WP- Solar-Anlage Savièse (VS) - Analyse Messwerte und Systemvergleich
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WP- Solar-Anlage Savièse (VS) Analyse Messwerte und Systemvergleich CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 1/36
Autoren
Franz Kalberer
Dipl. Masch.-Ing. HTL
Amstein & Walthert AG, Rosenbergstr. 8, 9000 St. Gallen
f.kalberer@bluewin.ch
Martin Pfirter
Ing. BSc FHNW
FHNW, Institut Energie am Bau , St. Jakobs-Strasse 84, 4132
Muttenz
martin.pfirter@fhnw.ch
Alan Wakefield
Dipl. Architekt ETH
Kanton BS, Hochbauamt, Münsterplatz 11, 4001 Basel
alan.wakefield@gmx.ch
Der vorliegende Bericht wurde von den Studierenden des CAS Eneuerbare Energien im Rahmen einer
Zertifikatsarbeit erarbeitet.
Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die Arbeit nicht im Rahmen eines
Auftragsverhältnisses erstellt wurde. Die verwendeten Messwerte wurden durch den Bauherrn zur
Verfügung gestellt und durch die FHNW aufbereitet.
Weder die Autor/innen noch die Fachhochschule Nordwestschweiz können für Aktivitäten auf der Basis
dieser Studierendenarbeit planerische Haftung übernehmen.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 2/36
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung .................................................................................................. 4
1.
Einleitung .......................................................................................................... 5
1.1.
Aufgabenstellung ................................................................................... 5
1.2.
Vorgehen................................................................................................ 5
1.3.
Dank ....................................................................................................... 5
2.
Anlagenbeschrieb ............................................................................................. 6
2.1.
Situation ................................................................................................. 6
2.2.
Das Heizsystem ..................................................................................... 6
2.3.
MSR und Hydraulik ................................................................................ 9
3.
Messwertanalyse............................................................................................ 11
3.1.
Ausgangslage Messkonzept ................................................................ 11
3.2.
Energetische Bewertung ...................................................................... 11
3.3.
Allgemeine Definition der Effizienz-Kennzahlen .................................. 13
3.4.
Energetische Bewertung des Wärmeerzeugersystems ....................... 15
3.5.
Betriebsbedingungen der Wärmepumpe ............................................. 16
3.6.
Schlussfolgerungen .............................................................................. 18
4.
Variantenvergleich mit Polysun ...................................................................... 19
4.1.
Anpassung der Aufgabenstellung ........................................................ 19
4.2.
Untersuchte Varianten ......................................................................... 19
4.3.
A- Varianten: Erdwärmesonde mit Wärmepumpe und Solarkollektor .. 19
4.4.
B-Varianten: Wärmepumpe Luft/Wasser mit Solarkollektoren ............. 22
4.5.
Betrachtung der Quellentemperaturen: ................................................ 24
4.6.
Schlussfolgerungen .............................................................................. 25
5.
Wirtschaftlichkeit des Heizsystems ................................................................ 27
5.1.
Heizsystem EFH Savièse ..................................................................... 27
5.2.
Barwertvergleich der Kosten von Wärmepumpensystemen ................ 28
5.3.
Jahreskostenvergleich mit weiteren Heizsystemen ............................. 30
5.4.
Umweltbelastungsvergleich ................................................................. 30
Quellenverzeichnis ................................................................................................ 32
Anhang .................................................................................................................. 33
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 3/36
Zusammenfassung Im Rahmen dieser Zertifikatsarbeit wurde ein Gebäudetechnik-System untersucht, welches zur Zeit noch eher experimentell angewendet wird. Die Bausteine bilden hierbei ein unverglaster Solarkollektor, ein konventioneller Kombispeicher, ein Eisspeicher, sowie eine Wärmepumpe. Der Vorteil des selektiv beschichteten Metallabsorbers liegt darin, dass dieser auch sensible Wärme verwerten und somit in einem grossen Temperaturspektrum Energiegewinne erzielen kann. Ist die Betriebstemperatur des Kollektors hoch, so wird die Wärme konventionell über den Kombispeicher direkt verwertet. Sind die Temperaturen jedoch tief, kann die Umweltwärme in den Eisspeicher transportiert werden. Dieser wird als Wärmequelle für die Wärmepumpe betrieben. Dank des grossen Speicher- vermögens, das sich aufgrund des Phasenwechsels Eis/Wasser ergibt, verfügt der Eisspeicher über eine grosse Wärmekapazität. Er soll möglichst viele Betriebsstunden mit einer WP-Quellentemperatur von grösser als 0°C ermöglichen. Um die Effizienz des Systems quantifizieren zu können, wurde das System über den Zeitraum von einem Jahr ausgemessen. In diesem Zeitraum ergab sich ein Systemnutzungsgrad von 4.0, die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erreichte den Wert von 3.7 und ist mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonde als Quelle vergleichbar. Die Auswertungen zeigten auf, dass die Temperatur des Eisspeichers in etwa 30% aller Wärmepumpen-Betriebsstunden kleiner ist als 0°C, dies ist ein Indiz dafür, dass der Eisspeicher unterdimensioniert ist. Bei einer korrekten Dimensionierung des Speichers kann somit davon ausgegangen werden, dass die Effizienz einer sehr guten Sole/Wasser-Wärmepumpe erreichbar ist. Mit dem Programm Polysun wurden Varianten untersucht, wo anstelle des Eisspeichers eine Erdsonde bzw. die Umgebungsluft als Wärmequelle diente. In dieser Kombination ergeben erwartungsgemäss die Varianten mit verglasten Kollektoren die besseren Systemnutzungsgrade. Eine Erdsonden-WP im Zusammenspiel mit einem verglasten Solarkollektor verspricht einen gegenüber dem gemessenen Systemnutzungsgrad des EFH Savièse höheren Wert. Eine solche Lösung wäre allerdings mit Mehrkosten und grauer Energie für die zusätzliche Erdsondenbohrung verbunden. Die Simulationen deuten darauf hin, dass die Kombination von Wärmepumpen und Solarkollektoren den Strombedarf deutlich senken kann. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen belegen, dass das System EFH Savièse konkurrenzfähig zu den anderen WP-Anlagen und auch anderen Heizungen im Einfamilienhausbereich ist. Durch eine weitere Optimierung des Systemnutzungsgrades oder eine Senkung der Anlagekosten, wird bei steigenden Strompreisen sogar ein Vorteil resultieren. Für Standorte mit überdurchschnittlicher Einstrahlung oder fehlender Möglichkeit einer Erdwärmenutzung ist die Lösung EFH Savièse prüfenswert (sofern eine Niedertemperaturheizung realisierbar ist). Im Gegensatz zu einem nur auf direkter Solarwärmenutzung basierten System ohne Zusatzheizung, entfällt der Platzbedarf für eine saisonale Speicherung. Der Metallabsorber lässt sich in Dach- oder Fassadenflächen integrieren und benötigt etwa 30 m2 für ein grösseres EFH. Eine Adaption des Systems für grössere Wohn- oder Bürobauten ist denkbar. CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 4/36
1. Einleitung
1.1. Aufgabenstellung
Das in dieser Arbeit näher betrachtete Heizsystem für das EFH in Savièse (Kanton
Wallis) nutzt Solarstrahlung und Umweltwärme mittels Kollektor, Kombispeicher,
Wärmepumpe und einem Eisspeicher. Dazu wird ein in Deutschland entwickeltes
Komplettsystem zur Beheizung von Einfamilienhäusern verwendet, aber bezüglich
Kollektortyp modifiziert.
Die Anlage wurde während des ersten Betriebsjahres detailliert vermessen. Eine
Wetterstation hat alle relevanten Meteodaten erfasst, die Systemzustände und alle
Energiebezüge wurden ebenfalls detailliert erfasst. Dies ergibt die Möglichkeit die
erreichte Effizienz und Leistungsfähigkeit des Systems zu analysieren und mit
anderen Anlagen zu vergleichen. Es interessieren uns die Einflüsse der
Komponenten Eisspeicher, Kollektortyp und der Vergleich mit einer
Erdwärmesonden-WP. Neben der technischen Auswertung werden weitere
Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Platzbedarf etc. betrachtet. Ziel ist
es, das Potential des Systems in Vergleich zu anderen regenerativen
Heizsystemen einschätzen zu können.
1.2. Vorgehen
Mittels den vorhandenen Unterlagen und einer gemeinsamen Begehung der
Anlage am 5. November 2011 zusammen mit dem Bauherrn, Herr Bernhard
Thissen, wurden die Funktionsweise der Anlage und die Randbedingungen
geklärt. Durch Auswertung der Messwerte in Bezug auf die relevanten
Fragestellungen wurden wichtige Kennwerte ermittelt bzw. bereits vorhandene
Angaben überprüft:
• Jahresarbeitszahl Wärmepumpe
• Nutzungsgrad Gesamtsystem
• Anteil der direkt und der indirekt verwerteten Solarerträge
• Betriebsbedingungen der Wärmepumpe
Durch die Simulation der Anlage mit dem Programm Polysun sollte der Einfluss
der verschiedenen Komponenten untersucht werden. Leider erwies sich die
Simulation des Systems -insbesondere des Eisspeichers- als zu komplex für die
vorhandene Bearbeitungszeit. Alternativ wurden darum mehrere Varianten WP
Luft und WP Erdsonde in Kombination mit Solarkollektoren untersucht.
Mittels Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen basierend auf der Barwertmethode wurde
die bestehende Anlage verschiedenen Wärmepumpensystemen verglichen. An
Hand eines bestehenden Tools zum Vergleich von Jahreskosten (Annuitätskosten)
wurde der Vergleich auf typische Heizsysteme im Einfamilienhausbereich
erweitert.
1.3. Dank
Wir möchten uns bei Herrn Bernard Thissen herzlich bedanken, dass er uns die
Anlage ausführlich erklärt und die notwendigen Angaben und Unterlagen zur
Verfügung gestellt hat. Herrn Ralf Dott danken wir für die Vorbereitung und
Begleitung der Arbeit inkl. Besichtigung vor Ort. Vela Solaris AG für die
Unterstützung bezüglich Polysun.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 5/36
2. Anlagenbeschrieb 2.1. Situation Savièse befindet sich in der Nähe von Sion auf 850 m.ü.M. an einem gut besonnten Südhang. Die Wetterstation Sion weist eine mittlere Globalstrahlung von 154 W/m2 bzw. gesamthaft 1'350 kWh/m2a aus. Gemessen wurde während der Messperiode eine mittlere Globalstrahlung von ca. 170 W/m2 in Nähe des Absorbers. Die Einstrahlungswerte sind für die Schweiz überdurchschnittlich hoch. Das Einfamilienhaus ist ein älteres Walliserhaus aus Stein und Holz erbaut. Es wurde im Minergie-Standard (aber noch ohne kontrollierte Lüftungsanlage) renoviert und befindet sich im alten Dorfkern. Auf die Beibehaltung des ursprünglichen Gebäudeausdrucks wurde geachtet. Die Absorberfläche von rund 30m2 ist auf der Ostseite in das 20° geneigte Dach integriert bzw. bildet die Dacheindeckung. Von der Strasse aus ist die Kollektorfläche nicht sichtbar. Gemäss Aussage Bauherr wurde im Winter mehrfach der Schnee von Hand abgeräumt, da die Antaufunktion des Systems dazu nicht taugt. Er empfiehlt den Kollektor nach Möglichkeit stärker geneigt aufzustellen damit der Schnee abrutschen kann. Die EBF ist 230 m2, die Heizleistung der WP beträgt max. 8 kW (Quelle: Rapport Intermediaire, Energie Solaire S.A., www.energie-solaire.com). Der gemessene Wärmebedarf betrug über ein Jahr für die Heizung 10'630 kWh und für Warmwasser 1'677 kWh. Insgesamt betrug somit der Nutzwärmebedarf 53.5 kWh/ m2 EBF. Für die Wärmeabgabe wird eine Niedertemperaturwandheizung verwendet. Das Haus besitzt in der Küche einen Holzherd, der in den Messungen nicht erfasst ist und gemäss Aussage Bauherr sporadisch genutzt wurde. Zusätzlich wurde ein bestehender Holzheizkessel im System eingebunden. Dieser wurde jedoch während der Messperiode bewusst nie benutzt. Das Haus wird von zwei Personen bewohnt, die auch viel ausser Haus sind (Wärmebedarf ist vermutlich entsprechend etwas reduziert). 2.2. Das Heizsystem Das im EFH Savièse eingesetzte System zur Wärmeerzeugung für Raumwärme und Warmwasser basiert auf dem System der Firma Consolar und nennt sich Solaera. Dieses gewinnt über Hybridkollektoren nicht nur Strahlungswärme der Sonne, sondern kann auch die Energie der Umgebungsluft nachts oder bei bedecktem Himmel nutzen und an den Eisspeicher abgeben. Durch die Wärmepumpe wird die Umweltwärme auf das für Raumwärme und Warmwasser benötigte Temperaturniveau angehoben. Das mit Ausnahme des Kollektors beinahe identische System Solaera wurde in Deutschland bereits mehrfach erprobt und ist als Heizsystem für Einfamilienhäuser auf dem Markt. Aufgrund von Feldmessungen wird vom Hersteller Consolar ein erreichbarer Systemnutzungsgrad zwischen 4 und 7 angegeben (Quelle: www.sonne-heizt.de/Produkte/ Solarheizung/solarheizung.html). CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 6/36
Rückseite der Kollektoren angesaugt, über einen Wirkungsgweise Hybridkollektor
speziellen, mit dem Absorber fest verbundenen Luft-
wärmetauscher geführt und auf der Vorderseite der
Kollektoren wieder ausgebla sen.
Scheint die Sonne, funktioniert er als Solarkollek-
tor, der die Solarflüssigkeit erwärmt und diese an
den Kombi- oder den Latentwärmespeicher abgibt.
Bei bedecktem Himmel wird durch ein Ge bläse
Umgebungsluft durch den Kollektor geblasen.
Diese Luft gibt ihre Wärme an die zirkulierende
Solarflüssigkeit ab, welche in den Latentwärme -
speicher transportiert wird. Dort steht die Wärme
der Wärmepumpe zur Verfügung.
Wenn die Sonneneinstrahlung zu gering ist, um
die Solarflüssigkeit ausreichend für eine direkte
Erwärmung des Kombispeichers zu nutzen, wird
die Solarwärme in die Energie-zentrale umgeleitet.
Wenn gleichzeitig Wärme benötigt wird, kann die
Wärme-pumpe die Temperaturen für Warmwasser
oder Heizung anheben.
BildÜber
2.1dieFunktionsweise System
Hybridkollektoren kann Solaera
auf zwei Arten (Quelle: www.sonne-heizt.de)
Wird mehr Wärme benötigt als im Kombi-speicher
Wärme von außen aufgenommen werden: Durch zur Verfügung steht, schaltet sich die Wärme-
Sonnenstrahlung oder - z. B. bei bedecktem Himmel pumpe ein. Sie entzieht dem Latentwärme speicher
Die-den
durch ein Gebläse. Wenn Umgebungsluft durch
Kollektorfläche
Kollektor geblasen wird, kann der im Wasser-
Niedertemperatur-wärme, und bringt diese auf ein
höheres Temperaturniveau.
Eis-Latentspeicher
Während die abgekühlteder
Kollektoren Solarkreislauf
Firma der
Consolar die Umgebungswärme über
Umgebung Wärme entziehen und damit den Latent-
eingebaute Ventilatoren
speicher erwärmen. undmehr
Wird nachts Wärmetauscher
Wärme be- Heizen
auf das Fluidmit einem Eisspeicher
übertragen, verwendet
dernötigt
Bauherr
als im beim EFH Savièse
Kombispeicher einen
zur Verfügung nicht verglasten Metallabsorber, der die
steht,
läuft die Wärmepumpe. Dabei kann sie die tagsüber
Umgebungswärme im tiefen
eingespeicherte Niedertempera Temperaturbereich
turwärme des La- ohne Hilfsenergie auf den
Herkömmliche Wärmepumpen machen Niedertempe-
Solarkreislauf überträgt.
tentspeichers entziehen. Dafür
Durch wird eine
das Abkühlen bzw.geringereraturwärme
Ausnutzung derInSolarstrahlung
nutzbar. dem Latentwärme -
Einfrieren des Wassers im Latentspeicher wird die /Eisspeicher des SOLAERA-
in Folge höherer Wärmeverluste in
im Wasser gespeicherte Wärme nutzbar. Über die
Kauf genommen. Der Bauherr, Herr B. Thissen
Systems wird Wärme auf ei-
ist Wärme
Geschäftsführer derWärme
pumpe wird diese Firma aufEnergie
ein höheresSolaire SA,nem welche diesen
niedrigen Absorber in der
Temperaturni-
Temperaturniveau
Schweiz herstellt gebracht. So kann In
und vertreibt. sie diesem
zur Trink- Sinne handelt es sich
veau verlustfrei beim EFH um
gespeichert.
wassererwärmung und zur Raumheizung direkt ge- Durch das Auftauen und Ein-
einen
nutzt„Testbetrieb“
werden. für eine neue Anwendung desfrieren Metallabsorbers.
von Wasser lässt sich
sehr viel Energie auf sehr klei-
nem Raum speichern. Das
Das SOLAERA-System
„Die Technologie von EnergienutztSolaire
direkt die bei Son-
basiert auf einem Flachkollektor
Fassungsvolumen mit des
Kissenstruktur
320- aus
nenschein im Kollektor gewonnene Wärme, um Liter-Latentwärme -
Edelstahl und einer selektiven Schwarzchrombeschichtung, die höchste Wirkungsgrade und
den Kombispeicher zu erwärmen. Dieser stellt /Eisspeichers des SOLAERA-
Langlebigkeit gewährleistet…Ursprünglich
als Zwischenspeicher dem Haus Warmwasser-war der Absorber dafür gedacht, in der Fertigung von
Systems entspricht somit ei-
verglasten Flachkollektoren
und Heizwärme eingesetzt
zur Verfügung. Wird zu
die werden.
Solar- Seit Mitte
nemder 80er Jahre wird er auch als
2500-Liter-Wärmespei-
unverglaster
wärme im Kollektor
Momentverwendet.… Bei Kollektortemperaturen
nicht benötigt (Wärmepumpe im Bereich
cher. Dem vonim30°C
Wasser/Eis La- bis 50°C
ist aus),
liefert der kann sie an
unverglaste den Latentspeicher
Kollektor von Energie abgege-
Solaire Ergebnisse, die vergleichbar
tentwärmespeicher sind mit
wird Wärme den und über
entzogen
besten,benzurwerden,
Zeit amda dieser auf einer niedrigeren
Markt verfügbaren, verglasten Kollektoren, eine Wärmepumpe
und dies zu auf ein höheres Temperaturniveau
niedrigeren
Temperatur arbeitet als der Kombispeicher. gebracht, so dass sie zur Heizung und Warmwas-
Kosten…“ (Quelle: www.energie-solaire.com). serbereitung einsetzbar ist.
Aufgrund der Auswertung gemäss dem Fact Sheet SPF (www.solarenergy.ch)
zeigt sich, dass der relative Wirkungsgrad bis ca. 30° Temperaturdifferenz
zwischen Solarkreislauf und Umgebungstemperatur mit einem verglasten Kollektor
mithalten kann. Darüber liegt der Wirkungsgrad deutlich tiefer. Bei Wind muss mit
grösseren Ertragseinbussen gerechnet werden.
Die Vorteile des nicht verglasten Absorbers sind:
• Sensible Wärmegewinne lassen sich realisieren, sobald die
Umgebungstemperatur über der Temperatur des Fluids ist (dies bedeutet,
dass auch bei relativ tiefen Außentemperaturen das durch die WP
abgekühlte Medium über den Absorber etwas erwärmt und die Vereisung
des Latentspeichers dadurch verlangsamt wird).
• Der AS ist günstiger und vermutlich robuster als verglaste Kollektoren.
• Es entfällt die Problematik der Tauwasserbildung im Kollektorgehäuse,
welche bei Nutzung der Umgebungswärme entsteht.
• Weil die Stillstandstemperatur tief liegt (ca. 80°) entstehen kaum
Überhitzungsprobleme im Sommer.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 7/36
• Der Absorber ist tolerant bezüglich Abweichung vom idealen
Einstrahlungswinkel (bis 60° longitudinal und transversal kaum Einbussen).
• Mit 25 mm Aufbauhöhe ist der Absorber sehr dünn und lässt sich auch
biegen. Energie Solaire bietet den AS zusammen mit einem Unterdach als
Solardach an. Entsprechend lässt er sich einfacher im Dach integrieren.
Bild 2.2: Flachkollektor mit Kissenstruktur AS
Der Eisspeicher
Der 320 Liter Eisspeicher kann als Latentwärmespeicher die Wärme auf einem
niedrigen Temperaturniveau verlustfrei lagern. Beim Übergang von Wasser zu Eis
kann er viel Energie speichern bzw. abgeben: Die Erstarrungsenthalpie von
Wasser beträgt 333 kJ/kg - dies entspricht der Wärmemenge die zugeführt werden
müsste, um flüssiges Wasser um rund 80 Kelvin zu erwärmen. Der WP
vorgelagert speichert er alle Erträge aus den Absorbern im Niedrigtemperatur-
bereich. Ein vollständiges Gefrieren des Speichers ist nur in längeren
Kälteperioden vorgesehen. Dadurch sollte die WP auch in der kälteren Jahreszeit
meist mit mind. 0° Glykolfluid betrieben werden. Sobald die Umgebungstemperatur
über dem Gefrierpunkt liegt oder durch Solarstrahlung Wärmegewinne erzielt
werden, kann der Eisspeicher wieder geladen werden, indem das Eis abgetaut
wird.
In der Messperiode betrug die Temperatur des Eisspeichers entgegen den
Erwartungen während 956 Stunden weniger als 0°. 794 Stunden davon war die
Wärmepumpe in Betrieb. Der kälteste Wochenwert betrug -7.4°, der tiefste
Stundenwert -16.1°.
Der Pufferspeicher
Ein Kombispeicher von 1000 Liter dient beim System Consolar der
Zwischenspeicherung der Wärme auf Verbrauchstemperatur, also
Wärmeabgabeseitig. Beim EFH Savièse wurde ein bestehender Wasserspeicher
mit 1'500 Liter Inhalt mit vergleichbaren Temperaturniveaus verwendet. Der
Speicher speist die Warmwasserversorgung und den Heizkreislauf.
Während der Betriebszeit der WP betrug die gemessene Temperatur im
Warmwasserbereich meistens 45 bis 50°.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 8/36
Die Wärmepumpe
Die WP bildet zusammen mit dem Eisspeicher, den Pumpen für den Solarkreis
und der Systemregelung eine vorinstallierte Einheit („Solaera Energiezentrum“).
Die WP arbeitet mit einem Scrollverdichter und Plattenwärmetauschern. Der COP
bei BO/W35 beträgt 4.4 (Quelle: Leibfried 10).
Die Wärmeverteilung
Die Wärmeverteilung erfolgt über Wandflächenheizungen im Niedertemperatur-
bereich. Die Vorlauftemperatur ist ausgelegt auf 35° bei -8°.
In der Messperiode betrug die maximale Vorlauftemperatur 37°, in den kältesten
Perioden jedoch nie über 35°.
2.3. MSR und Hydraulik
Die MSR-Technik basiert auf den von Solaera entwickelten Komponenten. Der
Regler steuert aufgrund der Fühlertemperaturen die entsprechenden Ein- und
Auszeiten. Grundsätzlich gibt es folgende Systemzustände:
• Solar/ Kombi: Der Heizwärmebedarf kann bei Solarstrahlung und mittleren
bis tiefen Wärmeverlusten über den Absorber abgedeckt und direkt dem
Hauptspeicher via Wärmetauscher zugeführt werden. Der Heizkreislauf
bezieht seine Wärme dann über den Hauptspeicher.
• Solar/ Eis: Bei mittleren und tiefen Temperaturen des Fluids am Ausgang
des Absorbers (ca. -15° bis 25°) wird dieses dem Latentwärmespeicher
zugeführt. Dieser dient der WP als Wärmequelle. Nach dem Verdampfer
wird das Fluid entweder via Absorber oder direkt zum Eisspeicher geführt,
wo es dem Wasser bis zur Vereisung die Wärmeenergie entzieht. Der
Absorber kann durch die Umgebungswärme den Eisspeicher beladen oder
zumindest den Wärmeentzug im Eisspeicher durch den Verdampfer etwas
reduzieren (Temperaturbeispiel: Austritt WP -10°, Austritt Absorber -8°,
Eisspeicher -4°). Wenn der Latentwärmespeicher total vereist ist, wird die
WP primär elektrisch betrieben.
• Bei hoher Solarstrahlung kann in der Übergangs- und Sommerzeit das
Temperaturniveau für das Warmwasser ohne WP erreicht werden (der
Speicher wird dann im gesamten oberen Bereich über 45° warm sein). In
der restlichen Zeit muss die WP die Differenzwärmeerzeugung
übernehmen.
Das Ineinandergreifen der Speichersysteme macht die Steuerung und Optimierung
anspruchsvoll. Im System sind abhängig von der Speicherausführung vier bis fünf
Umwälzpumpen eingebunden.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 9/36
Bild 2.3: Prinzpschema Wärmeerzeugung EFH Savièse (Quelle: www.energie- solaire.ch) CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 10/36
3. Messwertanalyse
3.1. Ausgangslage Messkonzept
Die Anlage wird seit Anfang März 2010 bis heute vermessen. Um eine möglichst
detaillierte Untersuchung zu ermöglichen, wird hierbei eine grosse Anzahl an
Messinstrumenten eingesetzt. Diese erlauben es relevante Grössen wie
Temperaturen, Massenströme und daraus abgeleitet Energien, sowie den
Elektrizitätsbezug im 2-Minuten-Takt zu erfassen. Aufgezeichnet werden hierbei im
Wesentlichen:
• Energien: Ertrag Kollektor, Bezug Wärme aus Eis- und Kombispeicher,
Bezug Wärme für Heizung und Warmwasserbereitung, Elektrizitätsbedarf
für die Wärmepumpe, Umwälzpumpen & MSR
• Temperaturen: Kollektorein- & austritt, verschiedene Schichten
Kombispeicher, Eisspeicher, Vorlauftemperatur der Heizung,
Warmwasser-Temperatur
• Aktivitäten: Pumpen und Ventile
• Klima: Aussentemperatur, Luftfeuchte, Wind
Im Folgenden werden die Messdaten welche vom 01.04.2010 bis 30.03.2011
aufgezeichnet wurden ausgewertet, um die Effizienz und die Betriebsbedingungen
des Systems über den Zeitraum von einem Jahr beurteilen zu können. Die
Datenlücken aufgrund Ausfall der Messeinrichtungen betragen hierbei rund 7% der
Gesamtstunden, siehe Anhang 01.
3.2. Energetische Bewertung
Wärmebedarf und Deckung
Im folgenden Bild 3.1 wird aufgezeigt wie gross der Wärmebedarf des Gebäudes
während der Messperiode war und wie dieser gedeckt wurde.
Bild 3.1: Wärmebedarf und –produktion über die Messperiode
Wie aus Bild 3.1 ersichtlich ist weist das Gebäude einen Wärmebedarf von
insgesamt 15‘817 kWh auf. Der grösste Teil dieser Wärmemenge wird für die
Beheizung des Gebäudes benötigt, dieser beträgt 10‘630 kWh und entspricht rund
67% des gesamten Bedarfs. Der Anteil des Warmwassers ist verhältnismässig
klein: Nur 1‘677 kWh wird für dessen Bereitung benötigt, dies entspricht 11% des
totalen Wärmebedarfs. Bei der restlichen Differenz von 22% oder 3‘510 kWh
handelt es sich um Verluste welche nicht direkt Mess-, jedoch berechenbar sind:
Auf der Produktionsseite wird erfasst welche Wärmemengen dem Kombi- und
Eisspeicher zugeführt werden. Die Differenzen dieser zugeführten zu den
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 11/36tatsächlich für Heizung und Warmwasser bezogenen Energien sind somit als Speicher- und Verteilverluste zuteilbar. Auf der Produktionsseite ist ersichtlich, dass 5‘700 kWh durch konventionelle direkte Solarenergienutzung gedeckt werden kann. Hierbei wird die vom Kollektor aufgenommene Wärme dem Kombispeicher zugeführt, welcher die Wärme auf direktem Wege für die Warmwasserbereitung oder Beheizung des Gebäudes verwenden kann. Auf diese Weise können rund 36% des Bedarfs gedeckt werden. Die restlichen 64% werden durch die Kombination Eisspeicher und Wärmepumpe erbracht: 7‘532 kWh oder 48% wird über den Eisspeicher gewonnen, wobei zusätzlich 2‘585 kWh oder 16% in Form von Elektrizität der Wärmepumpe zugeführt werden müssen, um die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau befördern zu können. Zusätzlich zu diesem Wärmebedarf wurde eine Menge von 479 kWh an Elektrizität bezogen: Diese wird für den Betrieb der Umwälzpumpen, sowie die MSR benötigt. Diese Energie wird über ein gemeinsames Messgerät erfasst, da daraus der Energiebedarf der einzelnen Komponenten nicht ersichtlich ist, wird dieser mittels Abschätzung auf die Bauteile verteilt. Im Folgenden soll die Deckung des anfallenden Wärmebedarfs detaillierter untersucht werden, hierzu zeigt Bild 3.2 den wöchentlichen Energiebedarf des Gebäudes, sowie dessen Deckung auf. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass im Jahr 2010 bereits Anfangs April (Woche 13) die Solaranlage Wärme direkt in den Kombispeicher transportiert und die direkte Solarenergienutzung somit bis Mitte November (Woche 45) desselben Jahres einen grossen Teil des Wärmebedarfs abzudecken vermag. Im Jahr 2011 beginnt die direkte Nutzung der solaren Wärme bereits ab anfangs Februar (Woche 5). Die indirekte Solarwärmenutzung via Eisspeicher und Wärmepumpe wird 2010 bis Mitte Mai verwendet, anschliessend wird die Wärmepumpe bis Anfangs Oktober (Woche 39) ausgeschaltet. Ab diesem Zeitpunkt wird die indirekte Wärmenutzung bis Ende März 2011 (Woche 12) verwendet. Es zeigt sich somit, dass die direkte Solarenergienutzung bei wärmeren, die indirekte Nutzung bei kälteren Temperaturen stattfindet. Dies wird auch durch Bild 3.3 verdeutlicht. Bild 3.2: Wöchentlicher Energiebedarf und –deckung über das Jahr CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 12/36
2000
1800
Elektrizität
WP
1600
Eisspeicher
Energie
in
kWh
1400
1200
Kombispeicher
1000
800
600
400
200
0
-‐10
-‐5
0
5
10
15
20
25
30
35
Aussentemperatur
in
°C
Bild 3.3: Aufsummierter Energieertrag für verschiedene Aussentemperaturklassen
3.3. Allgemeine Definition der Effizienz-Kennzahlen
Im Folgenden soll aufgezeigt werden, mit welcher Effizienz die benötigten
Wärmemengen dem System Gebäude zugeführt werden. Zu diesem Zweck
werden in einem ersten Schritt Effizienz-Kennzahlen definiert, welche eine solche
Beurteilung ermöglichen. Die folgende Abb. 3.4 zeigt die verwendeten Definitionen
der Kennzahlen und die Bilanzgrenzen für die Bewertung der Wärmeversorgung
auf. Zur besseren Klärung der verwendeten Grössen für die Beurteilung der
Wärmepumpe, soll das Schema in Bild 3.5 zu Hilfe genommen werden.
Systemnutzungsgrad SNG
Wärmeerzeugernutzungsgrad WNG
Nutzungsgrad NG / Jahresarbeitszahl Kombi-
JAZ speicher
COP
Wärme- Wärme- Solar-
quelle pumpe kollektor Verteilung
&
Übergabe
Bild 3.4: Definition der Effizienz-Kennzahlen und Bilanzgrenzen für die Bewertung
der Wärmeversorgung
• Leistungszahl oder COP (Coefficient of performance) der Wärmepumpe
Q h−WP + Q ww −WP
COPhww = (Gl. 3.1)
PWP − Komp + PWP − RGL + PWP −Verd + PWP − Kond
Die Leistungszahl der Wärmepumpe weist das Verhältnis der durch die
Wärmepumpe erzeugte Wärmeleistung zu dem dazu benötigen
elektrischen Leistungsbedarf auf. Die für den Betrieb benötigte Leistung
setzt sich zusammen aus dem Bedarf für den Kompressor (PWP-Komp),
Regelung (PWP-RGL) und zur Überwindung der internen Druckverluste an
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 13/36Verdampfer (PWP-Verd) und Kondensator (PWP-Kond). Diese Grösse weist
einen momentanen Zustand der Wärmepumpe aus, da diesem
Messprojekt jedoch Energien über einen längeren Zeitraum gemessen
wurden ist deren Bestimmung nicht möglich, es ergibt sich jedoch die
Möglichkeit einen mittleren COP zu errechnen. Dieser ergibt sich aus dem
Verhältnis der von der WP abgegebenen Wärme (Messung über D3, F2,
F12) zur aufgenommenen Elektrizität (Messung über D4).
• Arbeitszahl AZ der Wärmepumpe
Qh−WP + Qww−WP
AZ hww = (Gl. 3.2)
EWP−Komp + EWP−RGL + EWP−Verd + EWP−Kond + EWQ
Die Arbeitszahl der Wärmepumpe ergibt sich aus dem mittleren COP
zuzüglich dem Energiebedarf für den Betrieb der Wärmequelle (EWQ),
diese entspricht in diesem Fall dem Elektrizitätsbedarf für die
Umwälzpumpe des Eisspeicher-Kreislaufs. Die Jahresarbeitszahl JAZ
bildet den vielverwendeten Spezialfall einer AZ bei dem die betrachtete
Zeitperiode einem Jahr entspricht. Die hier aufgeführte Definition entspricht
derjenigen der Norm SIA 384/3. Die Arbeitszahlen ergeben sich über das
Verhältnis der von der WP abgegebenen Wärme (Messung über D3, F2,
F12) zur benötigen Elektrizität für den Betrieb der WP (Messung über D4)
und die Quellenumwälzpumpe (P4).
• Wärmeerzeugernutzungsgrad WNG
Qh−WP + Qww−WP + QSol −Kombi
WNGhww = (Gl. 3.3)
EWP−Komp + EWP−RGL + EWP−Verd + EWP−Kond + EWQ + ESOL
Der Wärmeerzeugernutzungsgrad ist das Verhältnis der von allen
Wärmeerzeugern (inkl. Solarkollektoren) erzeugten Wärme zu dem dafür
erforderlichen Energieaufwand.
• Systemnutzungsgrad SNG
Qh−WHG + Qww−WHG
SNGhww = (Gl. 3.4)
∑ Eh−ww
Der Systemnutzungsgrad ist das Verhältnis der Nutzwärme für
Raumheizung und Warmwasser zum gesamten Energieaufwand für alle
Komponenten (Wärmeerzeugung, Wärmespeicherung, Wärmeverteilung,
Wärmeübergabe). Das Gebäude verfügt über keine kontrollierte
Wohnungslüftung, ansonsten müsste diese auch berücksichtigt werden.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 14/36Bild 3.5: Schema der Feldanlage
3.4. Energetische Bewertung des Wärmeerzeugersystems
Im Folgenden wird anhand der definierten Kennzahlen die Effizienz der
Gebäudetechnik-Anlage bestimmt. Da hierbei ein Kombispeicher verwendet wird
welcher sowohl die Wärme für die Heizung als auch das Warmwasser zur
Verfügung stellt, ist eine Aufteilung der zugeführten Energien auf den jeweiligen
Verwendungszweck nicht möglich. Aus diesem Grund beziehen sich diese jeweils
auf die Gesamtenergie.
Um eine ausschliessliche Beurteilung der Wärmepumpe zu ermöglichen gibt die
folgende Abbildung 3.6 die Effizienzkennzahlen mittlerer COP und die Arbeitszahl
AZ wieder. Die Bandbreite der mittleren COP erstreckt sich von 3.5 bis 5.5, der
jährliche Wert stellt sich bei 3.9 ein. Bei der Arbeitszahl AZ stellen sich Werte
zwischen 3.5 und 4.5 ein, die JAZ beläuft sich auf 3.7. Die Wärmepumpe erreicht
somit eine Effizienz, welche mit derjenigen einer Sole/Wasser-Wärmepumpe,
welche eine Erdwärmesonde als Quelle verwendet, vergleichbar ist. Es gilt jedoch
zu erwähnen, dass in den Monaten Juni bis September die WP ausgeschaltet ist.
WP ausgeschaltet
Bild 3.6: Effizienzkennzahlen der Wärmepumpe
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 15/36Die folgende Abbildung 3.7 gibt die Effizienzkennzahlen des Gesamtsystems wieder. Es zeigt sich, dass der Wärmeerzeugernutzungsgrad WNG vor allem in den Sommermonaten sehr hoch wird in denen die Wärmepumpe nur noch wenig genutzt wird oder sogar schon abgeschaltet ist. Die Maximalwerte werden im Juni (51.3) und Juli (40.7) erreicht und zwecks Übersichtlichkeit in der Grafik nicht mehr dargestellt. Die hohen Werte erklären sich dadurch, dass in diesem Zeitraum ein hoher Ertrag durch die Solarkollektoranlage generiert wird, die jedoch nur sehr wenig Energie für den Betrieb benötigt. Die Systemnutzungsgrade SNG erreichen ebenfalls in den Sommermonaten die Höchstwerte, diese sind jedoch wesentlich tiefer als die WNG. Die Begründung liegt in erster Linie daran, dass sich der WNG auf die produzierte, der SNG jedoch auf die benötigte Energie bezieht. Bild 3.7: Effizienzkennzahlen des Gesamtsystems 3.5. Betriebsbedingungen der Wärmepumpe Dass eine Wärmepumpe mit einem Eisspeicher als Wärmequelle betrieben wird ist ein noch wenig verbreitetes System. Prinzipiell verspricht sich eine hohe Effizienz, da der Eisspeicher aufgrund der hohen Verflüssigungsenthalpie des Phasenübergangs sehr selten unter die Temperaturgrenze von 0°C abfallen sollte. In diesem Kapitel wird untersucht, unter welchen Betriebsbedingungen die Wärmepumpe tatsächlich arbeitet, wobei der Fokus auf die vom Eisspeicher gelieferte Quellentemperatur gerichtet wird. Für eine erste Betrachtung ist die Temperatur des Eisspeichers interessant, welche in der folgenden Abbildung für verschiedene Aussentemperaturen aufgezeichnet wird. Es lässt sich sehr gut erkennen, dass entgegen der ersten Vermutung die Temperatur unter 0°C fällt. In einem weiteren Schritt ist es somit sinnvoll zu betrachten, unter welchen Temperaturbedingungen das Glykol aus dem Eisspeicher in den Verdampfer der Wärmepumpe eintritt, dies wird im Bild 3.9 aufgezeigt. CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 16/36
30.0
25.0
Temperatur
Eisspeicher
[°C]
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
-‐5.0
-‐10.0
-‐15.0
-‐20.0
-‐10.0
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
Aussentemperatur
[°C]
Bild 3.8: Mittlere stündliche Temperatur des Eisspeichers bei verschiedenen
Aussentemperaturen (nur Stunden mit WP-Betrieb)
Aus der nachfolgenden Grafik lässt sich erkennen, dass relativ viele Stunden die
Verdampfer-Eintrittstemperatur kleiner als 0°C ist. Die Abb. 3.10, welche die
Häufigkeit der Verdampfer-Eintrittstemperatur in Temperaturklassen angibt, zeigt
auf, dass ungefähr 30% aller Stunden in denen die Wärmepumpe im Betrieb ist,
die Quellentemperatur kleiner ist als 0°C. Diese tiefen Temperaturen liegen vor
allem im Bereich von -5°C bis -15°C vor. Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt
könnte sein, dass sich das Eis beim Einfrieren zuerst um die Glykol-führenden
Röhrchen bildet: Diese dünne Eisschicht wirkt wärmedämmend und verschlechtert
die Wärmeübertragung, dadurch wird das Glykol weniger erwärmt.
40.0
30.0
Temperatur
Verdampfereintri;
[°C]
20.0
10.0
0.0
-‐10.0
-‐20.0
-‐10.0
-‐5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
Aussentemperatur
[°C]
Bild 3.9: Temperatur des Verdampfer-Eintritts bei verschiedenen
Aussentemperaturen, stündlich aufgezeichnet
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 17/36400
100%
350
90%
80%
300
70%
Summenhäufigkeit
Anzahl
Stunden
250
60%
200
50%
150
40%
30%
100
20%
50
10%
0
0%
-‐20
-‐15
-‐10
-‐5
0
5
10
15
20
25
30
Eintri;stemperatur
Verdampfer
in
°C
Bild 3.10: Anzahl Stunden des Verdampfer-Eintritts in Temperaturklassen
Dass viele Stunden des Wärmepumpen-Betriebs die Quellentemperatur unterhalb
von 0°C sinkt weist darauf hin, dass die Eisspeichergrösse unterdimensioniert ist,
eine Vergrösserung würde die Effizienz der Wärmepumpe somit noch stärker
verbessern.
3.6. Schlussfolgerungen
Beim untersuchten System zeigt sich, dass die Jahresarbeitszahl JAZ der
Wärmepumpe mit derjenigen einer konventionellen Sole/Wasser-Wärmepumpe
mit Erdwärmesonde vergleichbar ist. Die Untersuchung der Quellentemperaturen
hat jedoch gezeigt, dass Optimierungspotenzial betreffend der Eisspeichergrösse
vorliegt: Ein grösserer Speicher würde dafür sorgen, dass die
Quellentemperaturen seltener unter 0°C sinken und würde sich somit positiv auf
die JAZ auswirken. Nach jetzigem Wissenstand kann davon ausgegangen werden,
dass der Wert einer optimierten Sole/Wasser-Wärmepumpe erreicht, wenn nicht
sogar übertroffen werden kann.
Zusammenstellung der Resultate:
Mittlere Leistungszahl COP 3.9
Jahresarbeitszahl JAZ 3.7
Wärmeerzeugernutzungsgrad WNG 5.5
Systemnutzungsgrad SNG 4.0
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 18/364. Variantenvergleich mit Polysun
4.1. Anpassung der Aufgabenstellung
Mittels einer Simulation sollte die realisierte Anlage auf Basis der Standard-
Wetterdaten möglichst genau nachgebildet werden. Diese Berechnung sollte die
Grundvariante darstellen für den Vergleich mit den übrigen zu untersuchenden
Konzepten. Für diese Untersuchungen wurde uns von der Firma Vela Solaris AG
die Software „Polysun“ zur Verfügung gestellt.
Im Verlauf der Arbeit hat sich dann leider gezeigt, dass das Programm die
komplexe reale Anlage nicht mit genügender Genauigkeit abbilden konnte, obwohl
der Latenzübergang im Eisspeicher grundsätzlich funktioniert hätte. Selbst mit
einem vereinfachten Rechenmodell ergaben sich nicht mehr praktikable
Simulationszeiten, und die Resultate lagen zu weit von der Realität entfernt, als
dass sie als Vergleichsbasis hätten dienen können. Aufgrund dieses Umstandes
wurde die Aufgabenstellung modifiziert. Es wurden Systeme mit Aussenluft und
mit einer Erdsonde als Wärmequelle in Kombination mit thermischen
Solarkollektoren als Vergleichsvarianten simuliert.
4.2. Untersuchte Varianten
Die Messdaten der realen Anlage werden im Folgenden mit den
Simulationsergebnissen nachstehender Anlagemodelle verglichen:
A1: therm. Solaranlage mit Kissenabsorber (gleiches Produkt wie Savièse) in
Kombination mit EWS-WP, 30 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
A2: therm. Solaranlage mit verglastem Flachkollektor in Kombination mit EWS-
WP, 30 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
A3: therm. Solaranlage mit verglastem Flachkollektor in Kombination mit EWS-
WP, 10 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
B1: therm. Solaranlage mit Kissenabsorber (gleiches Produkt wie Savièse) in
Kombination mit L/W-WP, 30 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
B2: therm. Solaranlage mit verglastem Flachkollektor in Kombination mit L/W-WP,
30 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
B3: therm. Solaranlage mit verglastem Flachkollektor in Kombination mit L/W-WP,
10 m2 Kollektorfläche, Kombispeicher
4.3. A- Varianten: Erdwärmesonde mit Wärmepumpe und Solarkollektor
A1: therm. Solaranlage m. Kissenabsorber; EWS-WP
Diese Variante vergleicht die ausgeführte Anlage mit einer solchen mit dem
gleichen Absorbersystem, jedoch ohne Eisspeicher. Da dies nicht mehr
monovalent funktioniert, wird für die Unterstützung im Winter eine EWS-WP
eingesetzt.
Für die Simulation wurde das nachstehend dargestellte Anlagemodell verwendet.
Es basiert auf einer Standardvorlage im Polysun. Die relevanten Parameter
wurden auf die reale Anlage angepasst. Es sind dies der Wärmebedarf der
Heizung und des Brauchwarmwassers, der Inhalt des Kombispeichers, sowie die
Wärmepumpendaten. Die Absorberfläche entspricht derjenigen der realen Anlage.
Der im Schaltbild dargestellte Elektronachwärmer im Speicher wurde für die
Berechnung ausgeschaltet.
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 19/36Bild 4.1: Anlageschaltbild für Polysun-Simulation der A-Varianten
Die Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 5'059 37.0
Ertrag EWS 6'174 45.2
Strom WP 2'277 16.7
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 157 1.1
Wärmelieferung WP 8'535 62.5
rechn. Verluste Quellenseite 73 -0.5
JAZ WP 3.57
2
spez. Kollektorertrag 168 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Erträge Solarkollektoren/EWS 11'233 91.2
Strom WP 2'277 18.5
Strom Hilfsantriebe 334 2.7
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 1'531 -12.4
SNG 4.72
Tab.4.1: Energiekennzahlen der Var. A1
A2: therm. Solaranlage m. 30 m2 Flachkollektor; EWS-WP
Diese Variante vergleicht das System A1 mit einer Anlage mit verglastem
Standard-Kollektor der gleichen Fläche. Auch hier wird für die Unterstützung im
Winter eine EWS-WP eingesetzt. Das Anlageschaltbild entspricht jenem der
Vergleichsvariante.
Die Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 20/36Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 8'070 55.5
Ertrag EWS 4'596 31.6
Strom WP 1'697 11.7
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 181 1.2
Wärmelieferung WP 6'355 43.7
rechn. Verluste Quellenseite 119 -0.8
JAZ WP 3.57
2
spez. Kollektorertrag 269 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Erträge Solarkollektoren/EWS 12'666 102.9
Strom WP 1'697 13.8
Strom Hilfsantriebe 346 2.8
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 2'396 -19.5
SNG 6.03
Tab.4.2: Energiekennzahlen der Var. A2
A3: therm. Solaranlage m. 10 m2 Flachkollektor; EWS-WP
Diese Variante variiert gegenüber A2 die Kollektorfläche, welche hier 10 m2
beträgt. Das Anlageschaltbild entspricht jenem der Vergleichsvariante. Die
Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 4'982 35.2
Ertrag EWS 6'573 46.4
Strom WP 2'430 17.1
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 187 1.3
Wärmelieferung WP 9'090 64.1
rechn. Verluste Quellenseite 100 -0.7
JAZ WP 3.57
2
spez. Kollektorertrag 498 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Erträge Solarkollektoren/EWS 11'555 93.8
Strom WP 2'430 19.7
Strom Hilfsantriebe 368 3.0
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 2'040 -16.6
SNG 4.40
Tab.4.3: Energiekennzahlen der Var. A3
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 21/364.4. B-Varianten: Wärmepumpe Luft/Wasser mit Solarkollektoren
B1: therm. Solaranlage m. Kissenabsorber; L/W-WP
Diese Variante entspricht der Var. A1, bei der die EWS-WP durch eine L/W-WP
ersetzt wird.
Bild 4.2: Anlageschaltbild für Polysun-Simulation der B-Varianten
Die Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 4'883 35.6
Ertrag Umgebungswärme 5'241 38.2
Strom WP 3'551 25.9
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 47 0.3
Wärmelieferung WP 8'792 64.1
rechn. Verluste Quellenseite 47 -0.3
JAZ WP 2.48
2
spez. Kollektorertrag 162 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren/Umwelt 10'124 82.2
Strom WP 3'551 28.8
Strom Hilfsantriebe 199 1.6
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 1'561 -12.7
SNG 3.28
Tab.4.4: Energiekennzahlen der Var. B1
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 22/36B2: therm. Solaranlage m. 30 m2 Flachkollektor; L/W-WP
Diese Variante entspricht der Var. A2 bei der die EWS-WP durch eine L/W-WP
ersetzt wird. Das Anlageschaltbild entspricht demjenigen bei B1.
Die Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 8'114 55.6
Ertrag Umgebungswärme 3'733 25.6
Strom WP 2'652 18.2
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 103 0.7
Wärmelieferung WP 6'385 43.7
rechn. Verluste Quellenseite 103 -0.7
JAZ WP 2.41
2
spez. Kollektorertrag 270 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren/Umwelt 11'847 96.2
Strom WP 2'652 21.5
Strom Hilfsantriebe 248 2.0
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 2'434 -19.8
SNG 4.25
Tab. 4.5: Energiekennzahlen der Var. B2
B3: therm. Solaranlage m. 10 m2 Flachkollektor; L/W-WP
Diese Variante entspricht der Var. A3 bei der die EWS-WP durch eine L/W-WP
ersetzt wird. Das Anlageschaltbild entspricht demjenigen bei B1.
Die Zusammenfassung der Polysun-Simulation führt zu folgenden Werten:
Teilsystem Erzeugung:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren 4'947 34.9
Ertrag Umgebungswärme 5'493 38.7
Strom WP 3'689 26.0
Strom Hilfsantriebe (ohne
Sp./Verteil.) 64 0.5
Wärmelieferung WP 9'182 64.7
rechn. Verluste Quellenseite 64 -0.5
JAZ WP 2.49
2
spez. Kollektorertrag 495 kWh/m
Erträge + Strombedarf = 100%
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 23/36Energiebilanz Gesamtsystem:
Input Output
[kWh] [kWh] [%]
Ertrag Solarkollektoren/Umwelt 10'440 84.8
Strom WP 3'689 30.0
Strom Hilfsantriebe 218 1.8
Nutzenergie 12'313 100.0
rechn. Systemverluste 2'034 -16.5
SNG 3.15
Tab.4.6: Energiekennzahlen der Var. B3
4.5. Betrachtung der Quellentemperaturen:
Diese sind für den Vergleich mit der Eisspeicherlösung von besonderer
Bedeutung, da die speziellen Eigenschaften des Latenzspeichers ein zentraler
Unterschied zum System EFH Savièse darstellen.
Bei der Erdwärmesonde als Quelle hat die Aussentemperatur praktisch keinen
Einfluss. Für den Vergleich mit der Eisspeicheranlage wurde die Verdampfer-
Eintrittstemperatur dennoch gegenüber den Aussentemperaturen aufgetragen.
Erwartungsgemäss zeigt sich bei der Temperaturverteilung ein völlig anderes Bild.
Aufgrund der relativ konstanten Temperaturen des Untergrundes bewegen sich die
Verdampfereintrittstemperaturen in einem engen Band von -3°C bis +3°C. Die
Mittelwerte variieren im Jahresverlauf - wie die Trendlinie zeigt - um maximal 3 K.
40
Temperatur Verdampfereintritt [°C]
30
20
10
0
-10
-20
-10 -5 0 5 10 15
Aussentemperatur [°C]
Bild 4.3: Temperatur des Verdampfer-Eintritts bei verschiedenen
Aussentemperaturen, mittl. Stundenwerte für Variante A2
Die quantitative Betrachtung zeigt, dass die Verdampfereintrittstemperatur der
Wärmepumpe während 94% der Betriebsstunden zwischen -3° und 3 °C liegt ohne
ausgeprägtes Maximum. Bei der ausgeführten Eisspeicher-Anlage gibt es
dagegen einen sehr ausgeprägten Peak bei 0°C, zusätzlich aber eine breitbandige
Temperaturverteilung unter- und oberhalb des Schmelzpunktes.
Ein klarer Unterschied bezüglich eines relevanten Mittelwertes bei einer
Eisspeicher- und einer Erdsondenlösung ist nicht zu erkennen. Dies wird auch
durch die fast identischen JAZ der Wärmepumpen bestätigt. Bei diesen
Überlegungen ist auch in Betracht zu ziehen, dass die Messdaten auf
CAS EE 2011 ZA Kalberer Pfirter Wakefield, Institut Energie am Bau 24/36viertelstündlichen Erfassungen basieren, während das Simulationsprogramm
gemittelte Stundenwerte auf Basis von Standarddaten ausweist.
200 100
180 90
160 80
140 70
120 60
Anzahl Stunden
100 50
80 40
60 30
40 20 Betriebsst
20 10 unden
kumuliert
0 0 in %
< -10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
1
10
11
12
13
14
15
-10
0
2
3
4
5
6
7
8
9
Eintrittstemperatur Verdampfer in °C
Bild 4.4: Anzahl Stunden des Verdampfer-Eintritts in Temperaturklassen für
Variante A2
4.6. Schlussfolgerungen
Vergleich der A-Varianten:
• Die Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpen mit Eisspeicher oder
Erdwärmesonde als Quelle liegen nahe beieinander. Bei gleichem Gerät und
gleichen Verhältnissen auf der Nutzerseite ist die Situation auf der
Quellenseite entscheidend. Wie vorstehend dargelegt, unterscheiden sich die
Systeme in der Bilanz aber auch hier nicht wesentlich.
• Bei Kombination des unverglasten Kissenabsorbers mit einer EWS-WP
anstelle des Eisspeichers (Var. A1) nimmt der Kollektorertrag um ca. ⅔ ab.
Der SNG wird tendenziell etwas besser (es ist aber zu beachten, dass die von
Polysun ausgewiesenen Pumpenleistungen etwas günstiger sind, als die
gemessenen Pumpen-Stromwerte. Mit gleichem Pumpenstrom gerechnet
ergibt sich ein SNG von 4.4).
• Variante A2 wäre mit gleicher Flachkollektor-Fläche wie A1 eher
überdimensioniert. Die Wärmepumpe weist gut 1000 Betriebsstunden auf und
ist während 6 Monaten ausser Betrieb. Zudem haben die Kollektoren bereits
längere Stillstandszeiten. Energetisch die beste der untersuchten Varianten.
• Die Variante A3 mit verglastem Flachkollektor und EWS erreicht mit ⅓ der
Kollektorfläche die gleichen Leistungswerte wie die ausgeführte Anlage.
Diese Lösung, energetisch vergleichbar mit der ausgeführten und mit A1, wäre
in dem Fall in Betracht zu ziehen, wo nicht genügend geeignete Dachfläche
zur Verfügung steht.
Vergleich der B-Varianten:
• Die JAZ der L/W-WP liegen mit rund 2.5 in der erwarteten Grössenordnung.
Der leicht tiefere Wert bei B2 erklärt sich damit, dass die durchschnittliche
Quellentemperatur in diesem Fall etwas tiefer liegt, weil durch den höheren
Anteil Kollektorenergie der Betrieb in der Übergangszeit abnimmt.
• In Kombination mit einer L/W-WP kann die Variante mit Kissenabsorber nicht
mehr mit der ausgeführten Anlage mithalten. Hier zeigt sich die
Leistungseinbusse der Absorber bei fehlendem Eisspeicher deutlich. Der SNG
ist etwa 20% tiefer.
• Bei einer Kombination von verglastem Flachkollektor mit L/W-WP müsste das
System nach Var. B2 ausgelegt werden. Trotz bescheidener JAZ der WP
erreicht der SNG den Wert der ausgeführten Anlage, was auf die deutlich
bessere Kollektorleistung zurückzuführen ist.
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