Effiziente Wärmeversorgungssysteme. solarthermischem Beitrag. Gunter Rockendorf

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1 Energieagentur Region Göttingen e.v. Treffen Akteursforum Solarenergie, Göttingen, 10. Dez Effiziente Wärmeversorgungssysteme mit solarthermischem Beitrag Gunter Rockendorf

2 Institut für Solarenergieforschung Gemeinnützige GmbH, seit 1987 Gehört dem Land Niedersachsen Ca. 140 Mitarbeiter / 100 Vollzeit F&E gemeinsam mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen Kooperation mit Hochschulen: Lehre, Studenten, Doktoranden Schwerpunkt des ISFH Abteilung Photovoltaik Hocheffiziente Solarzellen und Module mit industrietauglichen Fertigungsverfahren - vom Wafer zum Modul -

3 Abteilung Solare Systeme 20 Wissenschaftler & Techniker mit den Zielen Qualität von Komponenten und Systemen, u.a. im Prüfzentrum Neue Komponenten und Systeme Konventionelle Technik einbeziehen Endenergie- u. CO 2 -minimierte dez. Strom-Wärme-Systeme Fokus: Wohnen Gewerbe Siedlungen in Mitteleuropa

4 Endenergieverwendung Deutschland Rolle der Wärme Gesamt: 2500 TWh pro Jahr, davon über 38% für Wärme & Kälte von 10 C bis 100 C Datenbasis: Mittelwerte 2008 bis 2012 Quelle: BMWi, Zahlen und Fakten Energiedaten,

5 Wärmeversorgungssysteme sind mehrvalent, dynamischer und komplexer geworden. Miteinander in dynamischen Systemen - Heizkessel und Sonnenwärme - Sonnenwärme und Erdreich-Wärmepumpe Effizienz - in Wärmespeicher-Installationen Hoher Sonnenenergie-Anteil in Gebäuden - Neues Sonnenhauskonzept - Mehrfamilienhäuser - Gesamtenergieversorgung Strom und Wärme

6 Thema 1: Heizkessel und Sonnenwärme im MFH WW-Speicher Solarpuffer Kessel Heiz- (Brennwert-) Kessel Rücklauftemperatur Wirkungsgrad Teillast & Takten Nutzungsgrad Kessel-Aus-Phasen Nutzungsgrad Hilft oder schadet die Solaranlage dem Kessel? Welcher Effekt tritt wie häufig auf?

7 Heizkessel und Sonnenwärme im MFH Methodik: Simulation & Messung Kessel FriWa- Station Raumheizung Zentraler Speicher Neues dynamisches Kesselmodell mit Brennwertnutzen Basis Normdaten Validierung auf dem Prüfstand und im Feld Simulationsstudien mit typischen Verschaltungen EFH / MFH

8 Wie gut arbeiten Solaranlage und Kessel zusammen? - Ergebnisse Kaum gemeinsamer Betrieb von Kessel und Solaranlage unabhängig v. Kollektorfläche Geringer Effekt auf Kesselnutzungsgrad - Rücklauftemperatur steigt wenig Foto: Ostfalia - Kondensatmenge sinkt wenig Taktrate sinkt und Kessel läuft länger Schnelle & modulierende Kessel positiv (Kesselpuffer dann ggf. vermeidbar) Einfache Anlagenschemen bevorzugen. Kessel und ST ergänzen sich sehr gut Entscheidend ist Kesseltauglichkeit

9 Thema 2: Sonnenwärme und Wärmepumpe Kollektor für direkten Nutzen Trink- Warmwasser Raum- Heizung Niedertemperaturkollektor Wärme- Pumpe Elektroenergie Erdwärme- Sonde Möglichkeiten u. Grenzen zur Reduktion des WP-Strombedarfs durch Sonnenwärme für Quelle und / oder Senke (Direktnutzen)

10 Sonnenwärme und Wärmepumpe mit Erdwärmesonden als Quelle Kollektor für direkten Nutzen Trink- Warmwasser Raum- Heizung Niedertemperaturkollektor Wärme- Pumpe Elektroenergie Erdwärme- Sonde

11 Variable Experimentalanlage Wärmepumpen & EWS-Feld Zusammenspiel von Wärmepumpe, Erdwärmesonden (EWS) und Sonnenkollektoren mit dem Bedarf Nachbildung von Bedarf und Sonnenwärme Modelltage Analyse der Einzelkomponenten Modelle für Jahressimulation Verschaltung und Regelung erproben und optimieren

12 Wärmepumpen.... profitieren unterschiedlich von höheren Quellentemperaturen Coefficient of Performance COP Leistungszahl (oder COP) Nominal Flow Rate: Condenser: 700 kg/h Evaporator: 1900 kg/h Solarwärme an den Verdampfer Theoretischer Possible efficiency COP Verlauf with nach =const 5 C cond,in =25 C cond,in =35 C cond,in =45 C bei Flächenheizung bis ca. 10 C bei Warmwasser bis ca. 20 C Ursache Temperaturabhängigkeit Quelle/Senke: Expansionsventil und Kennlinie Kompressor Evaporator Inlet Temperature C Verdampfereintrittstemperatur in C

13 Wärmepumpen.... profitieren unterschiedlich von höheren Quellentemperaturen Coefficient of Performance COP Leistungszahl (oder COP) Nominal Flow Rate: Condenser: 700 kg/h Evaporator: 1900 kg/h Solarwärme an den Verdampfer DIN EN Theoretischer Possible efficiency COP Verlauf with nach =const 5 C cond,in =25 C cond,in =35 C cond,in =45 C bei Fußbodenheizung bis 10 C Meist bei nicht Warmwasser berücksichtigt: bis 20 C Temperaturabhängigkeiten Quelle/Senke Geringer Volumenstrom-Effekt Wichtig: Zeitkonstante(n) Speicherbeladung einbeziehen Evaporator Inlet Temperature C Verdampfereintrittstemperatur in C

14 Erdwärmesonden.... sind dynamischer als vermutet Specific Spez. Heat Leistung Extration Rate in W/m in W/m Spezifische Leistung zu Beginn der Entzugsphase *) Peak value at the beginning of the test BHE North BHE East y = 0.28x BHE West y = 0.22x y = 0.25x Mass Flow Rate in kg/h Massenstrom in kg/h Entzugsleistung zu Beginn viel größer als Planwerte - Abhängig von Kapazität - Betrieb typisch < 1 Std. Dimensionierung - Kurzzeit: EWS-Kapazität - Dauer: und Kopplung Sonde Erdreich (r b ) *) typisch: 5 bis 15 Minuten nach Start

15 Sonnenwärme auf heißer Seite Kollektor für direkten Nutzen Trink- Warmwasser Raum- Heizung Wärme- Pumpe Elektroenergie Erdwärme- Sonde EFH, Straßburg, 140 m² RH 6500 kwh/a (Fußbodenheizung) TWW 2100 (+ 750) kwh/a

16 Sonnenwärme auf heißer Seite Systemjahresarbeitszahl SPF SHP+ Kenngröße Arbeitszahl *) (Verhältnis Wärme/Strom) Bezug Gesamtsystem **) SPF Referenz typ. 3,5 SPF TWW Solar typ. 4,5 SPF Raumheizsystem: über 6 wird erreicht EWS-Kürzung wg. Sonnenwärme nicht möglich Länge der Erdwärmesonde in m Spez. Länge EWS in m/(mwh/a) *) Jahresarbeitszahl (JAZ) bzw. Seasonal Performance Factor (SPF) **) Einige Feldstudien haben andere Bilanzgrenzen

17 Sonnenwärme auf kalter Seite Trink- Warmwasser Raum- Heizung Niedertemperaturkollektor Wärme- Pumpe Elektroenergie Erdwärme- Sonde

18 Sonnenwärme auf kalter Seite Systemjahresarbeitszahl SPF SHP+ Länge der Erdwärmesonde in m Spez. Länge EWS in m/(mwh/a) Vorteil 0,15 (typ.) bis ca. 0,5 (knapp dimensionierte EWS) Minimaltemperatur steigt: EWS 10 bis 20% kürzer Bivalenzpunkt K Wasser: sehr lange EWS! Regeneration in allen Rechnungen: Bivalenzpunkt -3 C

19 Erdwärmesondenfeld 4 Einfamilien- Effizienzhäuser Siedlung mit vielen Einzel- EWS ist ein Sondenfeld Interaktion der EWS? Vorgabe VDI 4640: 5 m Grundstücksgrenze 5 m nächste Sonde Länderleitlinien s. u.a. BY NI BW HE SN RP SH HH TH BE ST Stand Abstand Sonde 6 m 5 m 6 m 6 m 6 m 6 m 6 m 6 m 6 m 6 m 6 m Abstand Grundstück 5m 5m 3m 5m 5m 3m 6m 5m 5m 5m 5m

20 Erdwärmesondenfeld 4 Einfamilien- Effizienzhäuser System Jahresarbeitszahl SPF SHP x EFH45 + WW mit 4 x 90 m EWS (744 kwh/(m*a) x EFH45, 90 bzw. m EWS Länge 9,7 m/(mwh/a)) Vollregeneration Teilregeneration Abstände: 3, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 36 m 12 m² Kombisystem+ Reg. 6 m² TWW System+Reg. Referenzsystem Ohne Regeneration Simulationsjahr 3 36 m 3 36 m 3 36 m Typisch (VDI 4640): 50 W/m * 1800 Stunden/a = 90 kwh/m*a Ohne Regeneration: Langfrist-Drift Auch bei 36 m Abstand Oft über 20 Jahre Problem in Siedlungen Regeneration löst Problem vollständig

21 Sonnenwärme auf beide Seiten Kollektor für direkten Nutzen Trink- Warmwasser Wärme- Pumpe Raum- Heizung Einfache Vorrang- Regelung nachteilig Kollektorbereitschaft für heiße Seite erhalten Einsparung gering Vermeidung Stagnation Regeneration Elektroenergie Erdwärme- Sonde Nur im erprobten Gesamtkonzept anwenden!

22 Niedertemperatur- Solarwärme in Erdsonden- Wärmepumpensystemen Uncovered solar collector Heat to HP source Unabgedeckter Metalldachkollektor, Fa. Rheinzink Heat pump Electricity from grid Heat from HP source Borehole Heat Exchanger PVT-Kollektor (ohne Luftspalt) Informationen auf und

23 Thema 3: Effiziente Wärmespeicher Wärmeverlust eine wesentliche Speicher-Eigenschaft Normen und Regeln beziehen sich auf nicht-installierte Produkte Tendenz: Dämmung wird besser Aber: was ist mit Installation? Lückenlos bis an Speicher und andere Aspekte ( EnEV) Einrohrzirkulation?

24 Einrohrzirkulation Horizontal angeschlossenes Cu-Rohr, 22x1 mm Speichertemperatur 90 C, gedämmt nach EnEV Hier: fast 5 m weit, über 20 W Verluste Erhöht Speicherverlust um 50 bis 100% Bis 100 kwh/a Verlust pro Anschluss

25 Einrohrzirkulation vermeiden CrNi-Stahl Z-Profil 11 cm, 22x1, vor Cu-Rohr Speichertemperatur 90 C, gedämmt nach EnEV Ohne Minderungs- Maßnahme Z-Profil Z-Profil vermeidet ERZ Reichweite < 1 m, Verlust < 3 W Einfach & kostengünstig CrNi-Stahl vorteilhaft

26 Einrohrzirkulation ein unterschätztes Problem ERZ-Verluste allein an Speichern in EFH & ZFH stehen für ca. 0,15% der Endenergie in Deutschland Jedoch: ERZ nicht nur an Speichern: Kessel, Verteiler, Weichen damit volkswirtschaftliche Dimension Verluste bestimmt Maßnahmen bewertet Schulungen durchgeführt Praxishandbuch liegt vor Herunterladbar von

27 Sonnenhaus mit kleinem Speicher Neues Sonnenhauskonzept: 10 bis 20% d. üblichen Puffervolumens Einsatz von Bauteilaktivierung als Heiz- und Speicherelement Reduzierte Sommerlast Reduzierte Kosten System- Simulationen mit TRNSYS Validierung Experimentalgebäude

28 Sonnenhaus mit kleinem Speicher: Pilotvorhaben Hannover Computer-Visualisierung der HELMA Eigenheimbau AG Fertigstellung Ende 2014 Erwarteter Energiebedarf 8,5 kwh/m²a

29 Streiflicht: Mehrfamilienhäuser mit Sonnenwärme Optimierte Wärmezentralen mit Kessel- Unterstützung Verluste in 2- & 4-Leiter- Netzen sowie Konzepte zur Vermeidung konventioneller Verteilverluste Fotos:

30 Streiflicht: Heizen mit PV-direkt Vorab- Simulationsstudie EFH Haushaltsstrom ~ _ TWW 150 l Regler PV-Anlage Stromnetz Basisfall 140 m² Wfl., RT 20 C TWW-Sp. 150 l, 56 C PV: 5,2 kw; 30 ; Süd Bedarf - HH: 4500 kwh/a - RH: 8050 kwh/a Raumheizung - TWW: 2075 kwh/a Sp.-Verluste 470 kwh/a f sol 1 E E Bezug Nutz 1 E HH E E Netz TWW E RH

31 Heizen mit PV-direkt Solarer Deckungsanteil im Vergleich 25% 20% 12,0% 18,2% 20,2% 15,2% 20,5% 15,5% 20,6% 150 l-speicher 300 l-speicher 18,2% 20,2% 20,5% 20,6% Solarer Deckungsanteil 15% 10% 11,8% 15,2% 15,5% 5% 0% T max_sp-ob T max_sp-un T max_raum 56 C 56 C 70 C 70 C 56 C 70 C 70 C 70 C 20 C 20 C 20 C 24 C

32 Energiewende braucht effiziente dezentrale Energieversorgung Effizienz und Sonnenenergie gemeinsam umsetzen Komplexe Wechselwirkungen in dynamischen Systemen - Wesentlich bei sensiblen effizienten Wärmeerzeugern Wärmespeicher optimiert gestalten und einbauen Neue Entwicklungen positiv-kritisch begleiten Permanent Erkenntnisse in Planungs- und Ausführungsregeln überführen

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