INHALTSVERZEICHNIS KURZFASSUNG INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN und wichtige Abkürzungen Teil I: Experimentelle Untersuchungen 1. EINLEITUNG 1.1 Historischer Überblick 1.2 Beschreibung des Forschungsprojekts SOLARHAUS FREIBURG 1.3 Projektziele 2. LITERATURÜBERBLICK 2.1 Stand der Entwicklung im Bereich der Kollektoren 2.2 Experimentelle und theoretische Systemanalysen 3. SOLARHAUS FREIBURG (SHF): Gebäudekonzeption und haustechnische Anlagen 3.1 Lage, Lokale Umgebung und Klima 3.2 Kurzbeschreibung des Gebäudes 3.3 Die energietechnischen Anlagen im SOLARHAUS FREIBURG 3.3.1 Systematische Unterteilung der Gesamtanlage in Untersysteme 3.3.2 Allgemeine Konzeption der Solaranlagen 3.3.3 Die untersuchten Vakuumkollektoren 3.3.3.1 CORNING GLASS Kollektor 3.3.3.2 PHILIPS Mark IV Kollektor 3.3.3.3 PHILIPS VTR 261 / STIEBEL-ELTRON Sol 50 Kollektor http://d-nb.info/870569147
i - 3 3.3.4 Solaranlage zur Brauchwassererwärmung 27 3.3.4.1. Das "solare" Verteilsystem 27 3.3.4.2 Der Brauchwasser-Vorwärm-Speicher (1500 1) 28 3.3.4.3 Brauchwassersystem: 1000 1 Speicher, Nachheizung 30 3.3.5 Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung 30 3.3.5.1 Das Verteilsystem der Solaranlage 30 3.3.5.2 Die solaren Heizungsspeicher 30 3.4 Die Heizungsanlage 32 3.5 Die Lüftungsanlage 32 3.6 Die Automatisierungsanlagen 33 3.6.1 Konzeption der Automatisierungsanlagen 33 3.6.2 Konventionelle Schaltschrank-Automatisierungsanlage 34 3.6.3 Prozeßrechneranlage 34 4. BETRIEBSWEISEN UND ANLAGENFUNKTION 37 4.1 Betriebsweisen der Systeme mit austauschbaren Komponenten 37 4.1.1 Zuordnung der Kollektoren zu den Verbraucher-Systemen 37 4.1.2 Betriebsweisen der Brauchwasser-Nachheizung 38 4.2 Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung 38 4.2.1 Die Betriebszustände im Solarkreislauf (Brauchwasseranlage) 38 4.2.2 Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung mit der Ein-Speicher-Steuerung 40 4.2.2.1 Zielsetzung 40 4.2.2.2 Betriebs-Zustände bei der Ein-Speicher-Steuerung 40 4.2.2.3 Strategie der Ein-Speicher-Steuerung 40 4.2.3 Funktion der Solaranlage zur Brauchwasserbereitung mit der Zwei-Speicher-Steuerung 42 4.2.3.1 Zielsetzung 42 4.2.3.2 Betriebs-Zustände der Zwei-Speicher-Steuerung 42 4.2.3.3 Strategie der Zwei-Speicher-Steuerung 42 4.2.4 Funktion der elektrischen Brauchwasser-Nachheizung. 47 4.2.4.1 Zielsetzung 47 4.2.4.2 Betriebs-Zustände 47 i - 3
i - 4 4.2.5 Funktion der thermischen Brauchwasser-Nachheizung 4.2.5.1 Zielsetzung 4.2.5.2 Betriebs-Zustände und Regelungs-Strategien 4.3 Funktion der solarunterstützten Raumheizung 4.3.1 Funktion des Solarkreislaufs bei 'Einfacher Regelung* 4.3.2 Funktion des Solarkreislaufs bei 'Zweispeicher-Regelung' 4.3.3 Funktion des Heizkessels und des 5000 1 Pufferspeichers 4.3.4 Funktion der Heizungs-Speicher zur Wärmeversorgung des Gebäudes 5. BETRIEBS-FÜHRUNG UND BETRIEBS-ERFAHRUNGEN 5.1 Betriebsführung der Solaranlagen 5.2.1 Allgemeine Betiebserfahrungen 5.2.2 Erfahrungen mit den untersuchten Vakuumkollektoren 5.2.2.1 CORNING GLASS Kollektor 5.2.2.2 Philips Mark IV Kollektor 5.2.2.3 Philips VTR 261 / Stiebel-Eltron Sol 50 Kollektor 5.2.3 Erfahrungen mit der Solaranlage zur Brauchwassererwärmung 5.3 Erfahrungen mit der Heizungsanlage 5.4 Erfahrungen mit den Automatisierungsanlagen 5.4.1 Konventionelle Schaltschrank-Automatisierungsanlage 5.4.2 Prozeßrechner-Anlage 6. MESSTECHNIK, DATENERFASSUNG UND AUSWERTUNG 6.1 Allgemeine Anforderungen 6.2 Meßtechnik 6.3 Datenerfassung und Auswertung i - 4
i - 5 6.4 Auswertung der experimentellen Daten 61 6.4.1 Auswertemethodik 61 6.4.2 Blockschema der Energieströme 61 6.4.3 Definition der Kollektor-Bezugsfläche 66 6.4.4 Die Berechnung thermischer Energieströme 66 im Solarkreis 7. ERGEBNISSE DER EXPERIMENTELLEN UNTERSUCHUNGEN 69 7.1 Kollektorwirkungsgrad - Diagramm 69 7.1.1 Untersuchungsmethodik, Datenreduktion und Fehleranalyse 69 7.1.2 Jahres-Auswertung zum Kollektorwirkungsgrad 74 7.1.3 Monats-Auswertungen zum Kollektorwirkungsgrad 81 7.1.4 Bedeutung der Histogramme 85 7.1.5 Untersuchung der Transmissions-Absorptions- 86 Koeffizienten 7.1.6 Kollektorfeld-Wärmeverlust und Wärmedurchgangskoeffizient 88 des CORNING GLASS Kollektors 7.2 Kollektorsystem Input/Output Diagramm (Betriebs-Kennlinien) 90 7.3 Balkendiagramme zur monatlichen Bestrahlung und 102 Kollektorausbeute 7.4 Balkendiagramm zum monatlichen Brauchwasser-Wärmebedarf und 111 solaren Deckungsgrad 7.5 Energieflußdiagramm der solaren Brauchwasseranlage 119 7.6 Systemwirkungsgrad der Anlage zur solaren Brauchwasserbereitung 125 7.7 Balkendiagramm zum monatlichen Wärmebedarf der Raumheizung 127 7.8 Energieflußdiagramm der Gesamtanlage 130 i - 5
i - 6 Teil II: Theoretische Untersuchungen 8. DAS KOMPONENTEN-MODELL FÜR DIE SOLARE BRAUCHWASSER ANLAGE IM SOLARHAUS FREIBURG: 8.1 Zielsetzung und Vorgehensweise 8.1.1 Anforderungen an das Rechenverfahren 8.1.2 Auswahl des Verfahrens 8.2 Die Systemgleichungen der Komponenten und Kreisläufe 8.2.1 Die Komponenten und Kreisläufe der solaren Brauchwasser-Anlage 8.2.2 Modellgleichungen im Solar-Kreislaüf 8.2.2.1 Die Kollektor-Module 8.2.2.2 Das "solare" Verteilnetz 8.2.2.3 Die Wärmetauscher 8.2.3 Modellgleichungen im Brauchwasser-Kreislauf 8.2.3.1 Die Brauchwasser Vor- und Heiß-Speicher 8.2.3.2 Warmwasserverteilung mit Temperaturbegrenzung und Zirkulation 8.3 Lösung der Modellgleichungen 8.3.1 Dynami sehe Schrittweiten-Steuerung 8.3.2 Numerische Integration nach der Euler-Methode 8.3.3 Temperaturausgleich bei inverser Speichertemperaturschichtung 8.3.4 Die Modellierung der Steuerungsprozesse 8.4 Beschreibung der Programme zur Modell-Validation und System-Analyse 8.4.1 Schematischer Aufbau der Validations- und Analyse-Programme 8.4.2 Beschreibung der Programm-Module für das Validations-Programm 8.4.2.1 Einlesen von Anlage-Parametern für die Brauchwasser-Anlage im Solarhaus Freiburg 8.4.2.2 Anfang der Zyklus-Schleife 8.4.2.3 Einlesen von Meß-Daten 8.4.2.4 Initialisierung der Komponenten-Temperaturen durch Meßdaten 8.4.2.5 ANFANG DER TAGES-SCHLEIFE 8.4.2.6 Aktualisierung der Inhomogenitäten 8.4.2.7 Die Berechnung der Energieströme durch gemessene Daten i - 6
i - 7 8.4.2.8 Steuerungs-Algorithmus 157 8.4.2.9 Berechnungs-Block 157 8.5 Ergebnisse der Modellvalidation durch experimentelle Daten 159 8.5.1 Vergleich gemessener und berechneter Größen des 159 Solarkreislaufs 8.5.2 Vergleich gemessener und berechneter Größen der Speicher 168 8.5.3 Vergleich Rechnung/Messung für Brauchwasser-Last 174 und Zusatzenergie 8.5.4 Vergleich der berechneten und gemessenen Energiebilanz 176 9. SYSTEMANALYSE VON SOLARANLAGEN ZUR BRAUCHWASSERBEREITUNG DURCH 179 SIMULATIONSRECHNUNGEN 9.1 Zielsetzung und Vorgehensweise 179 9.2 Durchführung der Untersuchung 180 9.2.1 Das Simulations-Programm 180 9.2.2 Initialisierung der Komponenten-Temperaturen 181 und Simulations-Ablauf 9.2.3 Definition von Energieflüssen und Bewertungsparametern 182 9.2.3.1 Energieflüsse 182 9.2.3.2 Genutzte Solarenergie - Genutzte Zusatzenergie 183 9.2.3.3 Änderung des Wärmeinhalts der Speicher 185 9.2.3.4 Bewertungsgrößen 187 9.2.4 Auswahl einer Periode repräsentativer Klima- und 189 Verbr auchs-daten 9.3 Die untersuchten Kollektoren, System-Konfigurationen und Steuerungs- 196 Strategien 9.3.1 Kollektoren 196 9.3.2 Die untersuchten System-Konfigurationen 198 und Steuerungs-Strategien 9.3.2.1 Übersicht und Auswahlkriterien 198 9.3.2.2 "Ein-Speicher" - Anlagen ( Typ A1,...,A4 ) 198 9.3.2.3 "Retrofit" - Anlagen ( Typ B1,...,B6 ) 202 9.3.2.4 "Zwei-Speicher" - Anlagen mit strahlungsabhängiger 206 Steuerung des Solarkreislaufs ( Typ C1,...,C6 ) i - 7
i - 8 9.4 Ergebnisse der Simulationsrechnungen 9.4.1 Einfluß der Kollektorparameter auf die Solarausbeute 9.4.2 Ergebnisse der "Ein-Speicher" - Anlagen ( Typ A1,...,A4 ) 9.4.3 Ergebnisse der "Retrofit" - Anlagen ( Typ B1,...JB6 ) 9.4.4 Ergebnisse der "Zwei-Speicher" - Anlagen mit einstrahlungsabhängiger Steuerung ( Typ C1,...,C6 ) 9.5 Bewertung der einzelnen Anlagentypen und Schlußfolgerungen 10. ZUSAMMENFASSUNG 11. LITERATURVERZEICHNIS i - 8