Betriebserfahrungen der solar unterstützten Nahwärmeversorgung in Hannover, Steinfurt und Hamburg M. Bodmann, M. N. Fisch Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Braunschweig Mühlenpfordtstr. 22-23, 38106 Braunschweig Tel. +49-531-391-3555, Fax +49-531-391-8125 e-mail: bodmann@igs.bau.tu-bs.de; www.igs.bau.tu-bs.de Einführung Der Beitrag beschäftigt sich mit den Betriebserfahrungen der Pilotanlagen in Hannover, Steinfurt und Hamburg 1. Neben den Betriebsergebnissen soll auf die regelungstechnischen Besonderheiten sowie auf die Problematik Netzrücklauftemperatur eingegangen werden. Projektdaten Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wesentlichen Daten der genannten Pilotanlagen. Detaillierte Anlagenbeschreibungen können in [1-3] nachgelesen werden. Hannover Steinfurt Hamburg Versorgungsgebiet 106 WE, MFH 42 WE, EFH/MFH 124 RH Betriebsbeginn 2000 1999 1996 Kollektorfläche [m²] 1473 510 3000 Speichertyp Heißwasser Kies-Wasser Heißwasser Speichervolumen [m³] 2750 1500 4500 EFH: Einfamilienhaus; MFH: Mehrfamilienhaus; RH: Reihenhaus; WE: Wohneinheit Tabelle 1: Daten Pilotanlagen Hannover Betriebsergebnisse Die Wärmebilanzen für die Jahre 2001 und 2002 sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Die deutliche Zunahme der genutzten Solarwärme in 2002 ist zum einen auf eine höhere Wärmelieferung der Kollektoren und zum anderen auf die verbesserte Auskühlung des Wärmespeichers infolge niedrigerer Rücklauftemperaturen im Wärmeverteilnetz zurückzuführen. Die Speicherwärmeverluste liegen über dem in der Planung berechneten Wert von ca. 70 MWh. In den ersten Betriebsjahren muss jedoch das den Speicher umgebende Erdreich einmalig aufgeheizt werden. Die Wasserverluste des Wärmespeichers infolge Dampfdiffusion betragen ca. 8-10 m³ pro Jahr. Sie liegen damit über dem prognostizierten Wert von ca. 4,5 m³, bezogen auf das Speichervolumen jedoch in ähnlicher Größenordnung. Die in 2000 und 2002 entnommen Speicherwasserproben hielten die Vorgaben der Trinkwasserverordnung ein. Das Speicherwasser ist mikrobiologisch unbedenklich. Eine Carbonatausfällung ist festzustellen. 1 Das IGS übernahm im August 2001 die Betreuung der Pilotanlage Hamburg-Bramfeld vom ITW, Universität Stuttgart.
Wärmebilanz Hannover-Kronsberg 2001 2002 Wärmelieferung Kollektoren (Solar-WÜT) MWh 298 319 Einspeisung Solarwärme in Speicher MWh 285 297 Speicherwärmeverluste MWh 100 87 Wärmeverluste Speicherverbindungsleitung MWh 28 32 Differenz Wärmeinhalt im Speicher 1) MWh 6-18 Wärmelieferung Solarwärme aus Speicher MWh 151 196 Gesamteinspeisung Solarwärme ins Netz MWh 164 217 Wärmelieferung Fernwärme MWh 588 546 Wärmemenge gesamt ins Netz MWh 756 768 Solarer Deckungsanteil % 22 28 1) Differenz Speicherwärmeinhalt zwischen Jahresende und -anfang; positiver Wert bedeutet Mehrinhalt gegenüber Jahresanfang Tabelle 2: Wärmebilanzen der Betriebsjahre 2001 und 2002 Seit Inbetriebnahme der Solaranlage sind wiederholt Undichtigkeiten im Kollektorkreis aufgetreten. Als Ursache für die Leckagen wurden jeweils undichte Anschlussverschraubungen von Edelstahlwellschläuchen festgestellt, die Kollektorfeld und Solarverrohrung miteinander verbinden. Durch einen Austausch der Verbindungen soll die Problematik behoben werden. Das Übertragungsvermögen des Solarwärmeübertragers hat sich seit Inbetriebnahme der Solaranlage kontinuierlich verschlechtert (bis Ende 2002 um knapp 40%). Die Verschlechterung ist auf zunehmende Carbonatbeläge an den Wärmeübertragerwandungen zurückzuführen. Eine Reinigung des Wärmeübertragers wird 2003 durchgeführt. Regelung Die Temperatur im Solarkreis wird über die Anpassung der Pumpendrehzahl auf eine Zieltemperatur geregelt. Die Regelung erwies sich als unproblematisch. Ein Schwingen der Temperatur war infolge der gewählten trägen Betriebscharakteristik für die Drehzahlanpassung von Kollektor- und Sekundärkreispumpe nicht zu verzeichnen. Durch das Einschalten der Solarkreispumpe gemäß einer außentemperaturabhängigen Kennlinie (Rampe) konnte die Laufzeit der Pumpe in den Wintermonaten deutlich verkürzt werden. Die erforderliche Frostsicherung des Solarwärmeübertragers war bisher nur an einigen wenigen Wintertagen für ca. 5-10 Minuten unmittelbar nach Start der Solarkreispumpe in Betrieb. Der erstmalig realisierte Anschluss des Speichers über drei Leitungen hat sich bewährt. Die gleichzeitige Beladung des Speichers auf mittlerer Ebene sowie die Entladung über die obere Beladewechseleinrichtung funktioniert. Regelungstechnisch ist darauf zu achten, dass den Motorklappen zur Steuerung der Be- und Entladung des Speichers eine definierte Ruhestellung zugewiesen wird. Netzrücklauftemperatur In den Warmwassernetzen der Gebäude waren stark schwankende Temperaturen zu verzeichnen, der Nutzerkomfort war beeinträchtigt. Infolge einer ungünstigen Durchströmung des Warmwasserspeichers durch die Zirkulation erfolgte eine Beladung des Speichers erst, als der obere Bereich schon Temperaturen deutlich unterhalb des Regelungsschaltwertes von 55 C erreicht hatte. Um eine nahezu ständige Beladung des Speichers zu
verhindern, wurde eine separate Nachheizung der Zirkulation vorgeschlagen (s. Bild 1). Alle Speicherladesysteme wurden daraufhin im Herbst 2002 umgebaut. Die nachgerüsteten Anschluss Wärme- Verteilnetz T Wärmeübertrager wurden auf eine geringe Rücklauftemperaturdifferenz (Primär- /Sekundärseite) ausgelegt. Das Heizwasser für die Nachheizung wird sofern möglich dem Heizungsvorlauf zugemischt. Bereits im Vorfeld wurde das Zirkulationssystem abgeglichen sowie die überdimensionierten Speicher- Beladepumpen ausgetauscht. Bild1: Einbindung der Zirkulationsnachheizung Messergebnisse zeigen, dass nach dem Umbau ein gleichmäßiges Temperaturniveau im Warmwassernetz erreicht wird. Die Netzrücklauftemperatur konnte zudem gesenkt werden. Steinfurt Heizung M Warmwasserbereitung T T T T T T M Verteiler/ Sammler T Zirkulation Betriebsergebnisse Die Wärmebilanzen der Jahre 2000 bis 2002 sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Seit Inbetriebnahme der Solaranlage ist eine kontinuierliche Zunahme des solaren Deckungsanteiles zu verzeichnen. Neben einer angepassten Parametrierung der Regelung hat dazu in 2002 sicherlich die günstige Verteilung der Solarstrahlung beigetragen, die einen hohen Anteil an direkt genutzter Wärme ermöglichte. Wärmebilanz Steinfurt-Borghorst 2000 2001 2002 Wärmelieferung Kollektoren (Solar-WÜT) MWh 163 171 184 Einspeisung Solarwärme in Speicher MWh 137 136 134 Speicherwärmeverluste (inkl. Anschlussleitung) MWh 87 77 72 Differenz Wärmeinhalt im Speicher 1) MWh -4-3 +2 Wärmelieferung Solarwärme aus Speicher MWh 54 62 60 Gesamteinspeisung Solarwärme ins Netz MWh 80 98 110 Wärmelieferung Gaskessel MWh 231 243 216 Wärmelieferung gesamt ins Netz MWh 312 340 327 Solarer Deckungsanteil % 26 28,5 33,5 1) Differenz Speicherwärmeinhalt zwischen Jahresende und -anfang; positiver Wert bedeutet Mehrinhalt gegenüber Jahresanfang Tabelle 3: Wärmebilanzen der Betriebsjahre 2000 bis 2002 Die Speicherwärmeverluste sind höher als erwartet. Dies ist im wesentlichen auf eine Flutung der Wärmedämmung nahezu über die gesamte Speicherhöhe infolge eines Ausfalls der Drainage im Juni 2000 zurückzuführen. Die nach Abpumpen in der Blähglasgranulat-Dämmung verbliebene Feuchte ist aufgrund des diffusionsoffenen Aufbaus teilweise wieder entwichen. Berechnungen der Wärmeleitfähigkeit, die auf Basis von Messdaten durchgeführt wurden, bestätigen dies. WW WW- Speicher KW
Die durchgeführten Speicherwasseranalysen zeigen, dass lediglich eine Carbonatausfällung zu verzeichnen ist. Die Carbonate schlagen sich auf den im Speicher verlegten Wärmeübertragerrohren bzw. in deren unmittelbarer Umgebung nieder. Eine Beeinträchtigung des Wärmeüberganges bei der Be- und Entladung des Speichers konnte anhand der Messdaten nicht festgestellt werden. Regelung Die Solarkreispumpen (Primär- und Sekundärkreis) werden auf drei diskreten Solldruckhöhen betrieben. Zwecks Ertragsoptimierung wurden die Schalttemperaturen für die 2. und 3. Stufe derart reduziert, dass nach Überschreiten der Netzsolltemperatur jeweils in geringen T-Schritten die nächstgrößere Druckhöhe genutzt wird. Ein möglichst geringes Temperaturniveau im Solarkreis wird somit realisiert. Netzrücklauftemperatur Die niedrigen geplanten Rücklauftemperaturen von ca. 25 C im Nahwärmenetz haben sich im bisherigen Betrieb nicht eingestellt. Eine Vermessung von Hausübergabestationen in 2000 hat gezeigt, dass sowohl die Warmwasserbereitung als auch die Heizungen für die erhöhten Rücklauftemperaturen verantwortlich sind. Im wesentlichen wurden folgende Probleme gefunden: Einsatz einer hinsichtlich der niedrigen Netzvorlauftemperatur ungeeigneten thermostatischen Mengenregelung für die Warmwasserbereitung (Direktdurchfluss); Bypass zur Temperaturhaltung funktioniert nicht zufriedenstellend Einstellung der thermostatischen Vorlauftemperaturbegrenzung für die Fußbodenheizung auf zu hohem Temperaturniveau (Einstellung jederzeit änderbar!) Nicht angepasste Parametrierung der Heizungsregelungen (Werksparameter) Mangelhafte Einregulierung einzelner Heizkreise Heizkörper-Thermostatventile der installierten Heizkörper nicht voreinstellbar Die parallel durchgeführte Befragung der Mieter ergab, dass diese mit der Funktion der Heizung zufrieden sind, nicht aber mit der Warmwasserbereitung. Hier wurde insbesondere die zu geringe Warmwassertemperatur von ca. 40 C bemängelt. Viele Mieter heizen daher über den elektrischen Durchlauferhitzer nach. Um die im Zusammenhang mit der Warmwasserbereitung stehenden Mängel zu beseitigen, wurde die Vorlauftemperatur im Nahwärmenetz im Dezember 2000 von 43 C auf 48 C angehoben. Heizungsseitig wurden alle Radiatoren bestmöglich einreguliert. Die Heizkurven wurden angepasst; die Einregulierung der Heizungsnetze erfolgte bisher nicht. Trotz Anhebung der Netzvorlauftemperatur konnte die Rücklauftemperatur zunächst im Mittel um etwa 2 K auf ca. 33 C gesenkt werden; der im Netz umgewälzte Volumenstrom wurde deutlich reduziert. Bedingt durch einzelne undichte Thermostate für die Warmwasserbereitung war in der Folgezeit ein deutlicher Anstieg der Rücklauftemperatur zu verzeichnen. Weitere Ursachen im Bereich der Heizungsnetze wie geänderte Parametereinstellungen oder defekte Regelungsfühler sind zu vermuten. Anfang 2000 wurde eine Nachtabschaltung des Netzes in die Regelung implementiert, um die Wärmeverluste im Nahwärmenetz zu reduzieren. Die Warmwasserbereitung erfolgt während der Abschaltung über die elektrischen Durchlauferhitzer. Der morgendliche Volu-
menstrom (Heizung, geöffnete Bypassventile) wird infolge der Netzauskühlung vollständig über den Speicher umgewälzt. Die angestrebte Abkühlung des unteren Speicherbereichs auf ca. 25 C wird somit annähernd erreicht. Hamburg Ende 2001 wurde eine grundlegende Überarbeitung der Anlagentechnik durchgeführt. Das Wärmenetz erhielt eine Rücklaufbeimischung zur verbesserten Regelung der Netzvorlauftemperatur. Die Steuerung der Anlage wurde komplett ausgetauscht und ein neues Regelungskonzept implementiert. Das zwischenzeitlich stillgelegte Kleinst-BHKW wurde nicht wieder in Betrieb genommen. Im gleichen Zuge wurde die Messtechnik, die durch einen Blitzeinschlag in Mitleidenschaft gezogen wurde, überarbeitet und an die veränderten Randbedingungen angepasst. Betriebsergebnisse Der solare Ertrag in 2002 belief sich auf rund 520 MWh (Solarwärmeübertrager). Zur Vorwärmung des Netzrücklaufes wurden 171 MWh genutzt. Die Gaskessel lieferten 1731 MWh zur Deckung der für die Wärmeversorgung benötigten 1902 MWh. Der geringe solare Ertrag ist auf den zugesetzten Solarwärmeübertrager zurückzuführen. Dieser wurde Ende 2002 auch aufgrund einer Leckage auf der Primärseite ausgetauscht. Eine Untersuchung des alten Solarwärmeübertragers [4] zeigte, dass infolge der Ablagerungen nur etwa das halbe Füllvolumen auf der Sekundärseite zur Verfügung stand. Neben Carbonat waren Magnetit-Ablagerungen zu verzeichnen. Diese sind auf Korrosion der im Speicherkreis eingesetzten Stahlrohre 2 zurückzuführen. Auf der Primärseite konnten keine Verschmutzungen festgestellt werden. Ferner wurde gezeigt, dass eine Reinigung möglich ist und während des Betriebes durchgeführt werden kann. Der geringe solare Beitrag zur Netzvorwärmung ist auf das hohe Temperaturniveau im Netzrücklauf, die Speicherwärmeverluste sowie auf die im ersten Halbjahr 2002 nicht zufriedenstellend funktionierende Regelung der Vorwärmung zurückzuführen. Seit Jahresbeginn wurden von den Kollektoren bisher 100 MWh (Stand 21.3.03, Vorjahr: 43 MWh) geliefert, von denen knapp 45 MWh (12 MWh) zur Vorwärmung genutzt wurden. Im Vergleich zum Vorjahr ist somit nach Austausch des Solarwärmeübertragers eine deutliche Steigerung des solaren Beitrags zu verzeichnen. Regelung Im Solarkreis wurde eine Zieltemperaturregelung implementiert. Die zugehörigen Pumpen werden in Abhängigkeit von einer außentemperaturabhängigen Kennlinie gestartet (Rampe). Bei der Regelung der Vorwärmung wird der Kesselbetrieb berücksichtigt. Können Solaranlage oder Speicher die Netzsolltemperatur gerade nicht mehr sicherstellen, wird auf eine um T reduzierte Netztemperatur geregelt, um ausreichende Brennerlaufzeiten zu erreichen. Die Volumenstromregelung der Vorwärmung erfolgt in erster Linie über das Regelventil. Erst wenn dessen Regelbereich erschöpft ist, wird die Drehzahl der Speicherentladepumpe angepasst. 2 In den Folgeprojekten wurden Edelstahlrohre eingesetzt.
Netzrücklauftemperatur Auch in Hamburg wurde eine Vermessung von Hausübergabestationen aufgrund der mit 40-55 C über den Planungen von 30 C liegenden Netzrücklauftemperatur durchgeführt. Folgende Punkte wurden festgestellt: Bypassventile zur Temperaturhaltung der Station teilweise defekt (konstanter Leckvolumenstrom, betrifft Stationen des 1. Bauabschnitts) Rücklauftemperatur bei Zapfung beträgt ungefähr 35 C infolge knapper Auslegung der Wärmeübertrager (Zapftemperatur ca. 50-55 C) Rücklauftemperatur aus Heizkörper-Heizkreisen in den vermessenen Stationen zu hoch (Fußbodenheizungen durchweg im Bereich von 30 C) Optimierungen sollen im Zuge der Regelwartungen durchgeführt werden. Zusammenfassung Im vorliegenden Beitrag wurden Betriebserfahrungen von Pilotanlagen mit unterschiedlicher Anlagenkonzeption vorgestellt. Solarseitig sind Lösungen für eine Verminderung von Ablagerungen im Solarwärmeübertrager zu suchen sowie die Speicherverluste zu verringern. Große Probleme treten jedoch in der konventionellen Anlagentechnik auf. Im Bereich der Gebäudetechnik ist daher eine konsequente Umsetzung der Niedertemperaturtechnik unter Beachtung des Nutzerkomforts zu empfehlen. Positiv ist hervorzuheben, dass die Wärmespeicher bisher keine ungewöhnlichen Wasserverluste aufwiesen. Durch einen Störfall in Steinfurt konnte die Robustheit des Dämmstoffs Blähglasgranulat gegenüber Wassereintrag gezeigt werden. Der prognostizierte Solarertrag von 34 % wurde in Steinfurt in 2002 nahezu erreicht! Die dargestellten Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass durch die intensive messtechnische Begleitung der Anlagen Optimierungspotenziale erkannt und Schwachstellen behoben werden können. Zur Gewährleistung eines optimierten Betriebes bei Folgeprojekten stellt die Fortführung der wissenschaftlichen Begleitung der bestehenden Anlagen eine wesentliche Voraussetzung dar. Literatur [1] Bodmann, M.; Fisch, M. N.; Lichtenfels, A.: Solarcity Hannover-Kronsberg. In: OTTI, Elftes Symposium Thermische Solarenergie, Tagungsband S. 425 430. Staffelstein, 2001 [2] Bodmann, M.; Pfeil, M.; Koch, H.: Solare Nahwärmeversorgung mit Kies/Wasser- Wärmespeicher in Steinfurt-Borghorst. In: OPET-Seminar 2001, Solarunterstützte Nahwärmeversorgung. Hrsg. Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik. Stuttgart, 2001 [3] Fisch, M.N.; Möws, B.; Zieger, J.: Solarstadt: Konzepte Technologien Projekte. Stuttgart: Kohlhammer, 2001. - ISBN 3-17-015418-4 [4] Hamburger Gas Consult (HGC): Bericht über Zustand und Reinigungsmöglichkeit eines Wärmetauschers aus der Solaranlage Hamburg-Karlshöhe. HGC, Hamburg, 2003 Die wissenschaftliche Begleitung und das Monitoring der beschriebenen Projekte werden vom BMWi unter dem Förderkennzeichen 0329606S gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt der Veröffentlichung liegt bei den Autoren.