Solarsysteme im Objektbau Ein Leitfaden zur Erreichung höchster Anlagenqualität Johann Breidler, Christian Fink AEE Institut für Nachhaltige Technologien Abteilung Solarthermische Komponenten und Systeme 8200 Gleisdorf, Feldgasse 19, Österreich Erarbeitet im Rahmen des vom Klima- und Energiefonds finanzierten Projektes Große Solarwärmeanlagen unter der Qualitätslupe - Prüfung, Analyse und Verbesserung. 1
Notwendigkeit der Qualitätssicherung Effiziente Wärmenutzung aus solarthermischen Anlagen Die Effizienz der Solaranlage kann nur hoch sein, wenn die Rahmenbedingungen des gesamten Wärmeversorgungssystems stimmen. Suboptimale Regelungskonzepte und Temperaturverhältnisse von konventionellem Wärmeerzeuger und Wärmeverteilnetz können die Effizienz der Solaranlage beeinflussen Solaranlagen könnten bei entsprechender Qualitätssicherung in einigen Fällen höhere Erträge erzielen Sicherung des Betriebs der Solaranlage Durch Qualitätssicherung kann der Betrieb der Solaranlage gesichert werden, und somit evtl. Ausfälle vermieden bzw. eingeschränkt werden 2
Bereiche der Qualitätssicherung Planung Ausführung Betriebsführung 3
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Dimensionierung Deckungsgrad Abhängig von Förderungsvorgaben Betriebswirtschaftlicher Aspekt Kollektorfläche Deckungsgrad Wohnbau (Empfehlung): Solarer Bruttokollektorfläche ca. 12 % 0,9 m² pro Person ca. 20 % 1,4 m² pro Person Gewerbliche Anwendung: stark abhängig vom Verbraucher Berechnung mittels Fachliteratur oder Simulation Solarspeichervolumen Faustformel: Mindestens 50ltr/m² Kollektorfläche Optimales Speichervolumen: Simulation 4
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Systemwahl 2-Leiter-Netz Anwendungsbereiche Wohnbau Neubau Wohnbau Sanierung (soweit möglich) Kollektorfeld Warmwasserbereitung dezentral Bebauungsdichte hoch: Wohnungsstationen Bebauungsdichte gering: dezentrale Ladespeicher Charakteristik 2-Leiter-Netz Nur ein Leitungspaar minimale Verteilverluste Niedrige Netzrücklauftemperatur Günstige Rahmenbedingungen für die Solaranlage (höherer Kollektorwirkungsgrad) Komfort für die Bewohner Hygienenorm B5019 hat keine Gültigkeit Kessel Warmwasser Kaltwasser Warmwasser Kaltwasser Warmwasser Kaltwasser 5
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Systemwahl 4-Leiter-Netz Anwendungsbereiche Wohnbau Sanierung Gewerbliche Anwendungen Warmwasserbereitung zentral Trinkwasserspeicher Frischwasserstation Tank in Tank Innenliegendes Rohrwendel Charakteristik 4-Leiter-Netz Ein Leitungspaar zur Raumwärmeversorgung Zweites Leitungspaar zur Trinkwasserversorgung bzw. Zirkulationsleitung Höhere Rücklauftemperaturen als bei 2-Leiter Netzen Gute Möglichkeiten für die Einbindung einer Solaranlage in bestehende Wärmeversorgungssysteme Ausführung und Betrieb entsprechend der Hygienenorm B5019 erforderlich 6
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Systemwahl Minimale Anzahl der Speicher Bei Neubau genügend Platz für nur einen Speicher vorsehen, bei Bestand können Platzschweißungen vorgenommen werden Verwendung von vorgefertigten Systemkomponenten Reduziert die Häufigkeit von Montagefehlern Speichermedium Bei größeren Anwendungen sollten Pufferspeicher verwendet werden Einfache Hydraulikkonzepte keine Kunstschaltungen 7
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Kollektorverschaltung Low Flow System: 10-20kg/m²h Große thermische Längen (>2mWs Druckverlust empfohlen) Geringe Anzahl paralleler Stränge (bis 80m² in Serie) Tichelmann -Verschaltung nicht zwingend notwendig Geringe Rohrdimensionen möglich Einsparung von Rohrleitungslängen Gute Durchströmung der Kollektorfelder Entlüftung Ungünstige Hydraulik Entlüftung ca.4m ca.2m Günstige Hydraulik ca.5m 8
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Kollektorwahl: Solar Keymark Austria Solar Gütesiegel Günstige Hydraulik für größere Anwendungen Komponenten in Kollektornähe Wenn möglich auf Regulierventile verzichten, durch gleichmäßige Kollektorverschaltung abgleichen Möglichst weit entfernt vom Kollektor installieren Temperaturbeständige Regulierventile verwenden (bisher kaum beachtet) Glykolbeständig UV-beständig Ausschließlich manuelle Entlüftungstöpfe verwenden (nicht jeder Hochpunkt muss mit Entlüftungen versehen werden) 9
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Komponenten Druckverhältnisse Position des Rückschlagventils: Kollektor muss sich im Stagnationsfall in beide Richtungen entleeren können Flüssigkeitsvorlage im Ausdehnungsgefäß so groß wie der Kollektorinhalt Systemdruck 2,5bar, Vordruck im Ausdehnungsgefäß 0,5bar geringer (Empfehlung) Sicherheitsventil: 6bar (Empfehlung) Dimension des Sicherheitsventils Leistungsabhängig (z.b.: nach DIN 4751) Stagnationskühler Kollektor Regelung Solarvorlauf Solarrücklauf 10
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Fühlerpositionen Generell Fühler bis ans Ende der Tauchhülse bzw. des Fühlerröhrchens schieben Gegen Herausrutschen sichern Kollektorfühler In Strömungsrichtung am letzten Kollektor am Kollektoraustritt Speicherfühler Länge der Tauchhülsen müssen durch die Speicherdämmung hindurch ragen Bereitschaftsvolumen so groß wie nötig und so klein wie möglich wählen Fühlerhöhen am Speicher bereits in der Planung festlegen Referenzfühler für die Solaranlage sollte am kältesten Punkt des Speichers positioniert sein 11
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Wärmedämmstandards Speicher Empfohlene Dämmstärke kleiner Speicher: 100 mm Empfohlene Dämmstärke für Speicher ab 2000 Liter: 200 mm Interessante Alternative: Schüttdämmungen Kostengünstig Gute Dämmwirkung Rohrdimensionen Mindest Dämmstärken Rohre im Außenbereich [mm] Mindest Dämmstärken Rohre im Innenbereich [mm] DN 15 30 20 DN 20 40 30 Installation von Thermosiphonen Rohrleitung Entsprechend ÖNORM M7580 Freibereich: Kautschukdämmung mit Glanzblechummantelung Armaturendämmung DN 25 40 30 DN 32 40 40 DN 40 50 40 DN 50 60 50 Durchgängige Rohrdämmung bei Wand- oder Deckendurchbrüchen 12
Positive Beispiele zum Wärmedämmstandard Schüttdämmung Armaturendämmung Dämmung der Speicheranschlüsse 13
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Wärmetauscher Externer Wärmetauscher Bei Low Flow- und High Flow Betrieb Überträgt die gewünschte Leistung nur, wenn turbulente Strömung vorherrscht Große thermische Länge erforderlich Empfohlener Druckverlust des Wärmetauschers: >1 mws empfohlen Grädigkeit maximal 6K Bei Trinkwassergeführten Speichern sollte auf eine Beladung über externem Wärmetauscher verzichtet werden Interner Wärmetauscher Ausschließlich bei High Flow Betrieb Einsatz bei kleineren Anlagen 14
PLANUNG/AUSFÜHRUNG Wärmeträgermedien Frostschutz des Glykolgemisches Obere Grenze: -18 C Gewährleistung der Frostsicherheit für die Solaranlage Untere Grenze: -25 C Um die wärmetechnischen Eigenschaften des Glykolgemisches nicht beträchtlich zu verschlechtern ph-wert Glykolgemisch: >7,5 Heizungswasser: >8,0 15
Hygienenorm B5019 Vermeidung einer mikrobiellen Belastung des erwärmten Trinkwassers Gültigkeitsbereich Sowohl Neubauten als auch für Altbauten Keine Gültigkeit bei dezentraler Warmwasserbereitung Zwei-Leiter-Netze Ein- und Zweifamilienhäuser Richtlinien Mind. 60 C bei Eintritt in das Warmwasserverteilsystem Minimaltemperatur bei Eintritt der Zirkulationsleitung in den Speicher: 55 C Max. 6m stehende Leitung Vorwärmstufen dürfen 55 C nicht unterschreiten ausgenommen sind 4h Lade- bzw. Aufheizzeit Thermische Desinfektion der gesamten Warmwasseranlage mit min. 70 C muss möglich sein Regelmäßige Messungen entsprechend der Risikogruppe 16
BETRIEBSFÜHRUNG Dokumente Hydraulikschema vor Ort Regelungskonzept vor Ort Anlagenlogbuch Inbetriebnahmeprotokoll Dokumentation sämtlicher Anlagenparameter und Einstellungen Basis aller weiteren Optimierungen und Änderungen Dokumentation aller weiteren Veränderungen und Eingriffe Technische Abnahme Verantwortlicher: Haustechnikplaner Im Beisein von Installateur, Regelungstechniker, Bauträger/Investor Inwieweit wurden die Installation der Vorgaben aus der Planung entsprechen Abweichungen dokumentieren Übergabe von Inbetriebnahmeprotokoll, Ausführungspläne, Produkt und Anlagenbeschreibungen, etc. 17
BETRIEBSFÜHRUNG Optimierungsphase Was sind die Inhalte der Optimierungsphase? Systemtemperaturen werden in den ersten Betriebswochen analysiert Plausibilitätsprüfung der Temperaturverläufe Solarsystem Konventioneller Wärmeerzeuger Wärmeverteilsystem Optimierungsschritte werden eingeleitet Wie werden die Temperaturverläufe generiert? Durch die über die Anlagenregelung aufgezeichneten Systemtemperaturen Durch anbringen von kostengünstigen Mini- Temperaturdatenloggern in allen hydrauulischen Kreisen Optimierungsphase sollte vom Bauträger/Investor auf jeden Fall veranlasst werden 18
Systemtemperatur [ C] 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Workshop Solarthermische Systeme im Objektbau 25. Juni 2010, Wr. Neustadt Optimierungsbeispiel: Wärmetauschergrädigkeit Vorlauf Primärkreis [ C] Rücklauf Primärkreis [ C] Vorlauf Sekundärkreis [ C] Rücklauf Sekundärkreis [ C] Durchfluss Primärkreis [l/h] Durchfluss Sekundärkreis [l/h] Vor Austausch des Wärmetauschers Nach Austausch des Wärmetauschers Zeit 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 19 Durchfluss [l/h]
BETRIEBSFÜHRUNG Während der gesamten Betriebsdauer Störungsmeldungen kleinere Anlagen: visuelle Signale an den Heizungsverantwortlichen größere Anlagen: Kopplung des Solarsystems an die vorhandene permanente Summenstörmeldung Regelmäßige Kontrolle des spezifischen Kollektorertrages Fernüberwachung Bei kleineren Anlagen: Manuelles Ablesen des Wärmemengenzählers mit Monatsspeicher Vergleich der erreichten monatlichen Erträge mit einem Sollwert 20
Kontrolle des monatlichen Solarertrags Ist-Ertrag 2010 Ist-Ertrag 2009 Mindestertrag 500 450 Kumulierter Solarertrag [kwh/m²] 400 350 300 250 200 150 100 Richtwert 350 kwh/m²a 50 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Monate 21
BETRIEBSFÜHRUNG Wartungsvertrag für die Solaranlage Plausibilitätsprüfung: Prüfung der Anlagenfunktionalität Entsprechen Status der Ventile und der Pumpen den vorherrschenden Bedingungen Visuelle Prüfung Undichtigkeiten in der Hydraulik Feuchtigkeit im Kollektor Systemdruck Beschädigung von Witterungsschutz/Rohrleitungsdämmung Prüfung der Regelungsparameter Pumpendrehzahlstufe Stellung der Wartungsschraube der Rückschlagklappe Montage der Temperaturfühler etc. Prüfung von Frostschutz, Korrosionsschutz, Druck im Ausdehnungsgefäß, etc. Sicherheitstechnische Inspektion Funktionalität des Sicherheitsventils Statik der Kollektoraufständerung Dokumentation mittels Wartungsprotokoll 22
BETRIEBSFÜHRUNG Was können Bauträger/Investoren zur Effizienzsteigerung ihrer Wärmeversorgungsanlage beitragen? Rahmenbedingungen vorgeben, die eine integrale Planung ermöglichen Qualitätsmaßnahmen bereits in der Planungsphase vorsehen/vorgeben Beispiele: Bereits im Vergabevertrag festsetzen (Beispiele): Mindestens zu erreichender spezifischer Kollektorertrag Max. Rücklauftemperatur aus dem Wärmeversorgungsnetz Zeitraum für den Nachweis der Einhaltung festlegen Verpflichtete Optimierungsphase Konsequenzen bei Nichteinhaltung etc. Führung und Überprüfung einer Datenbank mit den kumulierten monatlichen spezifischen Kollektorerträgen Betriebsverantwortliche Person bestimmen Bei Wohnbauträgern: Betriebsinterne Strukturen für Energie- und Haustechnik schaffen Pflichtenheft für Energie- und Haustechnik Wartungsvertrag abschließen 23
Zusammenfassung Anlagen, die nach gesamtheitlichen Aspekten geplant, umgesetzt und betrieben werden, zeigen ein höheres Qualitätsniveau erzielen nicht nur höhere Solarerträge, sondern auch eine höhere Effizienz in den Abschnitten konventioneller Wärmeerzeuger und Wärmeverteilnetz erreichen eine höhere Lebensdauer reduzieren den Verbrauch von konventionellen Energieträgern verbessern den betriebswirtschaftlichen Aspekt Der entwickelte Leitfaden Erreichung höchster Anlagenqualität von Solarsystemen im Objektbau ist Ende Juli 2010 online auf www.solarwaerme.at als Download verfügbar 24
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 25