsprogramm Solarthermie 2000 und 2000plus

7 Kombinierte Trinkwassererwärmung und Raumheizung Wärmenetze mit Langzeitwärmespeicher Solar unterstützte Nahwärmenetze Kombination von Solarwärme mit Geothermie, Abwärme oder Biomasse Kühlung mit Trinkwassererwärmung und Heizung Prozesswärme im Niedertemperaturbereich Förderfähige Solarsysteme in ST2000plus:

8 Aufgaben der Hochschule Offenburg Untersuchung der Praxistauglichkeit großer Solaranlagen Beratung bei Anlagenplanung, ausschreibung und Installation Planung und Installation eines Mess- und Auswertesystems Messdatenerfassung und -auswertung Überwachung und Beurteilung des Anlagenbetriebs Fehleranalyse und Optimierungsvorschläge Überprüfung der Energiegarantie Detaillierte Untersuchung von Systemkomponenten Veröffentlichung der Ergebnisse Wissenschaftlich-technische Begleitung:

9 Objektdarstellung Wilmersdorfer Str., Freiburg

10 Errichtung der Solaranlage im Januar 2001 auf den Flachdächern von zwei sanierten Wohngebäuden der Familienheim Freiburg Baugenossenschaft e.g. Standort der zwei neungeschossigen Gebäude ist die Wilmersdorfer Str. 3/5 in Freiburg-Betzenhausen Solaranlage unterstützt 14 Gebäude der Familienheim Freiburg bei der Trinkwassererwärmung 257 Wohnungen mit ungefähr 600 Bewohner erhalten solar erwärmtes Trinkwasser von der Heizzentrale Objektbeschreibung Wilmersdorfer Str., Freiburg

11 Trinkwasserversorgung: 14 Wohngebäude in der Wilmersdorfer Str. und Charlottenburger Str. Trinkwasserversorgung durch die Solaranlage

12 Kennwerte: Kollektorfläche: 228,2 m² Ausrichtung: 0 Süd Neigung: 30 Pufferspeicher: 2 x l Kosten: System: (945 /m²) Messsystem: Förderung: 60,14 % Messergebnisse: rtrag: kwh (544 kwh/m²) Nutzungsgrad: 39 % Deckungsanteil: 42,9 % mit Zirkulation: 20,8 % Wärmekosten: 0,13 /kwh Daten und Messergebnisse

13 2.000 l 2 x l l Hydraulisches Schema der Solaranlage

14 Bitumen- Isolierung Stahlpfosten Kupfer-Dach Aluminium- Träger Dachinstallation der Solaranlage

15 Erdverrohrung zwischen den Solaranlagen

16 Messpunkte der Solaranlage

17 Darstellung der Messergebnisse Vorort

18 EITK und QSV in kwh/ m²d Systemnutzungsgrad und Deckungsanteil in % EITK: Strahlungsenergie auf Kollektorebene QSV: Nutzenergie des Solarsystems System nutzungsgrad solarer Deckungsanteil 0 Systemnutzungsgrad und solarer Deckungsanteil vom

19 Planung 123 Inbetriebnahme Sonstige Komponenten Wärmeträgerfüllung Regelung Verrohrung Aggregate Keller Pufferspeicher Wärm etauscher Verrohrung Kollektorfelder / WT Kollektormontage inkl. Verrohrung Aufständerung Kollektoren Spezifische Kosten in /m² ohne MwSt

20 Kosten Systeminstallation (ohne MwSt) ,91 Planungskosten (ohne MwSt) ,67 Gesamtkosten (incl. MwSt) ,19 (932 /m²) Jährlicher rtrag (2003) Wärmekosten kwh (604 kwh/m²) 0,135 /kwh Wärmekosten = [(Gesamtkosten x Annuität) / rtrag] Annuität = 8,72 %, basierend auf 20 Jahren Systemlebensdauer and 6% Zinssatz. Investitionskosten / Wärmekosten Wilmersdorfer Str. Freiburg

21 Installateur gibt Garantie ab Garantie auf Basis vordefinierter Werte - Wetter - Warmwasserverbrauch (Trinkwasser) - Neu: Wärmebedarf (Raumheizung etc.) Berechnung mit Simulationsprogramm (z.b. T Sol, TRNSYS, Polysun) Nach einem Jahr : Überprüfung der Energiegarantie Vergleich des Garantieertrags mit dem gemessenen Ertrag Basis: gemessene Wetterdaten, Wärmeverbrauch T Sol, (TRNSYS, Polysun) Bei unterschreiten des Garantieertrags um mehr als 10% muss der Installateur nachbessern Energiegarantie

22 Verb rauc h in Liter bei 45 C Spei chert emp eratu Mo - Fr Sa :00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 Verbrauch in Liter bei 60 C S p eichertem p eratur 0 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 Verbrauch in Liter bei 60 C S p eichertem p eratur r Verb rauc h in Liter bei 45 C Spei chert emp eratu r Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus: Wochentage Mo Fr und Sa in Liter bei 45 C

23 Verbr auch in Liter bei 45 C Spei chert emp eratu r Verbrauch in Liter bei 60 C S p eichertem p eratur :00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 So Verbra uch Verb in m³ bei rauc 45 C Speic h in herte m³ mpera bei tur 45 C Spei cher tem pera tur Januar Februar März April Mai Juni Juli August Septem ber O ktober Novem ber Dezem ber Verbrauch in Liter bei 45 C bzw. m³ Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus: Wochentage So und Jahresverlauf

24 Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trinkwassererwärmung : Direkterwärmung

25 Duschwassererwärmung Potable Water Heating (Showers) Beckenwassererwärmung Swimming Pool Heating Nachheizung Nachheizspeicher Verbraucher Swimming Pool Schwimmbecken l Nachheizung Vorwärm- (Solar-) 2 x l speicher Boiler M Pumpe Speicherladekreis Zulauf Trinkwasser Potable Water Reservoir of used water Schwallwasserbehälter l Pumpe Kollektorkreis M Zulauf Frischwasser Fresh Water Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trink- und Schwimmbadwassererwärmung 25

26 Anlagenmonitoring für Besucher: Display

27 Messstellenplan Anlagen-Monitoring Stadtklinik Baden-Baden

28 Messwerterfassung und Datenübertragung ,4 61,8 7, ,3 67,0 67,0 67,0 69,1 68,8 68,5 57,4 51,8 47,8 0,0 39,2 52,5 41,4 46,5 68,7 61,1 2,2 2,1 57,6 2,1 61,2 2,2 39,7 46,2 41,4 0,2 12,4 Anlagenmonitoring

29 Kurvendiagramm und Carpet-Plot. Anlagenevaluation: Wilmersdorfer Str. Freiburg Einstrahlung des Jahres 2008 als

30 Jährlicher spez. rtrag je Anlage und Jahr im Vergleich zur projektbegleitenden Simulation 30

31 Vergleich der solare Zapfdeckungsrate je Anlage und Jahr 31

32 Vergleich der Systemnutzungsgrade je Anlage und Jahr im Vergleich zur Garantie 32

33 Mittlere Kollektorauslastung in Liter Trinkwarmwasser pro m²-kollektor und Tag je Anlage 33

34 Verteilung der spez. Kosten je Anlage 34

35 Jährlicher spez. Wärmekosten je Anlage im Vergleich 35

36 Vorteile eines dynamischen Anlagenmonitorings: Übersicht über Energieverbräuche Bewertung des Betriebs: Benchmarking Überprüfung der Herstellerangeben Ermittlung von Ausreißern und dessen Analyse Validierung von Planungswerten Sicherstellung der Ziele nachhaltiger Energieversorgung Qualitätsmanagement

37 Solarunterstützte-CO2-neutrale Nahwärmeversorgung in Holzgerlingen

38 Neubaugebiets Hülben in Holzgerlingen 44 Einfamilienhäuser, 36 Wohneinheiten in MFH, Kindergarten Gesamtwohnfläche bzw. Nutzfläche : m² Nahwärmenutzung in Holzgerlingen

39 Holzpelletkessel (540 KW) kombiniert mit einer 249 m² großen Solar- Flachkollektoranlage Nahwärmenutzung in Holzgerlingen

40 Nord Süd Anlagenschema Holzgerlingen

41 Beginn der Messungen: Start des Garantiejahres: Erste Ergebnisse: Heiz- und Kühlbetrieb 08/09 Solarthermische angetriebene Kühlung bei der Festo AG

42 Ansichten Festo-Anlage

43 Solarthermische Adsorptions-Kühlung

44 Solarthermische Kältemaschine 44

45 Thermisch angetriebene Kältemaschinen 45

46 nach Dr.-Ing. Jürgen Röben Sorptionsmechanismen: Ad- und Absorption und Desorption 46

47 Hygroskopische Feststoffe Silicagel als Adsorber 47

48 Offene Metallschwammstruktur mit Kieselgelfüllung für Sorptive Speicher Quelle: Fraunhofer ISE Silicagel besteht hauptsächlich aus Quarz (SiO 2 ) und hat eine innere Oberfläche von m²/g (Quelle BINE) Silicagel

49 Adsorptionskältemaschine 49

50 Adsorptionskältemaschine 50

51 Beachte: Prozess läuft im Vakuum ab! Adsorptionskältemaschine Offenburg

52 Diskontinuierlicher Betrieb der Adsorptionskältemaschine 52

53 Solarthermische Kühlung: Hydraulikschema Festo-Anlage

54 Technische Daten Festo Anlage 54

55 Kollektoraustritt Kollektoreintritt Kollektorertrag Quelle: Paradigma Deutschland GmbH Ergebnisse vom : Betriebsdaten 55

56 Ergebnisse vom : Fehlströmungen bei Nacht 56

57 Quelle: Paradigma Deutschland GmbH Verlauf von Kollektorein- und -austrittstemperaturen sowie der Speichertemperatur während des Frostschutz-Betriebs. Die Kollektoraustrittstemperatur wird immer auf mindestens 5 C gehalten. 57

58 Zusammenhang zwischen mittlerer Speichertemperatur des Tages und Wärmeverluste an das Kollektorfeld bei Frostschutzbetrieb 58

59 Tageszeit Datum Überhitzung Temperatur in C Ergebnisse : Carpetplot Kollektortemperaturen 59

60 Stillstandsverhalten der Solaranlage der solaren Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen am

61 Quelle: zafh.net Hochschule für Technik Stuttgart Einfluss der Rückkühltemperatur auf den COP der Adsorptionskältemaschine (Messwerte) 61

62 Bisherige Messergebnisse ( )

63 Grafische Darstellung der wichtigsten Messdaten des Intensivmessjahres vom 1. August 2008 bis 31. Juli

64 Seit läuft die weltgröße solarthermische Adsorptions Kühlanlage bei Festo AG & Co. KG nahezu problemlos. Der von Kollektorhersteller garantierte Jahresertrag von 500 MWh wurde bereits Ende September 2008 erreicht! Der solare Deckungsanteil beträgt im Sommer 6,3 %. Wegen begrenzter Dachfläche ist auch die Kollektorfläche begrenzt. Deckungsanteil regenerativ gesamt (mit Kompressorabwärme) beträgt 45 %. Solarsystem mit Vakuumröhrenkollektoren mit Wasserfüllung hat sich bewährt. Zusammenfassung und Ausblick: 64

65 Solarthermisches Heizen und Kühlen eine große technische Herausforderung und wichtiger Bestandteil einer Nachhaltigen Wärme- und Kälteversorgung

66 Anlagenschema im Detail

67 Undichtigkeiten im Kollektorfeld Langzeitmonitoring: Ergebnisse 1

68 Kostenverteilung Solaranlage Holzgerlingen