SOLARTHERMIE 2000plus Forschungsgruppe NET … · Berechnung mit Simulationsprogramm (z.B. T°Sol,...

SOLARTHERMIE 2000plus

Klimaschutz_konkretOEA KEA

Offenburg 21.10.09

Prof. E. BollinForschungsgruppe NET

Fachberater für Solare

Energiesysteme

F li N UA030

Solare Wärme für Großanlagen zumHeizen und Kühlen -

Erfahrungen aus dem Programm Solarthermie ST2000plus

Prof. Prof. Elmar Bollin Elmar Bollin Forschungsgruppe NET derForschungsgruppe NET der

Hochschule OffenburgHochschule Offenburg



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Energiesysteme

Solarthermie2000plus

Solare Trinkwassererwärmung

Solare Gebäudeheizung

Thermische Kühlung

Solare Kühlung bei der Festo AG

Inhaltsübersicht



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Energiesysteme

Solarthermischer Energiewandler Flachkollektor

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Energiesysteme

Solarthermischer Energiewandler Sydney-Vakuumröhrenkollektor: Prinzip Thermoskanne

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Energiesysteme

Solarpraxis Berlin

Vakuum-Röhrenkollektor mit CPC Spiegel

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Energiesysteme

Solarthermische Großanlage zur Demonstration

Forschungsprogramm Solarthermie 2000 und 2000plus



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Energiesysteme

• Kombinierte Trinkwassererwärmung und Raumheizung

• Wärmenetze mit Langzeitwärmespeicher

• Solar unterstützte Nahwärmenetze

• Kombination von Solarwärme mit Geothermie, Abwärme oder Biomasse

• Solare Kühlung mit Trinkwassererwärmung und Heizung

• Solare Prozesswärme im Niedertemperaturbereich

www.solarthermie2000plus.de

Förderfähige Solarsysteme in ST2000plus:

http://www.solarthermie2000plus.de/



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Energiesysteme

Aufgaben der Hochschule Offenburg

• Untersuchung der Praxistauglichkeit großer Solaranlagen• Beratung bei Anlagenplanung, –ausschreibung und

Installation• Planung und Installation eines Mess- und Auswerte-

systems• Messdatenerfassung und -auswertung • Überwachung und Beurteilung des Anlagenbetriebs• Fehleranalyse und Optimierungsvorschläge• Überprüfung der Energiegarantie• Detaillierte Untersuchung von Systemkomponenten• Veröffentlichung der Ergebnisse

Wissenschaftlich-technische Begleitung:



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Energiesysteme

Objektdarstellung Wilmersdorfer Str., Freiburg



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Energiesysteme

Errichtung der Solaranlage im Januar 2001 auf den Flach-dächern von zwei sanierten Wohngebäuden der Familienheim Freiburg Baugenossenschaft e.G.Standort der zwei neungeschossigen Gebäude ist die Wilmersdorfer Str. 3/5 in Freiburg-BetzenhausenSolaranlage unterstützt 14 Gebäude der Familienheim Freiburg bei der Trinkwassererwärmung257 Wohnungen mit ungefähr 600 Bewohner erhalten solar erwärmtes Trinkwasser von der Heizzentrale

Objektbeschreibung Wilmersdorfer Str., Freiburg



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Energiesysteme

Trinkwasserversorgung:

14 Wohngebäude in der Wilmersdorfer Str. und Charlottenburger Str.

Trinkwasserversorgung durch die Solaranlage



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Energiesysteme

Kennwerte:

Kollektorfläche: 228,2 m²

Ausrichtung: 0° Süd

Neigung: 30 °

Pufferspeicher: 2 x 4.500 l

Kosten:

System: 215.638 € (945 €/m²)

Messsystem: 49.687 €

Förderung: 60,14 %

Messergebnisse:

Solarertrag: 123.945 kWh(544 kWh/m²)

Nutzungsgrad: 39 %

Deckungsanteil: 42,9 %

mit Zirkulation: 20,8 %

Wärmekosten: 0,13 €/kWh

Daten und Messergebnisse



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Energiesysteme

2 x 4.500 l

2.000 l

2.000 l

Hydraulisches Schema der Solaranlage



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Bitumen-Isolierung

Kupfer-DachStahlpfosten

Aluminium-Träger

Dachinstallation der Solaranlage



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Energiesysteme

Erdverrohrung zwischen den Solaranlagen



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Energiesysteme

Messpunkte der Solaranlage



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Energiesysteme

Darstellung der Messergebnisse Vorort



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Energiesysteme

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EITK

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kWh/

m²d

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%

EITK: Strahlungsenergie auf Kollektorebene Q SV: N utzenerg ie des Solarsys tem sSystem nut zungsgrad solarer Deckungsant e il

Systemnutzungsgrad und solarer Deckungsanteil vom 1.1.2008 – 31.12.2008



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Energiesysteme

6

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3

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0 50 100 150 200 250

Kollektoren

Aufständerung

Kollektormontage inkl. Verrohrung

Verrohrung Kollektorfelder / WT

Wärmetauscher

Solare Pufferspeicher

Verrohrung Aggregate Keller

Regelung

Wärmeträgerfüllung

Sonstige Komponenten

Inbetriebnahme

Planung

Spezifische Kosten in €/m² ohne MwSt



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Kosten Systeminstallation (ohne MwSt) 157.603,91 €

Planungskosten (ohne MwSt) 25.793,67 €

Gesamtkosten (incl. MwSt) 212.741,19 €(932 €/m²)

Jährlicher Solarertrag (2003) 137.680 kWh(604 kWh/m²)

Wärmekosten 0,135 €/kWh

Wärmekosten = [(Gesamtkosten x Annuität) / Solarertrag]

Annuität = 8,72 %, basierend auf 20 Jahren Systemlebensdauer and 6% Zinssatz.

Investitionskosten / Wärmekosten Wilmersdorfer Str. Freiburg



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Energiesysteme

Installateur gibt Garantie ab

Garantie auf Basis vordefinierter Werte- Wetter- Warmwasserverbrauch (Trinkwasser)- Neu: Wärmebedarf (Raumheizung etc.)

Berechnung mit Simulationsprogramm (z.B. T°Sol, TRNSYS, Polysun)

Nach einem Jahr : Überprüfung der Energiegarantie

Vergleich des Garantieertrags mit dem gemessenen Ertrag

Basis: gemessene Wetterdaten, Wärmeverbrauch T°Sol, (TRNSYS, Polysun)

Bei unterschreiten des Garantieertrags um mehr als 10% muss derInstallateur nachbessern

Energiegarantie



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Mo - Fr Sa

Verbrauch in Liter bei 45°C Speichertemperatur


Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus:Wochentage Mo – Fr und Sa in Liter bei 45 °C



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Energiesysteme

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Verbrauch in m³ bei 45°C Speichertemperatur

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Verb

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60°

C

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So


Verbrauch in m³bei 45°C Speichertemperatur

Verbrauch in Liter bei 45 °C bzw. m³

Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus:Wochentage So und Jahresverlauf



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Energiesysteme

Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trinkwassererwärmung : Direkterwärmung



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2 x 4.500 l

2.000 l

2.000 l

Nach-heizung

ZulaufTrinkwasser

Vorwärm-

(Solar-)

speicher

Duschwassererwärmung Beckenwassererwärmung

Schwimmbecken

Schwallwasserbehälter

ZulaufFrischwasser

PumpeKollektorkreis

PumpeSpeicherladekreis

Nach-heizung

VerbraucherNachheiz-

speicher

M

M

PotableWater

Fresh Water

Swimming Pool

Reservoir of used water

Boiler

Potable Water Heating (Showers) Swimming Pool Heating

Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trink- und Schwimmbadwassererwärmung 25



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Anlagenmonitoring für Besucher: Display



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Energiesysteme

Messstellenplan Anlagen-Monitoring Stadtklinik Baden-Baden



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Energiesysteme

Messwerterfassung und Datenübertragung

19,4

57,6

46,2

52,5

41,4

41,4

51,8

47,8

61,2

12,4

67,0

53,3

61,8

67,0 67,0

0,2

0,0

53522827134309

95791825

69,168,868,5

68,746,5 61,1

39,7

57,4

39,2

2,2

2,2 2,1

7,3

2,1

Anlagenmonitoring



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Energiesysteme

Kurvendiagramm

und Carpet-Plot.

Anlagenevaluation: Wilmersdorfer Str. Freiburg Solare Einstrahlung des Jahres 2008 als



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Jährlicher spez. Solarertrag je Anlage und Jahr im Vergleich zur projektbegleitenden Simulation



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Vergleich der solare Zapfdeckungsrate je Anlage und Jahr 31



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Energiesysteme

32

Vergleich der Systemnutzungsgrade je Anlage und Jahr im Vergleich zur Garantie



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Mittlere Kollektorauslastung in Liter Trinkwarmwasser pro m²-Kollektor und Tag je Anlage



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Verteilung der spez. Kosten je Anlage34



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Energiesysteme

Jährlicher spez. Solare Wärmekosten je Anlage im Vergleich 35



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Energiesysteme

Vorteile eines dynamischen Anlagenmonitorings:

Übersicht über Energieverbräuche

Bewertung des Betriebs: Benchmarking

Überprüfung der Herstellerangeben

Ermittlung von Ausreißern und dessen Analyse

Validierung von Planungswerten

Sicherstellung der Ziele nachhaltiger Energieversorgung

Qualitätsmanagement



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Solarunterstützte-CO2-neutrale Nahwärmeversorgung in Holzgerlingen



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• Neubaugebiets Hülben in Holzgerlingen

• 44 Einfamilienhäuser, 36 Wohneinheiten in MFH, Kindergarten

• Gesamtwohnfläche bzw. Nutzfläche : 9.600 m²

Solare Nahwärmenutzung in Holzgerlingen



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Holzpelletkessel (540 KW)

kombiniert mit einer 249 m²

großen Solar-

Flachkollektoranlage

Solare Nahwärmenutzung in Holzgerlingen



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Nord

Süd

Anlagenschema Holzgerlingen



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Beginn der Messungen:1.1.2008

Start des Garantiejahres: 1.8.2008

Erste Ergebnisse: Heiz- und Kühlbetrieb 08/09

Solarthermische angetriebene Kühlung bei der Festo AG

http://www.festo.com/



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Ansichten Festo-Anlage



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Solarthermische Adsorptions-Kühlung



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Solarthermische Kältemaschine44



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45Thermisch angetriebene Kältemaschinen



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nachDr.-Ing. Jürgen Röben

Sorptionsmechanismen: Ad- und Absorption und Desorption



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Hygroskopische Feststoffe

Silicagel als Adsorber47



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Offene Metallschwammstruktur mit Kieselgelfüllung für Sorptive Speicher Quelle: Fraunhofer ISE

Silicagel besteht hauptsächlich aus Quarz (SiO2) und hat eine innere Oberfläche von 300 – 800 m²/g (Quelle BINE)

Silicagel



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49Adsorptionskältemaschine



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www.gbunet.dewww.gbunet.de

50Adsorptionskältemaschine



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Beachte:

Prozess läuft im

Vakuum ab!

20.10.2009 51Adsorptionskältemaschine



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Diskontinuierlicher Betrieb der Adsorptionskältemaschine 52



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Solarthermische Kühlung: Hydraulikschema Festo-Anlage



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Technische Daten Festo Anlage54



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Kollektoraustritt

Kollektoreintritt

Kollektorertrag

Quelle: Paradigma Deutschland GmbH

Ergebnisse vom 24.2.2008: Betriebsdaten55



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56Ergebnisse vom 29.2.2008: Fehlströmungen bei Nacht



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Quelle: Paradigma Deutschland GmbH

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Verlauf von Kollektorein- und -austrittstemperaturen sowie der Speichertemperatur während des Frostschutz-Betriebs. Die

Kollektoraustrittstemperatur wird immer auf mindestens 5 °C gehalten.



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Zusammenhang zwischen mittlerer Speichertemperatur des Tages undWärmeverluste an das Kollektorfeld bei Frostschutzbetrieb



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Tageszeit Überhitzung Temperatur in °CDatum

Ergebnisse : Carpetplot Kollektortemperaturen 59



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Stillstandsverhalten der Solaranlage der solaren Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen am 17.08.08



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Quelle: zafh.net Hochschule für Technik Stuttgart

61Einfluss der Rückkühltemperatur auf den COP der

Adsorptionskältemaschine (Messwerte)



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Energiesysteme

Bisherige Messergebnisse (1.8.2008 –31.7.2009)



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Grafische Darstellung der wichtigsten Messdaten des Intensivmessjahres vom 1. August 2008 bis 31. Juli 2009



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Energiesysteme

Seit 1.1.2008 läuft die weltgröße solarthermische Adsorptions Kühlanlage bei Festo AG & Co. KG nahezu problemlos.

Der von Kollektorhersteller garantierte Jahresertrag von 500 MWhwurde bereits Ende September 2008 erreicht!

Der solare Deckungsanteil beträgt im Sommer 6,3 %.

Wegen begrenzter Dachfläche ist auch die Kollektorfläche begrenzt.

Deckungsanteil regenerativ gesamt (mit Kompressorabwärme) beträgt 45 %.

Solarsystem mit Vakuumröhrenkollektoren mit Wasserfüllung hat sich bewährt.

Zusammenfassung und Ausblick:64



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Energiesysteme

Solarthermisches Heizen und Kühlen

eine große technische Herausforderung und wichtiger Bestandteil einer Nachhaltigen Wärme- und

Kälteversorgung

Folie Nr UA030



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Energiesysteme

Anlagenschema im Detail



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Energiesysteme

Undichtigkeiten im Kollektorfeld

2007 2008

Langzeitmonitoring: Ergebnisse 1



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Kostenverteilung Solaranlage Holzgerlingen

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