Projekt 21098/01

Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen: Systemkonzepte und Auslegung

Projektdurchführung

RHEINZINK GmbH & Co. KG
Bahnhofstr. 90
45711 Datteln

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Unverglaste Sonnenkollektoren liefern Wärme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau zu sehr geringen Kosten und werden deshalb zur Schwimmbadwassser- und Trinkwarmwasservorerwärmung als auch in Wärmepumpensystemen sinnvoll eingesetzt. Ziel des Vorhabens ist es, Planungsgrundlagen sowohl für die Kopplung von Metalldach-Sonnenkollektoren mit einem Erdreichspeicher und einer Wärmepumpe als auch zur solaren Trinkwasservorwärmung zu entwickeln. Die Planungsgrundlagen umfassen Empfehlungen zur Anlagenplanung, zur Dimensionierung der Kollektorfläche als auch Angaben der zu erwartenden Jahresarbeitszahl.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Forschungsprojekts wurden durch das ISFH zwei Pilotanlagen mit Wärmepumpe, Erdsonde und unverglastem solarthermischen Kollektor vermessen sowie Teststandsmessungen und begleitende Simulationen durchgeführt.
Anhand der detaillierten, hochauflösenden Vermessung der Anlagen wurde eine marktfähige Konzeptlösung von Regelung und Hydraulik entwickelt sowie wichtige Betriebserfahrungen zur Umsetzung gewonnen. Darüber hinaus wurden auf Basis der Messdaten Fragen zu Wärmeströmen und dem Temperaturverhalten von Erdsonden und Wärmepumpen beantwortet. Die vermessenen Anlagen erbringen den Nachweis für die Funktionsfähigkeit und Praxistauglichkeit von Wärmepumpensystemen und unverglasten Kollektoren (Proof of Concept).
Neben der Vermessung der Pilotanlagen wurden begleitende Labormessungen zu Kondensationswärmegewinnen auf dem unabgedeckten Kollektor durchgeführt, aus den Messungen ein Kondensationsmodell entwickelt und damit ein vorhandenes Simulationsmodell für unverglaste Kollektoren erweitert.
Auf Basis der Anlagenmessdaten und des neu entwickelten Kollektormodells werden Simulationen in der Simulationsumgebung TRNSYS für ein Einfamilienhaus durchgeführt und für verschiedene Anlagenkonfigurationen bewertet.
Weiterhin wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt und damit die Größen identifiziert, die einen signifikanten Einfluss auf die JAZ haben. Anhand dieser Simulationsergebnisse werden einfache Funktionen der wesentlichen Einflussparameter abgeleitet, die eine Vorhersage der Jahresarbeitszahl ermöglichen und die Grundlage der Auslegungsrichtlinien bilden.


Ergebnisse und Diskussion

Anhand der vermessen Pilotanlage Limburg kann das typische Verhalten von Wärmepumpensystemen mit unverglastem Kollektor exemplarisch nachvollzogen werden. Das Verhalten bestätigte sich sowohl in der zweiten Pilotanlage Klein Köris als auch in den Simulationen. In der Anlage Limburg erzielt der Kol-lektor sehr hohe Wärmeerträge von 547 kWh/(m² a) und deckte in der Jahresbilanz den vollständigen Wärmebedarf der Wärmepumpe. Dabei wird der Kollektorertrag hauptsächlich im Sommer erbracht und in die Erdsonde eingespeist. Im Winter deckt der Kollektorertrag nur zum Teil den Wärmebedarf der WP. Auch in den vergleichsweise warmen Wintern 2006/2007 und 2007/2008 bleibt die Erdsonde während der Heizperiode die Hauptwärmequelle.
Die gemessene Jahresarbeitszahl (JAZ) für WP, Erdsonden- und Solepumpe liegt bei 3.5. Die Wärme-pumpte ohne Pumpen erreicht dabei nur eine verhältnismäßig schlechte JAZ von 4.0, was auf den im Vergleich zu den Herstellerangaben 20% erhöhten elektrischen Verbrauch zurückzuführen ist. Bei Be-trieb der WP nach Herstellerangaben wäre eine JAZ von 4.3 mit Pumpen und für die WP allein eine JAZ von 5 erreicht worden. Weiter wurden in der Mitte des Erdsondenfeldes Erdreichtemperaturen gemessen, die über den betrachteten Zeitraum keinen übersaisonalen Temperaturabfall erkennen lassen. Dies zeigt einen wesentlichen Unterschied zu Erdsondenanlagen ohne Kollektor, in denen das Erdreich lang-fristig auskühlt.
Beide Anlagen zeigen eine starke Abhängigkeit von der Verbraucherseite, d.h. die JAZ bestimmt sich nicht nur durch Dimensionierung von Kollektor und Erdsonde, sondern hängt maßgeblich auch vom Temperaturniveau der Heizung und des Trinkwassers sowie dem Wärmebedarf ab.
Mit zahlreichen Simulationen eines Referenzeinfamilienhauses wurde der Kollektoreinfluss auf den elektrischen Energieverbrauch bzw. die JAZ bestimmt. Für vergleichsweise lange Erdsonden ergeben die Simulationen unabhängig von der Kollektorfläche eine JAZ-Verbesserung von 0.2-0.3, während sich für knapp dimensionierte Erdsondenlängen und großen Kollektorflächen eine größere JAZ-Verbesserung von bis zu 0.5 ergibt.
Zusätzlich zu den Simulationen von Einfamilienhäusern wurden Großanlagen mit einem Gesamtwärmebedarf bis 130 MWh/a simuliert. Mit zunehmender Anlagengröße nimmt die Verbesserung durch den Kollektor zu und erreicht Jahresarbeitszahlsteigerungen von über 0.7. Die auf den Anlagenmessdaten beruhenden Jahressimulationen ergaben Kondensationsgewinne in Höhe von 4% des Kollektorjahresertrages.
Mit der durchgeführten Sensitivitätsanlyse wurden die relevanten Größen bestimmt. Diese sind die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, die Jahreseinstrahlungssumme und auf der Wärmesenkenseite der Gesamtwärmebedarf und das Temperaturniveau der Heizlast sowie die Arbeitszahl der Wärmepumpe. Größen mit geringem Systemeinfluss sind Wärmekapazität des Erdreichs, die Wetterzone, die Anzahl der simulierten Jahre, der Erdsondenabstand und der Kollektorvolumenstrom. Auf Basis der ermittelten Zusammenhänge wurden Auslegungsrichtlinien erarbeitet, die die Auslegung und Dimensionierung von Systemen bis 35 MWh/a Jahreswärmebedarf ermöglichen.
Weitere Simulationen zeigen, dass sich durch den Kollektor die Planungssicherheit für die Auslegung der Wärmequellenseite wesentlich verbessert. Dies gilt vor allem für schwer einschätzbare Parameter wie dem Gesamtwärmebedarf des zu versorgenden Gebäudes oder der Erdwärmeleitfähigkeit.
Mit den Stromeinsparungen durch den Sonnenkollektor durch die Verbesserung der Jahresarbeitszahl verbindet sich der Mehraufwand für Installation, zusätzliche Hydraulik und den Kollektor selbst. Diese Investition lässt sich ökonomisch 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 €/a für ein Einfamilienhaus liegt. Wird durch den Kollektor jedoch die erforderliche Erdsondenlänge verkürzt, kann dies zu einer deutlichen Reduktion der hohen Investitionskosten für eine WP-Anlage führen.
Abgesehen von einer ökonomischen und energetischen Betrachtung anhand der Jahresarbeitszahl wurden eine Reihe weiterer systemimmanenter Vorteile gegenüber reinen Erdsondensystemen ohne Kollektor nachgewiesen, die sich aus der ausgeglichenen Jahreswärmebilanz der Erdsonde ableiten:
o Keine Beeinflussung des umgebenden Erdreiches über größere Entfernungen.
o Kleine Erdsondenabstände von 3 m ohne langfristige Absenkung der JAZ realisierbar.
o Langfristige Unterkühlung des Erdreichs nach einigen Betriebsjahren wird ausgeschlossen.
o Wärmepumpensysteme mit unverglastem Kollektor sind unter Randbedingungen wie z. B. eingeschränkte Bohrtiefe oder Größe des Grundstücks realisierbar, die ohne Kollektorunterstützung keinen sicheren Betrieb erlauben.
Der unverglaste Kollektor reduziert in einem Wärmpumpensystem also den Einfluss der Wärmequelle Erdsonde auf deren unmittelbare Umgebung. Die ökologische Beeinträchtigung des Erdreichs und ggf. des Grundwassers durch sehr niedrige Erdreichtemperaturen weit über die Grundstücksgrenze hinaus, wie sie in konventionellen Erdsondensystemen vorkommt, wird damit unterbunden.
Die Beschreibung von unverglasten Kollektoren zur Trinkwarmwasservorerwärmung wurde ausschließlich auf Basis von Simulationen durchgeführt, nehmen aber aufgrund der geringeren Marktrelevanz eine untergeordnete Rolle ein.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

16. Symposion Thermische Solarenergie 2006; Eisenmann, W., Müller, O., Pujiula F. und Zienterra, G. 2006. Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Kopplung mit Wärmepumpe und Erdsonde: Bestim-mung des Wärmeertrags durch Kondensation und Grundlagen zu Systemkonzepten. Bad Staffelstein.
Eurosun, 2006; Eisenmann, W., Müller, O. und Pujiula, F. 2006. Metal Roofs as Unglazed Solar Collectors, Coupled with Heat Pump and Ground Storage: Gains from Kondensation. Glasgow.
18. Symposion Thermische Solarenergie 2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2008. Unverglaste Sonnenkollektoren in Wärmepumpensystemen: Betriebserfahrungen und Dimensionierung. Bad Staffelstein.
8. Internationales Anwenderforum für Oberflächennahe Geothermie; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2008. Sonnenkollektoren in Wärmepumpensystemen, Bad Staffelstein.
Abschlussworkshop Umsys 4.06.2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Rockendorf, G., 2008. Unverglaste Metalldachsonnenkollektoren in Wärmepumpensystemen, Schulungszentrum Rheinzink, Datteln.
Eurosun 2008; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Rockendorf, G., Zienterra, G. 2008. Unglazed Solar Collectors in Heat Pump Systems: Measurement, Simulation and Dimensioning, Lissabon.
13. Soltec 2008; Glembin, J., Bertram, E., Scheuren, J., September 2008. Fachvortrag Kalte Solarwärme: Unverglaste Sonnenkollektoren in Wärmepumpensystemen. Hameln.
ISFH Jahresbericht 2008; Bertram, E. ., Glembin, J., Scheuren, J. 2008. Unverglaste Sonnenkollektoren in Wärmepumpensystemen. Hameln/Emmerthal
ISFH-Internetbeitrag: Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J. 2008 Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen: http://isfh.de/institut_solarforschung/umsys.php

Eingereicht für 2009
9. Internationales Anwenderforum für Oberflächennahe Geothermie; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2009. Regenerierung des Erdreichs durch unverglaste Sonnenkollektoren, Bad Staffelstein.
19. Symposion Thermische Solarenergie 2009; Bertram, E., Glembin, J., Scheuren, J., Zienterra, G. 2009. Solare Wärme zur Regeneration von Erdsonden in Wärmepumpensystemen. Bad Staffelstein.
ISES 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.


Fazit

Unverglaste Metalldachkollektoren verbessern Wärmepumpensysteme wesentlich hinsichtlich mehrerer Aspekte. Der Kollektor steigert die Jahresarbeitszahl, mindert also den elektrischen Energiebedarf und verbessert die Systemeffizienz. Weiterhin erhöht sich die Planungssicherheit deutlich, was vor allem im Hinblick auf schwer vorauszusagende Parameter wie den Wärmebedarf große Bedeutung hat. Zusätzlich begrenzt der Kollektor durch die ausgeglichene Wärmebilanz um die Erdsonde den thermischen Einfluss der Erdsonde auf die unmittelbare Umgebung und verringert so die Auswirkungen von Wärme-pumpenanlagen auf das natürliche Temperaturprofil im Erdreich.
Die vermessenen Pilotanlagen stellen die Praxistauglichkeit von unverglasten Kollektoren in Wärme-pumpensystemen unter Beweis. Sie liefern zusammen mit den Ergebnissen aus den Simulationen die Grundlage für die erarbeiteten Planungsgrundlagen und damit die Realisierung weiterer hocheffitzienter Wärmepumpenanlagen mit unverglastem Kollektor.