Industrietag: Niedersachsens Heizungsindustrie am ISFH Emmerthal, 20.11.2013 Optimierte Integration von Heizkesseln in solarthermische Kombisystemen Jens Glembin Quelle: Ostfalia Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Typische solarthermische Kombianlagen 344 3 454 454 WW- Speicher Kessel Raumheizung Speicher Raumheizung Solarpuffer Kesselpuffer Kessel WW-Speicher Solarpuffer Kessel 344 3 454 454 344 3 454 454
Aufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel 344 3 454 454 These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad durch: Anhebung der Kesseleintrittstemperatur, weniger Kondensat Häufigeres Takten, geringere mittlere Betriebszeit des Kessels Aber: Solar ersetzt Kessel über längere Perioden im Sommer
Aufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel 344 3 454 454 These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad Werkzeug: Dynamische Systemsimulationen in TRNSYS
Vorhandene Kesselmodelle Drei detaillierte Kesselmodelle für Trnsys*, eine Vielzahl anderer Modelle # Aufwendige Parametrierung Umfangreiche Messungen für sinnvolle Parametrierung notwendig Ungenaue Berechnung der Kondensatmengen Dynamisches Verhalten stark vereinfacht Ohne Start-/Stoppautomatik Ohne Wärmeverluste beim Spülen Konstanter Brennstoff * Koschak, A.: Ergänzung des Trnsys-Type 370 um einen Simulationsmodus zur realitätsnahen Simulation des Betriebsverhaltens von Gaskesseln mit Takten, Fachhochschule Zittau, 1998 * Persson, T.: Validation of a dynamic model for wood pellet boilers and stoves, In: Applied Energy 86(5), Elsevier Science Ltd., 2008 * Haller, M.Y., et al.: A unified model for the simulation of oil, gas, and biomass space heating boilers for energy estimating purposes Part I: Model Development, In: Journal of Building Performance Simulation 4(1), Taylor and Francis Group, 2010 # Lebrun, J., et al.: Testing and modeling of fuel oil space-heating boilers Synthesis of available results, In: ASHRAE Transactions 99(2), 1993 # André, P. et al.: From model validation to production of reference simulations: how to increase reliability and applicability of building and HVAC simulation models, In: Building Services Engineering Research and Technology 29(1), CIBSE Certification Ltd., 2008
Neues Kesselmodell 344 3 454 454 Eingangsgrößen Ausgangsgrößen Parameter Kesselregelung Stationäre Werte Dynamik
Neues Kesselmodell 344 3 454 454 Eingangsgrößen Ausgangsgrößen Parameter Allgemeine Herstellerangaben Typische Werte oder Kurze und einfache Messungen am Prüfstand oder im Feld
Validierung Quelle: Ostfalia Hochschule für Angewandte Wissenschaften 1. Prüfstand: Stationäre Wirkungsgradpunkte 2. Prüfstand: dynamische Messungen, manuelle Schaltung 3. Prüfstand: dynamische Messungen, Kesselregler an 4. Messungen in Feldanlagen
Forschungsaufgabe Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung Warmwasser Raumheizung WW-Speicher Solarpuffer Kessel 344 3 454 454 These: Solaranlage reduziert die Vollbenutzungsstunden und führt so zur Reduktion im Kesselnutzungsgrad durch: Anhebung der Kesseleintrittstemperatur, weniger Kondensat Häufigeres Takten, geringere mittlere Betriebszeit des Kessels Aber: Solar ersetzt Kessel über längere Perioden im Sommer
Anwendungsbeispiel Solarthermisches Kombisystem mit solarem Pufferspeicher zur Rücklaufanhebung 200 l/tag (45 C) 3 MWh/a Warmwasser Raumheizung 40 C/35 C 9 MWh/a (60 kwh/m²a) 150 l 0, 8,15,30 m² WW-Speicher Solarpuffer Kessel 344 3 454 454 Gas-BW-Therme 2,1 bis 10 kw 60 l/m² Simulation des Gesamtsystems in TRNSYS
Temperaturen sind energetisch gemittelt
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Ergebnis: - Eintrittstemperatur wird durch Solaranlage nur leicht erhöht - Kondensation nahezu konstant, ebenso Wirkungsgrad im Betrieb - Grund: Negativer Effekt durch höhere Eintrittstemp. im gleichzeitigen Betrieb und positiver Effekt durch Wegfall WW-Betrieb im Sommer
Ergebnis: - Taktanzahl im Jahr wird mit Solar reduziert - Durchschnittliche Betriebszeit wird erhöht
Ergebnis: - Solar hat nur geringen Effekt auf den Kesselnutzungsgrad - Gleiches Ergebnis bei Variation von Kesseltyp, Systemschaltung und Nutzerprofilen (Warmwasser- und Raumheizungsbedarf, Lasttemperaturen)
Varianten mit 30 m² Kollektor Basis: V = 2,5 l Hysterese 5 K 40/35
Fazit (1) Ziel 1: Entwicklung eines neuen Kesselmodells Schwerpunkt: Einfache Parametrierung bei guter Genauigkeit Modell steht als TRNSYS-Type zur Verfügung Umfangreiche Validierung mit Projektpartnern Modell & Bericht bei ISFH kostenlos erhältlich Modell erlaubt Analyse des Kessels in unterschiedlichen Systemen Solarthermische Kombianlagen Alle Wärmeversorgungssysteme mit Heizkesseln
Fazit (2) Ziel 2: Einsatz des Kesselmodells zur Analyse Wechselwirkung Kessel/Solaranlage Analyse typischer Systeme mit/ohne Solar Taktzahl sinkt, durchschnittliche Betriebszeit steigt Kesselnutzungsgrad nur leicht reduziert durch Solaranlage Grund: Gleichzeitiger Betrieb Solar/Kessel selten Weitere mögliche Untersuchungen Optimierung der Verschaltung von Sonnenkollektoren und Heizkesseln Starthäufigkeit je nach Kessel und Verschaltung Optimierung des Kesselmassenstroms (z.b. zur Beladung eines Pufferspeichers) Analyse aus Vergleich Experiment - Simulation