Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Solarthermische Kollektoren k\u00f6nnen nur dann W\u00e4rmeenergie liefern, wenn die W\u00e4rmegewinne die Verluste \u00fcberwiegen. Aufgrund der Verluste liegt der Ertrag immer erheblich unter der entsprechenden Globalstrahlung. Um den Ertrag zu steigern, soll das Temperaturniveau im Kollektor durch Vorschaltung des Verdampfers einer als W\u00e4rmepumpe eingesetzten Kompressionsk\u00e4ltemaschine herabgesetzt werden. Dadurch l\u00e4sst sich die Leistungszahl der W\u00e4rmepumpe steigern, wodurch letztlich Prim\u00e4renergie eingespart wird.
\nZiel ist es zu pr\u00fcfen, ob es m\u00f6glich ist, eine Anordnung und die genannten Ger\u00e4te selbst derart auszulegen, dass der beschriebene Betrieb mit Kopplung von W\u00e4rmepumpe und Kollektor m\u00f6glich ist, ohne Nachteile beim konventionellen Einsatz der Kollektoren hinnehmen zu m\u00fcssen. Ziel ist es au\u00dferdem, ein Steuerungskonzept f\u00fcr die W\u00e4rmepumpe zu entwickeln, so dass diese mit einem erweiterten Temperaturbereich auf der Verdampferseite betrieben werden kann. Es soll au\u00dferdem ermittelt werden, wie gro\u00df die Energieeinsparung im realen Betrieb ausf\u00e4llt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wird ein geeignetes Leitungssystem entwickelt und gebaut, mit dem die W\u00e4rmepumpe in eine solarthermische Anlage hydraulisch eingebunden werden kann. Es wird weiterhin eine W\u00e4rmepumpe ausgelegt und gebaut, welche mit hoher Verdampfertemperatur betrieben werden kann. Es wird weiterhin eine Steuerung ausgelegt und gebaut, in die Algorithmen implementiert sind, die sowohl einen konventionellen Betrieb der solarthermischen Anlage als auch den mit W\u00e4rmepumpe gekoppelten Betrieb zulassen. Es werden versuchstechnisch Methoden analysiert, wie sich bei hoher Temperatur der W\u00e4rmequellenseite die besten Leistungszahlen erzielen lassen. Es werden im praktischen Einsatz aller Komponenten geeignete Messdaten erfasst und ausgewertet, um den energetischen Vorteil einer solchen Kopplung quantifizieren zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ergebnisse der W\u00e4rmepumpen-Vermessung
\nDie Vermessung der W\u00e4rmepumpen-Leistungsdaten ist Voraussetzung f\u00fcr die Ermittlung des mit der Kopplung verbundenen Einsparpotentials. Au\u00dferdem ist die Eignung zum Betrieb mit hoher Soletemperatur Voraussetzung f\u00fcr die vorgesehene Kopplung mit Solarkollektoren. Dazu wurde die W\u00e4rmepumpe mit Soletemperaturen bis 45 \u00b0C beaufschlagt. Die Messergebnisse zeigen, dass mit der gew\u00e4hlten Auslegung des K\u00e4ltekreises der Betrieb bei hoher Verdampfungstemperatur hinsichtlich Hochdruck und Hei\u00dfgastemperatur nicht kritischer ist als bei hoher Kondensatortemperatur. Ein Betrieb mit Soletemperaturen > 45 \u00b0C wurde nicht untersucht, weil f\u00fcr die vorgesehene Anwendung ein solches Temperaturniveau mit noch besserem Wirkungsgrad und au\u00dferdem technisch problemlos mit W\u00e4rmetauschern realisiert werden kann.
\nDiese Untersuchung besch\u00e4ftigt sich mit einer m\u00f6glichen Wirkungsgradsteigerung durch Anhebung der Verdampfertemperatur. Im Bereich der Soletemperatur von -5 bis 15 \u00b0C und Wassertemperatur von 40 \u00b0C betr\u00e4gt die m\u00f6gliche Verbesserung des COP 0,084\/K. Der Einfluss ist damit nur wenig geringer als die Absenkung der Kondensatortemperatur (dem \u00fcblichen Parameter zur Verbesserung der Leistungszahl einer W\u00e4rmepumpe), der etwa 0,089\/K betr\u00e4gt. Die beiden Parameter erm\u00f6glichen also ein vergleichbar gro\u00dfes Verbesserungspotential.
\nBetriebsverhalten des Gesamtsystems
\nDie Untersuchungen des Gesamtsystems wurden vom 01.10.04 bis 30.04.05 an einem in Ahrensburg auf 53\u00b040\u00b430\u00b4\u00b4 Breite gelegenen und von 5 Personen bewohnten Einfamilienhaus durchgef\u00fchrt. Die Personenzahl beeinflusst im wesentlichen den Energiebedarf f\u00fcr Warmwasser. Dieser kann aus Zeiten ohne Heizbetrieb abgesch\u00e4tzt und mit 16 kWh\/d entsprechend 5.840 kWh\/a angesetzt werden. Der Energiebedarf f\u00fcr Geb\u00e4udeheizung ist mit 6.630 kWh\/a berechnet.
\nZur Absch\u00e4tzung des energetischen Vorteils des Systems muss mit einem W\u00e4rmeerzeuger verglichen werden, welcher aus gleichen Komponenten aufgebaut ist, aber die Funktionalit\u00e4t der Nutzung der ge-ringen Solarstrahlung nicht hat. Die Vorteile des beschriebenen Systems sind grunds\u00e4tzlich dann nennenswert, wenn die Solarstrahlung immer gerade so gro\u00df ist, dass sie konventionell nicht genutzt werden kann. Zus\u00e4tzlich ist der relative Vorteil besonders dann nennenswert, wenn die so gewonnene So-larenergie genau den verdampferseitigen W\u00e4rmebedarf abdeckt.
\nDie Messwerterfassung erfolgte bis 31.01.05 manuell 1x t\u00e4glich von integralen Kenngr\u00f6\u00dfen. Eine genaue Ermittlung des Wirkungsgradvorteils ist damit nicht m\u00f6glich, da hierzu die zeitliche Zuordnung der Messwerte zueinander notwendig ist. Es ist aber m\u00f6glich, diese Messwerte in einem Vorhersagemodell zu verwenden. Die Messwerte zeigen, dass in der Heizperiode Oktober bis April der Ertrag der Kollektoren etwa verdoppelt wird. Ab 01.02.05 wurden dann alle Messwerte automatisch mit einer Abtastrate von 0,2\/min aufgezeichnet. In der Zeit von Februar bis April wird damit ein Verbrauchsvorteil von 9,3 % ermittelt. Der mittlere t\u00e4gliche absolute Wert der Einsparung ist dabei in dem untersuchten Zeitraum sehr konstant. Der relative Verbrauchsvorteil steigt zur w\u00e4rmeren Jahreszeit stark an, da der W\u00e4rmebedarf zur\u00fcckgeht. Im April betr\u00e4gt der Verbrauchsvorteil 26 %. Die Steigerung der Leistungszahl durch das Gesamtsystem betr\u00e4gt im Februar 0,23, im M\u00e4rz 0,39 und im April 1,31 Punkte.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse der Untersuchung werden in der Zeitschrift HLH – L\u00fcftung\/Klima, Heizung\/Sanit\u00e4r, Geb\u00e4udetechnik des VDI ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Untersuchung zeigt eine M\u00f6glichkeit auf, den Ertrag von preisg\u00fcnstigen Flachkollektoren deutlich zu erh\u00f6hen und als quantifizierbaren Nutzen durch Erh\u00f6hung des Anteils regenerativer Energie den Prim\u00e4renergieanteil erheblich zu reduzieren. Das Ergebnis korreliert gut mit der Vorhersage eines einfachen, auf Monatsdaten beruhenden Modells. Die relative Energieeinsparung entspricht etwa dem Unterschied zwischen Gas-Niedertemperaturkessel und Brennwertkessel.
\nDie f\u00fcr diese Untersuchung eingesetzte Steuerstrategie funktioniert zuverl\u00e4ssig und den Erwartungen entsprechend in der sechs Monate dauernden Heizperiode. Die Messergebnisse zeigen auch, dass sehr sicher erkannt wird, in welchem Betriebszustand die Solarstrahlung direkt nutzbar ist und in welchem nur indirekt zur Versorgung der W\u00e4rmepumpe.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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