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SOLARTHERMIE 2000plus
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Fachberater für Solare
Energiesysteme
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Solare Wärme für Großanlagen zumHeizen und Kühlen -
Erfahrungen aus dem Programm Solarthermie ST2000plus
Prof. Prof. Elmar Bollin Elmar Bollin Forschungsgruppe NET derForschungsgruppe NET der
Hochschule OffenburgHochschule Offenburg
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Energiesysteme
Solarthermie2000plus
Solare Trinkwassererwärmung
Solare Gebäudeheizung
Thermische Kühlung
Solare Kühlung bei der Festo AG
Inhaltsübersicht
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Solarthermischer Energiewandler Flachkollektor
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Solarthermischer Energiewandler Sydney-Vakuumröhrenkollektor: Prinzip Thermoskanne
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Solarpraxis Berlin
Vakuum-Röhrenkollektor mit CPC Spiegel
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Solarthermische Großanlage zur Demonstration
Forschungsprogramm Solarthermie 2000 und 2000plus
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• Kombinierte Trinkwassererwärmung und Raumheizung
• Wärmenetze mit Langzeitwärmespeicher
• Solar unterstützte Nahwärmenetze
• Kombination von Solarwärme mit Geothermie, Abwärme oder Biomasse
• Solare Kühlung mit Trinkwassererwärmung und Heizung
• Solare Prozesswärme im Niedertemperaturbereich
www.solarthermie2000plus.de
Förderfähige Solarsysteme in ST2000plus:
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Aufgaben der Hochschule Offenburg
• Untersuchung der Praxistauglichkeit großer Solaranlagen• Beratung bei Anlagenplanung, –ausschreibung und
Installation• Planung und Installation eines Mess- und Auswerte-
systems• Messdatenerfassung und -auswertung • Überwachung und Beurteilung des Anlagenbetriebs• Fehleranalyse und Optimierungsvorschläge• Überprüfung der Energiegarantie• Detaillierte Untersuchung von Systemkomponenten• Veröffentlichung der Ergebnisse
Wissenschaftlich-technische Begleitung:
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Objektdarstellung Wilmersdorfer Str., Freiburg
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Errichtung der Solaranlage im Januar 2001 auf den Flach-dächern von zwei sanierten Wohngebäuden der Familienheim Freiburg Baugenossenschaft e.G.Standort der zwei neungeschossigen Gebäude ist die Wilmersdorfer Str. 3/5 in Freiburg-BetzenhausenSolaranlage unterstützt 14 Gebäude der Familienheim Freiburg bei der Trinkwassererwärmung257 Wohnungen mit ungefähr 600 Bewohner erhalten solar erwärmtes Trinkwasser von der Heizzentrale
Objektbeschreibung Wilmersdorfer Str., Freiburg
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Trinkwasserversorgung:
14 Wohngebäude in der Wilmersdorfer Str. und Charlottenburger Str.
Trinkwasserversorgung durch die Solaranlage
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Kennwerte:
Kollektorfläche: 228,2 m²
Ausrichtung: 0° Süd
Neigung: 30 °
Pufferspeicher: 2 x 4.500 l
Kosten:
System: 215.638 € (945 €/m²)
Messsystem: 49.687 €
Förderung: 60,14 %
Messergebnisse:
Solarertrag: 123.945 kWh(544 kWh/m²)
Nutzungsgrad: 39 %
Deckungsanteil: 42,9 %
mit Zirkulation: 20,8 %
Wärmekosten: 0,13 €/kWh
Daten und Messergebnisse
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2 x 4.500 l
2.000 l
2.000 l
Hydraulisches Schema der Solaranlage
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Bitumen-Isolierung
Kupfer-DachStahlpfosten
Aluminium-Träger
Dachinstallation der Solaranlage
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Erdverrohrung zwischen den Solaranlagen
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Messpunkte der Solaranlage
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Darstellung der Messergebnisse Vorort
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EITK: Strahlungsenergie auf Kollektorebene Q SV: N utzenerg ie des Solarsys tem sSystem nut zungsgrad solarer Deckungsant e il
Systemnutzungsgrad und solarer Deckungsanteil vom 1.1.2008 – 31.12.2008
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Energiesysteme
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Kollektoren
Aufständerung
Kollektormontage inkl. Verrohrung
Verrohrung Kollektorfelder / WT
Wärmetauscher
Solare Pufferspeicher
Verrohrung Aggregate Keller
Regelung
Wärmeträgerfüllung
Sonstige Komponenten
Inbetriebnahme
Planung
Spezifische Kosten in €/m² ohne MwSt
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Energiesysteme
Kosten Systeminstallation (ohne MwSt) 157.603,91 €
Planungskosten (ohne MwSt) 25.793,67 €
Gesamtkosten (incl. MwSt) 212.741,19 €(932 €/m²)
Jährlicher Solarertrag (2003) 137.680 kWh(604 kWh/m²)
Wärmekosten 0,135 €/kWh
Wärmekosten = [(Gesamtkosten x Annuität) / Solarertrag]
Annuität = 8,72 %, basierend auf 20 Jahren Systemlebensdauer and 6% Zinssatz.
Investitionskosten / Wärmekosten Wilmersdorfer Str. Freiburg
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Installateur gibt Garantie ab
Garantie auf Basis vordefinierter Werte- Wetter- Warmwasserverbrauch (Trinkwasser)- Neu: Wärmebedarf (Raumheizung etc.)
Berechnung mit Simulationsprogramm (z.B. T°Sol, TRNSYS, Polysun)
Nach einem Jahr : Überprüfung der Energiegarantie
Vergleich des Garantieertrags mit dem gemessenen Ertrag
Basis: gemessene Wetterdaten, Wärmeverbrauch T°Sol, (TRNSYS, Polysun)
Bei unterschreiten des Garantieertrags um mehr als 10% muss derInstallateur nachbessern
Energiegarantie
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Verb
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Mo - Fr Sa
Verbrauch in Liter bei 45°C Speichertemperatur
Verbrauch in Liter bei 45°C Speichertemperatur
Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus:Wochentage Mo – Fr und Sa in Liter bei 45 °C
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Verbrauch in m³ bei 45°C Speichertemperatur
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Verb
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Lite
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60°
C
S pei
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pera
tur
So
Verbrauch in Liter bei 45°C Speichertemperatur
Verbrauch in m³bei 45°C Speichertemperatur
Verbrauch in Liter bei 45 °C bzw. m³
Trinkwarmwasserverbrauchsprofil im Krankenhaus:Wochentage So und Jahresverlauf
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Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trinkwassererwärmung : Direkterwärmung
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Energiesysteme
2 x 4.500 l
2.000 l
2.000 l
Nach-heizung
ZulaufTrinkwasser
Vorwärm-
(Solar-)
speicher
Duschwassererwärmung Beckenwassererwärmung
Schwimmbecken
Schwallwasserbehälter
ZulaufFrischwasser
PumpeKollektorkreis
PumpeSpeicherladekreis
Nach-heizung
VerbraucherNachheiz-
speicher
M
M
PotableWater
Fresh Water
Swimming Pool
Reservoir of used water
Boiler
Potable Water Heating (Showers) Swimming Pool Heating
Hydraulik solarthermische Großanlage zur Trink- und Schwimmbadwassererwärmung 25
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Anlagenmonitoring für Besucher: Display
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Messstellenplan Anlagen-Monitoring Stadtklinik Baden-Baden
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Energiesysteme
Messwerterfassung und Datenübertragung
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41,4
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53522827134309
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2,2 2,1
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2,1
Anlagenmonitoring
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Kurvendiagramm
und Carpet-Plot.
Anlagenevaluation: Wilmersdorfer Str. Freiburg Solare Einstrahlung des Jahres 2008 als
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Energiesysteme
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Jährlicher spez. Solarertrag je Anlage und Jahr im Vergleich zur projektbegleitenden Simulation
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Vergleich der solare Zapfdeckungsrate je Anlage und Jahr 31
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Vergleich der Systemnutzungsgrade je Anlage und Jahr im Vergleich zur Garantie
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Mittlere Kollektorauslastung in Liter Trinkwarmwasser pro m²-Kollektor und Tag je Anlage
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Verteilung der spez. Kosten je Anlage34
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Jährlicher spez. Solare Wärmekosten je Anlage im Vergleich 35
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Vorteile eines dynamischen Anlagenmonitorings:
Übersicht über Energieverbräuche
Bewertung des Betriebs: Benchmarking
Überprüfung der Herstellerangeben
Ermittlung von Ausreißern und dessen Analyse
Validierung von Planungswerten
Sicherstellung der Ziele nachhaltiger Energieversorgung
Qualitätsmanagement
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Solarunterstützte-CO2-neutrale Nahwärmeversorgung in Holzgerlingen
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Energiesysteme
• Neubaugebiets Hülben in Holzgerlingen
• 44 Einfamilienhäuser, 36 Wohneinheiten in MFH, Kindergarten
• Gesamtwohnfläche bzw. Nutzfläche : 9.600 m²
Solare Nahwärmenutzung in Holzgerlingen
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Holzpelletkessel (540 KW)
kombiniert mit einer 249 m²
großen Solar-
Flachkollektoranlage
Solare Nahwärmenutzung in Holzgerlingen
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Nord
Süd
Anlagenschema Holzgerlingen
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Energiesysteme
Beginn der Messungen:1.1.2008
Start des Garantiejahres: 1.8.2008
Erste Ergebnisse: Heiz- und Kühlbetrieb 08/09
Solarthermische angetriebene Kühlung bei der Festo AG
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Energiesysteme
Ansichten Festo-Anlage
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Solarthermische Adsorptions-Kühlung
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Solarthermische Kältemaschine44
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45Thermisch angetriebene Kältemaschinen
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46
nachDr.-Ing. Jürgen Röben
Sorptionsmechanismen: Ad- und Absorption und Desorption
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Hygroskopische Feststoffe
Silicagel als Adsorber47
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Offene Metallschwammstruktur mit Kieselgelfüllung für Sorptive Speicher Quelle: Fraunhofer ISE
Silicagel besteht hauptsächlich aus Quarz (SiO2) und hat eine innere Oberfläche von 300 – 800 m²/g (Quelle BINE)
Silicagel
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49Adsorptionskältemaschine
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50Adsorptionskältemaschine
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Beachte:
Prozess läuft im
Vakuum ab!
20.10.2009 51Adsorptionskältemaschine
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Diskontinuierlicher Betrieb der Adsorptionskältemaschine 52
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Solarthermische Kühlung: Hydraulikschema Festo-Anlage
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Technische Daten Festo Anlage54
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Kollektoraustritt
Kollektoreintritt
Kollektorertrag
Quelle: Paradigma Deutschland GmbH
Ergebnisse vom 24.2.2008: Betriebsdaten55
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56Ergebnisse vom 29.2.2008: Fehlströmungen bei Nacht
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Quelle: Paradigma Deutschland GmbH
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Verlauf von Kollektorein- und -austrittstemperaturen sowie der Speichertemperatur während des Frostschutz-Betriebs. Die
Kollektoraustrittstemperatur wird immer auf mindestens 5 °C gehalten.
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Zusammenhang zwischen mittlerer Speichertemperatur des Tages undWärmeverluste an das Kollektorfeld bei Frostschutzbetrieb
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Tageszeit Überhitzung Temperatur in °CDatum
Ergebnisse : Carpetplot Kollektortemperaturen 59
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Stillstandsverhalten der Solaranlage der solaren Klimatisierung der Festo AG & Co. KG in Esslingen am 17.08.08
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Quelle: zafh.net Hochschule für Technik Stuttgart
61Einfluss der Rückkühltemperatur auf den COP der
Adsorptionskältemaschine (Messwerte)
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Bisherige Messergebnisse (1.8.2008 –31.7.2009)
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Grafische Darstellung der wichtigsten Messdaten des Intensivmessjahres vom 1. August 2008 bis 31. Juli 2009
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Seit 1.1.2008 läuft die weltgröße solarthermische Adsorptions Kühlanlage bei Festo AG & Co. KG nahezu problemlos.
Der von Kollektorhersteller garantierte Jahresertrag von 500 MWhwurde bereits Ende September 2008 erreicht!
Der solare Deckungsanteil beträgt im Sommer 6,3 %.
Wegen begrenzter Dachfläche ist auch die Kollektorfläche begrenzt.
Deckungsanteil regenerativ gesamt (mit Kompressorabwärme) beträgt 45 %.
Solarsystem mit Vakuumröhrenkollektoren mit Wasserfüllung hat sich bewährt.
Zusammenfassung und Ausblick:64
SOLARTHERMIE 2000plus
Klimaschutz_konkretOEA KEA
Offenburg 21.10.09
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Energiesysteme
Solarthermisches Heizen und Kühlen
eine große technische Herausforderung und wichtiger Bestandteil einer Nachhaltigen Wärme- und
Kälteversorgung
Folie Nr UA030
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Anlagenschema im Detail
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Undichtigkeiten im Kollektorfeld
2007 2008
Langzeitmonitoring: Ergebnisse 1
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Kostenverteilung Solaranlage Holzgerlingen