Zwischen Wunsch und Wirklichkeit!

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1 Zwischen Wunsch und Wirklichkeit! Effizienz von Solaranlagen und Verteilnetzen in Mehrfamilienhäusern Ergebnisse aus dem BMU Projekt Solarkessel 1

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3 Untersucht wurden 14 Feldanlagen Erfassung der Endenergien und Wärmeströme Auswertung von-wochen und Monatswerten EAV Energieanalyse aus dem Verbrauch 3

4 Feldergebnisse zu Kollektorkreiserträgen in Mehrfamilienhäusern Kollektorkreisertrag abhängig von der Kollektordimensionierung Basis: 14 Anlagen kollektorflächenbezogener Ertrag, in kwh/(m²a) Ø 340 kwh/(m²a) Gebäudeanlagen (MFH) Gebäudeanlagen (EFH) Netzanlagen 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Kollektorfläche je versorgte Person, in m²/p 4

5 Energiebilanzen von 8 Feldanlagen- Mehrfamilienhäuser (Messwerte) Energiebilanz, aller Gebäudeanlagen (Anlagen ohne Nahwärme, Gasbrennwertkessel und Solarthermie) Energiekennwert, in kwh/(m²a) Kollektorkreis Brennstoff Erzeuger Zentrale mit Speicher Trinkw armw asserzirkulation Trinkw armw assernutzen Raumheizung Ø 6 kwh/(m²a) 0 Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Energiezufuhr Energieverbraucher Feldanlage 1 Sotzmannstraße Feldanlage 8 Rellingerstraße Feldanlage 5 Brautstraße Feldanlage 2 Allensteinstraße Feldanlage 4 Feldanlage 3 WurmbergstraßeEichendorffstraße Feldanlage 6 Gustav-Hirsch- Platz Feldanlage 10 Olbersstraße Mittel Gebäudeanlagen 5

6 Energiebilanz Mehrfamilienhäuser BMUB Projekt Endenergie minus 6-7 kwh/(m² a) Energiebilanz, gewichteter Ø 8 Feldanlagen, (Σ m², ohne Nahwärme, mit Gasbrennwertkessel) Energiekennwert, in kwh/(m²a) Energiezufuhr Energieverbraucher Kollektorkreis Brennstoff Erzeuger Zentrale mit Speicher Trinkw armw asserzirkulation Trinkw armw assernutzen Raumheizung 6

7 Problematik der Zirkulation in vereinfachter Darstellung t ww 65 C t V t R t wwz 60 C t V,sol t R,sol t KW 10 C Zirkulationsverluste können zu großen Teilen nur durch den 2. Wärmeerzeuger gedeckt werden es ist hier nicht nur die Energiemenge, sondern die Temperatur entscheidend! 7

8 Typische Verlegedichte von Leitungen Warmwassernetze, alle Leitungen 0,50 0,45 zentral mit Zirkulation Steigestrangtyp zentral mit Zirkulation Ebenentyp wohnungsweise ohne Zirkulation dezentral ohne Zirkulation 2 x 2 2 x 3 2 x 4 4 x 3 4 x 4 6 x 4 6 x 8 Leitungslänge je Wohnfläche, in [m/m²] 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 2x2_300m² 2x3_450m² 2x4_600m² 4x3_900m² 4x4_1200m² 6x4_1800m² 6x8_3600m² Gebäudetyp typisches MFH zentral: 0,3 m/m² insgesamt verlegte TWW-leitungen typisches EFH zentral ohne Zirkulation: 0,15 m/m² insgesamt verlegte TWW-leitungen typische dezentrale Versorgung: 0,05 0,1 m/m² insgesamt verlegte TWW-leitungen 8

9 mittlere Medientemperatur, in C Temperaturdifferenz Rohr - Umgebung, in K Keller eher warm eher kühl beheizter Bereich 3. Anordnung der Leitung eher warm eher kühl 5 1. Trinkwarmwassertemperatur (Speicher), in C häufig 24 h/d 18 h/d 2. Leitungsart Zirkulierende Leitung, Zirkulationsdauer Stichleitung, Nutzungsfrequenz mittlere Medientemperatur, in C bei 25% Dämmung q Zirk =140 kwh/m*a * 0,3 m/m² q Zirk = 42 kwh/m²a U-Wert des Rohres, in W/mK ,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 6. Ergebnis: längenbezogener Wärmeverlust, in kwh/(m a) , Temperaturdifferenz Rohr - Umgebung, in K Ablesebeispiel: selten 5. Dämmqualität des Rohres ,4 0% 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 25% 0,5 50% 0,4 0,3 100% 0,2 200% 0, DN, in mm 0,0 U-Wert des Rohres, in W/mK bei 100% Dämmung q Zirk =70 kwh/m*a * 0,3 m/m² q Zirk =21 kwh/m²a 1./2. zirkulierendes Trinkwarmwasser, Speichertemperatur 60 C mittlere Temperatur 57,5 C 3. Verlegung im beheizten Bereich, eher kühle Raumtemperaturen ca. 40 K Temperaturdifferenz zur Umgebung 4./5. DN 22, 25 % Dämmdicke U = 0,41 W/(m K) 6. längenbezogener Wärmeverlust 140 kwh/(m a) 9

10 Verlegedichte von Trinkwarmwasserleitungen - Zirkulationsleitungen und zukünftige elektrische Konsequenzen ungünstig: lange flache Baukörper günstig: kompakte, hohe Baukörper 0,38 m/m² 0,14 m/m² im Beispiel links ergeben sich gemessen für 2011: 19 kwh/(m²a) Zirkulationsverlust bei 12 kwh/(m²a) Warmwassernutzen selbst mit Solarthermie (hier 34 %) und einem üblichen Kessel (88 % brennwertbezogen) rückt elektrische Versorgung in den Fokus der Überlegungen 10

11 Ein typisches Beispiel im Schnelldurchgang Gebäude zwei Mehrfamilienhäuser mit gesamt 30 WE (ca m²); Baujahr 1973 Anlage 33,6 m² Flachkollektoren; 2 Pufferspeicher mit je 950 Liter Inhalt Trinkwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eine Zentrale mit Gas-Brennwertkessel: 220 kw Leistung verbunden über Vierleitersystem Heizung und Zirkulation Trinkwarmwasser ca Mehrinvestition Messwerterfassung WMZ für Kessel, Solar, TWW, Zirkulation und Raumheizung seit Okt Tausch der WMZ am

12 Feldanlage hinsichtlich Regelung und Hydraulik sehr komplexer Aufbau WMZ WMZ WMZ WMZ Gas WMZ 12

13 Kollektorfeld energieberatertag-2015 Flachkollektoren Kollektorfläche 33,6 m² 13

14 Energiebilanz Beispiel 1 QV,Kessel 46,6 MWh/a QN, Kollektorkreis 8,1 MWh/a 241 kwh/m²koll Pufferspeicher I QV, Verteil und Speicher 12,0 MWh/a 8,9 kwh/m²nutz QN, Zirkulation 35,5 MWh/a 26,3 kwh/m²nutz QF, Kessel 319,7 MWh/a Gaskessel Buderus Logano GE 315 mit Abgas-WÜT 220 kw Nutzungsgrad: 85,4 % QK, gesamt 273,2 MWh/a QN, Trinkwarmwasser 18,9 MWh/a 14,0 kwh/m²nutz QN, Raumheizung 214,9 MWh/a 159,2 kwh/m²nutz Messstellen Der spezifische Kollektorkreisertrag ist als gering anzusehen. Der Kesselnutzungsgrad ist sehr schlecht. Die Zirkulationsverluste sind viel zu hoch. Das Umgehen der Pufferspeicher ergab eine Verminderung um 6 MWh/a 14

15 Alternative Energiebilanz welcher Aufwand an Gas hätte sich ergeben, wenn die Solaranlage nicht vorhanden wäre die Anlage eine dann übliche Trinkwarmwasserbereitung gehabt hätte der Kessel einen dann üblichen Nutzungsgrad hätte ( %) 15

16 Energiebilanz- Beispiel 2 Energiebilanz QF, Kessel 111 MWh/a Gas- Brennwertkessel Brötje EuroCondens SGB 90 F 22,5-90 kw Nutzungsgrad: 88, 7 % QV,Kessel 12,5 MWh/a QK, gesamt 98,5 MWh/a QN, Kollektorkreis 7,7 MWh/a 495 kwh/m²koll Messstellen QV, Speicher+ Heizzentrale 1,9 MWh/a QN, Trinkwarmwasser 19,7 MWh/a 17,6 kwh/m²nutz QN, Raumheizung 63,3 MWh/a 56,5 kwh/m²nutz QN, Zirkulation 21,3 MWh/a 19,0 kwh/m²nutz Der spezifische Kollektorkreisertrag ist als sehr gut anzusehen. Der Kesselnutzungsgrad ist eher mittelmäßig. Die Zirkulationsverluste sind zu hoch. 16

17 Alternativbilanz & Fazit Der energetische Vergleich zeigt, dass eine Anlage ohne thermische Solaranlage aber mit einem guten Kessel wahrscheinlich einen Mehraufwand an Endenergie zur Folge gehabt hätte. Trotzdem ist die Differenz zum tatsächlichen Verbrauch aus wirtschaftlicher Sicht als zu gering anzusehen. 17

18 Vergleichsbilanzierung: was wäre gewesen, wenn Übersicht Einsparung bzw. Mehraufwand ohne Solaranlage bei Kesselnutzungsgrad 90 % Einsparung / Mehraufwand ohne Solar [kwh/m²/a] Sotzmannstraße Berlin-Spandau 02 Allensteinstraße Braunschweig 03 Eichendorffstraße Braunschweig 04 Wurmebrgstraße Braunschweig 05 Brautstraße Eberswalde 06 Gustv-Hirsch-Platz Eberswalde 07 Uckermarkstraße Eberswalde * -2,5-14,4-11,9 08 Rellinger Straße Hamburg 09 Magdeburger Straße Hannover 10 Olbersstraße Hannover 11 Siegfried-Czapski-Straße Jena 12 Gorch-Fock-Weg Norderney 13 Alter Schlachthof Speyer 14 Am Roseneck Wolfenbüttel / Atzum 2,3 3,5 3,9 In der Mehrzahl der Anlagen ergab sich eine geringfügige Endenergieeinsparung Mittlere Einsparung: ca. 1 kwh/(m²a) Anlagen Nummer 5,3 5,8 9,1 18,0 * Fernwärme 18

19 Zusammenfassung wichtiger Feldergebnisse Die Überdimensionierung der Kessel ist zu kritisieren. Die installierte maximale Kesselnennwärmeleistung liegt etwa 2-mal so hoch wie die messtechnisch festgestellte maximale Gebäudeheizlast. Die mittlere Kesselbelastung liegt bei 15 %. Es ist bei vielen Anlagen von Taktbetrieb über die meiste Zeit des Jahres auszugehen. die Dokumentation der Regelung liegt in den seltensten Fällen vor und ist zumeist sehr komplex. In etlichen Anlagen ist die Kesselregelung nicht in die Solarregelung eingebunden, was zu vermeiden ist! 19

20 Trinkwarmwasserbereitung und Zirkulation Die Nutzwärmemenge für Trinkwarmwasser liegt im Bereich kwh/(m²a) im Mittel bei 14 kwh/(m²a). Gleichzeitig treten unerwartet hohe Zirkulationsverluste auf. Bei einer Spannbreite von kwh/(m²a) ergibt sich ein mittlerer Zirkulationsverlust von 18 kwh/(m²a). Der Nutzungsgrad der Trinkwarmwasserbereitung reicht von %. Im Mittel werden 44 % Verteilungsnutzungsgrad erreicht. eine Verlegung von Vierleiternetzen und Zirkulationserdleitungen zwischen Gebäuden ist zu vermeiden. Bei Baukörpern mit lang gestreckter und niedriger Bauform (mehr als 8 WE in der Breite bei gleichzeitig weniger als 4 Geschossen Höhe) ist zu prüfen, ob elektrische Warmwasserbereitung nicht sinnvoller ist Gleichzeitig gilt diese Empfehlung für alle Gebäude mit geringer Belegungsdichte (mehr als 50 m²/person). 20

21 NAHWÄRMEVERSORGUNG REGENERATIV SPART NICHT IMMER CO 2

22 Alter Schlachthof, Speyer solare Nahwärme "Alter Schlachthof" 22

23 Installiert wurden 550 m² Kollektorfläche und 100 m³ Speicher und ca. 1,4 km Nahwärmeleitungen für 61 Neubauten Macht das Sinn? 23

24 Feldanlage Speyer Alter Schlachthof Energieflussdiagramm ( bis ) QV,Kessel 40 MWh QN, Kollektorkreis 209 MWh QV, Speicher+ Heizzentrale 14 MWh QV,Nahwärmenetz 197 MWh QF, Kessel 715 MWh Gas- Brennwertkessel Viessmann Vitocrossal 300 CT 575 kw QK, gesamt 675 MWh QN, Nahwärmenetz 870 MWh QN, Wohnhäuser 673 MWh 24

25 Typische Wärmeverluste von Wärmenetzen 1 m Nahwärmetrasse (neuwertig!) verliert ca. 200 kwh/a Wärme an das Erdreich. 40 m Trasse verlieren so viel wie ein neues Einfamilienhaus an Heizenergie benötigt. Wärmeverlust der Nahwärmeleitung nach Trassenlänge Basis: 4 Feldanlagen mit Wärmenetz Wärmeverlust, in kwh/a Q Netz = 192 kwh/(m a) L Trasse Quelle: BMU-Projekt Solarkessel Länge der Leitungstrasse, in m 25

26 Typische wohn/nutzflächenbezogene Verteilverluste staatl. gefördert wird der Netzausbau ab 500 kwh/a Wärmeübertragung eines Trassenmeters also ab ca. 71 % Nutzungsgrad (bei 29 % Verlust) Quelle: IWU Planung NEH Siedlungstyp typischer Verteilverlust bezogen auf die real beheizte Fläche, in kwh/(m²a) Einfamilienhaussiedlung niedriger Dichte 35 EFH-Siedlung hoher Dichte, Reihenhäuser 25 Zeilenbebauung mittlerer Dichte (3-5 Geschosse) 10 Zeilenbebauung hoher Dichte, Hochhäuser 6 26

27 Beispiel 1 Sinnvolle Nahwärme: großes Verbundnetz mit BHKW m² Wohnfläche 14,5 km Trasse zentraler Gasbrennwertkessel (30 %) und BHKW (70 % Deckungsanteil) Bild: Wärmelieferung an die Gebäude: 87 kwh/(m²a) Netzverlust: 9 kwh/(m²a), entspricht 9 % 27

28 Einsatzgrenzen Fernwärme Neu- und Ausbau von Wärmenetzen maximale Netzverluste erforderliche Wärmeabnahme < kwh/(m² Wfl a) > kwh/(m² Wfl a) < kwh/(m Trasse a) > kwh/(m Trasse a) Wirkungsgrad des Verteilnetzes: > 90 % Gefo(ö)rderte Abnahme laut KfW (271/281 bzw. 272/282): 500 kwh/(m Trasse a) 28

29 Einsatzgrenzen Fernwärme Neu- und Ausbau von Wärmenetzen KWK-Anteil: mind % Theoretische Anschlusslänge: 0,10 m Trasse /m² Wfl Vergleich: max. Verteilverluste von 15 kwh/(m² Wfl a) gegenüber Heizwärmebedarf eines Passivhauses von 15 kwh/(m² Wfl a) 29

30 Einsatzgrenzen Fernwärmestudie Bestehende Wärmenetze maximale Netzverluste erforderliche Wärmeabnahme < kwh/(m² Wfl a) > kwh/(m² Wfl a) typische Netzverluste resultierende Wärmeabnahme 500 kwh/(m Trasse a) kwh/(m Trasse a) Wirkungsgrad des Verteilnetzes: > 90 % 30

31 Einsatzgrenzen Fernwärmestudie Bestehende Wärmenetze KWK-Anteil: 50 % Theoretische Anschlusslänge: 0,06 m Trasse /m² Wfl Gebäude mit Gesamtwärmebedarf 225 kwh/(m² Wfl a) erst Bedarf senken!!! Vergleich: max. Verteilverluste von 30 kwh/(m² Wfl a) gegenüber Biomassebudget von 30kWh/(m² Wfl a) 31

32 Entscheidungsmatrix 32

33 Nah- und Fernwärmenetze - Ergebnisse zusammengefasst: Für die Wirtschaftlichkeit eines Wärmenetzes ist der Wärmebedarf der zu versorgenden Gebäude entscheidend. Je kleiner der Bedarf umso unwirtschaftlicher ist das Netz. Netzverluste sollten kwh/m²a nicht übersteigen Energiezentralen für ein Nah-/Fernwärmenetz sind ohne einen hohen Anteil gleichzeitig erzeugten Stroms aus Kraft-Wärme-Kopplung ökonomisch und ökologisch nicht vertretbar. Der Ausbau von Fernwärmenetzen im Gebäudebestand ist aus Sicht der Nutzer selten zu rechtfertigen (Ziel: Klimaneutraler Gebäudebestand bis 2050) Grundsätzlich unwirtschaftlich und ökologisch zweifelhaft ist der Nah-/Fernwärme -ausbau in ländlichen Regionen Bioenergiedörfer (Biomassebudget ca. 30 kwh/(m²a) 33

34 Mehr Informationen: Jagnow, Fundort Wismar,

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 35