Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Unverglaste Sonnenkollektoren liefern W\u00e4rme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau zu sehr geringen Kosten und werden deshalb zur Schwimmbadwassser- und Trinkwarmwasservorerw\u00e4rmung als auch in W\u00e4rmepumpensystemen sinnvoll eingesetzt. Ziel des Vorhabens ist es, Planungsgrundlagen sowohl f\u00fcr die Kopplung von Metalldach-Sonnenkollektoren mit einem Erdreichspeicher und einer W\u00e4rmepumpe als auch zur solaren Trinkwasservorw\u00e4rmung zu entwickeln. Die Planungsgrundlagen umfassen Empfehlungen zur Anlagenplanung, zur Dimensionierung der Kollektorfl\u00e4che als auch Angaben der zu erwartenden Jahresarbeitszahl.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Forschungsprojekts wurden durch das ISFH zwei Pilotanlagen mit W\u00e4rmepumpe, Erdsonde und unverglastem solarthermischen Kollektor vermessen sowie Teststandsmessungen und begleitende Simulationen durchgef\u00fchrt.
\nAnhand der detaillierten, hochaufl\u00f6senden Vermessung der Anlagen wurde eine marktf\u00e4hige Konzeptl\u00f6sung von Regelung und Hydraulik entwickelt sowie wichtige Betriebserfahrungen zur Umsetzung gewonnen. Dar\u00fcber hinaus wurden auf Basis der Messdaten Fragen zu W\u00e4rmestr\u00f6men und dem Temperaturverhalten von Erdsonden und W\u00e4rmepumpen beantwortet. Die vermessenen Anlagen erbringen den Nachweis f\u00fcr die Funktionsf\u00e4higkeit und Praxistauglichkeit von W\u00e4rmepumpensystemen und unverglasten Kollektoren (Proof of Concept).
\nNeben der Vermessung der Pilotanlagen wurden begleitende Labormessungen zu Kondensationsw\u00e4rmegewinnen auf dem unabgedeckten Kollektor durchgef\u00fchrt, aus den Messungen ein Kondensationsmodell entwickelt und damit ein vorhandenes Simulationsmodell f\u00fcr unverglaste Kollektoren erweitert.
\nAuf Basis der Anlagenmessdaten und des neu entwickelten Kollektormodells werden Simulationen in der Simulationsumgebung TRNSYS f\u00fcr ein Einfamilienhaus durchgef\u00fchrt und f\u00fcr verschiedene Anlagenkonfigurationen bewertet.
\nWeiterhin wird eine Sensitivit\u00e4tsanalyse durchgef\u00fchrt und damit die Gr\u00f6\u00dfen identifiziert, die einen signifikanten Einfluss auf die JAZ haben. Anhand dieser Simulationsergebnisse werden einfache Funktionen der wesentlichen Einflussparameter abgeleitet, die eine Vorhersage der Jahresarbeitszahl erm\u00f6glichen und die Grundlage der Auslegungsrichtlinien bilden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Anhand der vermessen Pilotanlage Limburg kann das typische Verhalten von W\u00e4rmepumpensystemen mit unverglastem Kollektor exemplarisch nachvollzogen werden. Das Verhalten best\u00e4tigte sich sowohl in der zweiten Pilotanlage Klein K\u00f6ris als auch in den Simulationen. In der Anlage Limburg erzielt der Kol-lektor sehr hohe W\u00e4rmeertr\u00e4ge von 547 kWh\/(m\u00b2 a) und deckte in der Jahresbilanz den vollst\u00e4ndigen W\u00e4rmebedarf der W\u00e4rmepumpe. Dabei wird der Kollektorertrag haupts\u00e4chlich im Sommer erbracht und in die Erdsonde eingespeist. Im Winter deckt der Kollektorertrag nur zum Teil den W\u00e4rmebedarf der WP. Auch in den vergleichsweise warmen Wintern 2006\/2007 und 2007\/2008 bleibt die Erdsonde w\u00e4hrend der Heizperiode die Hauptw\u00e4rmequelle.
\nDie gemessene Jahresarbeitszahl (JAZ) f\u00fcr WP, Erdsonden- und Solepumpe liegt bei 3.5. Die W\u00e4rme-pumpte ohne Pumpen erreicht dabei nur eine verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig schlechte JAZ von 4.0, was auf den im Vergleich zu den Herstellerangaben 20% erh\u00f6hten elektrischen Verbrauch zur\u00fcckzuf\u00fchren ist. Bei Be-trieb der WP nach Herstellerangaben w\u00e4re eine JAZ von 4.3 mit Pumpen und f\u00fcr die WP allein eine JAZ von 5 erreicht worden. Weiter wurden in der Mitte des Erdsondenfeldes Erdreichtemperaturen gemessen, die \u00fcber den betrachteten Zeitraum keinen \u00fcbersaisonalen Temperaturabfall erkennen lassen. Dies zeigt einen wesentlichen Unterschied zu Erdsondenanlagen ohne Kollektor, in denen das Erdreich lang-fristig ausk\u00fchlt.
\nBeide Anlagen zeigen eine starke Abh\u00e4ngigkeit von der Verbraucherseite, d.h. die JAZ bestimmt sich nicht nur durch Dimensionierung von Kollektor und Erdsonde, sondern h\u00e4ngt ma\u00dfgeblich auch vom Temperaturniveau der Heizung und des Trinkwassers sowie dem W\u00e4rmebedarf ab.
\nMit zahlreichen Simulationen eines Referenzeinfamilienhauses wurde der Kollektoreinfluss auf den elektrischen Energieverbrauch bzw. die JAZ bestimmt. F\u00fcr vergleichsweise lange Erdsonden ergeben die Simulationen unabh\u00e4ngig von der Kollektorfl\u00e4che eine JAZ-Verbesserung von 0.2-0.3, w\u00e4hrend sich f\u00fcr knapp dimensionierte Erdsondenl\u00e4ngen und gro\u00dfen Kollektorfl\u00e4chen eine gr\u00f6\u00dfere JAZ-Verbesserung von bis zu 0.5 ergibt.
\nZus\u00e4tzlich zu den Simulationen von Einfamilienh\u00e4usern wurden Gro\u00dfanlagen mit einem Gesamtw\u00e4rmebedarf bis 130 MWh\/a simuliert. Mit zunehmender Anlagengr\u00f6\u00dfe nimmt die Verbesserung durch den Kollektor zu und erreicht Jahresarbeitszahlsteigerungen von \u00fcber 0.7. Die auf den Anlagenmessdaten beruhenden Jahressimulationen ergaben Kondensationsgewinne in H\u00f6he von 4% des Kollektorjahresertrages.
\nMit der durchgef\u00fchrten Sensitivit\u00e4tsanlyse wurden die relevanten Gr\u00f6\u00dfen bestimmt. Diese sind die W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit des Erdreichs, die Jahreseinstrahlungssumme und auf der W\u00e4rmesenkenseite der Gesamtw\u00e4rmebedarf und das Temperaturniveau der Heizlast sowie die Arbeitszahl der W\u00e4rmepumpe. Gr\u00f6\u00dfen mit geringem Systemeinfluss sind W\u00e4rmekapazit\u00e4t des Erdreichs, die Wetterzone, die Anzahl der simulierten Jahre, der Erdsondenabstand und der Kollektorvolumenstrom. Auf Basis der ermittelten Zusammenh\u00e4nge wurden Auslegungsrichtlinien erarbeitet, die die Auslegung und Dimensionierung von Systemen bis 35 MWh\/a Jahresw\u00e4rmebedarf erm\u00f6glichen.
\nWeitere Simulationen zeigen, dass sich durch den Kollektor die Planungssicherheit f\u00fcr die Auslegung der W\u00e4rmequellenseite wesentlich verbessert. Dies gilt vor allem f\u00fcr schwer einsch\u00e4tzbare Parameter wie dem Gesamtw\u00e4rmebedarf des zu versorgenden Geb\u00e4udes oder der Erdw\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit.
\nMit den Stromeinsparungen durch den Sonnenkollektor durch die Verbesserung der Jahresarbeitszahl verbindet sich der Mehraufwand f\u00fcr Installation, zus\u00e4tzliche Hydraulik und den Kollektor selbst. Diese Investition l\u00e4sst sich \u00f6konomisch allein nicht rechtfertigen, was vor allem am geringen Strompreis und den damit ohnehin geringen laufenden Kosten eines WP-Systems von i.d.R. unter 1000 \u0080\/a f\u00fcr ein Einfamilienhaus liegt. Wird durch den Kollektor jedoch die erforderliche Erdsondenl\u00e4nge verk\u00fcrzt, kann dies zu einer deutlichen Reduktion der hohen Investitionskosten f\u00fcr eine WP-Anlage f\u00fchren.
\nAbgesehen von einer \u00f6konomischen und energetischen Betrachtung anhand der Jahresarbeitszahl wurden eine Reihe weiterer systemimmanenter Vorteile gegen\u00fcber reinen Erdsondensystemen ohne Kollektor nachgewiesen, die sich aus der ausgeglichenen Jahresw\u00e4rmebilanz der Erdsonde ableiten:
\no\tKeine Beeinflussung des umgebenden Erdreiches \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Entfernungen.
\no\tKleine Erdsondenabst\u00e4nde von 3 m ohne langfristige Absenkung der JAZ realisierbar.
\no\tLangfristige Unterk\u00fchlung des Erdreichs nach einigen Betriebsjahren wird ausgeschlossen.
\no\tW\u00e4rmepumpensysteme mit unverglastem Kollektor sind unter Randbedingungen wie z. B. eingeschr\u00e4nkte Bohrtiefe oder Gr\u00f6\u00dfe des Grundst\u00fccks realisierbar, die ohne Kollektorunterst\u00fctzung keinen sicheren Betrieb erlauben.
\nDer unverglaste Kollektor reduziert in einem W\u00e4rmpumpensystem also den Einfluss der W\u00e4rmequelle Erdsonde auf deren unmittelbare Umgebung. Die \u00f6kologische Beeintr\u00e4chtigung des Erdreichs und ggf. des Grundwassers durch sehr niedrige Erdreichtemperaturen weit \u00fcber die Grundst\u00fccksgrenze hinaus, wie sie in konventionellen Erdsondensystemen vorkommt, wird damit unterbunden.
\nDie Beschreibung von unverglasten Kollektoren zur Trinkwarmwasservorerw\u00e4rmung wurde ausschlie\u00dflich auf Basis von Simulationen durchgef\u00fchrt, nehmen aber aufgrund der geringeren Marktrelevanz eine untergeordnete Rolle ein.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
16. Symposion Thermische Solarenergie 2006; Eisenmann, W., M\u00fcller, O., Pujiula F. und Zienterra, G. 2006. Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Kopplung mit W\u00e4rmepumpe und Erdsonde: Bestim-mung des W\u00e4rmeertrags durch Kondensation und Grundlagen zu Systemkonzepten. Bad Staffelstein.
\nEurosun, 2006; Eisenmann, W., M\u00fcller, O. und Pujiula, F. 2006. Metal Roofs as Unglazed Solar Collectors, Coupled with Heat Pump and Ground Storage: Gains from Kondensation. Glasgow.
\n18. Symposion Thermische Solarenergie 2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2008. Unverglaste Sonnenkollektoren in W\u00e4rmepumpensystemen: Betriebserfahrungen und Dimensionierung. Bad Staffelstein.
\n8. Internationales Anwenderforum f\u00fcr Oberfl\u00e4chennahe Geothermie; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2008. Sonnenkollektoren in W\u00e4rmepumpensystemen, Bad Staffelstein.
\nAbschlussworkshop Umsys 4.06.2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Rockendorf, G., 2008. Unverglaste Metalldachsonnenkollektoren in W\u00e4rmepumpensystemen, Schulungszentrum Rheinzink, Datteln.
\nEurosun 2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Rockendorf, G., Zienterra, G. 2008. Unglazed Solar Collectors in Heat Pump Systems: Measurement, Simulation and Dimensioning, Lissabon.
\n13. Soltec 2008; Glembin, J., Bertram, E., Scheuren, J., September 2008. Fachvortrag Kalte Solarw\u00e4rme: Unverglaste Sonnenkollektoren in W\u00e4rmepumpensystemen. Hameln.
\nISFH Jahresbericht 2008; Bertram, E. ., Glembin, J., Scheuren, J. 2008. Unverglaste Sonnenkollektoren in W\u00e4rmepumpensystemen. Hameln\/Emmerthal
\nISFH-Internetbeitrag: Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J. 2008 Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in W\u00e4rmeversorgungssystemen: http:\/\/isfh.de\/institut_solarforschung\/umsys.php<\/p>\n
Eingereicht f\u00fcr 2009
\n9. Internationales Anwenderforum f\u00fcr Oberfl\u00e4chennahe Geothermie; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2009. Regenerierung des Erdreichs durch unverglaste Sonnenkollektoren, Bad Staffelstein.
\n19. Symposion Thermische Solarenergie 2009; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2009. Solare W\u00e4rme zur Regeneration von Erdsonden in W\u00e4rmepumpensystemen. Bad Staffelstein.
\nISES Solar World Congress 2009, Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Rockendorf, G. 2009.Soil regeneration by unglazed solar collectors in heat pump systems. International Solar Energy Society, Jo-hannesburg, South Africa.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Unverglaste Metalldachkollektoren verbessern W\u00e4rmepumpensysteme wesentlich hinsichtlich mehrerer Aspekte. Der Kollektor steigert die Jahresarbeitszahl, mindert also den elektrischen Energiebedarf und verbessert die Systemeffizienz. Weiterhin erh\u00f6ht sich die Planungssicherheit deutlich, was vor allem im Hinblick auf schwer vorauszusagende Parameter wie den W\u00e4rmebedarf gro\u00dfe Bedeutung hat. Zus\u00e4tzlich begrenzt der Kollektor durch die ausgeglichene W\u00e4rmebilanz um die Erdsonde den thermischen Einfluss der Erdsonde auf die unmittelbare Umgebung und verringert so die Auswirkungen von W\u00e4rme-pumpenanlagen auf das nat\u00fcrliche Temperaturprofil im Erdreich.
\nDie vermessenen Pilotanlagen stellen die Praxistauglichkeit von unverglasten Kollektoren in W\u00e4rme-pumpensystemen unter Beweis. Sie liefern zusammen mit den Ergebnissen aus den Simulationen die Grundlage f\u00fcr die erarbeiteten Planungsgrundlagen und damit die Realisierung weiterer hocheffitzienter W\u00e4rmepumpenanlagen mit unverglastem Kollektor.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Unverglaste Sonnenkollektoren liefern W\u00e4rme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau zu sehr geringen Kosten und werden deshalb zur Schwimmbadwassser- und Trinkwarmwasservorerw\u00e4rmung als auch in W\u00e4rmepumpensystemen sinnvoll eingesetzt. Ziel des Vorhabens ist es, Planungsgrundlagen sowohl f\u00fcr die Kopplung von Metalldach-Sonnenkollektoren mit einem Erdreichspeicher und einer W\u00e4rmepumpe als auch zur solaren Trinkwasservorw\u00e4rmung zu […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[47,51,69,52,53],"class_list":["post-23294","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-sachsen-anhalt","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"21098\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-21098.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"184.179,00","dbu_projektdatenbank_firma":"RHEINZINK GmbH & Co. KG","dbu_projektdatenbank_strasse":"Bahnhofstr. 90","dbu_projektdatenbank_plz_str":"45711","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Datteln","dbu_projektdatenbank_p_von":"2004-10-11 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2008-06-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 9 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"02363\/6 05-0","dbu_projektdatenbank_inet":"www.rheinzink.de","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Sachsen-Anhalt","dbu_projektdatenbank_foerderber":"71","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-21098.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/23294","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/23294\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":42968,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/23294\/revisions\/42968"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=23294"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=23294"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=23294"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}