ZfS-Bericht Muenchen MFH - Solar - so heizt man heute
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- Rationelle Energietechnik GmbH<br />
Förderprogramm "<strong>Solar</strong>thermie-2000", Teilprogramm 2<br />
Abschlussbericht<br />
für das Projekt<br />
<strong>Solar</strong>anlage im Mehrfamilienhaus Baumgartner-/Ganghoferstraße<br />
in München<br />
Förderkennzeichen 032 9652A<br />
Auswertezeitraum: 17.7.1997 bis 30.9.2003<br />
vorgelegt durch<br />
<strong>ZfS</strong> – Rationelle Energietechnik GmbH<br />
Verbindungsstraße 19, 40723 Hilden<br />
Reiner Croy<br />
Hans Peter Wirth<br />
Hilden<br />
November 2003<br />
Das Projekt <strong>Solar</strong>thermie-2000 wird vom Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert (ehemals durch BMWA und BMBF).<br />
Der BMU übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben <strong>so</strong>wie für die Beachtung privater Rechte Dritter.<br />
Verantwortlich für den Inhalt dieser Veröffentlichung sind die Autoren.<br />
<strong>ZfS</strong> - Rationelle Energietechnik GmbH, Verbindungsstraße 19, 40723 Hilden<br />
Tel.: 02103/2444-0, Fax: ...-40, eMail: info@zfs-energietechnik.de, Internet: www.zfs-energietechnik.de
INHALTSVERZEICHNIS<br />
1 EINLEITUNG 3<br />
2 TECHNISCHES DATENBLATT DER HAUPTKOMPONENTEN DES<br />
SOLARSYSTEMS 4<br />
3 OBJEKTBESCHREIBUNG 6<br />
3.1 Allgemeine Beschreibung des Gebäudes 6<br />
3.2 Auslegungswerte für die <strong>Solar</strong>anlage 8<br />
3.3 Ablauf der Ausschreibung 11<br />
4 BESCHREIBUNG DER TECHNISCHEN SYSTEME 11<br />
4.1 Allgemeine Funktionsbeschreibung des <strong>Solar</strong>systems 11<br />
4.2 Regelung 14<br />
5 MESSTECHNIK 15<br />
5.1 Messstellen im <strong>Solar</strong>system 15<br />
5.2 Definition der Kennzahlen des <strong>Solar</strong>systems 18<br />
6 BETRIEBSERFAHRUNGEN UND MESSERGEBNISSE 20<br />
6.1 Thermosiphonische Rückströmungen 20<br />
6.2 Vordruck im Pufferspeicher 24<br />
6.3 Fehlerhafte Umschaltung des Zirkulationsrücklaufes 24<br />
7 BETRIEBSERGEBNISSE IM 1. MESSJAHR 28<br />
7.1 Warmwasserverbrauch und Auslastung 29<br />
7.2 Energien und Nutzungsgrade 31<br />
7.3 Volumenstrom im Kollektorkreis 35<br />
8 SYSTEMKOSTEN UND GARANTIERTE NUTZENERGIELIEFERUNG 36<br />
9 VERGLEICH DER BETRIEBSERGEBNISSE AUS DEN ERSTEN DREI<br />
MESSJAHREN 39<br />
10 OPTIMIERUNGEN NACH DER DRITTEN MESSPERIODE 40<br />
11 LITERATUR 42<br />
12 ADRESSEN 43
- 3 -<br />
1 Einleitung<br />
Im Rahmen des Programms <strong>Solar</strong>thermie-2000, Teilprogramm 2 erfolgt durch Förderung einer größeren<br />
Anzahl <strong>so</strong>larthermischer Demonstrations- und Forschungsanlagen (derzeit rd. 60 Projekte bewilligt)<br />
eine umfassende Erprobung und Optimierung von Systemen zur aktiven thermischen Sonnenenergienutzung<br />
bei unterschiedlichen Anwendungsfällen. Mit diesem Teilprogramm <strong>so</strong>llen die technischen<br />
Voraussetzungen für einen künftigen wirksamen Beitrag der <strong>Solar</strong>thermie zur Energiever<strong>so</strong>rgung<br />
geschaffen und gleichzeitig durch Systemstandardisierung die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit<br />
dieser Anlagen verbessert werden. Ausreichende Erfahrungen mit den unterschiedlichsten Systemkombinationen<br />
können nur dann gesammelt werden, wenn eine repräsentative Anzahl der diversen<br />
Anlagenvarianten errichtet, über einen längeren Zeitraum betrieben und gleichzeitig intensiv beobachtet<br />
und analysiert werden kann.<br />
Anhand von Beispiellösungen <strong>so</strong>ll für größere <strong>so</strong>larthermische Anlagen an unterschiedlich genutzten<br />
Gebäuden nachgewiesen werden, dass im Bereich der thermischen <strong>Solar</strong>technik technisch gute Lösungen<br />
zur Verfügung gestellt werden können. Diese Systemlösungen <strong>so</strong>llen weiter verbessert und<br />
angepasst auf die verschiedenen Anwendungsfälle optimiert werden. Zugleich <strong>so</strong>ll erreicht werden,<br />
dass die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gesteigert wird, indem durch Reduzierung der spezifischen<br />
Systemkosten und Erhöhung der spezifischen Nutzenergieabgabe die <strong>so</strong>laren Nutzwärmekosten<br />
gesenkt werden.<br />
Dazu wird im Programm gefordert, dass die Kosten der <strong>so</strong>laren Nutzwärme einen oberen Grenzwert<br />
nicht überschreiten. In der ersten Projektphase (1.7.1993 bis 30.6.1997), in die auch die Planung und<br />
der Bau der <strong>Solar</strong>anlage in der Baumgartnerstraße in München fielen, wurde dieser Grenzwert auf<br />
0,153 €/kWh (0,30 DM/kWh) festgelegt, basierend auf einer angenommenen Lebensdauer der <strong>Solar</strong>anlage<br />
von 15 Jahren und 6 % Zinssatz. Die insgesamt positiven Langzeiterfahrungen mit alten <strong>Solar</strong>anlagen,<br />
die im Rahmen von <strong>Solar</strong>thermie-2000, Teilprogramm 1 untersucht wurden haben gezeigt,<br />
dass <strong>man</strong> bei <strong>heute</strong> installierten <strong>Solar</strong>anlagen von einer 20-jährigen Lebensdauer ausgehen kann<br />
/1; 2/, vorausgesetzt, dass Dimensionierung, Planung und Ausführung <strong>so</strong>rgfältig vorgenommen werden.<br />
Der Grenzwert für die <strong>so</strong>laren Wärmekosten im Programm sinkt dadurch nunmehr auf<br />
0,128 €/kWh (0,25 DM/kWh). Es ist jedoch erklärtes Ziel des Programms, die oberen Grenzwerte<br />
möglichst zu unterbieten, um die Konkurrenzfähigkeit der <strong>Solar</strong>technik gegenüber konventionellen<br />
Energieträgern zu verbessern.<br />
Weitere Ziele des Programms, Förder- und Auswahlkriterien, Ergebnisse aus Teilprogramm 2 <strong>so</strong>wie<br />
praktische Erfahrungen mit großen <strong>Solar</strong>anlagen sind in /2/ bis /4/ beschrieben. Kurzinformationen zur<br />
<strong>Solar</strong>anlage finden sich in /5/.
- 4 -<br />
2 Technisches Datenblatt der Hauptkomponenten des <strong>Solar</strong>systems<br />
Soweit nicht anders bezeichnet, sind die Angaben in den Datenblättern den Herstellerunterlagen entnommen<br />
oder sie beruhen auf eigenen Messungen.<br />
Kollektoren<br />
Reihe 1 Reihe 2 Feld gesamt<br />
Ausrichtung<br />
(Süd = 0°, Ost = -90°, West = +90°)<br />
+10° +10°<br />
Neigung 30° 30°<br />
Anzahl Kollektoren 26 in Reihe 26 in Reihe 52<br />
aktive Kollektorfläche 54,6 m² 54,6 m² 109,2 m²<br />
Wärmeträgerinhalt 36,4 l 36,4 l 72,8 l<br />
Höhe über Grund 21,5 m 21,5 m<br />
Höhe über <strong>Solar</strong>speicher 24 m 24 m<br />
Volumenstrom durch Kollektorfeld<br />
590 l/h 1)<br />
590 l/h 1)<br />
1.180 l/h 2)<br />
bzw. –reihe<br />
10,8 l/(hm² Reihe )<br />
10,8 l/(hm² Reihe )<br />
10,8 l/(hm² Feld )<br />
Kollektorhersteller, Typ Amcor AM 2121 G (baugleich mit Typ PS 2170)<br />
Bauartzulassung 01 - 328 - 043<br />
Ab<strong>so</strong>rbermaterial<br />
Beschichtung<br />
Wärmedämmung, Dicke<br />
Frontabdeckung, Dicke<br />
Material Kollektorkasten<br />
zul. Betriebsüberdruck<br />
mäanderförmiges Kupferrohr mit Kupferlamellen<br />
Schwarzchrom auf Nickel auf Kupfer<br />
PU-Hartschaum, 30 mm<br />
Mineralwolle, 10 mm<br />
eisenarmes strukturiertes Sicherheitsglas; 3,2 mm<br />
Aluminium - Profilrahmen<br />
6 bar ü<br />
Stillstandstemperatur 196 °C<br />
Konversionsfaktor 0 0,802 3)<br />
linearer Wärmeverlustkoeffizient 3,88 W/(m²∙K) 3)<br />
quadratischer Wärmeverlustkoeffizient 0,019 W/(m²∙K²) 3)<br />
Winkelkorrekturfaktor 90 % bei 50 o 3)<br />
1)<br />
2)<br />
3)<br />
Annahme: gleichmäßige Durchströmung beider Reihen<br />
Messwert<br />
Quelle: Universität Stuttgart; Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW); <strong>Bericht</strong>: 95COL35;<br />
die im <strong>Bericht</strong> genannten Werte wurden auf die Ab<strong>so</strong>rberfläche umgerechnet
- 5 -<br />
Rohrleitung vom Kollektorfeld zum Wärmetauscher<br />
Außenbereich<br />
Innenbereich<br />
Material Rohr Stahl Stahl<br />
Innendurchmesser 37,2 mm 37,2 mm<br />
einfache Länge Rohrleitung 38 m 35 m<br />
Material der Wärmedämmung Aeroflex Mineralwolle<br />
Dicke der Wärmedämmung 30 mm 28 mm<br />
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung 0,035 W/(m•K) 0,04 W/(m•K)<br />
Wärmeträger im <strong>Solar</strong>kreis<br />
Hersteller<br />
Markenname<br />
Tyforop<br />
Tyfocor L<br />
Volumenverhältnis Wärmeträger/Wasser 38/62<br />
Basisstoff<br />
Propylenglykol<br />
Wärmetauscher <strong>Solar</strong>kreis/Speicherladekreis<br />
Hersteller<br />
Typ<br />
Alfa Laval<br />
CB 51 - U 60 H<br />
Fläche 3 m²<br />
Material Tauscherplatten<br />
AISI 316 (Edelstahl gelötet)<br />
Pufferspeicher<br />
Hersteller<br />
Pro <strong>Solar</strong><br />
Typ PS 6000<br />
Anzahl 1<br />
Volumen je Speicher<br />
Material Behälterwand<br />
Material Wärmedämmung<br />
Dicke der Wärmedämmung<br />
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung<br />
Material Um<strong>man</strong>telung<br />
6000 l<br />
Stahl, innen unbehandelt<br />
PU-Weichschaum<br />
100 mm<br />
0,0456 W/(m•K)<br />
Kunststoff
- 6 -<br />
Wärmetauscher Speicherentladekreis/Trinkwasser<br />
Hersteller<br />
Cetetherm (Ronneby-Schweden)<br />
Typ CT 110-MP / 55<br />
Leistung<br />
Material Tauscherplatten<br />
220 kW<br />
AISI 316 (Edelstahl)<br />
Regelung <strong>Solar</strong>anlage<br />
Regelung Hersteller Typ<br />
<strong>Solar</strong>system<br />
Re<strong>so</strong>l<br />
Ladekreis<br />
Entladekreis<br />
E1/D<br />
E1<br />
Zirkulationsrücklauf Centra Bürkle Regelgerät: Centherm ZG 125 E<br />
Legionellenschaltung<br />
Centra Bürkle<br />
Oreg<br />
UF 20 T<br />
Thermostat TT 90/200<br />
3 Objektbeschreibung<br />
3.1 Allgemeine Beschreibung des Gebäudes<br />
Die <strong>Solar</strong>anlage befindet sich in einem 1996 fertig gestellten Mehrfamilienhaus (Abbildung 1) mit 79<br />
öffentlich geförderten Mietwohnungen, einem Kindergarten und einem Kinderhort. Das Mehrfamilienhaus<br />
ist in Niedrigenergiebauweise errichtet, bei der gestalterische, konstruktive und bauphysikalische<br />
Maßnahmen (Immissionsschutzwand vor der Südfassade, kompakte Baukörper, hybride <strong>Solar</strong>heizsysteme<br />
aus Luftkollektoren und Speicherwänden als Testanlage an acht Wohnungen) zum Tragen<br />
kommen /6/. Der bei der Planung zugrunde gelegte spezifische Jahres-Heizwärmebedarf liegt unter<br />
50 kWh/(a∙m²). Eigentümer und Betreiber des Hauses ist die Gemeinnützige Wohnstätten- und Siedlungsgesellschaft<br />
(GWG).<br />
Wegen der innovativen und energiesparenden Gebäudetechnik mit Vorbildfunktion für den öffentlichen<br />
Wohnungsbau kam das Objekt in die Förderung von <strong>Solar</strong>thermie-2000. Zudem wurde davon ausgegangen,<br />
dass die Integration der <strong>Solar</strong>anlage im Zuge des Neubauvorhabens kostengünstig erfolgen<br />
konnte.<br />
Das 109 m² große Kollektorfeld ist auf das Flachdach des Wohngebäudes aufgeständert<br />
(Abbildung 2). Die übrige <strong>Solar</strong>technik (Pufferspeicher, Wärmetauscher, Pumpen, Regelung) ist in<br />
einem separaten Kellerraum installiert. Die konventionelle Heizungstechnik und die Trinkwasserspeicher<br />
befinden sich in einem zweiten ca. 1,5 m tiefer liegenden Kellerraum.
- 7 -<br />
Abbildung 1: Ansicht des Wohngebäudes<br />
Abbildung 2: Kollektorfeld auf dem Flachdach
- 8 -<br />
3.2 Auslegungswerte für die <strong>Solar</strong>anlage<br />
Da es sich bei dem Gebäude um einen Neubau handelte, waren Verbrauchsmessungen als Planungsgrundlage<br />
nicht möglich, <strong>so</strong>ndern der Warmwasserverbrauch musste geschätzt werden. Die Anzahl<br />
der Bewohner <strong>so</strong>wie die Temperatur im konventionell be<strong>heizt</strong>en Trinkwasserspeicher (60 °C) wurden<br />
vom Betreiber vorgegeben. Für die Abschätzung des Auslegungsverbrauchs wurden daraufhin folgende<br />
Werte angenommen (s. Tabelle 1):<br />
Anzahl Per<strong>so</strong>nen<br />
(Vorgabe des Betreibers)<br />
täglicher Pro-Kopf-<br />
Verbrauch bei 60 °C<br />
Verbrauch pro Tag bei<br />
60 °C im Nachheizspeicher<br />
Wohnhaus 240 30 l/(Pers·d) 7,2 m³/d<br />
Kinderhort 70 5 l/(Pers·d) 0,35 m³/d<br />
Auslegungsverbrauch<br />
7,5 m³/d<br />
Tabelle 1: Ausgangswerte zur Bestimmung des Auslegungsverbrauchs<br />
Aus der Summe der angenommenen Warmwasserverbräuche im Wohnhaus und im Kinderhort ergibt<br />
sich ein Auslegungsverbrauch von 7,5 m³/d.<br />
Die Abbildungen 3 und 4 <strong>so</strong>wie Tabelle 2 zeigen die angenommenen Tages- und Jahresverbrauchsprofile<br />
zur Eingabe für das Simulationsprogramm T*SOL. Die in T*SOL angebotenen Standardprofile<br />
(Tages-, Wochen- und Jahresprofile) für ein Mehrfamilienhaus wurden für die Auslegung übernommen,<br />
da sie für das Objekt plausibel erschienen. Bei dem Tagesprofil an Werktagen wird von einer<br />
größeren Zapfspitze am Morgen und kleineren Spitzen um ca. 13:00 und zwischen 18:00 und<br />
20:00 Uhr ausgegangen. An Samstagen liegt die angenommene Hauptspitze am späten Nachmittag,<br />
an Sonntagen zwischen dem späten Vormittag bis in die Mittagszeit.<br />
Aus den Summen der Halbstundenwerte ergeben sich die Tagessummen der jeweiligen Wochentage.<br />
Das daraus abgeleitete Wochenprofil (ohne Abbildung, <strong>so</strong>ndern nur tabellarisch dargestellt) zeigt für<br />
den Monat mit 100 % Auslastung (hier März) 8.212,5 l an Werktagen, 6.712,5 l an Samstagen und<br />
6.487,5 l an Sonntagen. In Kapitel 7 wird erläutert, wie gut die angenommenen Profile mit der Realität<br />
übereinstimmen.
- 9 -<br />
Auslegungs-Zapfverbrauch bei 60 °C [l]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00<br />
Uhrzeit<br />
Auslegungs-Zapfverbrauch bei 60°C [l]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00<br />
Uhrzeit<br />
Abbildung 3: Halbstundensummen (Tagesprofil) des Auslegungsverbrauchs an Werktagen<br />
Mo. - Fr. (links) und Samstagen (rechts)<br />
Auslegungs-Zapfverbrauch bei 60°C [l]<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00<br />
Uhrzeit<br />
Auslegungs-Zapfverbrauch bei 60°C [m³]<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Jan Mär Mai Jul Sep Nov<br />
Abbildung 4: Halbstundensummen (Tagesprofil) an Sonntagen (links) und Monatssummen<br />
(Jahresprofil) (rechts) des Auslegungsverbrauchs<br />
Mit der Standardauslegung im Programm <strong>Solar</strong>thermie-2000, Teilprogramm 2 von 70 l/(d∙m²) ergab<br />
sich eine ausgeschriebene aktive Kollektorfläche von 110 m². Bei der Festlegung des <strong>Solar</strong>speichervolumens<br />
wurde berücksichtigt, dass der Warmwasserverbrauch am Tage während der Hauptstrahlungszeit<br />
(ca. 10:00 bis 16:00 Uhr) relativ gering ist und nur etwa 25 bis 30 % des Tagesverbrauches<br />
beträgt. Das <strong>Solar</strong>speichervolumen wurde mit 80 % des Warmwasser-Tagesverbrauchs gewählt<br />
(6 m³).
- 10 -<br />
<strong>Solar</strong>anlage Baumgartnerstr.-/Ganghoferstr. München<br />
Auslegungsverbrauch 7500 l = 100%<br />
Uhrzeit Montag - Freitag Samstag Sonntag Tage Tages-<br />
Liter % Liter % Liter % summen<br />
l/d %<br />
00:00 75,0 1,00 75,0 1,00 75,0 1,00 Montag 8212,5 109,5<br />
00:30 37,5 0,50 37,5 0,50 37,5 0,50 Dienstag 8212,5 109,5<br />
01:00 37,5 0,50 37,5 0,50 37,5 0,50 Mittwoch 8212,5 109,5<br />
01:30 37,5 0,50 37,5 0,50 37,5 0,50 Donnerstag 8212,5 109,5<br />
02:00 37,5 0,50 37,5 0,50 37,5 0,50 Freitag 8212,5 109,5<br />
02:30 37,5 0,50 37,5 0,50 37,5 0,50 Samstag 6712,5 89,5<br />
03:00 75,0 1,00 37,5 0,50 37,5 0,50 Sonntag 6487,5 86,5<br />
03:30 75,0 1,00 37,5 0,50 37,5 0,50<br />
04:00 75,0 1,00 37,5 0,50 37,5 0,50<br />
04:30 75,0 1,00 37,5 0,50 37,5 0,50<br />
05:00 150,0 2,00 37,5 0,50 37,5 0,50<br />
05:30 150,0 2,00 37,5 0,50 37,5 0,50 Monate Monats-<br />
06:00 225,0 3,00 75,0 1,00 37,5 0,50 summen<br />
06:30 225,0 3,00 75,0 1,00 37,5 0,50 m³ %<br />
07:00 375,0 5,00 150,0 2,00 75,0 1,00 Januar 260,4 110<br />
07:30 375,0 5,00 150,0 2,00 75,0 1,00 Februar 238,8 110<br />
08:00 375,0 5,00 225,0 3,00 75,0 1,00 März 241,7 100<br />
08:30 375,0 5,00 225,0 3,00 150,0 2,00 April 230,0 100<br />
09:00 300,0 4,00 225,0 3,00 225,0 3,00 Mai 211,3 90<br />
09:30 300,0 4,00 225,0 3,00 225,0 3,00 Juni 210,1 90<br />
10:00 225,0 3,00 225,0 3,00 225,0 3,00 Juli 192,2 80<br />
10:30 150,0 2,00 150,0 2,00 225,0 3,00 August 216,0 90<br />
11:00 150,0 2,00 150,0 2,00 300,0 4,00 September 210,1 90<br />
11:30 150,0 2,00 75,0 1,00 300,0 4,00 Oktober 238,5 100<br />
12:00 225,0 3,00 150,0 2,00 300,0 4,00 November 231,8 100<br />
12:30 225,0 3,00 225,0 3,00 300,0 4,00 Dezember 262,3 110<br />
13:00 300,0 4,00 225,0 3,00 300,0 4,00 Summe 2743,2<br />
13:30 300,0 4,00 225,0 3,00 225,0 3,00 Mittelwert 97,5<br />
14:00 225,0 3,00 225,0 3,00 225,0 3,00<br />
14:30 150,0 2,00 225,0 3,00 150,0 2,00<br />
15:00 150,0 2,00 225,0 3,00 150,0 2,00<br />
15:30 75,0 1,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
16:00 75,0 1,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
16:30 150,0 2,00 225,0 3,00 225,0 3,00<br />
17:00 150,0 2,00 300,0 4,00 225,0 3,00<br />
17:30 225,0 3,00 375,0 5,00 225,0 3,00<br />
18:00 225,0 3,00 300,0 4,00 225,0 3,00<br />
18:30 225,0 3,00 225,0 3,00 150,0 2,00<br />
19:00 225,0 3,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
19:30 225,0 3,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
20:00 225,0 3,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
20:30 150,0 2,00 150,0 2,00 150,0 2,00<br />
21:00 150,0 2,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
21:30 150,0 2,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
22:00 75,0 1,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
22:30 75,0 1,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
23:00 75,0 1,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
23:30 75,0 1,00 75,0 1,00 75,0 1,00<br />
Tagessummen 8212,5 109,50 6712,5 89,50 6487,5 86,50<br />
Speichertemp. 60 60 60<br />
Tabelle 2:Tabellarisch aufbereitete Tages-, Wochen- und Jahresprofile des Auslegungs-<br />
Warmwasserverbrauchs
- 11 -<br />
3.3 Ablauf der Ausschreibung<br />
Die Veröffentlichung der Ausschreibung erfolgte am 29.8.1995. Von den 20 eingegangenen Angeboten<br />
wurden drei wegen inhaltlicher und formaler Fehler nicht gewertet.<br />
Die in den Angeboten garantierten <strong>so</strong>laren Nutzwärmekosten (inkl. Planung und MwSt.) lagen zwischen<br />
rd. 0,135 und 0,25 €/kWh (damalige DM-Angebote umgerechnet in € bei Annahme von<br />
20 Jahren Lebensdauer und 6 % Zins, bzw. 8,72 % Annuität). Die Ausschreibung wurde daraufhin<br />
aufgehoben, da die Zielvorgabe des Programms <strong>Solar</strong>thermie-2000 (<strong>so</strong>lare Nutzwärmekosten unter<br />
0,128 €/kWh) nicht erreicht wurde. Durch Nachverhandlungen mit dem günstigsten Bieter <strong>so</strong>wie durch<br />
die Bereitschaft des Planungsbüros, die Planungskosten mit einer Pauschalsumme anstatt der im<br />
Programm maximal akzeptierten Obergrenze (85 % von HOAI Zone II Mitte) abzurechnen, wurde ein<br />
<strong>so</strong>larer Wärmepreis von 0,1305 €/kWh erzielt, der damit zwar immer noch über der Zielvorgabe von<br />
0,128 €/kWh lag, jedoch wegen des damals hohen Demonstrationscharakters des Projektes (es handelte<br />
sich um die erste <strong>Solar</strong>anlage im Teilprogramm 2 in den alten Bundesländern) ausnahmsweise<br />
akzeptiert wurde.<br />
Unter der Bedingung, dass die garantierte Nutzenergielieferung Gültigkeit behält, wurde zugelassen,<br />
dass der Bieter Standardkomponenten des <strong>Solar</strong>anlagenherstellers (Pro <strong>Solar</strong>) verwendet, die vom<br />
Leistungsverzeichnis abweichen (u.a. Kollektorkreiswärmetauscher mit geringerer Übertragungsleistung).<br />
4 Beschreibung der technischen Systeme<br />
4.1 Allgemeine Funktionsbeschreibung des <strong>Solar</strong>systems<br />
Abbildung 5 zeigt das Prinzipschaltbild der <strong>Solar</strong>anlage mit den Mess- und Regelfühlern. Das 109 m²<br />
große Kollektorfeld besteht aus zwei parallel durchströmten, je 54,6 m² großen Teilfeldern. In jedem<br />
Teilfeld sind 26 Kollektoren in Reihe geschaltet. Die <strong>Solar</strong>strahlung wird in den Kollektoren in Wärme<br />
umgewandelt und mit Hilfe eines Wärmeträgers (Gemisch aus Wasser und Frost-/Korrosionsschutzmittel)<br />
über die Pumpen P1a+b, den Kollektorkreis-Wärmetauscher und die Pumpe P2 in den 6 m³<br />
fassenden <strong>Solar</strong>-Pufferspeicher transportiert.<br />
Die beiden Pumpen im Kollektorkreis sind in Reihe geschaltet und werden gleichzeitig angesteuert.<br />
Nach Aussage des Installateurs wurde die Reihenschaltung der Pumpen nur deswegen vorgenommen,<br />
weil im Lieferprogramm der <strong>Solar</strong>firma Pro <strong>Solar</strong> damals keine angemessene Einzelpumpe verfügbar<br />
war. Der Pufferspeicher ist mit Heizwasser (kein Trinkwasser) gefüllt und <strong>so</strong>ll die <strong>Solar</strong>energie<br />
zwischenlagern, um dem üblichen Zeitunterschied zwischen Energieangebot (Einstrahlung) und<br />
-bedarf (Warmwasserverbrauch) Rechnung zu tragen. Er hat keine interne Schichtbeladevorrichtung.<br />
Die Entladung des Pufferspeichers erfolgt über einen externen Entladewärmetauscher mit der Pumpe<br />
P3. Zwischen dem Entladewärmetauscher und Kaltwasserzulauf ist ein 1.000-l-Trinkwasser-Vorwärm-
- 12 -<br />
speicher geschaltet, der über die Pumpe P4 beladen wird. Vorteil dieses Systemaufbaus ist es, dass<br />
durch die Pumpen P3 und P4 am Entladewärmetauscher zu jeder Zeit definierte Strömungsverhältnisse<br />
vorliegen und die Pumpen über T-Abfragen einfach zu regeln sind. Außerdem kann die Entladung<br />
des <strong>Solar</strong>-Pufferspeichers (in Grenzen) unabhängiger vom Zapfprofil erfolgen, da Schwankungen des<br />
Zapfprofils vom Vorwärmspeicher "abgepuffert" werden. Bei der Variante, bei der der Entladewärmetauscher<br />
direkt mit dem Zapfvolumenstrom des Trinkwassers durchströmt wird /2; 4/, sind die Strömungsverhältnisse<br />
auf der Sekundärseite des Wärmetauschers sehr viel schwankender.<br />
Da der Vorwärmspeicher mit Trinkwasser gefüllt ist, unterliegt er den Vor<strong>so</strong>rgemaßnahmen gegen<br />
Legionellenwachstum (DVGW-Arbeitsblätter W 551 und W 552), weshalb eine zusätzliche Legionellenschaltung<br />
zur thermischen Desinfektion mittels Pumpe P8 vorhanden ist, über die der Speicher<br />
mindestens einmal pro Tag vom Zirkulations-Vorlauf auf 60 °C aufge<strong>heizt</strong> wird, <strong>so</strong>fern dies nicht an<br />
diesem Tag durch die <strong>Solar</strong>anlage erfolgt ist. Falls erforderlich, erfolgt die thermische Desinfektion<br />
zwischen 15:30 und 16:30 Uhr.<br />
Dieser Zeitpunkt wurde deshalb gewählt, weil dann der Vorwärmspeicher durch die <strong>Solar</strong>anlage bestmöglich<br />
vorgewärmt und der erforderliche konventionelle Nachheizwärmebedarf am niedrigsten ist.<br />
Außerdem steht durch den abendlichen Verbrauch eine hohe Zapfspitze bevor, die gewährleistet, dass<br />
der Vorwärmspeicher am nächsten Tag zu Strahlungsbeginn wieder abgekühlt ist.<br />
Um weitgehend sicherzustellen, dass während der thermischen Desinfektion auch der unterste Speicherbereich<br />
auf 60 °C erwärmt wird, <strong>so</strong>llte auf Kosten eines dann etwas erhöhten Energieverbrauchs<br />
allerdings ein Zeitpunkt für die thermische Desinfektion gewählt werden, an dem möglichst kein<br />
Warmwasser gezapft wird, weil nur dann verhindert wird, das nachströmendes kaltes Wasser den unteren<br />
Teil des Vorwärmspeichers abkühlt. Normalerweise liegt dieser Zeitpunkt in den Nachtstunden<br />
zwischen 2:00 und 4:00 Uhr morgens. Da in dieser Anlage allerdings die Kesselvorlauftemperatur<br />
nachts abgesenkt wird, reicht die Nachheizleistung nachts nicht aus, die geforderten 60 °C im Vorwärmspeicher<br />
zu erzielen.<br />
Aus dem Vorwärmspeicher strömt das <strong>so</strong>lar vorgewärmte Trinkwasser in den 2000-l-Nachheizspeicher,<br />
in dem es über einen Plattenwärmetauscher von zwei 170-kW-Gas-Brennwertkesseln auf 60 °C<br />
nacherwärmt wird.<br />
Der Rücklauf der Gebäudezirkulation strömt normalerweise über das geöffnete Ventil V2 in den Nachheizspeicher<br />
(V1 ist geschlossen). Ist die Temperatur im Vorwärmspeicher höher als im Zirkulationsrücklauf,<br />
öffnet V1 (V2 schließt), und der Zirkulationsrücklauf strömt in den Vorwärmspeicher. Durch<br />
diese Schaltung besteht die Möglichkeit zur <strong>so</strong>laren Deckung von Zirkulationsverlusten.
TWS3<br />
T1<br />
VVV<br />
HP8<br />
2<br />
2 x 54,6 m<br />
F1<br />
TKV EI1<br />
EI2<br />
TA1<br />
F3<br />
TKR<br />
P1a<br />
P1b<br />
TKT1<br />
HP1<br />
TSP1<br />
3<br />
6 m<br />
<strong>Solar</strong>-<br />
Pufferspeicher<br />
TPS1<br />
TSS1<br />
T<br />
Raum<br />
1 m<br />
Vorwärmspeicher<br />
TKT2<br />
VKT<br />
TSP2<br />
VSP<br />
HP2<br />
TPS2<br />
F2<br />
HP3<br />
VSS<br />
TSS2<br />
TSVa2<br />
TSVa1<br />
TSVb1<br />
3<br />
TWS1<br />
F6<br />
F5<br />
VSVa<br />
VSVb<br />
TSVb2<br />
QSVRW HP4<br />
VRW QRW<br />
Impulsausgänge<br />
Rechenwerk<br />
F4<br />
TWS2<br />
TWS4<br />
HP5<br />
THT2<br />
TVV2<br />
Kaltwasser<br />
F7<br />
VVZ<br />
TVZ2<br />
P7<br />
TVV1<br />
TVZ1<br />
THT1<br />
P6<br />
- 13 -<br />
V1 V2<br />
3<br />
2 m<br />
Nachheizspeicher<br />
VHT<br />
NST: Strom für P1a,b; P2, P3, P4, P8 Regelung<br />
Abbildung 5: Prinzipschaltbild der <strong>Solar</strong>anlage mit Mess- und Regelfühlern
- 14 -<br />
4.2 Regelung<br />
Laderegelung (P1a+b und P2) (Re<strong>so</strong>l E1/D)<br />
Beträgt die Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektorfühler (F1) und dem Temperaturfühler im<br />
<strong>Solar</strong>-Pufferspeicher (F2) mehr als 6 K, schalten die Pumpen P1a+b und P2 ein. Bei Unterschreitung<br />
dieser Temperaturdifferenz unterhalb von 4,4 K schalten sie aus, frühestens jedoch nach einer Mindestlaufzeit<br />
von 1 Minute (Takten <strong>so</strong>ll vermieden werden). P1 und P2 schalten aus, wenn die untere<br />
Temperatur im <strong>Solar</strong>speicher (F2) über 75 °C ansteigt (Maximaltemperatur-Begrenzung des <strong>Solar</strong>speichers).<br />
a) wenn: F1 > (F2 + 5 K) und F2 < 75 °C<br />
dann: P1a+b und P2 ein<br />
b) wenn: F1 < (F2 + 3,4 K) und t P1 und t P2 > 1 min<br />
dann: P1a+b und P2 aus<br />
c) wenn: F2 > 75 °C und t P1 und t P2 > 1 min<br />
dann: P1a+b und P2 aus<br />
Entladeregelung (P3 und P4) (Re<strong>so</strong>l E1)<br />
Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem "Pufferspeicher oben" (F3) und "Vorwärmspeicher unten"<br />
(F4) mehr als 8 K beträgt, schalten die Pumpen P3 und P4 ein. Bei Unterschreitung dieser Temperaturdifferenz<br />
unterhalb von 6,4 K schalten die Ladepumpen wieder aus, frühestens jedoch nach<br />
einer Mindestlaufzeit von 1 Minute (Takten <strong>so</strong>ll vermieden werden). P3 und P4 schalten aus, wenn<br />
die Temperatur F4 im Vorwärmspeicher unten mehr als 60 °C beträgt.<br />
a) wenn: F3 > (F4 + 8 K) und F4 < 60 °C<br />
dann: P3 und P4 ein<br />
b) wenn: F3 < (F4 + 6,4 K) und t P3 und t P4 > 1 min<br />
dann: P3 und P4 aus<br />
c) wenn: F4 > 60 °C und t P3 und t P4 > 1 min<br />
dann: P3 und P4 aus<br />
Zirkulationsrücklaufregelung (P7) (Centra Bürkle Centherm Typ: ZG 125 E)<br />
(Angaben zur Hysterese der Einstellwerte liegen nicht vor)<br />
a) wenn: F6 > F7<br />
dann: V1 auf und V2 zu<br />
b) wenn: F6 < F7<br />
dann: V1 zu und V2 auf
- 15 -<br />
Legionellenschaltung (P8) (Centra Bürkle Typ UF 20 T und Thermostat Oreg Typ TT 90/200)<br />
Mittels einer Schaltuhr wird zwischen Tagzeit und Nachtzeit unterschieden (eingestellte Werte im<br />
November 2000: Tagzeit von 15:30 bis 16:30 Uhr; Nachtzeit von 16:30 bis 15:30 Uhr). Zu Beginn der<br />
Tagzeit (15:30 Uhr) wird überprüft, ob die Temperatur im Vorwärmspeicher (F5) während der zurückliegenden<br />
Nachtzeit 60 °C erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, schaltet die Pumpe der Legionellenschaltung<br />
P8 ein. Sie schaltet aus, wenn die Tagzeit zu Ende ist. Wurden 60 °C bereits während der<br />
Nachtzeit erreicht, bleibt die P8 ausgeschaltet.<br />
a) wenn: F5 > 60 °C innerhalb 16:30 bis 15:30 Uhr<br />
dann: P8 aus<br />
b) wenn: F5 > 60 °C innerhalb 16:30 bis 15:30 Uhr<br />
dann: P8 ein um 15:30 Uhr<br />
c) wenn später als 16:30 Uhr<br />
dann: P8 aus<br />
5 Messtechnik<br />
5.1 Messstellen im <strong>Solar</strong>system<br />
Tabelle 3 zeigt eine Übersicht der erfassten Messgrößen (vgl. auch Abbildung 5). Im Logger werden<br />
Leistungen (in kW), Volumenströme (in m³/h) und Temperaturen (in °C) alle 10 Sekunden, die Pumpenlaufzeiten<br />
alle 2 Sekunden erfasst und diese Werte anfänglich als 30-Minuten-Mittelwert (später<br />
umgestellt auf 5-Minuten-Mittelwert) abgespeichert. Kürzere Speicherintervalle (< 5 Minuten) sind<br />
möglich und werden zur Kontrolle des dynamischen Anlagenverhaltens über begrenzte Zeiträume<br />
durchgeführt. Bei vielen Messgrößen werden zusätzlich die Maximum- und/oder Minimumwerte innerhalb<br />
des Halbstunden-Speicherintervalls abgespeichert, die zusätzliche Information zum Anlagenverhalten<br />
geben, und Aufschluss darüber, ob die abgespeicherten Mittelwerte frei von Messfehlern<br />
sind.
- 16 -<br />
Strahlungsleistung (W/m²)<br />
EI1 spezifische Gesamtstrahlungsleistung in Kollektorebene (30 o geneigt; Ausrichtung 190 o )<br />
EI2 spezifische Gesamtstrahlungsleistung horizontal<br />
Leistungen (kW)<br />
PKT Wärmeleistung vom Kollektorkreis<br />
PSP Wärmeleistung Beladung Pufferspeicher<br />
PSS Wärmeleistung Entladung Pufferspeicher<br />
PSV Wärmeleistung Beladung Vorwärmspeicher<br />
PSVRW Wärmeleistung Beladung Vorwärmspeicher (Wärmemengenzähler)<br />
PVV Wärmeleistung für Warmwasserverbrauch<br />
PVZ Wärmeleistung für Zirkulationsverluste<br />
PHT Wärmeleistung der Nachheizung für Warmwasserbereitung (Nachheiz-Wärmetauscher Primärseite)<br />
PST elektrische Leistung des <strong>Solar</strong>systems (P1, P2, P3, P4, P8, Regelung)<br />
Volumenstrom (m³/h)<br />
VKT Volumenstrom im Kollektorkreis<br />
VSP Volumenstrom im Pufferspeicher-Ladekreis<br />
VSS Volumenstrom im Pufferspeicher-Entladekreis<br />
VSVa Volumenstrom im Ladekreis des Vorwärmspeichers<br />
VSVb Volumenstrom im Ladekreis des Vorwärmspeichers (für Wärmemengenzähler)<br />
VVV Volumenstrom des Warmwasserverbrauchs (Zapfvolumenstrom)<br />
VVZ Volumenstrom der Zirkulation<br />
VHT Volumenstrom im Nachheizkreis (Nachheiz-Wärmetauscher Primärseite)<br />
Betriebsstunden (h)<br />
HP1 Betriebsstunden Pumpe P1 Kollektorkreis<br />
HP2 Betriebsstunden Pumpe P2 Beladung Pufferspeicher<br />
HP3 Betriebsstunden Pumpe P3 Entladung Pufferspeicher<br />
HP4 Betriebsstunden Pumpe P4 Beladung Vorwärmspeicher <strong>so</strong>lar<br />
HP5 Betriebsstunden Pumpe P5 Beladung Nachheizspeicher<br />
HP8 Betriebsstunden Pumpe P8 Legionellenschaltung<br />
Temperaturen (°C)<br />
TKT1 Temperatur Kollektorkreis Warmseite<br />
TKT2 Temperatur Kollektorkreis Kaltseite<br />
TSP1 Temperatur Beladung Pufferspeicher Warmseite<br />
TSP2 Temperatur Beladung Pufferspeicher Kaltseite<br />
TSS1 Temperatur Entladung Pufferspeicher Warmseite<br />
TSS2 Temperatur Entladung Pufferspeicher Kaltseite<br />
TSVa1 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Warmseite<br />
TSVa2 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Kaltseite<br />
TSVb1 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Warmseite (für Wärmemengenzähler)<br />
TSVb2 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Kaltseite (für Wärmemengenzähler)<br />
TVV1 Temperatur Warmwasserbereitung Warmseite (Austritt Nachheizspeicher)<br />
TVV2 Temperatur Warmwasserbereitung Kaltseite (Kaltwassertemperatur)<br />
TVZ1 Temperatur Zirkulation Warmseite (Austritt Nachheizspeicher)<br />
TVZ2 Temperatur Zirkulation Kaltseite<br />
THT1 Temperatur Nachheizung Warmseite<br />
THT2 Temperatur Nachheizung Kaltseite<br />
TPS1 Temperatur Pufferspeicher (6.000 l) oben<br />
TPS2 Temperatur Pufferspeicher (6.000 l) unten<br />
TWS1 Temperatur Vorwärmspeicher oben<br />
TWS2 Temperatur Vorwärmspeicher unten<br />
TWS3 Temperatur Nachheizspeicher oben<br />
TWS4 Temperatur Nachheizspeicher unten<br />
TKV Temperatur Kollektorfeld Vorlauf Warmseite<br />
TKR Temperatur Kollektorfeld Rücklauf Kaltseite<br />
TA1 Außentemperatur<br />
TRAUM Raumtemperatur im Aufstellraum des <strong>Solar</strong>speichers<br />
Tabelle 3: Vom Daten-Logger erfasste Messgrößen
- 17 -<br />
Zur Bilanzierung von längeren Zeiträumen und zur Berechnung von Systemkennwerten werden aus<br />
den Leistungen und Volumenströmen Energien und Volumina berechnet (Tabelle 4).<br />
Strahlungsleistung und -energien<br />
EIK Gesamtstrahlungsleistung auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche (109,2 m²) kW<br />
EIT1 spezifische Gesamtstrahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche kWh/m²<br />
EIT2 spezifische Gesamtstrahlungsenergie horizontal kWh/m²<br />
EITK Gesamtstrahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche (109,2 m²) kWh<br />
Energien (kWh)<br />
QKT Energie vom Kollektorkreis<br />
QSP Energie in den Pufferspeicher (Beladung Pufferspeicher)<br />
QSS Energie aus dem Pufferspeicher (Entladung Pufferspeicher)<br />
QSV Energie in den Vorwärmspeicher (Beladung Vorwärmspeicher)<br />
(näherungsweise gleichzusetzen mit der Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems; Erläuterung s.u.)<br />
QSVRW Energie in den Vorwärmspeicher (Beladung Vorwärmspeicher) (für Wärmemengenzähler)<br />
QVV Energie für Warmwasserverbrauch<br />
QVZ Energie für Zirkulationsverluste<br />
QHT Energie der Nachheizung für Warmwasserbereitung (Nacheiz-Wärmetauscher Primärseite)<br />
NST Stromverbrauch des <strong>Solar</strong>systems (P1, P2, P3, P4, P8, Regelung)<br />
Volumina (m³)<br />
KT Umwälzvolumen im Kollektorkreis<br />
SP Umwälzvolumen im Pufferspeicher-Ladekreis<br />
SS Umwälzvolumen im Pufferspeicher-Entladekreis<br />
SVa Umwälzvolumen im Vorwärmspeicher-Ladekreis<br />
SVb Umwälzvolumen im Vorwärmspeicher-Ladekreis (für Wärmemengenzähler)<br />
VV Volumen Warmwasser (Zapfverbrauch)<br />
VZ Umwälzvolumen Zirkulation<br />
HT Umwälzvolumen Nachheizung (Wärmetauscher Primärseite)<br />
Tabelle 4: Energien und Volumina in der <strong>Solar</strong>anlage<br />
Die <strong>so</strong>lare Nutzenergie wird in dieser <strong>Solar</strong>anlage lediglich näherungsweise erfasst. Genau genommen<br />
müsste sie als Differenz der abgegebenen Energie aus dem Vorwärmspeicher abzüglich der<br />
konventionellen Nachheizenergie zur thermischen Legionellendesinfektion errechnet werden. Zusätzlich<br />
müsste noch der <strong>so</strong>lare Anteil an der Deckung von Zirkulationsverlusten erfasst werden. Dazu<br />
wären drei weitere Wärmemengen-Messstellen erforderlich gewesen. Da diese <strong>Solar</strong>anlage eine der<br />
ersten ausgeführten Anlagen im Teilprogramm 2 war (und die erste in den alten Bundesländern), lag<br />
der Schwerpunkt in einer möglichst vollständigen Systemvermessung des "herkömmlichen" Teils der<br />
<strong>Solar</strong>anlage (Wärmemengenmessung vor und nach jedem Wärmetauscher), um hier zunächst detaillierte<br />
Erfahrungen mit dem allgemeinen Betriebsverhalten zu sammeln. Angesichts des erheblichen<br />
Zusatz-Messaufwandes (3 Volumenzähler, 6 Temperaturfühler plus 1 Zusatzmodul an der Datenerfassung)<br />
wurde deshalb aus Kostengründen auf diese aufwändige Zusatzmessung verzichtet. Der<br />
Nutzwärmegewinn durch die <strong>so</strong>lare Zirkulationsdeckung konnte jedoch mit der vorhandenen Messtechnik<br />
hinreichend genau abgeschätzt werden.
- 18 -<br />
5.2 Definition der Kennzahlen des <strong>Solar</strong>systems<br />
Die wichtigsten Kennzahlen des <strong>Solar</strong>systems sind wie folgt definiert:<br />
Kollektorkreisnutzungsgrad (brutto) g KB<br />
Der Kollektorkreisnutzungsgrad ist das Verhältnis von Wärme, die aus dem Kollektorkreis an den<br />
Wärmetauscher (Primärseite) abgegeben wurde, zur Gesamtstrahlungsenergie, die im gleichen Zeitraum<br />
auf die aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche auftraf. Für die Berechnung der Wärmeabgabe aus dem Kollektorkreis<br />
ist es erforderlich, dass die Wärmekapazität und Dichte des Wärmeträgers in Abhängigkeit<br />
der Konzentration und der Temperatur bestimmt werden. Dies ist mit zusätzlichen Messungenauigkeiten<br />
verbunden. Weiterhin sind die verwendeten Volumenzähler nur für Wasser geeicht (eine Eichung<br />
auf den Wärmeträger wäre mit erheblichen Kosten verbunden), <strong>so</strong>dass die Volumenmessung<br />
im Kollektorkreis zusätzliche Unsicherheiten aufweist. Daher wird die Energieabgabe des Kollektorkreis-Wärmetauschers<br />
(Sekundärseite) für die Berechnung des Kollektorkreisnutzungsgrades verwendet,<br />
weil dort die bekannten Stoffwerte von Wasser verwendet werden können. Rechnerisch<br />
werden damit die Wärmeverluste am Kollektorkreis-Wärmetauscher dem Kollektorkreis zugeschlagen.<br />
Da diese Verluste jedoch minimal sind, ist der hierbei gemachte Fehler kleiner als der, der bei<br />
der Messung im Kollektorkreis gemacht wird.<br />
g KB<br />
Energie vom Kollektorkreis QSP<br />
100 %<br />
Gesamtstrahlung auf Kollektorfeld EITK<br />
<strong>Solar</strong>systemnutzungsgrad brutto g SB und netto g SN<br />
Der Systemnutzungsgrad ist das Verhältnis von <strong>so</strong>larer Nutzenergie, die aus dem <strong>Solar</strong>system an<br />
das konventionelle System abgegeben wurde, zur Strahlungsenergie, die im gleichen Zeitraum auf<br />
die aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche auftraf.<br />
g SB<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems QSV<br />
100 %<br />
Gesamtstrahlung auf Kollektorfeld EITK
- 19 -<br />
<strong>Solar</strong>er Zapf-Deckungsanteil brutto D SB_Zapf und netto D SN_Zapf<br />
Der <strong>so</strong>lare Zapf-Deckungsanteil ist der Anteil der <strong>so</strong>laren Nutzenergie am Energiebedarf für die Erwärmung<br />
des gezapften Warmwassers. Der Energieaufwand zur Deckung der Verluste der Zirkulation<br />
und in dem konventionellen Nachheizspeicher ist hier nicht enthalten.<br />
D SB_Zapf<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems QSV<br />
100 %<br />
Energie für Warmwasserverbrauch QVV<br />
<strong>Solar</strong>er Zapf- und Zirkulations-Deckungsanteil brutto D SB_Zapf+Zirk<br />
Der <strong>so</strong>lare Zapf- und Zirkulations-Deckungsanteil ist der Anteil der <strong>so</strong>laren Nutzenergie am Energiebedarf<br />
für das gezapfte Warmwasser und die Warmwasserzirkulation. Der Energiebedarf zur Deckung<br />
der Verluste in dem konventionellen Nachheizspeicher ist hier nicht enthalten.<br />
D<br />
SB_ Zapf Zirk<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems<br />
<br />
Energie für Zapfverbrauch und Zirkulation<br />
<br />
QSV<br />
100 %<br />
QVV QVZ<br />
<strong>Solar</strong>er Gesamt-Deckungsanteil (brutto) D SB_ges<br />
Der <strong>so</strong>lare Gesamt-Deckungsanteil ist der Anteil der <strong>so</strong>laren Nutzwärme am Energiebedarf für das<br />
gesamte Warmwassersystem (Zapfverbrauch, Zirkulation, Verluste im konventionellen Speicher).<br />
D<br />
SB_ ges<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems<br />
QSV<br />
<br />
100 %<br />
Energie Nachheizung Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems QHT QSV<br />
Zur Berechnung der jeweiligen Netto-Werte des Systemnutzungsgrades (g SN ) und der Netto-<br />
Deckungsanteile D SN_Zapf , D SN_Zapf+Zirk und D SN_ges muss die Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems um den<br />
Wert der elektrischen Hilfsenergie reduziert werden (im Zähler der obigen Formeln den Wert<br />
(QSV - NST) einsetzen).<br />
Arbeitszahl des <strong>Solar</strong>systems A<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems<br />
A <br />
Stromverbrauch des <strong>Solar</strong>systems<br />
<br />
QSV<br />
NST
- 20 -<br />
6 Betriebserfahrungen und Messergebnisse<br />
Ohne die installierte Messtechnik, die in diesem Umfang nicht zur Standardausrüstung einer <strong>Solar</strong>anlage<br />
gehört, und ohne die ständige Betreuung durch die <strong>ZfS</strong> wären die meisten der im Folgenden<br />
beschriebenen Fehler nicht oder erst sehr spät entdeckt worden.<br />
6.1 Thermosiphonische Rückströmungen<br />
Der Kellerraum, in dem der Nachheiz- und Vorwärmspeicher stehen, liegt ca. 1,5 m tiefer als der<br />
Aufstellraum des <strong>Solar</strong>-Pufferspeichers. Da zwischen Trinkwasser-Vorwärmspeicher, Entladewärmetauscher<br />
und <strong>Solar</strong>speicher anfänglich keine Rückschlagklappen installiert waren, entstand eine<br />
thermosiphonische Rückströmung vom Vorwärmspeicher zum Entladewärmetauscher, <strong>so</strong>bald der<br />
Vorwärmspeicher genügend wärmer war als der Wärmetauscher. Dies war immer dann der Fall,<br />
wenn die Legionellenschaltung den Vorwärmspeicher erwärmt. Durch den heißen Wärmetauscher<br />
entstanden <strong>so</strong>gar thermosiphonische Rückströmungen in den <strong>Solar</strong>speicher.<br />
Die Rückströmungen in den <strong>Solar</strong>speicher wurden bereits am 19.6.1997 durch den Einbau einer<br />
Rückschlagklappe zwischen Pufferspeicher und Entladewärmetauscher unterbunden. Die in diesem<br />
Kapitel beschriebenen Effekte wurden im November 1997 vor und nach dem Einbau einer zweiten<br />
Rückschlagklappe zwischen dem Entladewärmetauscher und 1.000-l-Vorwärmspeicher beobachtet.<br />
Der November-Zeitraum wurde ausgewählt, weil hier die Verbesserung durch den Einbau der Rückschlagklappe<br />
be<strong>so</strong>nders deutlich wird. In Abbildung 6 vom 7.11.1997 wird beschrieben, wie diese<br />
Rückströmung erkannt wurde, Abbildung 7 beschreibt den Zustand nach Einbau der Rückschlagklappe<br />
am 15.11.1997. Aufgetragen sind die folgenden Temperaturen, Leistungen und Betriebsstunden:<br />
TWS1 Temperatur Vorwärmspeicher oben (°C)<br />
TPS1 Temperatur Pufferspeicher (6.000 l) oben (°C)<br />
TSS1 Temperatur Entladung Pufferspeicher Warmseite (°C)<br />
TSS2 Temperatur Entladung Pufferspeicher Kaltseite (°C)<br />
TSV1 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Warmseite (°C)<br />
TSV2 Temperatur Beladung Vorwärmspeicher Kaltseite (°C)<br />
HP4 Betriebsstunden Pumpe P4 Beladung Vorwärmspeicher <strong>so</strong>lar (h)<br />
PSS Leistung Entladung Pufferspeicher (kW)<br />
PSV Leistung Beladung Vorwärmspeicher (bzw. Nutzleistung des <strong>Solar</strong>systems) (kW)<br />
Die Messdaten wurden in einem Zeitraum erfasst, als die Legionellenschaltung fälschlicherweise<br />
nachts lief. Dies erklärt den Temperaturanstieg TWS1 des Vorwärmspeichers ab 0:30 Uhr in beiden<br />
Abbildungen. Aus folgendem Grund erfolgte die Legionellenschaltung nachts:<br />
Wenn die Pumpe der Legionellenschaltung P8 in Betrieb ging, schaltete fälschlicherweise die Gebäudezirkulationspumpe<br />
(P7) ab. Dies hat bei den Mietern zu Beschwerden bezüglich der Warmwasserbereitstellung<br />
geführt. Anstatt diesen Regelungsfehler <strong>so</strong>fort zu beheben, wurde der Zeitpunkt für<br />
das mögliche Einschalten der Pumpe für die Legionellenschaltung vom Nachmittag in die Nacht
- 21 -<br />
(ca. 0:30 Uhr) verlegt, weil dann wenig Warmwasserbedarf besteht. Hierbei wurde jedoch nicht bedacht,<br />
dass zur gleichen Zeit die Heizkessel auf Nachtabsenkung geschaltet sind, was dazu führen<br />
kann, dass die geforderten 60 °C im Vorwärmspeicher nicht erreicht werden und dann keine thermische<br />
Desinfektion gewährleistet ist.<br />
Die Regelstörung zwischen der Legionellen- und Zirkulationspumpe wurde später behoben. In Abbildung<br />
8 ist dies daran erkennbar, dass der Volumenstrom VVZ der Zirkulationspumpe P7 zum Zeitpunkt<br />
der Legionellenschaltung nahezu unverändert bleibt (abgesehen von geringen Schwankungen<br />
aufgrund veränderter Druckverhältnisse im Leitungsnetz durch das Einschalten der Pumpe-Legionellenschaltung).<br />
Zur Erläuterung der Fehlströmungen ist zunächst die Zeit zwischen 0:00 und 7:00 Uhr in Abbildung 6<br />
von Interesse. Obwohl die Ladepumpe P4 zwischen 1:00 und 4:00 Uhr ausgeschaltet ist (Betriebsstunden<br />
HP4 = 0), steigen die Temperaturen TSV1 und TSV2 (Sekundärseite des Entladewärmetauschers)<br />
mit zunehmender Vorwärmspeichertemperatur TWS1 an. Da trotz abgeschalteter Pumpe P4<br />
Volumenimpulse des Zählers VSV gemessen wurden (um nicht noch mehr Kurven in das Bild einzuzeichnen,<br />
ist VSV hier nicht dargestellt), ist dies ein eindeutiges Indiz für Schleichströme.<br />
Die Schleichströmung verläuft vom Fühler TSV1 nach TSV2 (entgegengesetzt der Pumpenrichtung),<br />
was daran erkennbar ist, dass TSV1 wärmer ist als TSV2. Dadurch entsteht genau<strong>so</strong> eine positive<br />
Temperaturdifferenz, als wenn die Pumpe P4 in Betrieb wäre und vom Wärmetauscher Energie an<br />
den Vorwärmspeicher abgegeben wird. Da der Impulsgeber des Volumenzählers VSV nicht zwischen<br />
Vorwärts- und Rückwärtsströmung unterscheiden kann, <strong>so</strong>ndern alle Impulse aufzählt, wird fälschlicherweise<br />
eine Wärmeabgabe des Wärmetauschers gemessen, die nicht existiert. Im Bild ist diese<br />
Wärmeabgabe am Verlauf der Wärmeleistung PSV, die zwischen 1:00 und 4:00 Uhr etwa 0,5 bis<br />
1 kW beträgt, noch schwach erkennbar.<br />
Der Temperaturanstieg bei TSV1 und TSV2 überträgt sich auch auf die Primärseite des Entladewärmetauschers,<br />
erkennbar am Anstieg von TSS1 und TSS2. Dieser Effekt beruht jedoch ausschließlich<br />
auf Wärmeleitung über den Wärmetauscher (alle Temperaturfühler sind dicht am Wärmetauscher installiert)<br />
und nicht auf thermosiphonischen Effekten, was daran erkennbar ist, dass die Wärmeleistung<br />
PSS gleich Null ist und auch die Temperatur im Pufferspeicher TPS1 nicht ansteigt (am<br />
7.11.1997 war bereits eine Rückschlagklappe im Entladekreis VSS eingebaut).
- 22 -<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Betriebsstunden P4 (HP4) [min]<br />
Wärmeleistungen (PSS, PSV) [kW]<br />
Temperaturen (TWS1, TPS1, TSS1, TSS2, TSV1, TSV2) [°C]<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23<br />
Uhrzeit (MEZ) 7.11.1997<br />
TWS1 TPS1 TSS1 TSS2 TSV1 TSV2<br />
HP4 PSS PSV<br />
Abbildung 6: Halbstunden-Mittelwerte von Temperaturen, Wärmeleistungen und Betriebsstunden<br />
zur Darstellung von Fehlströmungen (7.11.1997)<br />
Nach dem Einbau der Rückschlagklappe im Kreis VSV (Abbildung 7 vom 15.11.1997) zeigt sich bei<br />
den Fühlern TSS1, TSS2, TSV1 und TSV2 zwischen 0:00 und 5:00 Uhr eine normale Angleichung an<br />
die Raumtemperatur, obwohl die Temperatur TWS1 im Vorwärmspeicher mit 46 °C deutlich höher<br />
liegt als in den nicht durchströmten Rohrleitungen. Dies ist ein Indiz dafür, dass die Thermosiphon-<br />
Rückströmung unterbunden ist.
- 23 -<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Betriebsstunden P4 (HP4) [min]<br />
Wärmeleistungen (PSS, PSV) [kW]<br />
Temperaturen (TWS1, TPS1, TSS1, TSS2, TSV1, TSV2) [°C]<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23<br />
Uhrzeit (MEZ) 15.11.1997<br />
TWS1 TPS1 TSS1 TSS2 TSV1 TSV2<br />
HP4 PSS PSV<br />
Abbildung 7: Halbstunden-Mittelwerte von Temperaturen, Wärmeleistungen und Betriebsstunden<br />
nach Beseitigung der Fehlströmungen (15.11.1997)<br />
In Abbildung 6 fällt weiterhin auf, dass die Leistung PSV auf der Sekundärseite des Wärmetauschers<br />
im Tagesverlauf zeitweise größer ist als die Leistung PSS auf der Primärseite. Als Ursache vermuten<br />
wir, dass nach dem Ausschalten der Pumpe P4, die im ½-Stunden-Messintervall nur maximal 10 Minuten<br />
lang läuft, ohne die Rückschlagklappe Rückströmungen entstanden sind. Erfahrungsgemäß<br />
können Fehlströmungen auch aufgrund von Druckschwankungen im Netz oder Druckstößen durch<br />
das Ein- und Ausschalten von Pumpen entstehen. Wegen des rückwärts laufenden Volumenzählers<br />
und der positiven Temperaturdifferenz (TSV1 > TSV2) an den Temperaturmessstellen TSV1 und
- 24 -<br />
TSV2 wird dann fälschlicherweise eine positive Wärmeleistung PSV gemessen. Auch dieser Effekt<br />
wurde mit dem Einbau der Rückschlagklappe aufgehoben, erkennbar daran, dass die Leistungen in<br />
Abbildung 7 nahezu deckungsgleich verlaufen.<br />
Die <strong>ZfS</strong> hatte zur Abhilfe der beschriebenen Fehlströmungen übrigens vorgeschlagen, in die betreffenden<br />
Rohrleitungen Magnetventile einzubauen, die bei Ausschalten der jeweiligen Pumpe P3 bzw.<br />
P4 schließen bzw. mit deren Einschalten wieder öffnen. Es kann nämlich nicht ausgeschlossen werden,<br />
dass thermosiphonische Effekte in Strömungsrichtung entstehen. Aus Kostengründen hat der<br />
Betreiber jedoch lediglich Rückflussverhinderer eingebaut, mit denen Fehlströmungen nur gegen die<br />
normale Strömungsrichtung unterbunden werden.<br />
6.2 Vordruck im Pufferspeicher<br />
Eine andere Störung wird in Abbildung 7 deutlich (ähnlich auch in Abbildung 6). Zwischen 7:00 und<br />
9:00 Uhr <strong>so</strong>wie nach 18:00 Uhr wird kaum Energie vom Pufferspeicher bzw. dem Entladewärmetauscher<br />
übertragen (PSS und PSV gegen Null), obwohl die Pumpen P4 und P3 eingeschaltet sind. Die<br />
Wärmeübertragung erfolgt erst, wenn der Pufferspeicher wärmer als 30 °C ist (TPS1). Ursache des<br />
Fehlers war ein zu geringer Vordruck im Pufferspeicher, wodurch die Pumpe P3 zu wenig förderte.<br />
Erst mit steigender Temperatur im Puffer wurde der notwendige Mindestvordruck durch das sich<br />
ausdehnende Wasser erreicht. Durch Nachfüllen des Puffers wurde der Fehler behoben.<br />
6.3 Fehlerhafte Umschaltung des Zirkulationsrücklaufes<br />
Aufgrund vertauschter elektrischer Anschlüsse der Ventile V1 und V2 strömte der Rücklauf der Gebäudezirkulation<br />
zeitweise ungeregelt über den Vorwärmspeicher und <strong>heizt</strong>e diesen auf. Eine <strong>so</strong>lche<br />
Aufheizung führt zum Minderertrag der <strong>Solar</strong>anlage. Der Fehler wurde zwar schon frühzeitig erkannt<br />
und dem Betreiber mitgeteilt, die eigentliche Fehlerursache jedoch erst im März 1998 behoben. Zwischenzeitliche<br />
Auswechselungen der Ventile (zunächst wurde ein Ventildefekt vermutet) brachten<br />
keine Verbesserung. Der Fehler ist in Abbildung 8 vom 23.1.1998 erkennbar. Aufgetragen sind:<br />
TWS1 Temperatur Vorwärmspeicher oben (°C)<br />
TWS2 Temperatur Vorwärmspeicher unten (°C)<br />
TVZ2 Temperatur Zirkulation Kaltseite (°C)<br />
VVZ Volumenstrom Zirkulation (m³/h)<br />
VSV Volumenstrom Beladung Vorwärmspeicher (m³/h)<br />
Die Warmwasserzirkulation VVZ ist von 4:30 Uhr bis 23:30 Uhr eingeschaltet und der Volumenstrom<br />
VSV ist den ganzen Tag lang Null, d.h. eine Erwärmung des Vorwärmspeichers durch die <strong>Solar</strong>anlage<br />
(über Pumpe P4) hat nicht stattgefunden. Der Anstieg der Speichertemperaturen TWS1 und<br />
TWS2 um 15:30 Uhr resultiert aus dem Einschalten der Pumpe für die Legionellenschaltung P8.
- 25 -<br />
Die Rücklauftemperatur der Zirkulation (TVZ2) kühlt bei abgeschalteter Zirkulationspumpe (0:00 bis<br />
4:30 Uhr) auf ca. 21 °C ab und steigt mit dem Einschalten der Pumpe P7 auf 50 °C an. Die obere<br />
Temperatur im Vorwärmspeicher (TWS1) fällt bis 2:00 Uhr wegen nächtlichem Zapfverbrauch (nicht<br />
dargestellt) auf 10 °C Kaltwassertemperatur ab. Fast zeitgleich mit dem Anstieg der Rücklaufzirkulation<br />
steigt die obere Temperatur im Vorwärmspeicher TWS1 an, was ein eindeutiges Indiz dafür ist,<br />
dass das Ventil V1, das den Rücklauf über den Vorwärmspeicher frei gibt, offen ist. Korrekterweise<br />
<strong>so</strong>ll es jedoch nur dann öffnen, wenn TWS1 größer als der Zirkulationsrücklauf TVZ2 ist, was jedoch<br />
nicht der Fall ist.<br />
Abbildung 9 zeigt dieselben Messgrößen am 4.4.1998, nachdem die Fehlschaltung der Ventile behoben<br />
worden ist. Zunächst ist am Verlauf des Zirkulationsvolumenstroms VVZ zu erkennen, dass hier<br />
zwischenzeitlich Änderungen an der Zeitschaltuhr und Regelung der Zirkulationspumpe durchgeführt<br />
worden sind, die uns allerdings weder mitgeteilt wurden noch abgesprochen waren. Der Volumenstrom<br />
steigt jetzt gegen 2:30 Uhr auf 0,1 m³/h an und geht erst gegen 5:00 Uhr auf den Normaldurchsatz<br />
von 0,55 m³/h. Die Legionellenschaltung ist jetzt wegen der Umstellung der Zeitschaltuhr<br />
auf Sommerzeit auf 14:30 Uhr verlegt (Anstieg von TWS1 und TWS2) und der Zirkulationsvolumenstrom<br />
geht zwischen 14:30 und ca. 17:15 Uhr auf 0,05 m³/h zurück. Um 21:00 Uhr schaltet die Zirkulation<br />
wieder aus. Die Pumpe P4 ist an diesem Tag zeitweise in Betrieb, erkennbar am Verlauf des<br />
Volumenstromes VSV.<br />
An<strong>so</strong>nsten ist wieder deutlich der Anstieg der Zirkulationsrücklauftemperatur TVZ2 auf 50 °C bei Anstieg<br />
des Zirkulationsvolumenstroms auf 0,55 m³/h zu erkennen (ab 5:00 Uhr). Die obere Temperatur<br />
im Vorwärmspeicher liegt bis 5:00 Uhr bei etwa 25 bis 27 °C, steigt dann allerdings nicht mehr mit<br />
TVZ2 an (wie in Abbildung 8), <strong>so</strong>ndern reagiert ausschließlich auf den Volumenstrom VSV. Dies ist<br />
ein Indiz dafür, dass das Ventil V1 jetzt, wie vorgesehen, geschlossen ist.
- 26 -<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Volumenströme (VVZ, VSV) [m³/h]<br />
50<br />
Temperaturen (TWS1, TWS2, TVZ2) [°C]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23<br />
Uhrzeit (MEZ) 23.1.1998<br />
TWS1 TWS2 TVZ2 VVZ VSV<br />
Abbildung 8: 5-Minuten-Mittelwerte von Temperaturen und Volumenströmen am Vorwärmspeicher<br />
bei fehlerhafter Umschaltung des Zirkulationsrücklaufes (23.1.1998)
- 27 -<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Volumenströme (VVZ, VSV) [m³/h]<br />
50<br />
Temperaturen (TWS1, TWS2, TVZ2) [°C]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23<br />
Uhrzeit (MEZ) 4.4.1998<br />
TWS1 TWS2 TVZ2 VVZ VSV<br />
Abbildung 9: 5-Minuten-Mittelwerte von Temperaturen und Volumenströmen am Vorwärmspeicher<br />
bei korrekter Umschaltung des Zirkulationsrücklaufes (4.4.1998)
7 Betriebsergebnisse im 1. Messjahr<br />
- 28 -<br />
Tabelle 5 zeigt eine Zusammenfassung der wichtigsten Messdaten und Systemkennzahlen aus dem<br />
1. Messjahr (17.7.1997 bis 16.7.1998) nach Beendigung des Probebetriebes. Die Werte sind als ab<strong>so</strong>lute<br />
(MWh, m³), mittlere (m³/d, m³/h) und mittlere spezifische (kWh/(d∙m²)) dargestellt, je nachdem,<br />
bei welchen Größen welche Bezüge sinnvoll sind.<br />
Bezeichnung Abkürzung Messperiode 17.7.97 - 16.7.98<br />
(365 Tage)<br />
1 Gesamtstrahlung auf Kollektoren EITK 150,1 MWh 3,77 kWh/(d∙m²)<br />
2 Energie vom Kollektorkreis QKT 61,4 MWh 1,54 kWh/(d∙m²)<br />
3 Energie Beladung Pufferspeicher QSP 59,6 MWh 1,5 kWh/(d∙m²)<br />
4 Energie Entladung Pufferspeicher QSS 57,9 MWh 1,45 kWh/(dm²)<br />
5<br />
Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems<br />
davon ca. Abgabe an Zapfwarmwasser<br />
Abgabe an Zirkulation<br />
QSV<br />
56,6 MWh<br />
55,0 MWh<br />
1,6 MWh<br />
6 Energie für Warmwasserbereitung QVV 178,5 MWh<br />
7 Energie für Zirkulationsverluste QVZ 73,6 MWh<br />
8 Energie der Nachheizung für Warmwasserbereitg. QHT 195,9 MWh<br />
1,42 kWh/(d∙m²)<br />
9 Stromverbrauch des <strong>Solar</strong>systems NST 1.224 kWh 30,8 Wh/(d∙m²)<br />
10 Betriebsstunden Pumpe Kollektorkreis HP1 2.125 h 5,8 h/d<br />
11 Betriebsstunden Pumpe Beladung Pufferspeicher HP2 2.125 h 5,8 h/d<br />
12 Betriebsstunden Pumpe Entladung Pufferspeicher HP3 1.210 h 3,3 h/d<br />
13 Betriebsstd. Pumpe Beladung Vorwärmsp. <strong>so</strong>lar HP4 1.210 h 3,3 h/d<br />
14 Betriebsstunden Pumpe Legionellenschaltung HP8 403 h 1,1 h/d<br />
15 Volumenstrom Kollektorkreis (P1) VKT 1,18 m³/h 10,8 l/(hm² Feld )<br />
16 Volumenstrom Beladung Pufferspeicher (P2) VSP 1,15 m³/h<br />
17 Volumenstrom Entladung Pufferspeicher (P3) VSS 4,3 m³/h<br />
18 Volumenstrom Beladung Vorwärmspeicher (P4) VSV 2,3 m³/h<br />
19 Volumen Warmwasser (Zapfverbrauch)<br />
VV 3.083 m³ 8,45 m³/d<br />
Auslastung<br />
77,4 l/(d∙m²)<br />
20 Kollektorkreisnutzungsgrad g KB 39,7 %<br />
21 <strong>Solar</strong>systemnutzungsgrad brutto<br />
netto<br />
22 <strong>so</strong>larer Zapf-Deckungsanteil brutto<br />
netto<br />
g SB<br />
37,7 %<br />
g SN 36,9 %<br />
D SB_Zapf<br />
31,7 %<br />
D SN_Zapf 31,0 %<br />
23 <strong>so</strong>larer Zapf- und Zirk.-Deckungsanteil brutto D SB_Zapf+Zirk 22,4 %<br />
24 <strong>so</strong>larer Gesamt-Deckungsanteil brutto D SB_ges 22,4 %<br />
25 Arbeitszahl des <strong>Solar</strong>systems A 46,2<br />
Tabelle 5: Messergebnisse und Systemkennzahlen für den Zeitraum 17.7.1997 bis 16.7.1998
- 29 -<br />
7.1 Warmwasserverbrauch und Auslastung<br />
Der mittlere Warmwasserverbrauch pro Tag lag im Auswertezeitraum bei rd. 8,5 m³/d (Zeile 19), was<br />
einer Auslastung des <strong>Solar</strong>systems von 77,4 l/(d∙m²) entspricht und damit rd. 10 % höher liegt als der<br />
bei der Planung zugrunde gelegte Wert von 70 l/(d∙m²). Dies ist nur eine geringe Abweichung zwischen<br />
Auslegungs- und Messwert, die zudem im Gegensatz zu den häufig anzutreffenden Überdimensionierungen<br />
unkritisch ist, weil durch die leichte Unterschätzung des realen Warmwasserverbrauches<br />
die Auslastung und Effektivität der <strong>Solar</strong>anlage steigen. Die bei der Planung angenommenen<br />
Pro-Kopf-Verbräuche für den Kinderhort und das Wohnhaus von 5 bzw. 30 l/(dPer<strong>so</strong>n) bei 60 °C<br />
erscheinen demnach realistisch.<br />
In Abbildung 10 sind die realen und angenommenen Tagesmittelwerte des Warmwasserverbrauches<br />
(gemittelt aus Wochensummen) <strong>so</strong>wie die Auslastung im Jahresverlauf gezeigt. Die Auslastung der<br />
<strong>Solar</strong>anlage liegt bis auf die Schulferienzeit (31.7. bis 15.9.1997) deutlich über 70 l/(d∙m²). Das Zapfvolumen<br />
ist meistens höher als der Auslegungsverbrauch – die größten Abweichungen treten in den<br />
Monaten Januar bis März auf, wo das Auslegungsprofil um fast 2 m³/d zu niedrig angenommen wurde.<br />
Eine recht gute Übereinstimmung ist im Profilverlauf festzustellen. Der einzige Zeitraum, in dem<br />
der Wasserverbrauch nennenswert zu hoch eingeschätzt wurde, sind drei Wochen im August (real:<br />
ca. 6 m³/d; Auslegung 7 m³/d), was aber hauptsächlich daran liegt, dass im Auslegungsprofil die<br />
Schulferienzeit um vier Wochen früher gelegt wurde (real: August; Auslegung: Juli). Da aber quasi<br />
als Ausgleich der reale Verbrauch im Juli wieder höher ist als angenommen, ist dies nur eine unwesentliche<br />
zeitliche Verschiebung im Jahresprofil, die zudem auch von Jahr zu Jahr unterschiedlich<br />
sein kann, da die Schulferientermine wechseln.<br />
In Abbildung 11 wird das gemessene Tagesprofil an einem Werktag mit dem Auslegungsverbrauch<br />
verglichen. Aus den T*SOL-Eingabewerten ergibt sich ein Auslegungsverbrauch von 7.390 l an einem<br />
Werktag (Mo bis Fr) im September. Zum Vergleich ausgewählt wurde ebenfalls ein Werktag im<br />
September mit einem typischen Profil und ähnlich hohem Tageswarmwasserverbrauch (7.380 l/d) wie<br />
der Auslegungswert.
- 30 -<br />
Zapfverbrauch (Auslegung, gemessen) [m 3 /d]<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Auslastung [l/(d∙m 2 )]<br />
0<br />
11.6<br />
25.6<br />
9.7<br />
23.7<br />
6.8<br />
20.8<br />
3.9<br />
17.9<br />
1.10<br />
15.10<br />
29.10<br />
12.11<br />
26.11<br />
10.12<br />
24.12<br />
letzter Tag der Messwoche (Messperiode 1997/1998)<br />
7.1<br />
VV: Zapfverbrauch gemessen Anlagenauslastung gemessen Auslegungsverbrauch<br />
Abbildung 10: Tagesmittelwerte (aus Wochensummen)des gemessenen Zapfverbrauchs und des<br />
Auslegungsverbrauchs und Wochenmittelwerte der Anlagenauslastung<br />
21.1<br />
4.2<br />
18.2<br />
4.3<br />
18.3<br />
1.4<br />
15.4<br />
29.4<br />
13.5<br />
27.5<br />
10.6<br />
24.6<br />
8.7<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
Zapfvolumen [l]<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23<br />
Uhrzeit (MESZ) Montag, 15.9.1997<br />
VV: Zapfvolumen gemessen (Tagessumme: 7.380 l) Auslegungsverbrauch (Tagessumme: 7.390 l)<br />
Abbildung 11: Vergleich von Halbstundensummen eines gemessenen Zapfprofils mit dem<br />
Auslegungs-Tagesprofil (Werktag)
- 31 -<br />
Die im Bild dargestellte Uhrzeit bezieht sich auf mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ), d.h. die Verschiebung<br />
der Sommerzeit um eine Stunde nach vorne ist berücksichtigt (13:00 Uhr MESZ entspricht<br />
12:00 Uhr MEZ). Der morgendliche Anstieg des Verbrauches findet real etwa zwei Stunden später<br />
statt als T*SOL vorgibt. Der T*SOL-Spitzenverbrauch von 375 l wird um 7:00 Uhr erreicht, die gemessene<br />
Morgenspitze von 290 l um 9:00 Uhr. Ein weiterer Unterschied in den Profilen besteht darin,<br />
dass die Auslegungsspitzen zwischen 7:00 und 8:00 Uhr und von 13:00 bis 14:00 Uhr in Realität<br />
nicht <strong>so</strong> stark ausgeprägt sind und sich der reale Verbrauch stattdessen stärker über den gesamten<br />
Vormittag verteilt. Die angenommene Nachmittagssenke (Auslegung) zwischen 15:30 und 16:00 Uhr<br />
entspricht der Realität gut, eben<strong>so</strong> der zeitliche Beginn der Abendspitze im Simulationsprogramm.<br />
Allerdings dauert die Abendspitze tatsächlich länger und der Verbrauch ist höher als angenommen.<br />
7.2 Energien und Nutzungsgrade<br />
Von der Gesamtstrahlung EITK auf die Ab<strong>so</strong>rberfläche des Kollektorfeldes (150,1 MWh) wurden<br />
59,6 MWh an den <strong>Solar</strong>-Pufferspeicher abgegeben (QSP). Prozentual wurden von der Strahlungsenergie<br />
39,7 % (Kollektorkreisnutzungsgrad, Zeile 20 in Tabelle 5) in den Pufferspeicher geladen.<br />
Die Nutzenergie aus dem <strong>Solar</strong>system QSV (vgl. hierzu Anmerkung in Kapitel 6.1 zu den Fehlströmungen)<br />
beträgt 56,6 MWh. Aufgrund der thermosiphonischen Rückströmung auf der Sekundärseite<br />
des Entladewärmetauschers war die gemessene Nutzwärme QSV (Energie Wärmetauscher Austritt)<br />
bis zum Einbau der Rückschlagklappe zwischen Entladewärmetauscher und Vorwärmspeicher fälschlicherweise<br />
höher als die Energie am Wärmetauschereintritt (QSS). Die (zu hohen) Messwerte<br />
von QSV wurden deshalb für diese Zeit nachträglich korrigiert.<br />
Der Energieanteil zur Deckung der Zirkulationsverluste an der Nutzenergie des <strong>Solar</strong>systems<br />
(Zeile 5) ist wegen der bewusst knappen Dimensionierung der <strong>Solar</strong>anlage gering (ca. 1,6 MWh) und<br />
hat am Gesamtenergieertrag nur einen geringen Anteil von knapp 3 %. Aus energetisch-technischer<br />
Sicht rechtfertigen sich diese Einbauten (2 Ventile, 1 Regler, 1 Rohrstück) bei Vorwär<strong>man</strong>lagen nicht,<br />
zumal damit auch das Risiko verbunden ist, dass der verhältnismäßig geringe Energiegewinn durch<br />
Fehlfunktionen (wie sie bei dieser Anlage aufgetreten sind) aufgehoben werden kann und u.U. <strong>so</strong>gar<br />
zu einem Minderertrag führt, wenn die Funktion der Geräte nicht durch eine entsprechende Messtechnik<br />
kontrolliert werden kann. Rein wirtschaftlich betrachtet lohnt sich der Einbau nur dann, wenn<br />
der Wärmepreis dieser Einbauten den der Gesamtanlage (ohne die Einbauten) nicht übersteigt. Da<br />
die <strong>Solar</strong>anlage zum Pauschalpreis angeboten wurde, war es hier nicht möglich, die Kosten für die<br />
Einzelkomponenten nachträglich herauszusuchen (lediglich die Kostenaufteilung auf einzelne Bauteilgruppen<br />
ist bekannt). Im vorliegenden Fall dürfen die Komponenten inkl. Einbau maximal rd.<br />
2.045 € (brutto, ohne Planungsanteil) kosten, damit die Wirtschaftlichkeit der <strong>Solar</strong>anlage nicht verschlechtert<br />
wird. Dieser Preis dürfte für die o.g. Komponenten einzuhalten sein.
- 32 -<br />
Betrachtet <strong>man</strong> den Verlauf der spez. Tagesmittelwerte (aus Wochensummen) der Strahlungs- und<br />
Nutzenergie (Balken) <strong>so</strong>wie den Systemnutzungsgrad (Kurve) (Abbildung 12) in den strahlungsreichen<br />
Zeiträumen Juni bis Ende September 1997 und ab April 1998, <strong>so</strong> sieht <strong>man</strong> im Vergleich der<br />
hellen und dunklen Balken, dass der Ertrag aus dem <strong>Solar</strong>system mit Zu- und Abnahme der Einstrahlung<br />
proportional steigt und fällt (der Systemnutzungsgrad liegt in diesen Zeiträumen zwischen<br />
38 und 40 %). Ein derartiger Verlauf ist typisch für ein gut ausgelastetes <strong>Solar</strong>system und zeigt, dass<br />
ein erhöhtes Strahlungsangebot auch entsprechend in Nutzwärme umgewandelt wird. Gemittelt über<br />
den gesamtem Auswertezeitraum beträgt der Brutto-Systemnutzungsgrad 37,7 % (Netto-Wert<br />
36,9 %).<br />
8<br />
50<br />
EIT1 und QSV [kWh/(m 2 *d)]<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
Systemnutzungsgrad [%]<br />
1<br />
-20<br />
0<br />
23.7<br />
6.8<br />
20.8<br />
3.9<br />
17.9<br />
1.10<br />
15.10<br />
29.10<br />
12.11<br />
26.11<br />
10.12<br />
24.12<br />
7.1<br />
21.1<br />
Abbildung 12: Spezifische Tagesmittelwerte (aus Wochensummen) der Strahlungs- und Nutzenergie<br />
und Wochenmittelwerte des Systemnutzungsgrades<br />
4.2<br />
18.2<br />
4.3<br />
18.3<br />
1.4<br />
15.4<br />
29.4<br />
letzter Tag der Messwoche (Messperiode 1997/1998)<br />
EIT1: Strahlungsenergie QSV: Nutzenergie <strong>Solar</strong>system Systemnutzungsgrad brutto<br />
13.5<br />
27.5<br />
10.6<br />
24.6<br />
8.7<br />
-30<br />
Der Zapf-Deckungsanteil (Abbildung 13) liegt während der Monate August und September 1997 bei<br />
hohen Werten zwischen 60 und ca. 95 % (Jahresmittelwert: 31,7 %), was auf die geringe Auslastung<br />
des <strong>Solar</strong>systems in dieser Zeit zurückzuführen ist (vgl. Abbildung 10).<br />
Der Zapf- und Zirkulations-Deckungsanteil ist im Jahresmittel um rd. 9 %-Punkte niedriger als der<br />
Zapf-Deckungsanteil (Tabelle 5). Die für diese Differenz maßgeblichen Zirkulationsverluste betragen<br />
etwas über 70 MWh/a; sie machen knapp 30 % des Gesamtenergiebedarfs (ca. 250 MWh/a) für das<br />
Warmwassersystem aus. Pro Wohneinheit sind das Verluste in Höhe von knapp 0,9 MWh/a. Da es<br />
sich hier um einen Neubau handelt, dürfte dieser Wert in etwa die untere Grenze für die Zirkulationsverluste<br />
in einem nach heutigem Standard gebauten Mehrfamilienhaus darstellen.
- 33 -<br />
Der Gesamt-Deckungsanteil, der zusätzlich noch die Wärmeverluste des Nachheizspeichers berücksichtigt,<br />
ist gleich groß wie der Zapf- und Zirkulations-Deckungsanteil. Demnach sind die Verluste<br />
im Nachheizspeicher gering gegenüber den Zirkulationsverlusten.
- 34 -<br />
6000<br />
100<br />
5000<br />
80<br />
QSV und QVV [kWh]<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Zapf-Deckungsanteil [%]<br />
1000<br />
0<br />
0<br />
23.7<br />
6.8<br />
20.8<br />
3.9<br />
17.9<br />
1.10<br />
15.10<br />
29.10<br />
12.11<br />
26.11<br />
10.12<br />
24.12<br />
7.1<br />
letzter Tag der Messwoche (Messperiode 1997/1998)<br />
QSV: Nutzenergie <strong>Solar</strong>system QVV: Energie Zapfverbrauch Zapf-Deckungsanteil<br />
21.1<br />
Abbildung 13: Wochensummen der Nutzenergie aus dem <strong>Solar</strong>system, der Energie für Zapfverbrauch<br />
und Wochenmittelwerte des Zapf-Deckungsanteiles<br />
4.2<br />
18.2<br />
4.3<br />
18.3<br />
1.4<br />
15.4<br />
29.4<br />
13.5<br />
27.5<br />
10.6<br />
24.6<br />
8.7<br />
-20<br />
6000<br />
100<br />
QSV und (QHT+QSV) [kWh]<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Gesamt-Deckungsanteil [%]<br />
1000<br />
0<br />
0<br />
23.7<br />
6.8<br />
20.8<br />
3.9<br />
17.9<br />
1.10<br />
15.10<br />
29.10<br />
12.11<br />
26.11<br />
10.12<br />
24.12<br />
7.1<br />
Abbildung 14: Wochensummen der Nutzenergie aus dem <strong>Solar</strong>system, der Gesamtenergie zur<br />
Warmwasserbereitung und Wochenmittelwerte des Gesamt-Deckungsanteiles<br />
21.1<br />
letzter Tag der Messwoche (Messperiode 1997/1998)<br />
QSV: Nutzenergie <strong>Solar</strong>system QHT+QSV: Energie für WW-System Gesamt-Deckungsanteil<br />
4.2<br />
18.2<br />
4.3<br />
18.3<br />
1.4<br />
15.4<br />
29.4<br />
13.5<br />
27.5<br />
10.6<br />
24.6<br />
8.7<br />
-20
- 35 -<br />
7.3 Volumenstrom im Kollektorkreis<br />
Der Volumenstrom VKT (Zeile 15) der Kollektorkreispumpe ist mit 1.180 l/h (10,8 l/(hm²)) etwas niedriger<br />
als normalerweise für Low-Flow-Anlagen üblich (zumeist 12 bis 15 l/(hm²)). Im Angebot (Datenblatt)<br />
werden für den Auslegungs-Volumenstrom der Kollektorkreispumpe 1.685 l/h (15,5 l/(hm²))<br />
genannt, was deutlich höher ist als der tatsächliche Volumenstrom. Da uns keine hydraulische Berechnung<br />
des Kollektorkreises vorliegt, ist die Ursache für die Abweichung nicht nachvollziehbar.<br />
Generell gilt, dass die Kollektorkreispumpe <strong>so</strong>rgfältig zu dimensionieren ist. Dazu muss der Druckverlust<br />
des <strong>Solar</strong>kreises unter Berücksichtigung aller Einbauten (auch der Volumenzähler der Messtechnik)<br />
und des Mediums (Wasser-Glykol-Gemisch) sehr <strong>so</strong>rgfältig berechnet werden. Auch bei anderen<br />
Anlagen hat sich gezeigt, dass die tatsächliche Durchströmung niedriger ist als im Auslegungsfall,<br />
was vermuten lässt, dass der Druckverlust des <strong>Solar</strong>kreises oft zu günstig, d.h. zu gering angesetzt<br />
worden ist.<br />
Der Druckabfall von Volumenzählern kann nach folgender Formel abgeschätzt werden:<br />
p<br />
<br />
Q m³/<br />
h <br />
<br />
k V <br />
<br />
2<br />
1000<br />
mbar<br />
Nennweite DN 15 DN 20 DN 25 DN 32 DN 40<br />
k v -Wert für Wasser von<br />
Volumenzählern der Fa. Aquametro<br />
5,2 5,4 10,0 10,7 22,0<br />
Tabelle 6: k v -Werte für Flügelradzähler in wasserführenden Leitungen<br />
Die in Tabelle 6 augeführten k v -Werte gelten für Heiß-, Warm- und Kaltwasser-Flügelradzähler der<br />
Fa. Aquametro. Für den Einsatz der Flügelradzähler im Kollektorkreis (Wasser/Glykol-Gemisch) kann<br />
der berechnete Druckabfall um ca. 20 % höher angenommen werden. Hinzu kommen noch die<br />
Druckverluste für die zumeist notwendigen Reduzier- und Erweiterungsstücke.
- 36 -<br />
8 Systemkosten und garantierte Nutzenergielieferung<br />
Der Bieter hat einen Energieertrag von 55.000 kWh/a bei Standard-Auslegungsbedingungen garantiert.<br />
Da die Betriebsbedingungen (Wetter, Warmwasserverbrauch etc.) während der Messphase<br />
nicht mit denen der bei der Auslegung festgelegten Standard-Bedingungen übereinstimmen, wurde<br />
der vom Anbieter garantierte Ertrag unter Berücksichtigung der realen Betriebsbedingungen mit Hilfe<br />
des Simulationsprogrammes T*SOL korrigiert. Verschlechterungen der realen Betriebsbedingungen<br />
(schlechteres Wetter, geringerer Verbrauch) oder Verbesserungen (besseres Wetter, höherer Verbrauch)<br />
gegenüber den vorgegebenen Werten werden al<strong>so</strong> dem Anbieter weder angelastet noch<br />
gutgeschrieben. In der folgenden Tabelle 7 ist das prinzipielle Ablaufschema der Garantiekorrektur<br />
am Beispiel der ersten Messperiode skizziert. Das vollständige Berechnungsblatt zeigt Tabelle 9 am<br />
Ende dieses Kapitels.<br />
Zeile Wert Ertrag Systemnutzungsgrad<br />
1)<br />
1 Angabe (Garantie) des Anbieters aufgrund der Planungsvorgaben<br />
55.000 kWh/a 37,83 % 1)<br />
2 Ergebnis <strong>ZfS</strong>-Simulation mit Standardvorgaben 60.950 kWh/a 41,87 %<br />
3 Faktor Garantie zu <strong>ZfS</strong>-Simulation [Zeile 1 / Zeile 2] 0,9024 0,9033<br />
4 Ergebnis <strong>ZfS</strong>-Simulation mit realen Betriebsbeding. 61.395 kWh/a 42,76 %<br />
5 korrigierte Simulation real=korr. garantierter Ertrag<br />
[Ergebnis <strong>ZfS</strong>-Sim. real (Zeile 4) Faktor in Zeile 3]<br />
55.402 kWh/a 38,63 %<br />
6 Messergebnis 17.7.97 bis 16.7.98 56.574 kWh/a 37,69 %<br />
7 Verhältnis Messergebnis (Zeile 6) zu korrigierter<br />
Simulation real (Zeile 5)<br />
102,12 % 97,57 %<br />
Wird berechnet als Quotient aus dem garantierten Ertrag und dem vom Anbieter in das Datenblatt "Jahresnutzenergieertrag<br />
der <strong>Solar</strong>anlage" eingetragenen Wert für die Strahlung auf die geneigte Kollektorfläche<br />
(ergibt sich aus dem Simulationsprogramm und den Daten für die horizontale Strahlung)<br />
Tabelle 7: Prinzipielles Ablaufschema zur Bestimmung der Garantieerfüllung<br />
Die Garantie gilt als erfüllt, wenn einer der beiden Werte in Zeile 7 größer oder gleich 90 % ist. Da<br />
der Energieertrag zu über 102 % und der Systemnutzungsgrad zu rd. 97,6 % erfüllt sind, wurde die<br />
Garantie des Bieters in der ersten Jahres-Messperiode gut eingehalten.<br />
Eine Übersicht über die angebotenen (bzw. garantierten) und tatsächlichen Systemkosten, Nutzenergieerträge<br />
und die <strong>so</strong>laren Wärmepreise zeigt Tabelle 8. Mit dem garantierten Nutzenergieertrag von<br />
55.000 kWh und den angebotenen Brutto-Systemkosten (82.318 € inkl. Planung und inkl. MwSt.)<br />
ergibt sich ein garantierter Wärmepreis für die <strong>Solar</strong>wärme von 0,131 €/kWh (Annahme: 8,72 % Annuität<br />
bei Annahme von 20 Jahre Lebensdauer und 6 % Zins), der damit am oberen Limit der Vorgaben<br />
in <strong>Solar</strong>thermie-2000, Teilprogramm 2 liegt. Da die angebotenen Kosten auch abgerechnet wurden<br />
und der reale Nutzenergieertrag im 1. Messjahr über dem Garantiewert liegt, ergibt sich ein realer<br />
Wärmepreis von 0,127 €/kWh.
- 37 -<br />
Bei den <strong>so</strong>laren Wärmekosten wurden gemäß Definition des Rechenganges in <strong>Solar</strong>thermie-2000 die<br />
Betriebs- und Wartungskosten nicht integriert und die eingesparte Gasmenge nicht gegengerechnet.<br />
Diese Faktoren erhöhen bzw. vermindern die Kosten der <strong>Solar</strong>wärme. Die zusätzliche Berücksichtigung<br />
beider Positionen ergibt Mehrkosten für die genutzte <strong>Solar</strong>wärme gegenüber der konventionellen<br />
Wärmeerzeugung von rd. 0,11 €/kWh.<br />
angebotene Kosten<br />
- <strong>Solar</strong>system ohne MwSt.<br />
64.467 €<br />
- Planung ohne MwSt.<br />
7.114 €<br />
- <strong>Solar</strong>system inkl. Planung, ohne MwSt.<br />
71.581 €<br />
<strong>Solar</strong>system inkl. Planung, inkl. 15 % MwSt. 1) 82.318 €<br />
abgerechnete Kosten des <strong>Solar</strong>systems (inkl. Planung, inkl. 15 % MwSt. 1) )<br />
jährliche Kapitalkosten bei 20 a Lebensdauer und 6 % Zins (8,72 % Annuität)<br />
82.315 €<br />
7.178 €<br />
garantierter Energieertrag aus <strong>Solar</strong>system<br />
tatsächlicher Ertrag 1. Messperiode<br />
Wärmepreis bei 8,72 % Annuität inkl. Planung, inkl. MwSt. für<br />
- angebotene Kosten und garantierten Ertrag<br />
- tatsächliche Kosten und tatsächlichen Ertrag (1. Messperiode)<br />
55.000 kWh/a<br />
56.574 kWh/a<br />
0,131 €/kWh<br />
0,127 €/kWh<br />
1) 15 % MwSt. zum Zeitpunkt der Auftragsvergabe<br />
Tabelle 8:Angebotene, garantierte und tatsächliche Energieerträge, Systemkosten und<br />
Wärmepreise im ersten Messjahr
- 38 -<br />
Berechnung zum Garantieertrag<br />
Objekt: München Baumgartnerstraße<br />
Messperiode: 17.7.1997 - 16.7.1998<br />
Berechnungen durchgeführt von:<br />
<strong>ZfS</strong>- Rationelle Energietechnik GmbH<br />
benutztes Simulationsprogramm: T*SOL 3.1<br />
Einheit Wert Anmerkungen Abweich.<br />
Garantie des Erstellers anhand der in den Randbedingungen vorgegebenen Werte<br />
1 Warmwasserverbrauch m 3 /a 2.743 vorgegeben<br />
2 Strahlungsenergie horizontal kWh/(a·m 2 ) 1.174,4 vorgegeben (T*SOL München)<br />
3 Strahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche kWh/a 145.405 vom Bieter angegeben<br />
4 garantierter Ertrag (QNutz gar ) kWh/a 55.000 vom Bieter garantiert<br />
5 garantierter Sytemnutzungsgrad (g SB gar ) % 37,83 g SB gar = (A4/A3)·100%<br />
6<br />
7 Ergebnis mit T*SOL unter fiktiven Betriebsbedingungen (vorgegebene Werte)<br />
8 Warmwasserverbrauch m 3 /a 2.743 vorgegeben<br />
9 Strahlungsenergie horizontal kWh/(a·m 2 ) 1.174,4 vorgegeben (T*SOL München)<br />
10 Strahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche kWh/a 145.559 mit T*SOL berechnet<br />
11 Ertrag (QNutz T*SOL,fiktiv ) kWh/a 60.950 mit T*SOL berechnet<br />
12 Sytemnutzungsgrad (g T*SOL,fiktiv SB ) % 41,87 g T*SOL,fiktiv SB = (A11/A10)·100%<br />
13 Faktor Ertrag 0,9024 Faktor Ertrag = A4/A11<br />
14 Faktor Systemnutzungsgrad (Faktor g SB ) 0,9033 Faktor g SB = A5/A12<br />
15 Der garantierte Ertrag des Erstellers (QNutz gar) und der garantierte Systemnutzungsgrad (g gar SB ) weichen um die<br />
16 o.g. Faktoren von der T*SOL-Nachrechnung der <strong>ZfS</strong> ab. Um diese Faktoren hat der Ersteller den Ertrag und den<br />
17 Systemnutzungsgrad der <strong>Solar</strong>anlage (verglichen mit T*SOL) abweichend bewertet.<br />
18<br />
19 Ergebnis mit T*SOL unter realen Betriebsbedingungen (Messwerte)<br />
20 Warmwasserverbrauch (VV) m 3 /a 3.083 gemessen 12,40%<br />
21 spezifische Strahlungsenergie horizontal (EIT2) kWh/(a·m 2 ) 1.165,0 gemessen -0,80%<br />
22 Strahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche kWh/a 143.578 mit T*SOL berechnet -1,36%<br />
23 Ertrag (QNutz T*SOL,real ) kWh/a 61.395 mit T*SOL berechnet<br />
24 Systemnutzungsgrad (g T*SOL,real SB ) % 42,76 g T*SOL,real SB = (A23/A22)·100%<br />
25<br />
26 Umrechnung der T*SOL-Ergebnisse unter realen Betriebsbedingungen mit Faktoren<br />
27 Korrigierter Ertrag bei realem Betrieb (QNutz korr ) kWh/a 55.402 QNutz korr = A23·A13<br />
28 Korrigierter Systemnutzungsgrad bei realem Betrieb (gSB korr ) %<br />
korr<br />
38,63 g SB = A24·A14<br />
29 Das Ergebnis aus der T*SOL-Rechnung unter realen Betriebsbedingungen wird mit den o.a. Faktoren umgerechnet,<br />
30 um <strong>so</strong> den Unterschied zwischen der Bietergarantie und dem Ergebnis mit T*SOL unter fiktiven Betriebsbedingungen<br />
31 in die Bewertung der Messergebnisse einfließen lassen zu können.<br />
32<br />
33 Messergebnisse unter realen Betriebsbedingungen<br />
34 Warmwasserverbrauch (VV) m 3 /a 3.083 gemessen<br />
35 spezifische Strahlungsenergie horizontal (EIT2) kWh/(m 2 *a) 1.165,0 gemessen<br />
36 Strahlungsenergie auf aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche (EITK) kWh/a 150.113 gemessen<br />
37 gemessener Ertrag (QNutz) kWh/a 56.574 gemessen<br />
38 gemessener Systemnutzungsgrad (g SB ) % 37,69 g SB = (A37/A36)·100%<br />
39<br />
40<br />
41 Ergebnis:<br />
42 erreich. Energie in % von umger. T*SOL-Ergebnis % 102,12 erreich. Energie = (A37/A27)·100%<br />
43 erreich. g SB in % vom umgerechneten T*SOL-Ergebnis % 97,57 erreich. g SB = (A38/A28)·100%<br />
44 Garantie erfüllt<br />
Die Abweichungen zwischen den Prozentsätzen von erreichter Energie und erreichtem Systemnutzungsgrad (Zeile 42,<br />
43) sind begründet durch die Umrechnung mit T*SOL von der gemessenen horizontalen Strahlung in die (mit<br />
Umrechnungsfehlern behaftete) Strahlung auf die aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche im Vergleich zu der tatsächlichen gemessenen<br />
(mit Messfehlern behafteten) Strahlungsenergie auf die aktive Ab<strong>so</strong>rberfläche (Zeile 22, 36).<br />
Liegt einer der beiden oben angegebenen Prozentsätze über 90 %, <strong>so</strong> gilt die Garantie als erbracht.<br />
Tabelle 9: Ausführliches Datenblatt zur Bestimmung der Garantieerfüllung
- 39 -<br />
9 Vergleich der Betriebsergebnisse aus den ersten drei Messjahren<br />
In Tabelle 10 sind Auslegungsdaten und die wichtigsten Ergebnisse von drei Messperioden (MP1 bis<br />
MP3) gegenübergestellt.<br />
Messperiode<br />
Strahlung auf das Kollektorfeld<br />
MWh<br />
kWh/(a·m²)<br />
Auslegung/<br />
Garantie<br />
145,5<br />
1.332<br />
17.7.97-<br />
16.7.98<br />
MP1<br />
150,1<br />
1.375<br />
17.7.98-<br />
16.7.99<br />
MP2<br />
137,9<br />
1.263<br />
17.7.99-<br />
16.7.00<br />
MP3<br />
145,6<br />
1.335<br />
Jahres-Zapfverbrauch Warmwasser m³ 2.737 3.083 3.293 2.853<br />
Auslastung <strong>Solar</strong>anlage (Jahresmittel) l/(dm²) 68,8 77,4 82,8 71,7<br />
Jahresertrag <strong>so</strong>lare Nutzenergie MWh 55,0 56,6 48,1 47,1<br />
Jahresmittel Systemnutzungsgrad % 37,8 37,7 34,8 32,4<br />
<strong>so</strong>larer Zapf-Deckungsanteil % - 31,7 27,6 28,1<br />
<strong>so</strong>larer Gesamt-Deckungsanteil % - 22,4 19,6 18,7<br />
Arbeitszahl des <strong>Solar</strong>systems - - 46,2 36,5 38,4<br />
korr. garantierter Jahres-<strong>Solar</strong>ertrag MWh - 55,4 48,2 -<br />
korr. garant. Systemnutzungsgrad % - 38,6 37,2 -<br />
erreichter Anteil vom korrigierten<br />
garantierten <strong>Solar</strong>ertrag<br />
erreichter Anteil vom korrigierten<br />
garantierten Systemnutzungsgrad<br />
% 100 102,1 99,8 -<br />
% 100 97,6 93,8 -<br />
<strong>so</strong>larer Wärmepreis (8,72 % Annuität) €/kWh 0,131 0,127 0,149 0,152<br />
Tabelle 10: Auslegungsdaten und Betriebsergebnisse verschiedener Messperioden<br />
Der Nutzenergieertrag ging im 2. Messjahr (17.7.98 bis 16.7.99) trotz höherer Auslastung<br />
(82,8 l/(dm²)) auf 48,1 MWh zurück. Hauptgrund hierfür ist die geringere Einstrahlung von nur<br />
1.263 kWh/(a·m²), die deutlich unter den Werten der Auslegung und des 1. Messjahres liegt. Der<br />
Wärmepreis erhöht sich dadurch auf rd. 0,149 €/kWh. Dennoch wurde auch im 2. Messjahr der Garantiewert<br />
im Rahmen der akzeptierten Toleranzen (> 90 %) gut eingehalten.<br />
Im 3. Messjahr ist die Jahres-Strahlungsenergie fast gleich groß wie der Auslegungswert, der gemessene<br />
Zapfverbrauch bzw. die Auslastung liegen etwas darüber. Dennoch liegen der Nutzenergieertrag<br />
(47,1 MWh) und der Systemnutzungsgrad (32,4 %) deutlich unter den garantierten Werten von<br />
55 MWh bzw. 37,8 % und auch unter den gemessenen Werten der Vorjahre. Der Wärmepreis liegt<br />
im 3. Messjahr deshalb über 0,15 €//kWh.<br />
Eine Ursache für den Minderertrag ist der Rückgang des Warmwasserverbrauchs, der bei einer Auslastung<br />
von 71,7 l/(d·m²) zwar noch voll in dem Bereich liegt, um die <strong>Solar</strong>anlage als Vorwärmsystem<br />
betreiben zu können, jedoch der niedrigste aller drei Messjahre ist. Die andere Ursache ist ein Rückgang<br />
des Volumenstroms im Speicherladekreis auf 680 l/h und im Kollektorkreis auf 750 l/h. Der Volumenstrom<br />
im Kollektorkreis ging zurück, weil ein Schmutzfänger verschmutzt war und in einem der<br />
beiden Ausdehnungsgefäße (2 x 200 l) die Membrane gerissen war. Im Ladekreis war die Sekundär-
- 40 -<br />
seite des Ladewärmetauschers verkalkt. Nach Spülung des Wärmetauschers (eine Zerlegung und<br />
<strong>man</strong>uelle Reinigung des Tauschers ist nicht möglich, da er gelötet ist) erreichte der Volumenstrom<br />
wieder den normalen Wert. Der Schmutzfänger im Ladekreis war im Übrigen sauber. Weiterhin wurde<br />
der Entladewärmetauscher aufgeschraubt und die Platten gereinigt. Hier waren die Platten primärseitig<br />
sauber, jedoch befand sich auf der Trinkwasserseite eine Kalkschicht, die entfernt wurde.<br />
Für das 3. Messjahr wurde keine Garantieberechnung mehr durchgeführt, da die Detailmessphase<br />
nach dem 2. Messjahr zunächst abgeschlossen wurde. Eine grobe Abschätzung zeigt jedoch, dass<br />
der Nutzenergieertrag und der Systemnutzungsgrad im Rahmen des Planwertes gelegen hätten,<br />
wenn die Defekte nicht aufgetreten wären.<br />
10 Optimierungen nach der dritten Messperiode<br />
Im Jahre 2002 ist die Entladepumpe bereits zum zweiten Mal ausgefallen und musste ausgetauscht<br />
werden. Die notwendige Reparatur wurde zum Anlass genommen, eine Reihe von Optimierungen an<br />
der <strong>Solar</strong>anlage vorzunehmen. Folgende Umbauten und Optimierungen wurden durchgeführt:<br />
<br />
<br />
Einbau neuer Pumpen<br />
Der notwendige Austausch der Puffer-Entladepumpe P3 wurde zum Anlass genommen die Volumenströme<br />
auf beiden Seiten des Entladewärmetauschers neu anzupassen. Das Fördervolumen<br />
beider Pumpen <strong>so</strong>llte normalerweise auf beiden Seiten des Wärmetauschers gleich große sein,<br />
weil dann <strong>so</strong>wohl die Abkühlung des Pufferwassers als auch die Erwärmung des Trinkwassers im<br />
Vorwärmspeicher optimal mit dem größtmöglichen Temperaturabbau bzw. -hub erfolgt.<br />
Die neuen Pumpen wurden <strong>so</strong> ausgewählt, dass ihr Fördervolumen ca. 50 bis 70 % der üblicherweise<br />
auftretenden Zapfspitze (1,7 bis 1,8 m³/h) abdeckt. Für die <strong>Solar</strong>anlage in der Baumgartnerstraße<br />
entspricht dies einem Volumenstrom von ca. 1,1 m³/h. Zuvor lagen die Volumenströme von<br />
P3 bei 4,3 m³/h und von P4 bei 2,3 m³/h (vgl. Tabelle 5).<br />
Um die Temperaturbelastung zu verringern, wurde P3 gleichzeitig in den Rücklauf (Kaltseite) des<br />
Entladekreises montiert (wie in Abbildung 5 gezeichnet). Die alte Pumpe befand sich im Vorlauf.<br />
Entlüftung des Pufferspeichers<br />
Die Entlüftung des Puffers erwies sich immer wieder als problematisch und es bildeten sich in unregelmäßigen<br />
Zeitabschnitten Luftblase im Pufferkreis. Deshalb wurde ein ca. 5 Liter großer Entspannungstopf<br />
an die höchste Stelle des Entladekreises eingebaut. Oben auf dem Topf befindet<br />
sich ein Automatikentlüfter. Zuvor befand sich im Entladekreis nur ein Entlüftungsventil ohne Entspannungstopf.<br />
Die Luft im Pufferkreis war möglicherweise auch der Grund für den zweimaligen<br />
Ausfall der Entladepumpe (Kavitation).
- 41 -<br />
<br />
<br />
Justierung der Regelfühler für die Laderegelung<br />
Der Regelfühler F1 am Kollektor wurde <strong>so</strong> versetzt, dass er nun ca. 3 cm in den Sammler des letzten<br />
Kollektors der vorderen Kollektorreihe hineinragt. Zuvor endete die Fühlerspitze ca. 5 cm vor<br />
dem Sammler. Der Regelfühler F2 im Puffer unten wurde auf die gleiche Höhe wie der Eingang<br />
des Entladekreis-Rücklaufs in den Puffer gelegt. Die alte Fühlerposition befand sich ca. 10 cm<br />
über dem Rohrstutzen in einer Tauchhülse. Da der Einbau einer 10 cm tiefer liegenden Tauchhülse<br />
sehr aufwändig gewesen wäre, wurde für die neue Position ein Anlegefühler benutzt. Die Kollektorkreispumpe<br />
läuft durch beide Maßnahmen länger, da sie nun früher ein- und später ausschaltet.<br />
Rohleitungsanschluss am Puffer<br />
Die Rohrleitung des Ladekreis-Vorlaufs wurde an einen freien Rohrstutzen im oberen Drittel des<br />
Puffers versetzt. Ursprünglich war die Rohrleitung an einen Stutzen im unteren Drittel angeschlossen.<br />
Durch den Umbau wird die Bildung der Temperaturschichtung im Puffer begünstigt.<br />
Eine Steigerung der Anlageneffektivität durch die genannten Optimierungen konnte zwar nicht nachgewiesen<br />
werden, die Optimierungen verbessern aber in jedem Fall die Betriebssicherheit.
- 42 -<br />
11 Literatur<br />
/1/ Peuser, F. A.; Croy, R.; Schumacher, J.; Weiß, R.:<br />
Langzeiterfahrungen mit thermischen <strong>Solar</strong>anlagen (Abschlussbericht zu <strong>Solar</strong>thermie-2000,<br />
Teilprogramm 1); vergriffen<br />
/2/ Peuser, F.A.; Remmers, K.-H.; Schnauss, M.:<br />
Langzeiterfahrung <strong>Solar</strong>thermie - Wegweiser für das erfolgreiche Planen und Bauen von<br />
<strong>Solar</strong>anlagen; Herausgeber: <strong>Solar</strong>praxis Supernova AG, Torstraße 177, D-10115 Berlin; 2001;<br />
ISBN 3-934595-07-3; 448 Seiten; 49,00 €<br />
/3/ <strong>Solar</strong>thermie-2000; Informationen zusammengestellt vom Projektträger Jülich (PTJ)<br />
Bezug: Projektträger Jülich (PTJ) im Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425 Jülich<br />
/4/ Peuser, F. A.; Croy, R.; Rehr<strong>man</strong>n, U.; Wirth, H. P.:<br />
<strong>Solar</strong>e Trinkwassererwärmung mit Großanlagen - Praktische Erfahrungen<br />
Herausgeber: Fachinformationszentrum Karlsruhe; TÜV Verlag 1999; ISBN 3-8249-0541-8<br />
/5/ Info-Flyer "<strong>Solar</strong>anlage zur Trinkwassererwärmung - Wohngebäude Baumgartner-/Ganghoferstraße<br />
in München"; Bezug über <strong>ZfS</strong><br />
/6/ Geförderter Wohnungsbau in München; Niedrigenergiehaus Baumgartner-/Ganghoferstraße;<br />
als Broschüre gedruckt, Juli 1997<br />
Herausgeber: Gemeinnützige Wohnstätten- und Siedlungsgesellschaft mbH (GWG) und Landeshauptstadt<br />
München, Referat für Stadtplanung und Bauordnung, Stadtsanierung und Wohnungsbau<br />
HA III
- 43 -<br />
12 Adressen<br />
Programm-/Projektförderung<br />
Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)<br />
(vormals Förderung durch BMBF und BMWA)<br />
Projektabwicklung und Informationen zum Programm <strong>Solar</strong>thermie-2000<br />
Projektträger Jülich (PTJ) des BMU, BMBF und BMWA; Außenstelle Berlin<br />
Postfach 61 02 47; 10923 Berlin<br />
Wissenschaftlich-technische Programmbegleitung<br />
<strong>ZfS</strong> - Rationelle Energietechnik GmbH<br />
Verbindungsstr. 19; 40723 Hilden<br />
Eigentümer der <strong>Solar</strong>anlage<br />
Gemeinnützige Wohnstätten- und Siedlungsgesellschaft mbH (GWG)<br />
Sonnenstr. 15; 80331 München<br />
Planung der <strong>Solar</strong>anlage<br />
Ing.-Büro Huber<br />
Barmseestr. 2; 81477 München<br />
Installation der <strong>Solar</strong>anlage<br />
Sulzer Infra München
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