Solaranlagen im Geschoßwohnbau
Um
kurzfristig effiziente solarunterstützte Wärmenetze breit umzusetzen,
gilt es einerseits das punktuell vorhandene technische Know-how zu den beteiligten
Akteuren (Fachplaner, Bauleiter, Anlagenbetreiber) zu transferieren sowie andererseits
die Identifikation mit der Technologie bei Wohnbauträgern und Fachplanern
zu stärken bzw. den Planungsablauf zu optimieren und zu standardisieren.
Optimierte und standardisierte Solarsysteme
Von Christian Fink und Richard Riva*
Um kurzfristig effiziente solarunterstützte Wärmenetze breit umzusetzen,
gilt es einerseits das punktuell vorhandene technische Know-how zu den beteiligten
Akteuren (Fachplaner, Bauleiter, Anlagenbetreiber) zu transferieren sowie andererseits
die Identifikation mit der Technologie bei Wohnbauträgern und Fachplanern
zu stärken bzw. den Planungsablauf zu optimieren und zu standardisieren.
Genau diesen Ansatz verfolgt das von der AEE INTEC aktuell durchgeführte
Projekt "OPTISOL - Messtechnisch begleitete Demonstrationsprojekte für
optimierte und standardisierte Solarsysteme im Geschosswohnbau".
Projektinhalte und aktueller Stand
Das Know-how-Transferprojekt OPTISOL richtet sich innerhalb eines Breitentests
- zehn optimierte solarunterstützte Wärmenetze der neuen Generation
werden umgesetzt - einerseits an Wohnbauträger sowie andererseits speziell
an die beteiligten Fachplaner und ausführenden Unternehmen (Haustechnikplaner,
Architekten, Installateur und Anlagenbetreiber). Dabei liegt der Schwerpunkt
darin, nicht nur die Solaranlage als einzelne Komponente zu sehen, sondern vielmehr
ganzheitliche solarunterstützte Wärmenetze in Geschoßwohnbauten
nach der Methodik der integralen Planung umzusetzen. Das Projekt gliedert sich
in folgende Abschnitte:
Von über 20 interessierten Wohnbauträgern wurden schlussendlich zehn
Bauvorhaben ausgewählt, die im Rahmen von OPTISOL über die gesamte
Planungs- und Umsetzungsphase (Planungsaudits, Baustellentermine, etc.) von
erfahrenen Solarexperten betreut werden.
Aktuell ist die Phase der integralen Planung für alle Demoobjekte abgeschlossen.
Fünf Objekte befinden sich am Ende der Umsetzungsphase. Die restlichen
fünf solarunterstützten Wärmenetze sind bereits in Betrieb und
somit in der Monitoringphase.
Demonstrationsobjekte und Messkonzept
Die Bandbreite der Gebäudegrößen der ausgewählten Bauvorhaben reicht von kleinen Wohnanlagen mit sechs Wohnungen und reihenhausartiger Bebauung bis hin zu Geschoßwohnbauten mit über 60 Wohnungen in Kombination mit Büro- und Geschäftslokalen (siehe Abbildung 1). Neun Objekte wurden in der Steiermark errichtet, eines in Salzburg.
Dimensionierung und Anlagenhydraulik
Die größte Solaranlage umfasst 240 m² Kollektorfläche,
die kleinste 30 m². Insgesamt werden im Rahmen von OPTISOL rund 370 Wohnungen
mit Solarwärme versorgt, was insgesamt knapp 1.200 m² Kollektorfläche
und rund 100 m³ Speichervolumen bedeutet. Die Dimensionierung der Solarsysteme
erfolgte im Kosten/Nutzen-Optimum bei solaren Deckungsgraden am Gesamtwärmebedarf
(Warmwasser und Raumwärme) zwischen 12 und 20%.
Was die Anlagenhydraulik betrifft, wurden alle zehn solarunterstützten
Wärmenetze nach dem Prinzip der Zwei-Leiter-Netze ausgeführt. Bei
neun Objekten kamen dezentrale Wohnungsstationen (Brauchwassererwärmung
im Durchflussprinzip) zum Einsatz (siehe
Abbildung 2). Das zehnte Objekt, ein Reihenhausprojekt mit geringen Energiedichten,
wurde mit dezentralen Brauchwasserspeichern, die täglich in ein bis zwei
Ladezyklen geladen werden, ausgestattet.
Abbildung 1: Die Kollektorflächen (240 m²) des Objektes "Theodor-Körner-Straße, Graz" übernehmen zusätzlich zur Wärmelieferung die Überdachung bzw. Beschattung der Balkonzeilen
Monitoring
Mittels einer messtechnischen Überwachung der zehn Demonstrationsprojekte
(Messkonzept siehe Abbildung 2) und der Analyse der über ein Fernüberwachungssystem
erhaltenen Messergebnisse werden die Qualität der Planung und der Umsetzung
kontrolliert sowie ein problemloser Routinebetrieb sichergestellt.
Um Kosten und Ressourcen zu sparen, sollten nach Möglichkeit alle Monitoringanforderungen
sowie die Regelung der Gesamtanlage von einem Gerät aus erfolgen. Diese
Aufgaben können grundsätzlich freiprogrammierbare Regelungen sowie
Systeme der Gebäudeleittechnik übernehmen.
Nach Inbetriebnahme des Wärmeversorgungssystems und dem Bezug der Wohnungen
erfolgt für die Demonstrationsobjekte eine intensive Monitoringphase. Darunter
versteht man eine intensive Auswertung sämtlicher Temperaturverläufe
und Schaltzustände über einen Zeitraum von ein bis zwei Monaten. Dadurch
können eventuelle hydraulische und regelungstechnische Mängel rasch
erkannt und deren Behebung in Kooperation mit dem Projektteam veranlasst werden.
Ist der Anlagenbetrieb weitestgehend optimiert, erfolgt das weiterführende
Monitoring zum Zwecke der Störungsüberwachung und der Erstellung von
Energiebilanzen über ein Betriebsjahr in reduzierter Intensität. Danach
geht die Funktionsüberwachung des solarunterstützten Wärmenetzes
in den Aufgabenbereich des Anlagenbetreibers über.
Abbildung 2: Messkonzept und Sensorenanordnung - Objekt "Theodor-Körner-Straße". Die erfassten Systemtemperaturen sind gelb, die erfassten Wärmemengenzähler sind grün gekennzeichnet
Erste Messergebnisse
Bei fünf Demoanlagen wurde das Monitoring bereits gestartet. Zwei davon
sind bereits über ein Jahr in Betrieb (Nittnergasse und Schwarzparkstraße),
zwei seit vergangenem Winter (Seiersberg und Eggersdorf) und eine seit April
2004 (Markt Hartmannsdorf).
Ein wesentliches Qualitätskriterium von solarunterstützten Wärmenetzen
stellen die Temperaturen im Wärmeverteilnetz dar. Abbildung
3 zeigt hierzu die Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärmeverteilnetze
von vier Messanlagen über den Zeitraum von einer Woche im April. Die Netzvorlauftemperaturen
bewegen sich entsprechend der Dimensionierung der Komponenten zur Wärmeabgabe
(Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung und Radiatoren) zwischen
minimal 55°C und maximal 65°C. Die Netzrücklauftemperaturen bewegen
sich konstant auf einem tiefen Temperaturniveau zwischen 25°C und maximal
35°C. Sowohl Netzvorlauftemperaturen und Netzrücklauftemperaturen sind
absolut zufriedenstellend und zeigen einerseits die hohe Effizienz (geringe
Wärmeverluste) und andererseits die günstigen Betriebsbedingungen
(tiefe Rücklauftemperaturen) für den Betrieb von Solarsystemen.
Abbildung 3:
Messergebnisse von vier Demoprojekten zu Temperaturverläufen im Wärmeverteilnetz
in einer April-Woche im Jahr 2004
Spezifische Solarerträge und solare Deckungsgrade
Neben dem solaren Deckungsgrad und dem Gesamtsystem-Nutzungsgrad zählt der spezifische Solarertrag zu den wesentlichen Kennzahlen von solarunterstützten Wärmenetzen. Abbildung 4 zeigt hierzu die gemessenen spezifischen Solarerträge von vier Demoanlagen im Vergleich mit den Simulationsergebnissen. Die Wärmenetze Nittnergasse und Schwarzparkstraße sind schon länger als ein Jahr in Betrieb, die Anlagen Eggersdorf und Seiersberg seit vergangenem Winter. Alle vier Solarsysteme liegen hinsichtlich des spezifischen Solarertrags über den mittels Simulation prognostizierten Werten, wobei die Anlagen Nittnergasse und Schwarzparkstraße mit 450 bzw. 411 kWh/m² a die Simulationsergebnisse (368 bzw. 387 kWh/m² a) aber deutlich übersteigen (Betrachtungszeitraum: Juli 2003 bis Juni 2004). Neben dem insgesamt guten und zuverlässigen Betriebsverhalten der Wärmenetze liegt der Hauptgrund der hohen Solarerträge bei diesen beiden Anlagen aber im einstrahlungsreichen Sommerhalbjahr 2003, das um bis zu 10% höhere Solarstrahlungen mit sich brachte als das der Simulation zugrundeliegende Durchschnittsjahr.
Abbildung 4: Gemessener spezifischer Kollektorertrag (kumuliert) von vier Demoobjekten im Vergleich mit den Simulationsergebnissen. Zwei Anlagen sind seit Juli 2003, zwei seit Dezember 2003 bzw. Februar 2004 in Betrieb
Der solare Deckungsgrad der bereits ein Jahr in Betrieb befindlichen Wärmenetze lag in Bezug auf den Gesamtwärmebedarf bei der Anlage Nittnergasse bei rund 14 % und bei der Anlage Schwarzparkstraße bei etwa 18 %.
Anlagenoptimierungen
Die messtechnische Überwachung der bisher fünf solarunterstützten
Wärmenetze zeigte grundsätzlich ein gutes Betriebsverhalten der Anlagen.
Dennoch konnte sowohl Fehlverhalten als auch Optimierungspotenzial erkannt werden.
So zeigten beispielsweise die Betriebstemperaturen der Wärmeverteilnetze
trotz gewissenhafter Planung und Umsetzung nach der Ersteinregulierung durchwegs
Optimierungspotenzial. Gerade durch das Anlagenmonitoring können die Netzbetriebstemperaturen
gut überwacht und Unregelmäßigkeiten (mangelhafte Einregulierung,
fehlerhafte Regulierkomponenten, hydraulische Fehlströme, etc.) sofort
festgestellt werden. Auch das Optimierungspotenzial zur Senkung von Versorgungstemperaturniveaus
(Nachheizung, Vorlauf der Wärmeverteilung, Bereitschaftsvolumen, etc.)
konnte durch entsprechendes Monitoring ausgeschöpft werden. Durch Tätigung
dieser Maßnahmen konnte somit das schlussendlich günstige Betriebsverhalten
der fünf Demoanlagen (siehe Abbildung
3) erreicht werden.
Stellvertretend für unterschiedliche erkannte Optimierungsmöglichkeiten
wird nachfolgend ein Fehlverhalten der Anlage in Eggersdorf dargestellt.
Wie bei Solarsystemen im Geschoßwohnbau üblich, erfolgt die Beladung
des Energiespeichers nutztemperaturorientiert mittels Drehzahlregelung der Solarpumpen
im Primär- und Sekundärkreis. Dieser Umstand erschwert aufgrund der
variablen Massenströme die messtechnische Überprüfung der Grädigkeit
am Plattenwärmetauscher (als Maß für die Auslegung). Aufgrund
von auffälligen Unregelmäßigkeiten in den Temperaturverläufen
wurde die Drehzahlregelung ausgeschaltet und entsprechende Massendurchsätze
in den beiden Kreisläufen manuell eingeregelt. Wie in Abbildung 5 (linke
Hälfte) dargestellt, stellten sich am Plattenwärmetauscher Temperaturniveaus
ein, die eine Grädigkeit von etwa 12 K bedeuten, was einer Verdopplung
des Auslegungswertes entspricht. Ein vom Wärmetauscherhersteller beigestelltes,
baugleiches Produkt zeigte sofort den Produktionsfehler des ursprünglich
eingesetzten Wärmetauschers auf. Bei gleichen Massendurchsätzen und
nahezu gleicher Einstrahlung konnte die Grädigkeit um 5 K (Abbildung 5,
rechte Hälfte) und somit das Temperaturniveau im Kollektorkreis genau um
diesen Wert reduziert werden, was sich positiv auf den Kollektorwirkungsgrad
auswirkt. Deutlich wird, dass dieses Fehlverhalten ohne entsprechendes Monitoring
wohl nicht erkannt worden wäre.
Abbildung 5: Darstellung der gemessenen
Wärmetauschergrädigkeiten vor (ca. 12 K) und nach dem Wechsel des
Wärmetauschers (ca. 7 K)
Ausblick
Die bisherigen Ergebnisse zeigten ein absolut zufriedenstellendes Betriebsverhalten
der fünf im Rahmen des Projektes OPTISOL bereits in Betrieb befindlichen
solarunterstützten Wärmenetze der neuen Generation. Diese liefern
teilweise sogar höhere Solarerträge und solare Deckungsgrade als prognostiziert.
Dies zeigt einerseits die Zuverlässigkeit der Technologie und andererseits
den erzielten Qualitätsstandard durch ganzheitliche Betrachtung und integrale
Planung in Verbindung mit entsprechendem Anlagenmonitoring.
Der hohe technische Standard moderner solarunterstützter Wärmenetze
gibt keinen Anlass die Entscheidung pro Solarsystem aufzuschieben, der drohende
weltweite Energieversorgungsengpass und das durch die Verfeuerung von fossilen
Energieträgern aktuell bereits angespannte Weltklima auch nicht.
*) Ing. Christian Fink und Ing. Richard Riva sind Mitarbeiter der AEE INTEC in Gleisdorf, c.fink@aee.at, r.riva@aee.at [^]