Solarunterstützte. tzte Wärmeversorgung für f Niedrigenergie-Wohngeb

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1 VDI Tage der Gebäudetechnik 1. Fachtagung Leonberg Solarunterstützte tzte Wärmeversorgung für f Niedrigenergie-Wohngeb Wohngebäude Integration in Klein- und L. Kühl, K M. Schlosser, M. Bodmann,, M.N. Fisch Institut für f r Gebäude ude- und Solartechnik, TU Braunschweig, Mühlenpfordtstr.. 23, Braunschweig

2 Solare Wärmeversorgung für NE-Wohngebäude Inhalt - Markt, Wärmebedarf und solarer Deckungsanteil - Marktentwicklung - Wärmebedarf von Wohngebäuden - Potentiale solarer Wärmeversorgung Solarunterstützte Wärmeversorgung in - Entwicklungslinien - Kombianlage als solare Wärmezentrale Große Solaranlagen mit Kurzzeit-Wärmespeicher CO 2 - neutrale Wärmeversorgung - Anlagenaufbau, Dimensionierung - Systemlösungen mit konventioneller Nachheizung -CO 2 -neutrale Wärmeversorgung Große Solaranlagen mit Langzeit-Wärmespeicher - Anlagenaufbau, Dimensionierung - Solare Nahwärme in der Praxis

3 Marktsituation Deutschland, Europa, Welt Solaranlagen und installierte Kollektorfläche Kollektorfläche [x 1000 m²]; Anlagen [x 1000] Schwimmbadanlagen (unverglaste Kollektoren) WW- und Kombianlagen (FK und VRK) Solaranlagen gesamt Stand: Fläche [x 1000 m²] Anlagen [x 1000] Fläche [x 1000 m²] Anlagen [x 1000] Fläche [x 1000 m²] Anlagen [x 1000] Deutschland Europa Weltweit Europa: EU 15 - Luxemburg, Schweiz, Norwegen, Zypern, Tschechien, Ungarn, Slovenien und Polen Quelle: IEA, Solar Heating and Cooling Programme, "Solar Heating Worldwide", May - Deutschland im Vergleich zu Europa: ca. 35 % Anteil installierte Kollektorfläche ca. 25 % Anteil Solarsysteme - Deutschland an 5. Stelle der installierten Kollektorleistung weltweit

4 Marktsituation Deutschland Entwicklung der installierten Kollektorfläche jährlich installierte Kollektorfläche [1000 m 2 ] Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektoren Trend - Über 6 Mio. m² Kollektorfläche, 2004 über m² installierte Kollektorfläche - Trend 20 % Wachstum - Beitrag Solarthermie zur Endenergiebedarfsdeckung unter 1% - Aufteilung Anlagen zur WW-Bereitung / Kombianlagen ca. 80/20

5 Potential der Solarenergie in Deutschland Erreichbare solare Deckungsanteile Endenergiebedarf [kwh/(m²a)] Erzeugungsverluste [kwh/(m²a)] Warmwasser [kwh/(m²a)] Raumheizung [kwh/(m²a)] solarer Deckungsanteil 10 m² [%] solarer Deckungsanteil 8 m² [%] solarer Deckungsanteil 6 m² [%] bei Gebäuden bis WSVO 84 solare Deckungsanteile bis etwa 10% - bei Niedrigenergiegebäuden solare Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung (Kombianlage) mit Deckungsanteilen über 20% möglich - Im Passivhaus hohe Deckungsanteile erreichbar Bestand WSVO 77 WSVO 84 WSVO 95 Niedrigenergiehaus Dämmstandard Niedrigstenergiehaus Passivhaus solarer Deckungsanteil [%]

6 Solare - Anlagenkonzepte Dimensionierung und Kosten Dimensionierung: - WW-Verbrauch l/(d,pers) bei θ WW = 45 C - Kollektorfläche: WW: 0,8-1,2 / 1,25-1,5 m² pro Person (VRK/FK) WW u. RH: 1,5-2,5 / 2,0-3,0 m² pro Person (VRK/FK) - Speichervolumen: l/m² Kollektorfläche - Massenstrom Koll.-Feld: kg/h pro m² Kollektorfläche - Solarer Deckungsanteil: ca % WW / ca % WW u. RH - sol. Energieertrag: (FK) / (VRK) kwh/(m² a) WW Kosten: (FK) / (VRK) kwh/(m² a) WW u. RH - Halbierung der solaren Wärmepreise in den letzten 20 Jahren - WW-Anlage 350 l Speicher, 4,5 m² FK: ca Kombianlage (WW u. RH) l Speicher, m² FK: ca solare Wärmepreise WW: ca Ct./kWh; WW u. RH ca. 25 Ct./kWh

7 Anlagenkonzepte Kombianlage mit Heizkessel-Pufferbereich Sonnenkollektor 1 thermostatischer Mischer Dreiwegeumschaltventil Warmwasser Regler T Heizkessel Bereitschaftsvolumen Pufferbereich Raumheiung V M Heizungsvorlauf Kaltwasser 2 Rücklaufbeimischung Heizungsrücklauf Raumheizung Solarkreispumpe Kombispeicher - Bereitschafts- bzw. Puffervolumen zur Warmwasserbereitung im oberen Bereich, in der Mitte zusätzlich ein Pufferbereich für die Raumheizung - Zufuhr der Wärme aus der Nachheizung in den Speicher - Verlängerung der Brennerlaufzeiten

8 Anlagenkonzepte Kombianlage mit integrierter Nachheizung Sonnenkollektor 1 thermostatischer Mischer Regler Kaltwasser T Öl- oder Gasbrenner Bereitschaftsvolumen Pufferbereich Raumheiung Heizungsvorlauf M Heizungsrücklauf Warmwasser Rücklaufbeimischung Raumheizung Solarkreispumpe Kombispeicher - Heizkessel direkt in Speicherkörper integriert - Verringerter Montageaufwand und Reduktion der Wärmeverluste - Direkte regelungstechnische Integration der Komponenten

9 Anlagenkonzepte speicherintegrierter Gas-Brennwert-Heizkessel SolvisMax -Gas-Brennwert-Heizkessel direkt in Speicherkörper integriert - Verringerter Montageaufwand und Reduktion der Wärmeverluste - Direkte regelungstechnische Integration der Komponenten Solvis Solarsysteme GmbH, Braunschweig

10 Praxistest Kombianlage im NE-Gebäude Ergebnisse aus Praxistest SolvisMax Jahres-Temperaturverläufe Abgas und Speicher t_abgas,mittel,hzg [ C] t_sp4,mittel [ C] t_abgas,mittel,wwv [ C] t_sp4,mittel,wwv [ C] NE-Gebäude (4-WE) Region BS Temperatur [ C] t_sp4,mittel Relative Höhe Temp. Sensor t_sp4: z = 0,68 Taupunktgrenze t_sp4,mittel,wwv Jul 98 Aug 98 Sep 98 Okt 98 t_abgas,mittel,wwv t_abgas,mittel,hzg Nov 98 Dez 98 Jan 99 Feb 99 Mrz 99 Apr Mai Monat Jun 99 Jul 99 WWV... Warmwasser-Vorrang-Betrieb - hohe Nutzungsgrade über ganzjährigen Kondensationsbetrieb (Brennwertnutzung) - praktisch solare Volldeckung in den Sommermonaten - lange Brennerlaufzeiten (im Mittel 24 Minuten) und reduzierte Anzahl an Startvorgängen (im Mittel 4.600/a) Aug 99 Sep 99 Okt 99 Nov 99 Dez 99 Jan 00 Feb 00 Mrz 00

11 Kombianlage speicherintegrierte Wärmepumpe Fortschreibung speicherintegrierte Nachheizung Rippenrohr-WÜT als Kondensator im oberen Speicherbereich 60 kwh/(m² a), 12 m², 750 l -Simulationsergebnisse zeigen positive Entwicklung der Leistungszahl bei Vergrößerung der Kollektorfläche (Wegfall Teillastbetrieb) Variante 60 kwh/(m² a), 6 m², 450 l 30 kwh/(m² a), 12 m², 750 l 30 kwh/(m² a), 6 m², 450 l Jahres-Arbeitszahl [1]

12 Warum große Solaranlagen? Kosten/Nutzenverhältnis 4.0 3,5 Euro /(kwh/a) Kosten-/Nutzenverhältnis [Euro/(kWh/a)] VRK 2.7 Euro /(kwh/a) Flachkollektoren 2 Euro /(kwh/a) 1,8 Euro /(kwh/a) 0,8 Euro /(kwh/a) 2,5 Euro /(kwh/a) 1,7 Euro /(kwh/a) 0.0 (< 10 m²) (>100 m²) Solaranlagen mit Langzeit-Wärmespeicher f<15% f<20% f<40-60% - Investitionskosten großer Solaranlagen geringer - gilt insbesondere für reine Anlagen zur Trinkwarmwasserbereitung - Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher erfordern gewisse Größe

13 mit Kurzzeit-Wärmespeicher Anlagenschema Kollektorfeld Heizzentrale Puffer- Speicher Gas - Gas Hausübergabestation Kaltwasser Bre nn- wert- Kessel Wärmeverteilnetz Kollektorsammelnetz - Zentrale Anordnung der Kollektorfelder - Gemeinsamer Pufferspeicher - Versorgung der Gebäude von einer Heizzentrale

14 mit Kurzzeit-Wärmespeicher Überschlägige Dimensionierung Kollektorfläche: Speichervolumen: Massenstrom im Koll.-Feld: Daraus folgen: Solarer Deckungsanteil: 0,7 bis 1,0 m² pro Person (ca. 0,02 bis 0,03 m² Koll. pro m² Wohnfläche) Für solare Vorwärmanlagen (solarer Deckungsanteil % am Energiebedarf zur WW-Bereitung) sind Kollektorflächen von 0,4 bis 0,5 m² Koll. pro Person ausreichend l/m² Kollektorfl. (FK) l/m² Kollektorfl. (VRK) kg/h pro m² Kollektorfläche ca % (Gesamtwärmebedarf) ca % (Energiebedarf WW-Bereitung) NEH: bis ca. 20 % (Gesamtwärmebedarf) Jährl. sol. Energieertrag: bis kwh/(m² a)

15 Solare Großanlage Berlin-Buchholz-West Luftaufnahme Berlin-Buchholz-West - 44 Wohneinheiten u. 5 Läden m² Wohnfläche, 520 m² Gewerbe m² Kollektorfläche - 30 m³ Speichervolumen

16 Solare Großanlage Berlin-Buchholz-West Anlagenschema Glasabdeckung Absorber Microglas Notdachebene Mineralwolle - Kollektoranlage als Solar-Roof (590 m²), Dichtung über Glasabdeckung und Aluminiumblech - Ganzjährige Vorlauftemperatur im Netz von 75 C Kollektoraufbau Hinterlüftung Sparrendach PU-Hartschaum Sperrholz Sparren Dachdämmung Dampfsperre

17 Solare Großanlage Berlin-Buchholz-West Pufferspeicher Eintritt oben Speicherladekreis Lochblech Einlauftrichter Austritt Vorlauf Wärmenetz Eintritt Mitte Speicherladekreis Wärmedämmung Austritt Speicherladekreis Eintritt Rücklauf Wärmenetz Pufferspeicher - Schnittdarstellung Pufferspeicher mit Anschlüssen für Speicherladekreis - Speichervolumen 30 m³ (lichte Höhe 6,5 m, Durchmesser 2,6 m) - Schichtung im Speicher über Einlauftrichter und Prallbleche

18 Solare Großanlage Berlin-Buchholz-West Monatliche Nutzerträge im Vergleich - Lieferung von 469 MWh in ersten Betriebsjahren energetische Amortisation - System-Nutzungsgrad 21% bei niedrigen RL-Temperaturen bis zu 28 % erreichbar

19 Solare Großanlage Berlin-Buchholz-West Anlagenkosten - Investitionskosten Solaranlage 294 T ohne MwSt. bzw. auf 498 /m² Koll. - knapp 50% Finanzierung der Investitionskosten über Fördermittel - solarer Wärmepreis ca. 19 Ct./kWh

20 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 - Gebäudeeigentümer GBH Hannover - Bauherr und Betreiber Wärmeversorgung MSV Hannover (Contracting-Modell) - Zwei nahezu identische Gebäude Baujahr Umfangreiche Sanierung mit Umgestaltung der Grundrisse - Brennstoffverbrauch 2003 (Gas) Gebäude Magdeburger Str. 2 : 325 MWh (ca. 220 kwh/(m² a)) nur Heizung (ohne WWB) - Insgesamt m² Wohnfläche SW-Ansicht Magdeburger Str. 2

21 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Bestand vor Sanierung Grundriss Dach Bestand Magdeburger Str. 2 Schnitt Grundriss UG Bestand Magdeburger Str kleine und mittlere Wohnungen je Zeile

22 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Energiekonzept prognostizierter Bedarf Kenndaten nach Sanierung: Heizlast: 157 kw Heizwärme: 227 MWh/a 65 kwh/(m²a) (inkl. hausinterner Verluste) Warmwasser (144 Personen) : 84 MWh/a 24 kwh/(m²a) Wärmeverluste Nahwärmenetz: 6 MWh/a Wärmebedarf gesamt: 317 MWh/a 90 kwh/(m²a) Kenndaten Wärmeversorgung: Holzpellet-Heizkessel: 150 kw Kollektorfläche: 124 m² (Flachkollektor) Pufferspeichervolumen: 9 m³ Anteil Solarenergie 15% an Gesamtwärmemenge

23 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Lageplan Anordnung der Komponenten

24 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Anordnung der Kollektoren

25 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Aufstellplan Heizzentrale

26 CO 2 -neutrale Wärmeversorgung IGS Projektbeispiel Hannover, Magdeburger Str. 2 u. 4 Anlagenschema

27 Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher Anlagen in Solarthermie TP3 Hamburg-Bramfeld Steinfurt-Borghorst Chemnitz Rostock Neckarsulm-Amorbach Friedrichshafen-Wiggenhausen Kronsberg, Hannover

28 Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher Beispiel Anlagenschema Heizzentrale Kollektoren m² Gas Kaltwas ser Brennwertkessel Kaltwasser Langzeit - Wärmespeicher m³ Nahwärmenetz Kollektorsammelnetz Quelle: ITW, Uni Stuttgart - Prinzipiell kein wesentlicher Unterschied zu Anlagen mit Kurzzeitspeicher - Sehr viel größere Kollektorfläche und Speichervolumen erforderlich

29 mit Langzeit-Wärmespeicher Überschlägige Dimensionierung Mindestanzahl Wohneinheiten: Kollektorfläche: Speichervolumen: Massenstrom im Koll.-Feld: Daraus folgen: Solarer Deckungsanteil: Jährl. sol. Energieertrag: ca WE (je 70 m²/we) bzw. ab EFH. 1,25 bis 2,5 m² pro MWh Jahres - Gesamtwärmebedarf (ca. 0,14 bis 0,2 m² Koll. pro m² Wohnfläche). Kleine Werte für sonnenreichen Standort und effizientere Kollektoren. 1,5-2,25 m³/m² Kollektorfl. (Wasseräquivalent), kleine Werte für größeres Verhältnis von Solarenergieangebot zu Heizwärmebedarf kg/h pro m² Kollektorfläche ca % (Gesamtwärmebedarf) bis 350 kwh/(m² a)

30 Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher Speichertypen - schematisch Heißwasser-Wärmespeicher Kies/Wasser-Wärmespeicher 1,5-2,5 m³/m² FK; kwh/m³ 2,5-4 m³/m² FK; kwh/m³ Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher 5-8 m³/m² FK; kwh/m³ 4-6 m³/m² FK; kwh/m³

31 Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher Baukosten von Langzeit-Wärmespeichern 500 Volumenbezogene Baukosten [EUR/m³] Ilmenau Stuttgart Rottweil Steinfurt Hannover Chemnitz Neckarsulm Hamburg Erdbeckenspeicher Aquifer Kies/ Wasserspeicher Erdsonden-Speicher Friedrichshafen 50 0 Rostock Wasseräquivalentes Speichervolumen [m³] Potsdam Studie

32 Solarcity Hannover-Kronsberg Luftaufnahme Heizzentrale Speicherhügel Quelle: B. Gockell 106 WE, m² Wfl., m² Kollektorfläche, m³ Heißwasserspeicher

33 Solarcity Hannover-Kronsberg Machbarkeitsstudie - Ausführung Machbarkeitsstudie `97 Realisiertes System Anzahl WE Wohnfläche m² ca jährl. Wärmebedarf ab Heizzentrale MWh/a *) Kollektorfläche m² Speichervolumen m³ Investitionskosten EUR 2,76 Mio. 1,5 Mio. *) Simulation EUR/WE

34 Solarcity Hannover-Kronsberg Anlagenschema Nachheizung: Fernwärme Auslegung Heizsystem: Radiatoren: 65/39 C

35 Solarcity Hannover-Kronsberg Kollektoranlage Montage Kollektoranlage Kollektorflächen Haus C m² Kollektorfläche in 13 Teilfeldern (Größe 40 bis 310 m²) - Durch Solarroofs Ausnutzung der Dachfläche bis 90%

36 Solarcity Hannover-Kronsberg Querschnitt des Speichers Schutzbetonschicht Aufgefülltes Erdreich Wärmedämmung Hochleistungsbeton 11 m Gewachsener Boden 19 m Höhenverstellbare Beladeeinrichtung

37 Solarcity Hannover-Kronsberg Hochleistungsbeton Wasserverlust [m³/a] Quelle: Reineck, Lichtenfels 70 Berechnungsgrundlagen: Oberfläche = m² Volumen = m³ wirksame Wanddicke 50 mm bzw. 10 mm (Faserbeton BPR) Wasserverlust wird durch Einsatz von HLB erheblich reduziert 10 0 Normalbeton Mowilith-HLB HLB B 85 Kosteneinsparung gegenüber herkömmlicher Edelstahl-Innenauskleidung 12,3 11,2 spez. Kosten ohne Planung und MWSt [DM/m³] Quelle: Reineck, Lichtenfels 350 Speicher mit Edelstahlauskleidung (FH, HH) 298 HLB-Speicher Kostenreduktion von ca. 15 %

38 Solarcity Hannover-Kronsberg Speicher im Bau

39 Solarcity Hannover-Kronsberg Speicher nach Fertigstellung

40 Solarcity Hannover-Kronsberg Temperaturen im Langzeit-Wärmespeicher Im Speicher oben Im Speicher Mitte Temperatur [ C] Im Speicher unten m seitlich der Speichermitte 4m unter dem Speicher

41 Solarcity Hannover-Kronsberg IGS Monatliche Wärmebilanz 2002/ Q_Fernwärme '02 Q_Fernwärme '03 Q_Vorwärmung '02 Q_Vorwärmung ' Wärmemenge [MWh] Wärmemenge [MWh] 20 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 20 0 Monat - Flächenbezogene Kosten Kollektorfeld ca. 245 /m² o. MwSt. - Investitionskosten Gesamtsystem /WE bzw. 209 /m²wfl. o. MwSt. - Solarer Deckungsanteil im Betrieb: ca. 30%

42 Innovative Konzepte CO 2 -neutrale Energieversorgung NE - Wohnsiedlung Pflanzenkläranlage Windkraft - Anlage Abwasser Solaranlage Bio-Müll, Fäkalien (Komposttoiletten) PV - Anlage Bio- Gas Anaerober Abbau Faulschlamm Pressung/ Extraktion Langzeit- Wärmespeicher Einspritz- BHKW Rapsöl Preßkuchen Netz

43 Thermische Solarenergienutzung Zusammenfassung und Thermische Solarenergienutzung stellt mit dauerhaft problemlosen Betrieb einen zentralen Baustein zukünftiger Wärmeversorgungssysteme dar Kollektor- und Speichertechnik ausgereift und als Standardbauteile einsetzbar Kombianlagen im bereich mit steigender Marktakzeptanz Solare sind erprobte Technik, Optimierungspotential an Schnittstelle zur konventionellen Gebäudetechnik CO 2 -neutrale Versorgungskonzepte als Zukunftsoption

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