INHALTSVERZEICHNIS. Experimentelle Untersuchungen. 1.2 Beschreibung des Forschungsprojekts SOLARHAUS FREIBURG

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1 INHALTSVERZEICHNIS KURZFASSUNG INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN und wichtige Abkürzungen Teil I: Experimentelle Untersuchungen 1. EINLEITUNG 1.1 Historischer Überblick 1.2 Beschreibung des Forschungsprojekts SOLARHAUS FREIBURG 1.3 Projektziele 2. LITERATURÜBERBLICK 2.1 Stand der Entwicklung im Bereich der Kollektoren 2.2 Experimentelle und theoretische Systemanalysen 3. SOLARHAUS FREIBURG (SHF): Gebäudekonzeption und haustechnische Anlagen 3.1 Lage, Lokale Umgebung und Klima 3.2 Kurzbeschreibung des Gebäudes 3.3 Die energietechnischen Anlagen im SOLARHAUS FREIBURG Systematische Unterteilung der Gesamtanlage in Untersysteme Allgemeine Konzeption der Solaranlagen Die untersuchten Vakuumkollektoren CORNING GLASS Kollektor PHILIPS Mark IV Kollektor PHILIPS VTR 261 / STIEBEL-ELTRON Sol 50 Kollektor

2 i Solaranlage zur Brauchwassererwärmung Das "solare" Verteilsystem Der Brauchwasser-Vorwärm-Speicher (1500 1) Brauchwassersystem: Speicher, Nachheizung Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung Das Verteilsystem der Solaranlage Die solaren Heizungsspeicher Die Heizungsanlage Die Lüftungsanlage Die Automatisierungsanlagen Konzeption der Automatisierungsanlagen Konventionelle Schaltschrank-Automatisierungsanlage Prozeßrechneranlage BETRIEBSWEISEN UND ANLAGENFUNKTION Betriebsweisen der Systeme mit austauschbaren Komponenten Zuordnung der Kollektoren zu den Verbraucher-Systemen Betriebsweisen der Brauchwasser-Nachheizung Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung Die Betriebszustände im Solarkreislauf (Brauchwasseranlage) Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung mit der Ein-Speicher-Steuerung Zielsetzung Betriebs-Zustände bei der Ein-Speicher-Steuerung Strategie der Ein-Speicher-Steuerung Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung mit der Zwei-Speicher-Steuerung Zielsetzung Betriebs-Zustände der Zwei-Speicher-Steuerung Strategie der Zwei-Speicher-Steuerung Funktion der elektrischen Brauchwasser-Nachheizung Zielsetzung Betriebs-Zustände 47 i - 3

3 i Funktion der thermischen Brauchwasser-Nachheizung Zielsetzung Betriebs-Zustände und Regelungs-Strategien 4.3 Funktion der solarunterstützten Raumheizung Funktion des Solarkreislaufs bei 'Einfacher Regelung* Funktion des Solarkreislaufs bei 'Zweispeicher-Regelung' Funktion des Heizkessels und des Pufferspeichers Funktion der Heizungs-Speicher zur Wärmeversorgung des Gebäudes 5. BETRIEBS-FÜHRUNG UND BETRIEBS-ERFAHRUNGEN 5.1 Betriebsführung der Solaranlagen Allgemeine Betiebserfahrungen Erfahrungen mit den untersuchten Vakuumkollektoren CORNING GLASS Kollektor Philips Mark IV Kollektor Philips VTR 261 / Stiebel-Eltron Sol 50 Kollektor Erfahrungen mit der Solaranlage zur Brauchwassererwärmung 5.3 Erfahrungen mit der Heizungsanlage 5.4 Erfahrungen mit den Automatisierungsanlagen Konventionelle Schaltschrank-Automatisierungsanlage Prozeßrechner-Anlage 6. MESSTECHNIK, DATENERFASSUNG UND AUSWERTUNG 6.1 Allgemeine Anforderungen 6.2 Meßtechnik 6.3 Datenerfassung und Auswertung i - 4

4 i Auswertung der experimentellen Daten Auswertemethodik Blockschema der Energieströme Definition der Kollektor-Bezugsfläche Die Berechnung thermischer Energieströme 66 im Solarkreis 7. ERGEBNISSE DER EXPERIMENTELLEN UNTERSUCHUNGEN Kollektorwirkungsgrad - Diagramm Untersuchungsmethodik, Datenreduktion und Fehleranalyse Jahres-Auswertung zum Kollektorwirkungsgrad Monats-Auswertungen zum Kollektorwirkungsgrad Bedeutung der Histogramme Untersuchung der Transmissions-Absorptions- 86 Koeffizienten Kollektorfeld-Wärmeverlust und Wärmedurchgangskoeffizient 88 des CORNING GLASS Kollektors 7.2 Kollektorsystem Input/Output Diagramm (Betriebs-Kennlinien) Balkendiagramme zur monatlichen Bestrahlung und 102 Kollektorausbeute 7.4 Balkendiagramm zum monatlichen Brauchwasser-Wärmebedarf und 111 solaren Deckungsgrad 7.5 Energieflußdiagramm der solaren Brauchwasseranlage Systemwirkungsgrad der Anlage zur solaren Brauchwasserbereitung Balkendiagramm zum monatlichen Wärmebedarf der Raumheizung Energieflußdiagramm der Gesamtanlage 130 i - 5

5 i - 6 Teil II: Theoretische Untersuchungen 8. DAS KOMPONENTEN-MODELL FÜR DIE SOLARE BRAUCHWASSER ANLAGE IM SOLARHAUS FREIBURG: 8.1 Zielsetzung und Vorgehensweise Anforderungen an das Rechenverfahren Auswahl des Verfahrens 8.2 Die Systemgleichungen der Komponenten und Kreisläufe Die Komponenten und Kreisläufe der solaren Brauchwasser-Anlage Modellgleichungen im Solar-Kreislaüf Die Kollektor-Module Das "solare" Verteilnetz Die Wärmetauscher Modellgleichungen im Brauchwasser-Kreislauf Die Brauchwasser Vor- und Heiß-Speicher Warmwasserverteilung mit Temperaturbegrenzung und Zirkulation 8.3 Lösung der Modellgleichungen Dynami sehe Schrittweiten-Steuerung Numerische Integration nach der Euler-Methode Temperaturausgleich bei inverser Speichertemperaturschichtung Die Modellierung der Steuerungsprozesse 8.4 Beschreibung der Programme zur Modell-Validation und System-Analyse Schematischer Aufbau der Validations- und Analyse-Programme Beschreibung der Programm-Module für das Validations-Programm Einlesen von Anlage-Parametern für die Brauchwasser-Anlage im Solarhaus Freiburg Anfang der Zyklus-Schleife Einlesen von Meß-Daten Initialisierung der Komponenten-Temperaturen durch Meßdaten ANFANG DER TAGES-SCHLEIFE Aktualisierung der Inhomogenitäten Die Berechnung der Energieströme durch gemessene Daten i - 6

6 i Steuerungs-Algorithmus Berechnungs-Block Ergebnisse der Modellvalidation durch experimentelle Daten Vergleich gemessener und berechneter Größen des 159 Solarkreislaufs Vergleich gemessener und berechneter Größen der Speicher Vergleich Rechnung/Messung für Brauchwasser-Last 174 und Zusatzenergie Vergleich der berechneten und gemessenen Energiebilanz SYSTEMANALYSE VON SOLARANLAGEN ZUR BRAUCHWASSERBEREITUNG DURCH 179 SIMULATIONSRECHNUNGEN 9.1 Zielsetzung und Vorgehensweise Durchführung der Untersuchung Das Simulations-Programm Initialisierung der Komponenten-Temperaturen 181 und Simulations-Ablauf Definition von Energieflüssen und Bewertungsparametern Energieflüsse Genutzte Solarenergie - Genutzte Zusatzenergie Änderung des Wärmeinhalts der Speicher Bewertungsgrößen Auswahl einer Periode repräsentativer Klima- und 189 Verbr auchs-daten 9.3 Die untersuchten Kollektoren, System-Konfigurationen und Steuerungs- 196 Strategien Kollektoren Die untersuchten System-Konfigurationen 198 und Steuerungs-Strategien Übersicht und Auswahlkriterien "Ein-Speicher" - Anlagen ( Typ A1,...,A4 ) "Retrofit" - Anlagen ( Typ B1,...,B6 ) "Zwei-Speicher" - Anlagen mit strahlungsabhängiger 206 Steuerung des Solarkreislaufs ( Typ C1,...,C6 ) i - 7

7 i Ergebnisse der Simulationsrechnungen Einfluß der Kollektorparameter auf die Solarausbeute Ergebnisse der "Ein-Speicher" - Anlagen ( Typ A1,...,A4 ) Ergebnisse der "Retrofit" - Anlagen ( Typ B1,...JB6 ) Ergebnisse der "Zwei-Speicher" - Anlagen mit einstrahlungsabhängiger Steuerung ( Typ C1,...,C6 ) 9.5 Bewertung der einzelnen Anlagentypen und Schlußfolgerungen 10. ZUSAMMENFASSUNG 11. LITERATURVERZEICHNIS i - 8