Die robuste, hocheffiziente, kostengünstige

Die
robuste, hocheffiziente, kostengünstige
Solarthermieanlage
März 2016
Axel Horn, D-82054 Sauerlach
[email protected]
Ökodesign
Solarwärmeanlagen haben die besten Voraussetzungen für eine attraktive
Wirtschaftlichkeit, wenn sie diese Voraussetzungen erfüllen:
●
stabile Vollversorgung mit Solarwärme außerhalb der Heizperiode;
●
gute Ausnutzung der am Standort verfügbaren Sonneneinstrahlung;
●
robuste, möglichst einfache Technik, die ohne hohen Wartungsaufwand eine
lange Lebensdauer erreicht;
●
daraus resultierend: maximale Energieeinsparung relativ zur Investition.
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Best practice
Für Einfamilienhäuser haben sich Solare Kombianlagen mit diesem Zuschnitt
bewährt:
●
Hochleistungsflachkollektor mit 10 m² Bruttofläche (oder etwas größer)
●
1000 Liter Pufferspeicher mit großem Solarwärmetauscher
(optimal: ca. 3 m² Wärmetauscherfläche)
●
●
Solarpumpstation mit Hocheffizienz-Pumpentechnik
Frischwarmwasserstation;
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Viel Leistung aus dem Flachkollektor
Die Sonne hat eine Leistung von
bis zu 1000 Watt pro Quadratmeter.
Wieviel davon über den Sonnenkollektor am
Speicher ankommt, ist stark von der
Intensität der Einstrahlung, sowie der
Temperatur des Kollektors und seiner
Umgebung abhängig.
bei 600 W/m² Einstrahlung und 30°C Luft
Beispiel:
Leistung [Watt]
eines Kollektors mit
10 m² Bruttofläche
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95 100 105 110 115 120
Kollektortemperatur
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Leistung nach Bedarf aus dem Flachkollektor
Solange der Speicher – und damit der gesamte Kollektorkreis – noch relativ
niedrige Temperaturen haben, erreicht der Kollektor schnell hohe Leistungen.
Erst bei hohen Temperaturen im Speicher lässt der Kollektorwirkungsgrad stark
nach.
Die Kollektorleistung passt sich also dem Bedarf an.
bei 500 W/m² Einstrahlung und 5°C Luft
Bei niedrigen
Außentemperaturen
ist entscheidend,
dass der Kollektor
auf möglichst
niedrigem
Temperaturniveau
arbeitet.
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95 100 105 110 115 120
Kollektortemperatur
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Warmwasser als Energiespeicher
Wasser ist ein guter Energiespeicher.
Aus einem bivalenten Solarspeicher mit 350 Litern Inhalt, der komplett auf 75 °C
aufgeheizt wurde, lassen sich 22 kWh Wärme entnehmen, bis nur noch das obere
Viertel auf 45 °C steht.
Einem gleichermaßen aufgeheizten 1000 Liter Pufferspeicher lassen sich dagegen
wenigstens 52 kWh entnehmen.
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60,0
50,0
40,0
kWh
Anders ausgedrückt: ein 350 Liter-Speicher
überdauert maximal zwei Nächte und einen
Schlechtwettertag.
Bei einem Pufferspeicher stellt sich erst am
Ende des dritten Schlechtwettertages die
Frage:
Nachheizen oder Warmwasser sparen?
30,0
biv. Solarspeicher
Pufferspeicher
Tagesverbrauch
20,0
10,0
0,0
6
Pufferspeicher
Ein 1000 Liter Pufferspeicher benötigt einen
Quadratmeter Standfläche und gut 2 Meter
Raumhöhe. Das ist fast immer problemlos in einem
Heizungsraum unterzubringen.
Ein integrierter Solarwärmetauscher mit großer
Oberfläche (3 m² im 1000 Liter-Speicher) ist
geeignet, die Kollektorleistung mit minimaler
Temperaturdifferenz auf die Solarzone im Speicher
zu übertragen.
Erst bei Temperaturgleiche mit weiter oben
gelegenen Speicherschichten setzt eine sanfte
Konvektion ein.
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Abb.: varmeco
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Frischwarmwassertechnik
Die Hauptvorteile dieser Technik:
●
Pufferspeicher wird schichtend entladen;
dadurch ergibt sich ein guter Solarwirkungsgrad
auch bei nicht-schichtender Beladung;
●
Komfort durch weitgehend konstante
Trinkwarmwasser-Zapftemperatur, solange die
Puffer-Vorlauftemperatur nur über der TWWSolltemperatur liegt;
●
Optimale Trinkwasserhygiene
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Pumpstation
Da der Wärmetauscher im Pufferspeicher untergebracht ist, genügt für
den Solarkreis eine einfache Station mit
einer Pumpe.
Stand der Technik ist eine
Hocheffizienzpumpe mit hoher
Förderleistung, geringem
Stromverbrauch (max. 45 W) und
Drehzahlregelung per PWM-Signal.
Eine typische Solarthermieanlage
produziert 3.500 kWh Wärme mit
einem Pumpenstromverbrauch von
nur 50 kWh.
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Anlagenschema Solarthermie im Einfamilienhaus
So sind alle Komponenten im Gesamtschema sinnvoll eingesetzt:
Entscheidend für die Effizienz ist hier die schichtende Entladung über den
Frischwassererwärmer und die Heizkreise.
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Einfache Solarregelung
Aber auch bei diesem einfachen Solarkreis ist
regelungstechnisches Feintuning möglich!
Trivial:
Der Kollektorkreis schaltet bei
T Kollektor > T Speicher unten ein.
Solare Kombianlage 2015-07
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Abschaltung über Rücklauftemperatur
Die Rücklauftemperatur ist häufig niedriger als die am Speicher gemessene
Temperatur.
Optimierung:
Der Kollektorkreis schaltet bei
T Kollektor < T Rücklauf (plus X) aus.
So bleibt vor allem abends weniger
Wärme nutzlos im Kollektor.
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Überschussbetrieb Phase I
Bei ausreichender Speichertemperatur sollte die Speichertemperatur nicht mehr
allzu schnell ansteigen.
Optimierung:
Der Kollektorkreis regelt auf
T Kollektor > T Rücklauf + 20 K.
Durch die überhöhte Vorlauftemperatur wird der Wirkungsgrad
eingebremst. So erreicht der
Speicher erst später die
Maximaltemperatur.
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Überschussbetrieb Phase II
Nach Erreichen der Maximaltemperatur im Speicher sollte Dampfbildung im
Kollektor vermieden werden.
Optimierung:
Der Kollektorkreis regelt auf
T Kollektor < 120 °C
solange T Speicher unten < 90 °C
Die Pumpe und der
Volumenstromsensor sind durch
den internen Wärmetauscher vor
Hitzeschaden geschützt.
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Solares Heizen in der Praxis
✔10 kWh/Tag Solarertrag sind rechnerisch Volldeckung des Trinkwarmwasserbedarfs
✔ Während der Heizperiode fließt die Solarwärme überwiegend in den Heizkreis
WMZ-Bilanz 1.-7. Nov. 2015, 10 m² Sonnenkollektor
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Sonnenkollektoren liefern Niedertemperaturwärme
Wohngebäude benötigen
Niedertemperaturwärme
Trinkwassererwärmung
ca. 900 kWh/Jahr pro Person
für die Wassererwärmung von 10 auf
45 bis 60°C
Das sind typischerweise rund
3.500 kWh/Jahr für ein Einfamilienhaus.
Raumheizung
ca. 40 bis 200 kWh/Jahr pro Quadratmeter
beheizter Wohnfläche
Das sind typischerweise
8.000 bis 30.000 kWh/Jahr für ein
Einfamilienhaus.
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Warmwasser
Heizung
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Deckungsanteil bei solarthermischen Kombianlagen
Bei 12.500 kWh Wärmebedarf für
Warmwasser und Raumheizung
erreichen 3.600 kWh Solarwärme eine
Einsparung von rund 30%.
Solarwärme
Nachheizung
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Saisonale Speicherung
Jede Sonnenkollektoranlage, die mit einer brennstoffgespeisten Wärmequelle im
Haus gekoppelt ist, leistet einen Beitrag zur Langzeitspeicherung!
Solare Kombianlagen kommen je nach Dämmstandard des Hauses auf 25 bis 50%
solare Brennstoffeinsparung.
Nicht verbrauchter Brennstoff, ob Öl, Gas oder Holzpellets, ist nichts anderes als
die wirtschaftlichste Form der Langzeitspeicherung von Energie.
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Architekturverträgliche Solarenergienutzung
Eine für rund 30% Gesamtdeckungsrate dimensionierte Kollektorfläche benötigt
nur einen überschaubaren Teil der Dachfläche und lässt sich harmonisch in das
architektonische Gesamtbild einfügen.
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Ziel des Fortschritts
„Die dauerhafte Wirtschaft muss ausschließlich auf die regelmäßige
Benutzung der jährlichen Strahlungsenergie begründet werden. (...)
Als späteres Ziel des Fortschritts wird daher die unmittelbare Benutzung der
Sonnenenergie anzusehen sein, wobei die Erde mit Apparaten bedeckt sein
wird, in denen dies geschieht...“.
Wilhelm Ostwald, Chemie Nobelpreis 1909
(CC BY 3.0, Wikipedia: Bleriot XI Thulin A 1910 a.jpg)
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Vielen Dank für Ihr Interesse!
Axel Horn
Buchenstr. 38, D-82054 Sauerlach
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