Projekt 06475/01

Solarunterstützte Beheizung der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

Projektdurchführung

UFS Schneefernerhaus GmbH
Zugspitze 5
82475 Schneefernerhaus

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Umbaus vom Schneefernerhaus-Hotel (Zugspitzplatt) zur Umweltforschungsstation (UFS) wurde in die Südfassade der Bahnhofshalle eine Sonnenkollektoranlage zur Heizungsunterstützung eingebaut. Zur Vermeidung lokaler Schadstoffemissionen (UFS betreibt Atmosphärenforschung) wurde eine Elektroheizung bestehend aus Elektrokessel, elektrischen Lufterhitzern und Kompressionswärmepumpe installiert. Die Wärmepumpe bezieht ihre Niedertemperaturwärme aus der Sonnenkollektoranlage.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Solaranlage wurde 1994 vom ZAE Bayern projektiert und mit dem Simulationsprogramm TRNSYS ausgelegt. Als Grundlage der Auslegung dienten meteorologische Daten (Globalstrahlung, Lufttemperatur von 1965 bis 1973) am Zugspitzgipfel, gemessen von der Deutschen Bundespost, und die dynamische Simulation des Gebäudes. Dazu wurde das Betriebsverhalten des nicht sanierten Gebäudes mit 15 thermischen Zonen und den Wetterdaten simuliert. Das Ergebnis war der Referenzfall für 9 unterschiedliche Sanierungsvarianten, in denen z. B. der Einsatz verschiedener Dämmschichtdicken, die Verwendung von Wärmeschutz- bzw. Sonnenschutzverglasung und der Einsatz von transparenter Wärmedämmung (TWD) an der Hausfassade detailliert untersucht wurden. Im Rahmen der Simulationen wurden auch unterschiedlich große Kollektorfelder an verschiedenen Aufstellorten und ihre Einbindung in das Heizungssystem betrachtet.
Danach musste ein leistungsfähiger Sonnenkollektor gefunden werden, der unter den hochalpinen Klimabedingungen einen ausreichend hohen Wärmeertrag liefert und gleichzeitig den extremen Wettereinflüssen (Außentemperaturen von -36 °C bis +18 °C, Einstrahlung bis ca. 1400 W/m², Windgeschwindigkeiten bis 250 km/h) standhält. Die Systemkomponenten wurden nach technischen bzw. wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt. Ergebnis war die solar gestützte Heizanlage der UFS mit 100 m² Fassadenkollektor (Unterdruckflachkollektor Fa. thermo solar) und einer Kompressionswärmepumpe (50 kW Antriebsleistung). Als Wärmespeicher wurde der Löschwassertank (100 m³) genutzt.
Zur Kontrolle der Funktion und des solaren Ertrags wurde 1997 eine Messdatenerfassung installiert und mit ihr die Anlagenleistung über zwei Heizperioden (97/98 und 98/99) zeitlich hoch aufgelöst vermessen.


Ergebnisse und Diskussion

Im ersten Betriebsjahr 97/98 wurden Regelung bzw. Anlage eingefahren und Optimierungsmaßnahmen identifiziert. Der Dezember 1998 wurde dann zur Umsetzung der Optimierungsmaßnahmen genutzt, um in der zweiten Messperiode (98/99) die Erfolgskontrolle durchführen zu können.
Die solare Strahlungssumme auf die Kollektorfassade betrug im 1. Messjahr 1559 kWh/m²a und im 2. Messjahr 1457 kWh/m²a. Entsprechend lag der solare Ertrag des 100 m² Kollektorfeldes im 2. Jahr mit 61 MWh/a etwa 10 % unter dem des Vorjahres und der solare Nutzungsgrad mit 42 % etwas niedriger. Drei der fünf Vakuumkollektorfelder, die zur Leistungsverbesserung mit Krypton (35 mbar) gefüllt sind, zeigten keinen nennenswerten Druckanstieg, während der Druck von zwei Feldern schon nach 4 Monaten über 100 mbar anstieg. Vermutlich entstanden die Undichtigkeiten durch die hohen thermische Spannungen in der 11,5 m breiten Solarfassade.
Zur Senkung des Wärmeverlusts dieser undichten Kollektorfelder wird jetzt eine Vakuumpumpe betrieben, die regelmäßig den Kollektorinnendruck auf ca. 10-20 mbar absenkt. Damit ist ein ausreichend geringer Wärmeverlust der Kollektoren garantiert.
Regelungsverbesserungen: Um die Heizkosten zu senken, wird seit 1998 zu Niedrigtarifzeiten (nachts) über den Heizungsrücklauf Stromwärme in den Wasserspeicher eingespeist, damit sind zur Spitzentarifzeit (ca. zwei Stunden pro Tag) die Elektrokessel außer Betrieb und es läuft nur noch die Wärmepumpe. Obwohl während der Heizperiode 98/99 mehr als doppelt soviel Wärme im Speicher (128 MWh/a, 97/98 61 MWh) umgesetzt wurde, lag die mittlere Speichertemperatur um ca. 2 K tiefer und der Speichernutzungsgrad stieg von 85 % auf 91 %. Weiter konnte mit einem leistungsangepassten Betrieb der Wärmepumpe (zwei Stufen) deren Jahresarbeitszahl von 2,9 auf 3,4 gesteigert werden.
Den größten Fortschritt brachten direkte Maßnahmen zur Senkung des Gebäude-Heizwärmebedarfes. Mit ihnen wurden im 2. Messjahr Einspareffekte von ca. 11 % erzielt.
Im April 1998 wurde die Energieversorgung der UFS noch um eine zentrale, leitungsgebundene Kältetechnik erweitert. Ihre Abwärme wird nun ebenfalls in den Speicher eingespeist und kann zu Heizzwecken genutzt werden. Diese Kältetechnik leistete allerdings in der Messperiode 98/99 noch keinen nennenswerten Beitrag zur Energieversorgung, da sie erst seit Frühjahr 2000 regelmäßig in Betrieb ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Betriebsgesellschaft UFS hat zur öffentlichen Präsentation der Solaranlage 2 Poster im Format DIN A 0 angefertigt. Eines hängt für die Besucher der Forschungsstation im Empfangs- bzw. Konferenzbereich der UFS und das Zweite in der Station Sonnalpin der Bayerischen Zugspitzbahn AG auf dem Schneefernergletscher. Der Standort dieses Posters ist so gewählt, dass man direkten Blickkontakt zum Schneefernerhaus und dessen Solarfassade hat.
In Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung wurde von der UFS GmbH ein Flyer erstellt, der mit einer Auflage von zunächst 1000 Exemplaren gedruckt wurde und zur Besucherinformation bei den Postern sowohl in der UFS als auch in Sonnalpin ausgelegt ist. Der Flyer und das Poster liegen der DBU als Muster vor.
Darüber hinaus wird derzeit eine Darstellung der Solaranlage im Internet vorbereitet, die unter der Domain www.schneefernerhaus.de und dem Logo der Deutschen Bundesstiftung Umwelt auf die Solaranlage verweist. Diese Visualisierung soll später in Form eines laufenden Films in der UFS und in den Stationen der Zugspitzbahn AG über einen Bildschirm die Besucher der Zugspitze (ca. 500.000 pro Jahr) über die Aktivitäten der UFS und die Funktionsweise der Solaranlage informieren.


Fazit

Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Einbindung der Solaranlage, trotz der Leckagen im Kollektorfeld, geglückt ist und die projektierten Leistungsdaten erreicht werden. Messungen der Globalstrahlung auf dem Zugspitzgipfel von 1996 - 1997 zeigten Jahressummenwerte zwischen 1346 kWh/m²a und 1228 kWh/m²a. Damit ist nachgewiesen, dass die Messdaten der Deutschen Bundespost aus den Jahren 1965 - 1973 (Mittelwert 1595 kWh/m²a) wohl zu hoch liegen. Das erklärt die Überschätzung des solaren Ertrags der Kollektorfassade in der Simulation. Im Rahmen der Messkampagne wurden erhebliche Verbesserungen sowohl bei der konventionellen Heizungstechnik als auch bei der Solaranlage realisiert. Der spezifische, genutzte solare Ertrag liegt mit 564 kWh/m²a (98/99) für eine solar gestützte Radiatorheizanlage (Auslegung 80/60 °C) sehr hoch.
Die Bemühungen den Gebäudewärmebedarf zu senken waren erfolgreich. Da noch Verbesserungspotenziale gesehen werden, sollte eine weitere Senkung des Energiebedarfs möglich sein. Um das Anlagenverhalten zu beobachten und Besucher zu informieren, wird die installierte Messtechnik nach Abschluss des Projekts in der UFS verbleiben, deshalb können weiter Verbesserungsmaßnahmen durchgeführt und deren Erfolg überprüft werden.