IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 4/1998, Seite 40 ff.
SANITÄRTECHNIK
Thermische Solarenergienutzung im Niedertemperaturbereich
Dr. Ulrich Schirmer*, Dr. Jens Göring* Teil 3
Die ersten beiden Teile dieser dreiteiligen Artikelfolge** befaßten sich mit den Komponenten einer thermischen Solaranlage, den Anlagensystemen und ihre jeweiligen Einsatzzwecke und Einsatzgrenzen. Der vorliegende
3. Teil untersucht große Solaranlagen mit Kollektorflächen über 100 m2, die zur Brauchwassererwärmung eingesetzt werden.
4. Erfahrungen bei der Planung und bei der Errichtung
Sowohl bei kleinen als auch bei großen Solaranlagen stellen die Anlagen zur Brauchwassererwärmung zahlenmäßig die bedeutendste Anwendung dar. Die Entwicklung in den letzten 15 bis 20 Jahren hat bei den Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung vielfältige Konstruktionsvarianten und Anlagentypen hervorgebracht. Im Vordergrund stand und steht immer wieder das Bemühen, bei möglichst günstigen Anlagenkosten den solaren Energieertrag zu erhöhen, was inzwischen zu einem erfreulich hohen Standard bei der Anlagentechnik geführt hat. Trotz dieser sehr positiven Entwicklung gibt es bei der Planung und bei der Errichtung von großen Solaranlagen immer noch erhebliche Defizite.
Bild 15: Schema einer großen Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit Puffer-, Brauchwasserspeicher und externen Wärmeübertragern (Beispiel Solaranlage im Gewerblichen Schulzentrum für Technik in Zschopau).
Große Solaranlagen mit Kollektorflächen über 100 m2 sind nicht einfach große Kleinanlagen. Sie setzen je nach Größe eine gezielte Planung voraus und erfordern ganz spezielle Anlagentechniken. Darüber hinaus bieten sich bei Großanlagen sehr gute Möglichkeiten, Kosten zu reduzieren.
Typische Anwendungsfälle für große Solaranlagen mit Kollektorflächen über 100 m2 sind z.B. mehrgeschossige Wohnbauten, Wohnsiedlungen ab etwa 20 Wohneinheiten mit zentraler Wärmeversorgung, Hotels, Altenwohnheime, Krankenhäuser, Studentenwohnheime und andere. In Hallenbädern und in Industriebetrieben müssen die Einsatzmöglichkeiten kritisch analysiert werden, da dort die Möglichkeiten der rationellen Energieanwendung, wie z.B. Abwärmenutzung, Wärmerückgewinnung, Kombination aus Wärme und Kälte, oftmals kostengünstiger angewandt werden können als der Bau einer Solaranlage.
4.1 Auslegung
Die wichtigsten Kenngrößen für die Auslegung von großen Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung sind der tatsächliche Warmwasserbedarf und das tägliche Verbrauchsprofil, die oftmals unbekannt sind. Das Heranziehen von allgemeingültigen Verbrauchskennwerten aus bekannten Tabellenbüchern hat sich als nicht brauchbar erwiesen und führte in der Vergangenheit häufig zur Überdimensionierung.
Aus den Warmwasser-Verbrauchsmessungen, die die Autoren in 16 Objekten mit unterschiedlicher Nutzung in den letzten drei Jahren durchgeführt haben, sind Richtwerte, zusammengefaßt in Tabelle 1, entstanden.
Tabelle 1: Richtwerte von Warmwasserverbräuchen
Wohngebäude | · kontinuierlicher Verbrauch über das Jahr |
Wohnheime | · diskontinuierlicher Verbrauch über das Jahr |
Alten- u. Pflegeheime | · kontinuierlicher Verbrauch über das Jahr (abhängig vom Ausstattungsgrad) |
Krankenhäuser | · kontinuierlicher Verbrauch über das Jahr (stark abhängig vom Ausstattungsgrad) |
Ist der Warmwasserverbrauch eines Objektes durch eine Messung oder bei Neubauten durch einen Vergleich mit ähnlich genutzten Objekten ermittelt worden, sollte zur Auslegung der Solaranlage und zur Optimierung auf eine Simulation mit standortbezogenen Wetterdaten keinesfalls verzichtet werden. Als Software eignen sich u.a. TRNSYS, F-chart, ISFH, T-SOL.
4.2 Anlagentechnik und Betrieb
Im folgenden sollen einige wichtige Aspekte zur Anlagentechnik und zum Betrieb erläutert werden.
Durchflußmenge im Kollektorfeld
Das Kollektorfeld mit einer Fläche über 100 m2 ist, wenn möglich, immer mit einem geringen flächenbezogenen Durchfluß von 10 bis 15 l/(m2 x h) zu betreiben. Das führt sowohl zu einer großen Temperaturspreizung zwischen Kollektorfeldvor- und -rücklauf als auch zu einer hohen Vorlauftemperatur zum Wärmeübertrager. Darüber hinaus kann durch eine gezielte temperaturorientierte Einschichtung in den Pufferspeicher, wie im Bild 10 dargestellt (IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/98, Seite 38), der Systemwirkungsgrad der Anlage deutlich verbessert werden. Die Anwendung des sogenannten "Low-flow"-Prinzips führt zu geringen Rohrleitungsdimensionen, zu Einsparungen beim Wärmeträgerfluid und bei der elektrischen Energie der Umwälzpumpen.
Durchflußmenge im Kollektor
Die Kollektoren sind immer mit einem hohen Durchfluß zu betreiben. Dazu sollten möglichst viele Kollektoren in Reihe geschaltet werden. Mit der Einsparung an Rohrleitungen werden gleichzeitig die Wärmeverluste minimiert. Darüber hinaus wird durch die turbulente Strömung in den Kanälen des Kollektors der Wärmeübergang verbessert.
Hydraulische Schaltung
Die Kollektoren müssen für die in den ersten beiden Punkten beschriebene Hydraulik ausgelegt sein, d.h., im Kollektor sollten die Kanäle parallel verschaltet und die Kollektoren in Reihe geschaltet werden und nicht umgekehrt.
Einstufung als Dampferzeuger
Bei Stagnation können in den Kollektoren Temperaturen von über 120°C erreicht werden. Damit unterliegen Solaranlagen der Dampfkesselverordnung. Bei einem Volumen kleiner 50 Liter im Solarkreis erfolgt die Einstufung als Dampferzeuger der Gruppe 3. Ist das Volumen im Solarkreis größer als 50 Liter, fallen die Solaranlagen in die Gruppe 4, was eine Abnahmeprüfung der Solaranlage durch einen Sachverständigen und erhöhten Wartungsaufwand für den Betreiber nach sich zieht.
Um die Einstufung als Dampferzeuger in die Gruppe 4 zu umgehen, werden große Kollektorfelder häufig in kleinere Teilfelder mit weniger als 50 Liter Volumen unterteilt und mit den entsprechenden Absperr- und Sicherheitsarmaturen versehen.
Regelkonzept
Bei der Regelung heißt das Prinzip: So einfach wie möglich! Die Berücksichtigung dieses Grundsatzes soll in der Praxis zu einfachen und überschaubaren Regelkonzepten führen.
Das Einschalten der Pumpe im Solarkreis kann unter anderem erfolgen:
- über einen Strahlungssensor (Einstellwert größer 100 bzw. 150 W/m2) oder
- über eine Temperaturdifferenz, die zwischen der Vorlauftemperatur vom Kollektor und der Temperatur im Speicher unten bestimmt wird und größer 5 bis 8 K sein sollte.
Das Abschalten der Pumpe im Solarkreis erfolgt entweder wenn der Grenzwert bei der Strahlung unterschritten wird oder wenn die Temperaturdifferenz Werte kleiner 3 K annimmt.
Speicherkonzept
Der DVGW fordert in seinem Arbeitsblatt W 551, daß in einem neu zu errichtenden System zur Brauchwassererwärmung alle trinkwasserführenden Speicher täglich einmal auf 60°C aufzuheizen sind, damit eventuell vorhandene Legionellen abgetötet werden. Diese Regelung gilt, wenn das Speichervolumen mehr als 400 Liter beträgt oder der Inhalt der Rohrleitung vom Trinkwassererwärmer bis zur Zapfstelle größer 3 Liter ist.
Da dieses Aufheizen den Ertrag der Solaranlage stark beeinflußt, wird empfohlen, die Solarspeicher nicht mit Trinkwasser zu betreiben, sondern vielmehr einfache, wenn möglich sogar drucklose Pufferspeicher aus Stahl zu verwenden. Die Wärmeaufnahme vom Solarkreis in den Pufferspeicher und die Wärmeabgabe vom Pufferspeicher an das Brauchwassersystem wird bei großen Solaranlagen in der Regel durch externe Wärmeübertrager vorgenommen.
Darüber hinaus ist es kostengünstiger, die Wärme in einfachen Pufferspeichern "zwischenzulagern" und nicht das gesamte Speichervolumen in teuren Brauchwasserspeichern unterzubringen. Ab einem Volumen von etwa 2 m3 ist es sinnvoll, die Solarwärme in separaten Pufferspeichern zu schichten. Während die Kosten für Brauchwasserspeicher ca. 5000 DM/m3 betragen, liegen die Kosten für Pufferspeicher aus Stahl bei ca. 1000 DM/m3.
Sicherheitstechnik
Das Stillstandsverhalten (Stagnation) einer Solaranlage unterscheidet sich von dem einer konventionellen Heizungsanlage besonders dadurch, daß bei Nichtabnahme der Wärme, z.B. durch Ausfall der Pumpe oder der Regelung bzw. bei Erreichen der Maximaltemperatur im Speicher, Dampfbildung speziell im Kollektor auftreten kann.
Bild 16: Blick auf die Pufferspeichergruppe und die Verrohrung während der Montage |
Prinzipiell wird verlangt, daß Solaranlagen eigensicher aufgebaut sind. Das bedeutet, daß die Anlagenschaltung und die Sicherheitstechnik so ausgeführt werden, daß anhaltende Wärmeaufnahme ohne Wärmeverbrauch nicht zu einem Störfall führen, dessen Behebung über den üblichen Bedienungsaufwand hinausgeht. Dazu sind in der DIN 4757 der Einsatz eines bauteilgeprüften Sicherheitsventils mit Ausblaseleitung und Auffangbehälter, ein Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG), ein Vorlaufthermometer und ein Manometer vorgeschrieben.
Die Forderungen der DIN 4757 werden bei großen Solaranlagen durch unterschiedliche Strategien umgesetzt. Im Falle des Anlagenstillstandes erfolgt ein Abblasen über das Sicherheitsventil in einen ausreichend dimensionierten Vorratsbehälter. Bei Abkühlung im Absorber kondensiert der Dampf, der Druck sinkt und über eine Druckhaltepumpe, kombiniert mit dem MAG, wird automatisch aus dem Vorratsbehälter nachgespeist. Dabei dürfen keine Schnellentlüfter in der Anlage eingebaut sein, da sonst Luft eindringen kann und die automatische Wiederinbetriebnahme nicht funktioniert.
Eine andere Variante liegt darin, daß das MAG ausreichend groß dimensioniert ist und im Falle des Anlagenstillstandes das vollständige Ausdehnungsvolumen aufnehmen kann. Ein Abblasen über das Sicherheitsventil soll dadurch wenn möglich vermieden werden.
4.4 Beispiel
Wie eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit einer Kollektorfläche größer 100 m2 prinzipiell aufgebaut sein kann, wird im Bild 15 am Schema der Solaranlage im Gewerblichen Schulzentrum für Technik in Zschopau im Freistaat Sachsen dargestellt.
Die aus der Sonnenstrahlung gewonnene thermische Energie wird mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, bestehend aus einem Gemisch von Wasser und Glykol (Mischungsverhältnis 60/40), von den Kollektoren über den Plattenwärmeübertrager Solarkreis/Beladekreis an die Pufferspeicher übergeben. Die schichtenweise Beladung erfolgt temperaturorientiert in drei Pufferspeichern mit einem Volumen zu je 2000 Litern, die in Reihe miteinander verschaltet sind. Der Entladung der Pufferspeicher wird über den Plattenwärmeübertrager Entladekreis/Trinkwasser vorgenommen und erfüllt die Funktion der Trinkwasservorwärmung. Aus hygienischen sowie aus Kostengründen ist das Trinkwasser vom Wasser in dem Pufferspeichersystem stofflich getrennt.
Das schwankende Solarenergieangebot erfordert eine konventionelle Nachheizung des Trinkwassers. Bei der Entladung der Pufferspeicher wird das zum Trinkwasserspeicher strömende Wasser vorgewärmt und im Idealfall auf die Nutztemperatur aufgeheizt.
Bild 17: Ansicht des Kollektorfeldes mit Aufständerung (Neigungswinkel der Kollektoren 45°). |
Der Warmwasserbedarf der Schule liegt außerhalb der Ferien bei ca. 1 m3 pro Tag. Der Bedarf an Brauch-Warmwasser für die ebenfalls angeschlossenen Wohngebäude ist meßtechnisch ermittelt worden und beträgt ca. 8 m3 pro Tag.
Da die Solaranlage in Zschopau als Vorwärmanlage konzipiert ist, wird sich ein solarer Deckungsanteil ergeben, der unter 40% liegt. Das entspricht dem aktuellen Kompromiß zwischen möglichst niedrigen Energiekosten und der Substitution großer Mengen fossiler Energieträger.
4.5 Gesetze und Vorschriften
Nach den Landesbauordnungen der einzelnen Länder sind thermische Solaranlagen generell nicht genehmigungspflichtig. Neben den statischen Voraussetzungen, die sowohl im Fall einer Dachintegration der Kollektoren als auch bei einer Flachdachaufständerung der Kollektoren in jedem Fall gegeben sein müssen, sind im besonderen die Aspekte des Denkmalschutzes zu berücksichtigen.
Die sicherheitstechnischen Vorschriften und Ausrüstungen für Solaranlagen mit Wasser oder Wassergemischen als Wärmeträger und für Solaranlagen mit organischem Wärmeträger sind in der DIN 4757 Teile 1 und 2 beschrieben. Die Anforderungen und Prüfmethoden für Sonnenkollektoren sind in der DIN 4757 Teile 3 und 4 definiert.
Bild 18: Kostenverteilung bei der Solaranlage in Zschopau
| |
Spezifische Systemkosten | 1380 DM/m² Kollektorfläche |
Garantierter Jahresenergieertrag | 498,6 kWh/(m² x a) |
Nutzwärmekosten | 0,285 DM/kWh |
Die Nutzwärmekosten von 0,285 DM pro kWh beruhen auf einer angenommenen Lebensdauer von 15 Jahren und einer relativen Annuität von 10,3%. Der Förderanteil ist in den Nutzwärmekosten von 0,285 DM pro kWh nicht berücksichtigt. | |
Bei der Ausschreibung von Solaranlagen und beim Kauf von Kollektoren sollten als Bestandteil der Lieferung die Ergebnisse der DIN-Prüfung und die Typprüfung oder Bauartzulassung gefordert werden.
4.6 Kosten und Wirtschaftlichkeit
Die großen Solaranlagen mit einer Kollektorfläche größer 100 m2 können im Vergleich zu kleinen Anlagen zu erheblich geringeren spezifischen Kosten gebaut werden. Die Kostenverteilung für die vorgestellte Solaranlage im Gewerblichen Schulzentrum für Technik in Zschopau/ Sachsen ist in Bild 18 zu sehen. Dabei ist zu beachten, daß für die Aufständerung der Kollektoren auf einer Unterkonstruktion aus Stahl und die mit dieser Konstruktion verbundenen längeren Rohrleitungswege Mehrkosten in Höhe von ca. 100 DM/m2 entstanden sind, die bei einer Indachmontage des Kollektorfeldes wegfallen würden.
Tabelle 2: Kostenvergleich zwischen großen und kleinen Anlagen
| Kleine Solaranlagen | Große Solaranlagen | |
Investitionskapital | DM | 1000000,- | 1000000,- |
Mittlere Anlagengröße | m² | 6 | 100 |
Spezifische Systemkosten | DM/m² | 1850,- | 1000,- |
Zahl der Anlagen |
| 90 | 10 |
Energieeinsparung pro Jahr | kWh/a | 162000 | 450000 |
Spezifischer Energieertrag | kWh/(m² x a) | 300 | 450 |
Einsparung an Öl (h =0,70) | kg/a | 19600 | 54500 |
CO2-Reduzierung (Öl) | kg/a | 60200 | 167000 |
Einen Vergleich zwischen den Kosten für kleine und große Solaranlagen, bezogen auf ein Investitionskapital von 1000000 DM, wird in der Tabelle 2 gezeigt. Bei diesem Vergleich wird deutlich, daß mit dem Bau von Großanlagen neben der Erzielung geringerer spezifischer Kosten vor allem auch beträchtliche Mengen an Energie eingespart werden können.
Die günstigeren Kosten bei Großanlagen werden zum großen Teil durch eine einfache aber intelligente Anlagentechnik, durch großmodulige Kollektoren, durch eine einfache Regelung, durch ein Minimum an Verrohrungsaufwand und letztendlich durch eine vernünftige Kalkulation erreicht.
4.7 Fördermöglichkeiten und Marktübersicht
Eine Reihe von Fördermöglichkeiten auf Bundes-, Landes- und Gemeindeebene sollen die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen erleichtern. Die Programme umfassen zum großen Teil die Förderung von Investitionen. Darüber hinaus wird aber auch die Erstellung von Energiekonzepten, die meßtechnische Untersuchung und die Durchführung von Schulungen gefördert. Informationen über die aktuellen Förderprogramme sind u.a. in der Förderfibel Energie des Deutschen Wirtschaftsdienstes in Köln [1], bei den Wirtschaftsministerien der Länder, bei den jeweiligen Regierungspräsidien, den Solarfachverbänden und bei den Kollektorherstellern erhältlich. Im Internet findet sich unter der Adresse http://www.solarserver.de eine nahezu vollständige Zusammenstellung der aktuellen Förderprogramme auf EU-, Bundes-, Landes- und kommunaler Ebene.
Eine ausführliche Marktübersicht von kompletten Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und zur Unterstützung der Raumheizung sowie zu den Komponenten Kollektor, Speicher und Wärmeübertrager ist in [2] zusammengestellt. Eine aktuelle Zusammenstellung von Leistungsdaten verschiedener Kollektoren, Komponenten und Anlagen wird regelmäßig von der Schweizer Prüfstelle in Rapperswil [3] und vom Test- und Entwicklungszentrum für Solaranlagen in Stuttgart [4] veröffentlicht.
L i t e r a t u r :
Die Nachschlagewerke [1, 2 und 4] werden auf Seite 50 der IKZ-HAUSTECHNIK Ausgabe 3/98 ausführlich vorgestellt.
[1] Förderfibel Energie - Öffentliche Finanzhilfen für den Einsatz erneuerbarer Energiequellen und die rationelle Energieverwendung. Forum für Zukunftsenergien e.V. und Fachinformationszentrum Karlsruhe. 5. überarb. Auflage 1997.
[2] Schüle, R.; Ufheil, M.; Neumann, C.: Thermische Solaranlagen - Marktübersicht. Ökobuch-Verlag, Staufen bei Freiburg. 1. Auflage 1997.
[3] Solarenergie Prüf- und Forschungsstelle Technikum Rapperswil. Leistungsdaten thermischer Solarkollektoren. Bundesamt für Energiewirtschaft BEW, Schweiz.
[4] Solaranlagen, Kollektoren, Speicher - Tests ’96. Test- und Entwicklungszentrum für Solaranlagen, Stuttgart.
*) Dr. Ulrich Schirmer und Dr. Jens Göring: Technische Universität, Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik
**) Teil 1: IKZ-HAUSTECHNIK Ausgabe 2/98; Teil 2: IKZ-HAUSTECHNIK Ausgabe 3/98
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