PRAXISGERECHTE SCHWEIZER HYDRAU- LIKVORLAGEN FÜR POLYSUN

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1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE PRAXISGERECHTE SCHWEIZER HYDRAU- LIKVORLAGEN FÜR POLYSUN Schlussbericht Ausgearbeitet durch Jörg Marti, Vela Solaris AG Stadthausstr. 125, 8400 Winterthur, Jürg Marti, Marti Energietechnik Poststrasse 5, 8713 Uerikon,

2 Impressum Datum: 22. Dezember 2010 Im Auftrag des Bundesamt für Energie, Abteilung Energieeffizienz und erneuerbare Energien Mühlestrasse 4, CH-3063 Ittigen Postadresse: CH-3003 Bern Tel , Fax Projektnummer: SI/ Bezugsort der Publikation: Für Inhalt und Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichts verantwortlich.

3 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Ausgangslage Ziel und Umfang der Arbeit Implementierung der Systeme Implementierung Warmwassersysteme Implementierung heizungsunterstützende Systeme Validierung der Ergebnisse Diskussion der Ergebnisse Schlussfolgerungen und weiterführende Arbeiten... 8 Referenzen /9

4 Zusammenfassung Im vorliegenden Projekt sind repräsentative Vorlagen für Solarthermiesystemen in Polysun erarbeitet worden. Die Auswahl wurde mit Blick auf die in der Schweiz verwendeten Hydrauliken getroffen. In der Validierung konnte gezeigt werden, dass Polysun diese Systeme korrekt abbildet. Insbesondere wurde bestätigt, dass die heutige modulare Arbeitsweise von Polysun die heutigen Systeme präzise abgebildet werden und auch die Unterschiede zwischen den Systemen adäquat abgebildet werden. 1. Ausgangslage Polysun ist eine Simulationssoftware um Hydraulische Heizungssysteme in Kombination mit Solarthermie oder Erdwärme auszulegen, zu optimieren und berechnen. Die Entwicklung des Simulationskernes wurde durch das BFE substantiell unterstützt. Die Firma Vela Solaris hat nach Beendigung des Forschungsprojektes am SPF Institut für Solartechnik die Weiterentwicklung der Software sowie deren Vertrieb übernommen. Polysun bietet eine grosse Palette von verschiedensten vorgefertigten Systemen zur einfachen Auslegung und Berechnung an. Zudem bietet die Software durch ihr modulares Design den Experten die absolute Freiheit im Anlagedesign; insbesondere können die hydraulischen Komponenten mittels einer graphischen Benutzeroberfläche platziert und beliebig kombiniert werden. 2. Ziel und Umfang der Arbeit Für den Schweizer Markt wurden im Rahmen des Projektes typische Systeme evaluiert, ausgearbeitet und in Polysun für die Auslegung integriert. Mit den vorgefertigten Systemen können solarthermische Systeme schnell und sicher berechnet werden. Alle Hydrauliken wurden in Polysun in der Vorlagenstruktur in einem neuen Ordner "Schweizer Systeme" eingepflegt, so wie es bereits heute entsprechende Ordner für einige andere Länder gibt. Für einzelne Systeme wurden die Simulationsresultate validiert. Dazu wurden Messdaten von existierenden Anlagen mit Polysun verglichen. 3. Implementierung der Systeme In einer Evaluationsphase wurden für die Schweiz 20 typische Solar-Systeme ausgesucht. Die Auswahl wurde mit der Fachkommission Solarwärme des Fachverbandes Swissolar abgesprochen. Die Hydrauliken wurden in Polysun erstellt und geeignet parametrisiert. Für die Speicher und weitere Komponenten wurde der Katalog mit passenden Einträgen für die neuen Systeme erweitert. Die Auswahl, Definition und Kontrolle der Systeme würde durch das Büro Marti Energietechnik durchgeführt, die Implementierung in Polysun durch Vela Solaris. 2/9

5 3.1. IMPLEMENTIERUNG WARMWASSERSYSTEME Für die solare Warmwasseraufbereitung wurden 13 Systeme evaluiert und in Polysun umgesetzt. Die Auswahl deckt kleine Anlagen für Einfamilienhäuser bis zu grossen Anlagen für Mehrfamilienhäuser ab, in einem Fall mit Schwimmbad. Folgend sind die verschiedenen Systeme aufgelistet. Warmwasser EFH (Solarthermie, High-Flow) Die Anlage ist ausgelegt für 4 Personen mit einem moderaten Warmwasserverbrauch von 180l pro Tag. Der Elektroeinsatz ist nicht aktiviert. Warmwasser EFH (Solarthermie, Low-Flow) Die Anlage ist ausgelegt für 4 Personen mit einem moderaten Warmwasserverbrauch von 180l pro Tag. Der Elektroeinsatz ist nicht aktiviert. Low-Flow-System für maximale Einsparung von konventioneller Energie. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für ein kleineres Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. Warmwasserverteilung mit Zirkulationsleitung. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, 2 Kollektorfelder, High-Flow) Warmwasseranlage für ein kleineres Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. 2 Kollektorfelder mit unterschiedlicher Ausrichtung. Warmwasser MFH 50 Personen (Solarthermie, Energiespeicher mit Frischwassermodul, externer Wärmetauscher, Low-Flow) Warmwasseranlage für ein grösseres Mehrfamilienhaus mit 50 Personen. Energiespeicher mit externem Wärmetauscher, Low-Flow-Beladung, Wassererwärmung über Frischwassermodul. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, 2 Speicher, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. Warmwasserverteilung mit Zirkulationsleitung. Speicherumschichtung via Zirkulationsleitung. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, 2 Kollektorfelder, 2 Speicher, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. 2 Kollektorfelder mit unterschiedlicher Ausrichtung, 2 Speicher mit Speicherumschichtung via Zirkulationsleitung. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, 2 Speicher, Umschichtung, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. Warmwasserverteilung mit Zirkulationsleitung. Speicherumschichtung via Zirkulationsleitung. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, 2 Kollektorfelder, 2 Speicher, Umschichtung, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 20 Personen und 2 unterschiedlich orientierten Kollektorfeldern. Warmwasserverteilung mit Zirkulationsleitung. Speicherumschichtung via Zirkulationsleitung. 3/9

6 Warmwasser MFH 50 Personen (Solarthermie, 2 Speicher, externer Wärmetauscher, Warmwasserzirkulation, Matched-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 50 Personen. Externer Wärmetauscher mit variablem Volumenstrom. Warmwasserzirkulation. Warmwasser MFH 20 Personen (Solarthermie, Kombispeicher und Frischwasserspeicher, Warmwasserzirkulation, High-Flow) Warmwasseranlage für Mehrfamilienhaus mit 20 Personen. Warmwasserverteilung mit Zirkulationsleitung. Speicherumschichtung via Zirkulationsleitung. Warmwasser MFH 50 Personen (Solarthermie, Energiespeicher und 2 Frischwasserspeicher, externe Wärmetauscher, High-Flow) Warmwasseranlage für ein grösseres Mehrfamilienhaus mit 50 Personen. Energiespeicher mit externem Wärmetauscher, High-Flow-Beladung, Wassererwärmung über Plattenwärmetauscher auf 2 in Serie geschaltete Frischwasserspeicher. Warmwasser EFH (Solarthermie, Schwimmbad, High-Flow) Die Anlage ist ausgelegt für die Warmwasserversorgung eines Familienhaushaltes mit zusätzlicher Schwimmbaderwärmung. Der Heizkessel ist im Sommer ausgeschaltet. Die Wassererwärmung hat Vorrang gegenüber der Schwimmbaderwärmung. Figur 1: Beispiel der Integration eines einfachen Warmwassersystems für ein Einfamilienhaus in Polysun 4/9

7 Figur 2: Beispiel der Integration eines grösseren Warmwassersystems für ein Mehrfamilienhaus in Polysun 3.2. IMPLEMENTIERUNG HEIZUNGSUNTERSTÜTZENDE SYSTEME Für die solare Heizungsunterstützung wurden 7 Systeme evaluiert und in Polysun umgesetzt. Davon ist ein System mit Schwimmbad. Folgend sind die verschiedenen Systeme aufgelistet. Raumheizung EFH (Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Wassererwärmer, High-Flow) beträgt ca. 7 kw. Der Heizkessel ist im Sommer ausgeschaltet. Raumheizung EFH (Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Durchlauferhitzer, High-Flow) beträgt ca. 7 kw. Der Heizkessel ist im Sommer ausgeschaltet. Raumheizung EFH (Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Wassererwärmer, Low-Flow) beträgt ca. 7 kw. Der Heizkessel ist im Sommer ausgeschaltet. Raumheizung EFH (Solarthermie, Kombispeicher mit Satellit, integrierter Wassererwärmer, High-Flow) beträgt ca. 7 kw. Der Heizkessel ist im Sommer nicht in Betrieb. Raumheizung EFH (Heizkessel, Solarthermie, Energiespeicher mit separatem Wassererwärmer) Die Anlage bietet sich für Heizkessel mit Temperaturen > 60 C an und ist ausgelegt für 4 Personen mit einem Warmwasserverbrauch von 180l pro Tag. Die Heizleistung beträgt ca. 7 kw. Das System ist getrennt in Energiespeicher und Wassererwärmer. Raumheizung EFH (Heizkessel, Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Wassererwärmer, Schwimmbad) beträgt ca. 7 kw. Das Schwimmbad wird mit der Solaranlage erwärmt. 5/9

8 Raumheizung EFH (Luft-Wasser-Wärmepumpe, Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Wassererwärmer, Low-Flow) beträgt ca. 7 kw. Speicherladung Warmwasser und Heizung getrennt, Low-Flow-System. Raumheizung EFH (Wärmepumpe mit Erdwärmesonde, Solarthermie, Kombispeicher, integrierter Wassererwärmer, Low-Flow) beträgt ca. 7 kw. Speicherladung Warmwasser und Heizung getrennt, Low-Flow-System. Figur 3: Beispiel der Integration eines heizungsunterstützenden Systems mit 2 Speichern in Polysun 6/9

9 Figur 4: Beispiel der Integration eines heizungsunterstützenden Systems mit Erdwärme und Kombispeicher in Polysun 4. Validierung der Ergebnisse Für ausgewählte Systeme wurden die Simulationsresultate validiert. Dazu konnten Messdaten von existierenden Anlagen mit Polysun verglichen werden. In dem Vergleich wurden die Wärmemengen des Solarkreislaufs und wenn möglich die der Wärmeerzeuger und Verbraucher mit einbezogen. Die Messdaten wurden von der Stadt Zürich zur Verfügung gestellt [1], die Validierung wurde vom Büro Marti Energietechnik durchgeführt. Im Rahmen der detaillierten Simulation der Anlagen zeigte sich, dass weniger Anlagen als erhofft für die Validierung geeignet waren. Gründe dafür waren: keine Warmwasser-Verbrauchsangaben vorhanden, unbekannter Wärmedarf für die Heizung und unklare Funktionsweise des Systems. Von den13 untersuchten Systemen waren 6 für eine Validierung geeignet. Die Messgenauigkeit der untersuchten Anlagen dürfte im Rahmen von ca. ± 15% liegen. Verschiedene Faktoren führen zu dieser relativen Ungenauigkeit. Die Genauigkeit von Temperaturfühlern war aufgrund der Montageart (teilweise Anlegefühler, teilweise als Tauchfühler zu wenig tief eintauchend) oder aufgrund des Messortes (Kollektor statt Vorlaufleitung vor dem Speicher) bei gewissen Anlagen unbefriedigend. Zudem sind teilweise übliche, nicht geeichte PT1000-Fühler eingesetzt. Grundsätzlich sind die Geber zur Erfassung der Volumenströme aufgrund der im unteren Temperaturbereich stark ansteigenden kinematischen Viskosität bei üblichen Glykolkonzentrationen > 30% schlecht geeignet. Glykol-Wasser-Mischungen sind zudem bezüglich der spezifischen Wärmekapazität temperaturabhängig (ca. ± 2.5%). Für die theoretische Ertragsberechnung der ausgemessenen Anlagen stand eine Vorabversion der aktuellen Software Polysun 5.5 zur Verfügung. Die Anlagen wurden auf Basis vorhandener Standardschemata möglichst real nachgebildet und parametrisiert. 7/9

10 Anlagenertrag pro Jahr kwh/m Anlage Messewert Simulation Figur 5: Vergleich von Messung und Simulation des Ertrags für verschiedene Anlagen. Anlagen 1 bis 3 sind vom Typ Wassererwärmung mit solarer Beladung des Bereitschaftsspeichers via Zirkulationsumschaltung Anlage 4 ist vom Typ Wassererwärmung mit solarer Beladung des Bereitschaftsspeichers via Umschichtpumpe Anlage 5 ist vom Typ Energiespeicher solar erwärmt mit Ladung Wassererwärmer ab Energiespeicher, keine Heizungsunterstützung Anlage 6 und 7 sind vom Typ Energiespeicher solar erwärmt mit Ladung Wassererwärmer ab Energiespeicher, mit Heizungsunterstützung 5. Diskussion der Ergebnisse Insgesamt deckten sich die real gemessenen Solarerträge gut mit den simulierten Werten. Bei den für die Validierung ausgewählten Systemen fehlen jedoch teilweise Inputdaten wie zum Beispiel Messungen der Kaltwassertemperatur oder das detaillierte Verbraucherverhalten (Zapfprofile). Für den Vergleich zwischen Messung und Simulation wurden keine Anpassungen an diesen sensitiven Parametern gemacht, sondern für alle unbekannten Grössen Defaultwerte verwendet. Mit entsprechenden Anpassungen hätte in den meisten Fällen eine hundertprozentige Übereinstimmung erreicht werden können. Die in Figur 5 dargestellten Abweichungen zwischen Simulation und Messung sind deshalb sehr praxisnahe. Auch in der täglichen Arbeit des Planers gibt es oft unbekannte Inputgrössen. 6. Schlussfolgerungen und weiterführende Arbeiten Die in diesem Projekt ausgewählten Hydrauliken konnten alle mit Polysun abgebildet werden. Mit dem gewählten Vorgehen konnte insbesondere auch gezeigt werden, dass die in Polysun mitgelieferten Defaultwerte für den Einsatz im Alltag geeignet sind. Eine weiterführende Untersuchung könnte die Präzision der Polysun Rechnungen noch weiter eingrenzen. Zur Bewertung der wissenschaftlich-technische Voraussagekraft der numerischen Simulation müssten ein Objekt mit noch detaillierterer Messhistorie ausgewählt werden. Alternativ dazu könnte die Polysun Simulation mit dem in der Wissenschaft etablierten Simulationstool TRNSYS verglichen werden. 8/9

11 Referenzen [1] Marti Jürg (2010): Realerträge von Sonnenkollektoranlagen in der Stadt Zürich Im Auftrag der Stadt Zürich [2] Andreas Witzig (2010): Planung von Plus-Energie Häusern, Otti Solaraktivhaus, Luzern [3] Andreas Witzig (2010): Kombination Solar + Wärmepumpen, Renexpo Augsburg 9/9