Projekt 12684/01

Meßtechnische Begleitung und Auswertung des Feldversuches der Optimierten Wärmezentrale (OWZ)

Projektträger

SOLVIS GmbH & Co. KG
Grotrian-Steinweg-Str. 12
38112 Braunschweig
Telefon: 0531/28904-38

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen eines Feldversuchs sollte das Betriebsverhalten von zwei Prototypen der Optimierten Wärmezentrale (OWZ) der Fa. SOLVIS SOLARSYSTEME GMBH durch das IGS der TU Braunschweig messtechnisch überwacht und die Nutzungsgrade des Systems unter realen Einsatzbedingungen ermittelt werden.Die gewonnenen Ergebnisse sollten der Verbesserung des Systems mit dem Ziel der Abstimmung der Komponenten der Wärmebereitstellung untereinander dienen und damit der Reduktion des noch erforderlichen Einsatzes an fossilen Brennstoffen sowie der damit verbundenen Emissionen.
Die Erkenntnisse sollten direkt in die Praxis umgesetzt werden und in die Produktion einfließen. Das Projekt sollte zu einer erfolgreichen Markteinführung der Nutzungsgrad - Optimierten Wärmezentrale (OWZ) sowie zur Verbesserung der Marktchancen der Solarenergie im Ein- und Zweifamilienhausbereich und damit zur Sicherung von Arbeitsplätzen in diesem Anwendungsbereich der Technik beitragen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Projektlaufzeit betrug ca. 2 Jahre, wobei für die eigentliche Messung ein Zeitraum von einem Jahr angesetzt wurde. Die zeitliche Dauer der weiteren zur Durchführung der messtechnischen Begleitung erforderlichen Arbeiten (Projektierung des Versuchsaufbaus, Beschaffung der Messtechnik, messtechnische Einrichtung der einzelnen Anlagen mit Kalibrierung der Messgeräte und der nötigen Softwareanpassung, die Durchführung von Kurzzeit - Messungen, Erstellung eines Simulationsmoduls sowie der anschließenden Auswertung) wurde ebenfalls mit einem Jahr angesetzt.Parallel zur messtechnischen Begleitung der Feldanlagen wurde vom ITW der Uni Stuttgart ein Simulationsmodell der Anlage erarbeitet, das unter Verwendung von Messdaten aus Laborversuchen sowie aus den Feldanlagen an die realen Verhältnisse angepasst wurde. Unter Anwendung dieses Simulationswerkzeuges wurden die Optimierungspotentiale abgeschätzt und als Zielvorgaben in die technische Weiterentwicklung des Gerätes integriert.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Monitorings wurde das Betriebsverhalten der Anlagen in den Funktionsbereichen Solar-, Heiz- und Warmwasserbetrieb überprüft. Die innerhalb des Solarkreises realisierte Funktion der Anpassung des Fördervolumenstroms im Solarkreis bei hoher Einstrahlung trägt zur gleichmäßigen Beladung des Speichers bei, zeigt jedoch noch Ansätze zur weiteren Verbesserung. Die Einhaltung der Abschaltkriterien des Solarkreises funktioniert in beiden Anlagen sehr gut. Für den Bereich der Warmwasserbereitung wurde eine auslegungsgemäße Funktion der Warmwasservorrang - Schaltung der Regelung festgestellt. Selbst bei den Spitzenwerten der Warmwasserzapfung in Anlage 1 von bis zu 900 l/h betrug die Abnahme der Warmwassertemperatur lediglich 2 K. Der Warmwasserkomfort wurde damit durch Nutzung des Warmwasserpuffers im oberen Speicherbereich trotz im Vergleich zur maximalen Brennerleistung nahezu verdoppelten Leistungsabgabe eingehalten.
Beide Versuchsanlagen wurden im Auslegungsfall mit einer auf die Nutzung der Solarenergie abgestimmten Systemtemperatur von 55 / 35 °C betrieben. Als Spitzenwerte der abgegebenen Wärmeleistung wurden für beide Anlagen etwas über 20 kW bei einer mittleren Leistung von etwa 5 bis 6 kW festgestellt. Die für den Betrieb beider Anlagen aufgestellten Jahres - Heizkurven zeigen deutlich die hinsichtlich der Brennwertnutzung günstige Betriebscharakteristik. Die Abgastemperaturen lagen in beiden Anlagen ganz-jährig unterhalb der Taupunkttemperatur des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes, so dass selbst bei Betrieb in der Spitzenlast von einer Brennwertnutzung ausgegangen werden kann. Bzgl. der Erstellung der Wärmebilanz erreichen beide Anlagen in den Sommermonaten des Monitoring - Zeitraums solare Volldeckung. Für den kombinierten Nutzungsgrad Heizung / Warmwasser ergeben sich für den Vergleichszeitraum im Winter und in der Übergangszeit Werte von über 90 %. Dies verdeutlicht den gut aufeinander abgestimmten Betrieb von Kessel und Solaranlage. Der Rückgang des kombinierten Nutzungsgrades im Sommer wird durch einen erhöhten solaren Deckungsanteil ausgeglichen, so dass sich als Folge kein erhöhter Verbrauch fossiler Brennstoffe mit entsprechenden Emissionen ergibt. Das Rechenmodell des SolvisMax zum Einsatz in der Simulationsumgebung TRNSYS besteht aus dem Schichtenlade - Solarspeicher mit integriertem Kesselkörper (Type 147) sowie einem Modell des angegliederten Warmwasser-Wärmetauschers (Type 98). Die Bestimmung des Optimierungspotentials bzw. die Optimierung der Anlage wurde hinsichtlich wirtschaftlicher und energetischer Kriterien durchgeführt. Variiert wurden hierbei neben Geräteparametern (maximale Brennerleistung, Modulationsgrenze, Puffervolumina, Speichervolumen) und Anlagenparametern (Kollektorfläche, Solarkreismassenstrom, Heizkreisvorlauftemperatur und -spreizung) auch Gebäudeparameter wie der Jahres-Heizwärmebedarf. Die hin-sichtlich der Abschätzung des Optimierungspotentials der Anlage erwarteten Tendenzen wie verringerter Energieverlust durch Reduktion der Bereitschaftspuffervolumina durch die Reduktion der Heizkreistemperaturen und gleichzeitiger Erhöhung der Spreizung wurden insgesamt bestätigt. Die Zahlenbasis zur Abschätzung des Potentials wurde ermittelt.
Insbesondere bei der Optimierung der Gesamt-Anlagenkonfiguration über eine dynamische Gebäude- und Anlagensimulation mit dem Lastprofil eines optimierten Niedrigenergie-Gebäudes konnten mittels Simulation über eine entsprechende Anpassung der Parameter eine Verbesserung des Gesamt-Anlagenutzungsgrades von nahezu 5 Prozentpunkten ermittelt werden. In ebenfalls projektbegleitenden Untersuchungen zur Speicherschichtung und Optimierung der Wärmedämmung des Speicherkörpers wurde die auf das Schichtenergiekonzept abgestimmte Funktionalität des Brennerbetriebes nachgewiesen und eine im Hinblick auf die Minimierung der Wärmeverluste optimierte Wärmedämmung für die Serienausstattung ermittelt. Abschließend wurde in einem die Projektarbeit begleitenden und insgesamt 44 installierte Anlagen umfassenden Feldversuch das Betriebsverhalten des SolvisMax hinsichtlich durchschnittlicher Brennerlaufzeit pro Zündung, durchschnittliche Zündzahl pro Jahr sowie durchschnittlicher Brennerlaufzeit pro Jahr ermittelt. Für den SolvisMax konnten im Rahmen dieser breit angelegten Untersuchung Werte für die Anzahl der Brennerstarts ermittelt werden, die weit unter denen klassischer Kesselkonstruktionen und -regelungen liegen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse bestanden in der Präsentation der Projektergebnisse auf Messen (Solarenergy, Berlin, 1999; ISH, Frankfurt, 1999), auf Tagungen (SolvisForum ZIH, 2000), in Vorlesungen zum Technischen Ausbau an der TU Braunschweig sowie in diversen Veröffentlichungen. Die weitere Publikation der Ergebnisse ist geplant.


Fazit

Insgesamt kann dem SolvisMax aufgrund der unter realen Bedingungen ermittelten Messwerte eine bereits in der Version der getesteten Feldanlagen hohe energetische Effizienz bescheinigt werden. Die Nutzungsgrade liegen auch im energetisch nicht optimalen kombinierten Heiz- und Warmwasserbetrieb im Winter und in der Übergangszeit auf hohem Niveau. Im energetisch weniger effizienten Sommerbetrieb wird der Rückgang der Nutzungsgrade über den Einsatz regenerativer Energien ausgeglichen. Der SolvisMax stellt damit ein auf die Lastverhältnisse in Gebäuden verbesserten Wärmeschutzes abgestimmtes Wärmeversorgungskonzept dar, das die Funktion einer Wärmemanagement-Zentrale übernimmt.