1
Förder- und Demonstrationsprogramm „Solarthermie 2000“, Teilprogramm 2
ABSCHLUSSBERICHT
für das Projekt
Solarunterstützte Brauchwassererwärmung im Studentenwohnheim Innere Schneeberger Straße in Zwickau
Förderkennzeichen:
Auswertezeitraum:
0329602 O
15.12.1999 bis 11.12.2001
Technische Universität Chemnitz Professur Technische Thermodynamik Projektgruppe Solarthermie 09107 Chemnitz
Ulrich Schirmer, Jens Göring, Thomas Freitag
Chemnitz, Dezember 2001
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
2
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
2.
Technisches Datenblatt der Hauptkomponenten des Solarsystems
3.
Vorstellung des Objektes 3.1 3.2 3.3
4.
Gebäudebeschreibung Auslegungswerte für die Solaranlage Ablauf der Ausschreibung
Beschreibung der technischen Systeme 4.1 4.2
5.
Funktionsbeschreibung des Solarsystems Regelung
Messtechnik 5.1 5.2
6.
Messstellen im Solarsystem Definition der Kennzahlen des Solarsystems
Betriebserfahrungen und Messergebnisse 6.1 6.2
Auswertung der Messergebnisse mit hoher Zeitauflösung Auswertung der Messergebnisse und Systemkennzahlen
7.
Solare Nutzwärmekosten
8.
Zusammenfassung und Empfehlungen
9.
Projektpartner
10.
Literatur
11.
Anlagen
Hinweis Der Nachdruck, die Vervielfältigung und die Wiedergabe des Berichtes bzw. von Teilen des Berichtes sowie die Übersetzung ist nur mit schriftlicher Genehmigung der Verfasser zulässig.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
3
1. Einleitung
Im Rahmen des Förder- und Demonstrationsprogramms Solarthermie 2000, Teilprogramm 2 erfolgt durch die Förderung von bis zu 100 solarthermischer Anlagen mit Schwerpunkt in den neuen Bundesländern eine umfassende Erprobung und Optimierung von Systemen zur aktiven thermischen Sonnenenergienutzung vorwiegend zur Brauchwassererwärmung. Mit dem Teilprogramm 2 sollen die technischen
Voraussetzungen
für
einen
künftigen
wirksamen
Beitrag
der
Solarthermie zur Energieversorgung geschaffen und durch Systemstandardisierung die
wirtschaftliche
Konkurrenzfähigkeit
dieser
Anlagen
verbessert
werden.
Ausreichende Erfahrungen mit den unterschiedlichsten Systemkombinationen können nur dann gesammelt werden, wenn eine repräsentative Anzahl der diversen Anlagenvarianten errichtet, über einen längeren Zeitraum betrieben und gleichzeitig intensiv beobachtet und analysiert werden.
Im Programm Solarthermie 2000, Teilprogramm 2 wird anhand von Beispiellösungen für
größere
solarthermische
unterschiedlich
genutzten
Anlagen
Gebäuden
zur
Brauchwassererwärmung
nachgewiesen,
dass
im
Bereich
an der
thermischen Solartechnik technisch gute Lösungen zur Verfügung gestellt werden. Diese
Systemlösungen
Anwendungsfälle
zu
sind
weiter
optimieren.
zu
verbessern
Zugleich
soll
und
erreicht
auf
verschiedene
werden,
dass
die
wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit gesteigert wird, indem durch Reduzierung der spezifischen Systemkosten und Erhöhung der spezifischen Nutzenergieabgabe die solaren Nutzwärmekosten gesenkt werden.
Dazu wird im Programm gefordert, dass die Kosten der solaren Nutzwärme einen oberen Grenzwert nicht überschreiten. In der ersten Projektphase (1.7.1993 bis 30.06.1997) in die auch die Planung und zum Teil auch die Realisierung der Solaranlage im Studentenwohnheim Innere Schneeberger Straße in Zwickau fällt, wurde
der
Grenzwert
auf
0,30
DM/kWh
festgelegt,
basierend
auf
einer
angenommenen Lebensdauer der Solaranlage von 15 Jahren und einem Zinssatz für den Kapitaldienst von 6%. Die insgesamt positiven Langzeiterfahrungen mit alten Solaranlagen, die im Rahmen von Solarthermie 2000, Teilprogramm 1 untersucht wurden /1/, haben gezeigt, dass man bei heute installierten Solaranlagen von einer Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
4
20-jährigen Lebensdauer ausgehen kann, vorausgesetzt, dass die Dimensionierung, Planung und Ausführung sorgfältig vorgenommen werden. Der Grenzwert für die solaren Wärmekosten im Programm sinkt dadurch auf 0,25 DM/kWh. Es ist jedoch erklärtes Ziel des Programms, die oberen Grenzwerte möglichst zu unterbieten, um die Konkurrenzfähigkeit der Solartechnik gegenüber konventionellen Energieträgern zu verbessern.
Weitere Ziele des Programms, sowie die Förder- und Auswahlkriterien sind in den Informationen des Projektträgers Biologie, Energie, Umwelt (BEO) /2/ beschrieben.
In diesem Abschlussbericht sind neben Informationen über das Objekt und aus den Phasen Planung, Ausschreibung und Errichtung vordergründig die messtechnischen Ergebnisse aus dem 1. Messjahr, das am 15.12.1999 begann und am 12.12.2000 endete, dargestellt und kommentiert.
Zusätzlich wurden auch die Ergebnisse des 2. Messzeitraumes in diesen Bericht eingefügt. Auf eine ausführliche Kommentierung der Messwerte für die Zeit vom 12.12.2000 bis 11.12.2001 wurde jedoch verzichtet, weil die Tendenzen analog dem 1. Messzeitraum sind.
Zum besseren Überblick sind die Messergebnisse, die im laufenden Text integriert sind und die Nachrechnung des garantierten Energieertrages nochmals in der Anlage /3/ zu sehen.
2.
Technisches Datenblatt der Hauptkomponenten des Solarsystems
Die technischen Daten der Hauptkomponenten des Solarsystems wurden am 25.03.1998 bei der Inbetriebnahme der Messtechnik aufgenommen und registriert. Technische Veränderungen nach diesem Termin sind hier nicht berücksichtigt. Bei einigen technischen Komponenten wurden die fehlenden Angaben entweder aus dem Angebot des Bieters oder aus dem LV des Planers ergänzt. Modifikationen während des Anlagenbetriebes z.B. der Austausch technischer Komponenten wurden uns ähnlich wie bei anderen Projekten nicht mitgeteilt.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
5
Þ Kollektoren Feld gesamt Ausrichtung
Süd
(Süd = 0°, Ost = -90°, West = +90°) Neigung
45°
Anzahl der Kollektoren
24 Stück
Aktive Kollektorfläche
157,6 m²
Inhalt Wärmeträger
66,4 l
Höhe über Grund
ca. 21 m
Höhe über Solarspeicher
ca. 21 m
Volumenstrom durch Kollektorfeld
2.400 l/h
Kollektorhersteller Typ + Anzahl
Solvis Energiesysteme, Braunschweig F75 (16 Stück) und F50 (8 Stück)
Bauartzulassung
71-328-044
Absorbermaterial
Kupfer (a)
Beschichtung Wärmedämmung, Dicke
Schwarzchrom – Nickel, selektiv (a) Steinwolle + FCKW-freie PU-Schaumplatte, doppelseitig kaschiert; 40 mm / 30 mm (a)
Frontabdeckung, Dicke
Hochtransparentes Sicherheitsglas, eisenfrei, strukturiert; 3 mm (a)
Material Gehäuse/Rahmen
Aluminium (a)
Zulässiger Betriebsüberdruck
20 bar (c)
Stillstandstemperatur
189 °C (c)
Konversionsfaktor (c0)
0,8024 (b)
Linearer Wärmeverlustkoeffizient (c1) Quadr. Wärmeverlustkoeffizient (c2) Winkelkorrekturfaktor
3,69 W/m²K (b) 0,007 W/(m²K²) (b) 0,88 (b)
a) Herstellerangaben b) SPF, Solarenergie Prüf- und Forschungsstelle, Technikum Rapperswil, Schweiz, 06/95 c) TZS Stuttgart, Prüfbericht 94Col16
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
6
SOLARKREIS Þ Rohrleitungen Außenbereich Material
Kupfer
Nennweite
DN 42 / 35 / 28 / 22
Außendurchmesser
42 / 35 / 28 / 22 mm
Wandstärke
1,5 / 1,5 / 1,5 / 1mm
Einfache Länge Rohrleitung Material Wärmedämmung
75 / 24 / 14 / 12 m EPDM-Weichschaum (Armaflex HT) (a)
Material Ummantelung
Aluminiumblech
Dicke Wärmedämmung
70 / 60 / 50 / 40 mm (b)
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung
0,035 W/m K
a) Angabe laut Auschreibung b) Abweichend von der HeizAnlV beträgt die Isolierung 200 % des Rohrleitungsquerschnittes
Innenbereich Material
Kupfer
Nennweite
DN 42
Außendurchmesser
42 mm
Wandstärke
1,5 mm
Einfache Länge Rohrleitung Material Wärmedämmung
75 m Mineralfasermatten
Material Ummantelung
PVC Hartfolie
Dicke Wärmedämmung
40 mm
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung
0,035 W/m K
Þ Wärmeträger Hersteller
Tyforop Chemie GmbH Hamburg
Name
Tyfocor L
Volumenverhältnis
40/60 (a)
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
7
(Wärmeträger/Wasser) Basisstoff
Propylenglykol
(a) Angabe laut Ausschreibung
Þ Wärmeübertrager Solarkreis/Beladekreis Hersteller Typ Leistung / Fläche
Alfa-Laval CB 51-60 H 100 kW
Anzahl / Verschaltungsart
2 Stück / Reihenschaltung
Material / Verbindungsart der Platten
Edelstahl 1.4401, Gelötet
Maximale Betriebstemperatur
225 °C
Maximaler Betriebsüberdruck
27 bar
Logarithmische Temperaturdifferenz
6K
Þ Pumpe Hersteller Typ Seriennummer Pumpenart Pumpenregelung
Wilo RS 30 / 100 r 1319892 / 9407 Nassläufer 4 Stufen
Maximale Betriebstemperatur
130 °C im Dauerbetrieb
Maximaler Betriebsüberdruck
10 bar
Förderhöhe im Auslegungsfall
10 m
Þ Ausdehnungsgefäß Hersteller Typ Hersteller-Nr. Bauartzulassung Anzahl Volumen insgesamt
Pneumatex PND 97-295 322 und 97-295 321 01-511-027 2 Stück 100 l
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
8
Eingestellter Vordruck
3,0 bar
Zulässiger Betriebsüberdruck
10 bar
Zulässiger Vorlauftemperatur
120 °C
Zulässige Betriebstemperatur
70 °C
Þ Sicherheitsventile Standort
Keller
Dach
Hersteller
Götze
Götze
Typ
851 T
851 T
2 Stück
4 Stück
1“
¾“
D/G
D/G
Zulässige Betriebstemperatur
225 °C
225 °C
Abblasedruck
10 bar
6 bar
In Behälter
Kein Behälter vorhanden
Anzahl Abmessung (Größe Eintrittsquerschnitt) Kennbuchstaben
Ablauf Volumen Auffangbehälter
150 l
Material Auffangbehälter
Edelstahl
PUFFERSPEICHERBELADEKREIS Þ Pumpe Hersteller Typ
Wilo E 50 / 1-7
Seriennummer Pumpenart Pumpenregelung
Nassläufer stufenlos (Drehzahl gesteuert)
Maximale Betriebstemperatur
110 °C
Maximaler Betriebsüberdruck
6 bar
Förderhöhe im Auslegungsfall
m
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
9
Þ Rohrleitungen Material
Kupfer
Nennweite
DN 42
Außendurchmesser
42 mm
Wandstärke
1,5 mm
Einfache Länge Rohrleitung Material Wärmedämmung
8m Mineralfasermatten
Material Ummantelung
PVC Hartfolie
Dicke Wärmedämmung
40 mm (nach HeizAnlV)
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung
0,035 W/m K
PUFFERSPEICHER Þ Pufferspeicher Hersteller Typ
Fa. Michael Groß, Hohenleuben Vorortgefertigter Speicher
Anzahl
2 Stück
Baujahr
1997
Volumen
4.500 l
Medium
Wasser
Material Behälterwand Material Wärmedämmung Dicke Wärmedämmung
Stahl PU 180 mm
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung
0,040 W/m K
Material Ummantelung
PVC-Hartfolie
Betriebsüberdruck
2 bar
Maximale Betriebstemperatur
100°C
- Eine vollständige Dokumentation des Pufferspeicherbeladesystems fehlt. Sie wurde der Projektgruppe Solarthermie 2000 de TU Chemnitz trotz mehrfacher Aufforderung nicht übergeben.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
10
Þ Ausdehnungsgefäß Hersteller
Flexcon
Typ
425/1,5
Hersteller-Nr. Bauartzulassung Anzahl Volumen insgesamt
860958 und ... 08-511-060 2 Stück 900 l (2 x 450 l)
Eingestellter Vordruck
1,5 bar
Zulässiger Betriebsüberdruck
3,0 bar
Zulässiger Vorlauftemperatur
120 °C
Zulässige Betriebstemperatur
70 °C
Þ Sicherheitsventil Standort
Keller
Hersteller
SYR TÜV-SV-92-525
Typ Anzahl
H-100-2.5 2 Stück (1 SV pro Speicher)
Abmessung (Größe Eintrittsquerschnitt) Kennbuchstaben Zulässige Betriebstemperatur Abblasedruck Ablauf Volumen Auffangbehälter
½“ H 120 °C 2 bar Ohne Ablauf Ohne Behälter
PUFFERSPEICHERENTLADUNG Þ Pumpe Hersteller Typ
Wilo E 40 / 1-5
Seriennummer Pumpenart
Nassläufer
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
11
Pumpenregelung
stufenlos (Drehzahl gesteuert)
Maximale Betriebstemperatur
110 °C
Maximaler Betriebsüberdruck
6 bar
Förderhöhe im Auslegungsfall
m
Þ Rohrleitungen Material
Kupfer
Nennweite
DN 42
Außendurchmesser
42 mm
Wandstärke
1,5 mm
Einfache Länge Rohrleitung Material Wärmedämmung
8m Mineralfasermatten
Material Ummantelung
PVC Hartfolie
Dicke Wärmedämmung
40 mm (nach HeizAnlV)
Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung
0,035 W/m K
Þ Wärmeübetrager Entladekreis/Trinkwasser Hersteller Typ
Alfa-Laval CB 76-I30 H
Leistung / Fläche Anzahl / Verschaltungsart Material / Verbindungsart der Platten
100 kW 1 Edelstahl 1.4401, Gelötet
Maximale Betriebstemperatur
70 °C
Maximaler Betriebsüberdruck
10 bar
Logarithmische Temperaturdifferenz
3.
Vorstellung des Objektes
3.1
Gebäudebeschreibung
6K
Bei dem Objekt handelt es sich um ein Studentenwohnheim (SWH) in Zwickau. Das Wohnheim liegt mitten im Stadtzentrum an der Inneren Schneeberger Straße. Der Eigentümer und Betreiber ist das Studentenwerk Chemnitz-Zwickau.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
12
Der Gebäudekomplex besteht aus zwei parallel zueinander, versetzt angeordneten Gebäuden, die durch einen Zwischenbau miteinander verbunden sind. Beide Gebäude haben 8 Geschosse. Die Firsthöhe beträgt ca. 21 m. Den Abschluss bildet ein Flachdach. Die
Lage
des
Gebäudekomplexes
ist
in
Abbildung
0
zu
sehen.
Die
Gebäudelängsachse geht entlang der Nord-Süd-Richtung.
Haus 2 Eingang Verbindungstrakt
Haus 1
Abb. 0
Lageplan des SWH
Im Zeitraum von 1994 bis 1997 wurde das Objekt schrittweise und umfassend saniert. Dabei wurde eine Reduzierung der Belegung auf 685 Plätze vorgenommen. Im Zuge der Sanierungsarbeiten entstand seitens des Studentenwerkes ChemnitzZwickau die Idee, die Trinkwarmwasserbereitung mit einer thermischen Solaranlage zu unterstützen.
Das Kollektorfeld mit einer Gesamtfläche von 157,6 m² ist auf dem Dach des Hauses 2 installiert. Die Technikzentrale zur kompletten Warmwasserbereitung ist im Keller des Hauses 1 integriert. Die folgenden Fotos dokumentieren einige Punkte während der Installation der Solaranlage.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
13
Abb. 1 Montage der Tragkonstruktion auf dem
Abb. 2 Aufbringen der Kollektormodule
Dach des Hauses 2
Abb. 3 Einbau der Kollektormodule auf dem Dach
Abb. 5
3.2
mit einem Kran
Abb. 4 Blick auf das installierte Kollektorfeld auf dem Dach des Hauses 2
Vorort gefertigte Pufferspeicher, Standort Technikzentrale (Heizraum)
Auslegungswerte für die Solaranlage
Die wichtigsten Kenngrößen für die Auslegung von großen Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung sind der tatsächliche Warmwasserbedarf und das tägliche Verbrauchsprofil, die oftmals unbekannt sind.
Für die Auslegung der Solaranlage im SWH Innere Schneeberger Str. in Zwickau wurde der Bedarf an Brauchwarmwasser vor der Sanierung messtechnisch ermittelt. Dies erfolgte mittels Volumenstromzählern, die in den Zulaufleitungen zu den Trinkwassererwärmern eingebaut wurden. Zusätzlich wurde die Temperatur am Speicheraustritt registriert.
Während der mehrwöchigen Verbrauchsmessungen waren von den damals zur Verfügung stehenden 378 Betten laut Angaben des Studentenwerkes ca. 80 % ausgelastet. Während des Messzeitraums lag der durchschnittliche WW-Verbrauch bei ca. 11.250 l pro Tag im Semester. Bezogen auf eine Temperatur von ca. 52°C am Austritt des Trinkwasserspeichers ergibt sich ein WW-Verbrauch von ca. 37 l pro Tag und Person. Bei der Umrechnung auf die in der Praxis übliche Temperatur von 60 °C entsteht ein spezifischer WW-Verbrauch von 31,0 l. Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
14
Warmwasserverbrauch in Liter
20000
15000
10000
5000
0 Montag
Abb. 6
Samstag Donnerstag Dienstag
Sonntag
Freitag
Mittwoch
Montag
Samstag
Gemessener Warmwasserverbrauch im Zeitraum vom 19.03.1996 bis 29.04.1996 (Tagessummen)
Für die Auslegung der Solaranlage, konkret zur Dimensionierung der Kollektorfläche, wurde ein Standard-Warmwasserverbrauch von 11.000 l pro Tag zugrunde gelegt, der auf einer Auslastung von ca. 40 % der 687 zur Verfügung stehenden Plätze des SWH während der Semesterferien beruht.
Daraus ergibt sich eine Standardkollektorfläche (aktive Fläche) von etwa 160 m² bezogen auf eine Auslastung von 70 l zu erwärmenden Kaltwassers pro 1 m² Kollektorfläche.
Die täglichen Verbrauchsprofile für einen Werktag (Montag-Freitag), für einen Sonnabend und für einen Sonntag sind in den Abbildungen 7,8 und 9 zu sehen. Die Bezugstemperatur am Austritt des Warmwasserbereiters beträgt t=60°C.
Der Gesamtwarmwasserverbrauch liegt bei 5.962 m³ pro Jahr. Die monatlichen Summen sind in Abbildung 10 dargestellt.
Aus den in Abbildungen 7,8 und 9 gezeigten Tagesprofilen ergibt sich ein Standardvolumen für den Pufferspeicher von 9.000 Liter. Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
15
800 700 600 500 400 300 200 100 0 00 :00 01 :30 03 :00 04 :30 06 :00 07 :30 09 :00 10 :30 12 :00 13 :30 15 :00 16 :30 18 :00 19 :30 21 :00 22 :30
WW-Verbrauch in Liter bei t = 60 °C
Sudentenwohnheim Innere Schneeberger Str. in Zwickau WW-Verbrauch an einem Werktag (Auslegung)
Zeit Abb. 7
Tagesprofil des WW-Verbrauches (Auslegung) an einem Werktag
800 700 600 500 400 300 200 100 0 00 :00 01 :30 03 :00 04 :30 06 :00 07 :30 09 :00 10 :30 12 :00 13 :30 15 :00 16 :30 18 :00 19 :30 21 :00 22 :30
WW-Verbrauch in l bei t=60°C
Studentenwohnheim Innere Schneeberger Str. in Zwickau WW-Verbrauch an einem Sonnabend (Auslegung)
Zeit Abb. 8
Tagesprofil des WW-Verbrauches (Auslegung) an einem Sonnabend
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
16
800 700 600 500 400 300 200 100 0 00 :00 01 :30 03 :00 04 :30 06 :00 07 :30 09 :00 10 :30 12 :00 13 :30 15 :00 16 :30 18 :00 19 :30 21 :00 22 :30
WW-Verbrauch in l bei t=60°C
Studentenwohnheim Innere Schneeberger Straße in Zwickau WW-Verbrauch an einem Sonntag (Auslegung)
Zeit Abb. 9
Tagesprofil des WW-Verbrauches an einem Sonntag
Abb. 10
Dezember
November
Oktober
September
August
Juli
Juni
Mai
April
März
Februar
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Januar
WW-Verbrauch in m³ bei t= 60 °C
Studentenwohnheim Innere Schneeberger Straße in Zwickau WW-Verbrauch pro Jahr als Monatssummen (Auslegung)
Jahresprofil als Monatssummen
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
17
Uhrzeit
Werktag Liter
%
Samstag Liter
%
Sonntag Liter
%
Monate
00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30
140 60 130 70 60 10 10 20 20 0 60 70 220 340 520 400 620 680 260 400 310 450 380 200 190 80 160 160 180 140 150 140 190 180 380 230 290 290 370 370 350 250 220 400 440 330 80 140
1,27 0,55 1,18 0,64 0,55 0,09 0,09 0,18 0,18 0,00 0,55 0,64 2,00 3,09 4,73 3,64 5,64 6,18 2,36 3,64 2,82 4,09 3,45 1,82 1,73 0,73 1,45 1,45 1,64 1,27 1,36 1,27 1,73 1,64 3,45 2,09 2,64 2,64 3,36 3,36 3,18 2,27 2,00 3,64 4,00 3,00 0,73 1,27
10 60 10 90 80 80 20 10 20 0 0 10 10 80 60 140 160 150 200 180 160 170 330 190 160 120 90 120 120 90 130 100 260 120 170 280 210 130 260 200 100 120 90 80 160 90 80 10
0,09 0,55 0,09 0,82 0,73 0,73 0,18 0,09 0,18 0,00 0,00 0,09 0,09 0,73 0,55 1,27 1,45 1,36 1,82 1,64 1,45 1,55 3,00 1,73 1,45 1,09 0,82 1,09 1,09 0,82 1,18 0,91 2,36 1,09 1,55 2,55 1,91 1,18 2,36 1,82 0,91 1,09 0,82 0,73 1,45 0,82 0,73 0,09
20 40 60 50 10 50 60 80 30 0 20 0 10 0 0 0 80 60 170 230 200 270 260 300 310 190 160 160 240 220 320 150 80 130 180 160 160 220 220 200 190 120 140 300 230 180 260 100
0,18 0,36 0,55 0,45 0,09 0,45 0,55 0,73 0,27 0,00 0,18 0,00 0,09 0,00 0,00 0,00 0,73 0,55 1,55 2,09 1,82 2,45 2,36 2,73 2,82 1,73 1,45 1,45 2,18 2,00 2,91 1,36 0,73 1,18 1,64 1,45 1,45 2,00 2,00 1,82 1,73 1,09 1,27 2,73 2,09 1,64 2,36 0,91
Tagessumme Temperatur
11.000 l 60 °C
100,00
5.500 l 60 °C
50,00
6.600 l 60 °C
60,00
Monatssummen m³
Tab. 1
Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Jahressumme
576 264 599 554 551 566 571 273 273 574 573 588 5.962
% -Angaben für Eingabe in T-Sol
Tages- und Jahresprofile des Auslegungsverbrauches
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
18
Die Diagramme (Abb. 7-9) und die Tabelle 1 wurden von der ZfS Rationelle Energietechnik GmbH in Hilden auf Basis von Messergebnissen erstellt. Sie dienen als Eingabewerte für das Simulationsprogramm T-Sol. Im Kapitel 6 werden die für die Auslegung angenommenen Verbrauchsprofile mit den nach Einbau der Solaranlage gemessenen Werten verglichen und bewertet.
3.3
Ablauf der Ausschreibung
Bei der am Donnerstag, dem 20.03.1997 im Planungsbüro ZWICKAU Projekt GmbH (Heute Z-Projekt GmbH) auf der Reichenbacher Str. 158 in Zwickau im Raum 224 durchgeführten öffentlichen Submission wurden von 8 Teilnehmern die Angebote zur öffentlichen Ausschreibung eröffnet. Dabei sind insgesamt 8 Hauptangebote und 2 Nebenangebote abgegeben worden. Nach Prüfung der Angebote durch das Planungsbüro ist von den 8 Hauptangeboten 1 Angebot ausgeschlossen worden. Von den 2 Nebenangeboten ist kein Angebot in die Auswertung übernommen worden. Die nicht gewerteten Angebote wurden aufgrund von Verstößen gegen den §23 der VOB / A wegen unzureichender bzw. unvollständiger Angaben in den einzelnen Losen des Leistungsverzeichnisses aus der Auswertung ausgeschlossen.
In Auswertung der öffentlichen Ausschreibung erreichte kein Bieter den in den Randbedingungen zum Leistungsverzeichnis vorgegebenen Grenzwert bei den Nutzwärmekosten von 0.30 DM / kWh.
Aufgrund der vorliegenden Auswertung wurde die öffentliche Ausschreibung gemäß VOB/A § 3.4 aufgehoben und in Abstimmung mit dem Auftraggeber ein freihändiges Vergabeverfahren durchgeführt. Bei diesem Vergabeverfahren sind die ersten 5 Bieter aufgefordert worden, ihre Angebote nochmals zu überarbeiten. In Auswertung des freihändigen Vergabeverfahrens durch das Planungsbüro ZWICKAU Projekt GmbH ist von den 5 Angeboten 1 Angebot ausgeschlossen worden. Das nicht gewertete Angebot wurde aufgrund von Verstößen gegen den §23 der VOB/A wegen unzureichender bzw. unvollständiger Angaben in den einzelnen Losen des Leistungsverzeichnisses aus der Auswertung ausgeschlossen. Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
19
(a)
Technik und Wirtschaftlichkeit
Von den 4 gewerteten Angeboten haben nur 2 Angebote die geforderten Nutzwärmekosten von 0.30 DM / kWh unterschritten. Daraufhin wurden der Projektgruppe Solarthermie 2000 der TU Chemnitz vom Planungsbüro ZWICKAU Projekt GmbH die Datentabellen der 2 Angebote am 22.04.1997 zur Bewertung übergeben. Bei den Unterlagen, die zum Zeitpunkt der Übergabe nicht vollständig waren, handelt es sich um folgende Bieter Þ
Firma ZHR GmbH Zwickau Kollektortyp: SOLVIS F75, 22 Stück, aktive Fläche 162,8 m²
Þ
Kosten Solarsystem inkl. Planung u. Mwst:
250.023,77 DM
Garantierter Solarertrag:
540,5 kWh / m² a
Nutzwärmekosten:
0,2926 DM / kWh
Firma Wärmetechnik GmbH Wilkau-Haßlau Kollektortyp: SOLVIS F75, 22 Stück, aktive Fläche 162,8 m² Kosten Solarsystem inkl. Planung u. Mwst:
240.665,86 DM
Garantierter Solarertrag:
514,4 kWh / m² a
Nutzwärmekosten:
0,2960 DM / kWh
Bis 07.05.1997 wurden trotz mehrfacher Aufforderung seitens der TU Chemnitz keine weiteren Unterlagen seitens des Planers nachgereicht, so dass nur das Angebot der Firma Wärmetechnik GmbH bewertet werden konnte.
(b) Bewertung
Die garantierten Solarerträge der Firma Wärmetechnik GmbH sind von der Projektgruppe Solarthermie 2000 der TU Chemnitz mit den Simulationsprogrammen T-SOL und TRNSYS nachgerechnet worden.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
20
Þ
Firma Wärmetechnik GmbH Wilkau-Haßlau Kosten Solarsystem inkl. Planung u. Mwst:
240.665,86 DM
Garantierter Solarertrag:
514,4 kWh / m² a
Nutzwärmekosten:
0,2960 DM / kWh
1. Nachrechnung mit T-SOL Garantierter Solarertrag:
567,0 kWh / m² a
Nutzwärmekosten:
0,2681 DM / kWh
2. Nachrechnung mit TRNSYS Garantierter Solarertrag:
488,2 kWh / m² a
Nutzwärmekosten:
0,3119 DM / kWh
Der Vergleich zwischen dem garantierten Solarertrag und den Nachrechnungen zeigt, dass die mit T-SOL nachgerechneten Erträge etwas höher ausfallen als die mit TRNSYS nachgerechneten Erträge. Aufgrund der detaillierteren Möglichkeiten eine Anlagenkonfiguration
in
TRNSYS
nachzubilden,
erscheinen
diese
Erträge
realistischer als die Berechnungen mit dem Programm T-SOL. Das bedeutet, dass der von Firma Wärmetechnik GmbH garantierte Solarertrag von 514 kWh / m²*a plausibel erscheint. Die Abweichung zwischen dem garantierten Ertrag und dem berechneten TRNSYS-Ertrag beträgt lediglich 5 %.
Vom Planer ZWICKAU Projekt GmbH wurde aus technischer Sicht der Bieter Wärmetechnik GmbH favorisiert. In dem Vergabe-Auswertungsprotokoll des Planers vom 22.04.1997 wird allen Angeboten formal fachtechnische Richtigkeit attestiert. Die fachliche Überprüfung durch die Projektgruppe Solarthermie 2000 der TU Chemnitz auf Basis der ihr übergebenen Unterlagen folgte nicht uneingeschränkt den Empfehlungen des Planers. In einigen Punkten wurde die Funktionsfähigkeit der Anlage in Frage gestellt und weitere Überprüfungen gefordert.
- Pumpe Solarkreis
In der Datentabelle ist für die Pumpe im Solarkreis eine Pumpe der Firma WILO vom Typ TOP E50/10 mit einer maximalen Einsatztemperatur von tmax = 130 °C
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
21
angegeben. Diese Angabe ist nicht richtig, denn laut WILO-Katalog ist die Pumpe TOP E50/10 nur bis tmax = 110 °C einsetzbar. Laut Datenblatt existiert im Solarkreis ein Druckverlust von ∆p=1000 mbar. Eine Pumpe von Typ TOP S40/7 wäre für diesen Einsatz ebenfalls nicht geeignet.
- Größe Expansionsgefäß Solarkreis
In der Datentabelle ist ein Expansionsgefäß vom Typ EX-Solar-ES 33 für den Solarkreis angegeben. Dieses Expansionsgefäß mit seinen 33 l Volumen ist viel zu klein. Als Richtwert muß mit ca. 0,5 l pro m² Kollektorfläche gerechnet werden, so das bei 162,8 m² Kollektorfläche ein Volumen von ca. 80 l notwendig ist.
- Auslegung der Plattenwärmeübertrager
Die Berechnung zur Auslegung der Plattenwärmeübertrager ist nicht nachvollziehbar und sollte vom Bieter offengelegt werden (Auslegung von Alfa-Laval). WT Solarkreis / Speicherladekreis In der Datentabelle ist ein PWT 50 - U 60 mit Cu verlötet der Firma Alfa-Laval angegeben. Diese Typ-Bezeichung ist nicht richtig, denn als PWT wird die geschraubte Ausführung und als CB die gelötete Ausführung verwendet. WT Speicherentladekreis / Trinkwasserkreis Aus den Kontrollrechnungen ist zu entnehmen, das fast alle Angaben des Bieters in der Datentabelle nicht stimmen. Darüber hinaus erscheint
der Projektgruppe
Solarthermie 2000 der Druckverlust sekundärseitig mit ∆p=200 mbar zu hoch.
(c) Meßtechnik
Beim Vergleich der Kosten für die Messtechnik ist die Firma Wärmetechnik GmbH mit 31.003,65 DM inklusive Mehrwertsteuer der preiswerteste Anbieter.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
22
2. Empfehlungen
Aufgrund der zur Verfügung gestellten Unterlagen wurde durch die TU Chemnitz der Zuschlag an die Firma Wärmetechnik GmbH empfohlen.
Dem Bieter sind jedoch die folgenden Auflagen zu erteilen: -
Da die Firma über mangelnde Erfahrungen bei der Installation von solaren Großanlagen verfügt, ist dringend zu empfehlen, bei dem Bau auf die Unterstützung einer SOLVIS-Niederlassung vor Ort zurückzugreifen.
-
Bei dem Vergabegespräch sind die oben genannten Probleme, wie Pumpe, Expansionsgefäß
und
Wärmetauscher
zu
nennen
und
der
Bieter
aufzufordern, Korrekturen vorzunehmen. -
Die Firma Wärmetechnik GmbH ist darauf hinzuweisen, dass mit der Auftragserteilung die Gesamtinvestitionssumme verbindlich feststeht und keine Nachträge möglich sind.
Der tatsächliche Bauablauf ergab folgende Terminkette:
Beginn der Installation:
05/97
Ende der Installation:
09/97 (geplant)
Ende der Installation:
02/98 (tatsächlich)
Abnahme:
03/98
Inbetriebnahme der Messtechnik:
03/98
Probezeit:
04/98 bis 11/99
Beginn Garantiezeit:
12/99 bis 12/00 (1. Messjahr)
Wie dem Bauablauf zu entnehmen ist, erfolgte die Auftragsvergabe für den Bau der Solaranlage
im
Mai
1997.
Die
feierliche
Einweihung
des
rekonstruierten
Wohnheimes fand am 29.09.1997 im Beisein des Sächsischen Staatsministers für Wissenschaft und Kunst statt. Zu diesem Zeitpunkt war die Solaranlage noch nicht fertiggestellt. Unbefriedigend war, dass erst ab Mitte 1999 Messwerte über die Betriebsweise der Anlage zur Auswertung vorlagen. Die Gründe für diesen Verzug liegen in erster Linie in Kompetenzschwierigkeiten der beteiligten Installationsfirmen hinsichtlich der Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
23
erforderlichen Nachbesserungen. Dies ist ein öfters auftretendes Dilemma innerhalb des
Förderprogramms.
Öffentliche
Auftraggeber
können
auf
Grund
der
vorgegebenen Haushaltsjahre nur Mittel in begrenztem Umfang zurückhalten, wenn bei Anlagenabnahme Mängel festgestellt werden. Wenn die ausführende Firma schon weitestgehend bezahlt ist, fehlt der Druck für die Nachbesserung. Überdeckt sich dieses noch mit gegenseitigen Schuldzuweisungen von Subauftragnehmern, verzögert sich die endgültige Fertigstellung extrem. Für den Bauherrn selbst stellt sich das Problem nicht so offensichtlich dar, da die Anlage warmes Wasser liefert, wenn auch nur konventionell aufbereitet.
4.
Beschreibung der technischen Systeme
4.1
Funktionsbeschreibung des Solarsystems
Das Prinzipschaltbild der solarunterstützten Brauchwassererwärmung einschließlich Regelfühlern ist in Abbildung 11 dargestellt.
Das Kollektorfeld hat eine aktive Fläche von insgesamt 157,6 m². Die Kollektoren sind auf dem Flachdach aufgeständert.
Die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie wird mittels eines Wasser-GlykolGemischs im Solarkreis transportiert und an den Beladekreislauf der Pufferspeicher abgegeben.
Die
Be-
und
Entladung
der
Pufferspeicher
erfolgt
mit
Wärmeübertragern. Die vor Ort gefertigten Pufferspeicher haben ein Volumen von je 4.500 Liter. Die Einschichtung des solar erwärmten Pufferwassers in die beiden Stahlbehälter geschieht temperaturorientiert mittels des Beladesystems der Firma Solvis.
Das schwankende Solarenergieangebot erfordert eine konventionelle Nachheizung. Bei
dieser
Anlage
erfolgt
die
Nachheizung
mit
Fernwärme
über
einen
Wärmeübertrager, der in den Trinkwasserkreislauf integriert ist. Aus hygienischen Gründen (siehe auch DVGW-Arbeitsblatt W 551) sowie aus Kostengründen ist das Trinkwasser vom Wasser in dem Puffersystem stofflich getrennt. Die drei
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
24
Trinkwasserspeicher
haben
ein
Volumen
von
je
750
l
und
dienen
als
Bereitschaftsspeicher.
TC 65°C 55°C
TC S1
TC
60°C
45°C
HP 4 TC 3
TC 1 TZE
TC 5
HP 1
TZE
70°C
HP 5 TC 4
QIRS
TC 2
TC
HP 3 HP 2 65°C
Regler R1 Pufferspeicher-Beladung
Abb. 10
4.2.
Regler R2 Pufferspeicher-Entladung
Regler Nachheizung
Prinzipschaltbild mit Regelfühlern
Regelung
Grundvoraussetzung für einen optimalen Betrieb einer technischen Anlage ist immer ein in sich geschlossenes Regelungskonzept, das normalerweise während der Entwurfsplanung durch den verantwortlichen Ingenieur erstellt wird. Dieses Konzept ist dem Leistungsverzeichnis beizufügen, damit auch der Errichter der Anlage Kenntnis vom Anlagenbetrieb erhält. Besonders wichtig ist die Vorgabe eines vernünftigen Konzeptes, wenn es sich, wie in dem hier vorliegenden Fall um eine Regelung handelt, die eine Aufschaltung auf eine Gebäudeleittechnik zulassen soll. Um die Strategie der Anlagenregelung verständlich darzustellen und gleichzeitig den Aufwand zu begrenzen, ist es gängige Ingenieurpraxis, ein Regelflussbild zu erstellen.
Technische Universität Chemnitz, Professur Technische Thermodynamik, Projektgruppe Solarthermie, 09107 Chemnitz Telefon 0371 / 531 2546, - 2342, Telefax 0371 / 531 2349, -2339
25
Das im Folgenden dargestellte Regelungskonzept beschreibt den Zustand nach der Inbetriebnahme der Anlage und beruht zum größten Teil auf eigenen Recherchen vor Ort und einigen wenigen Zuarbeiten des Planers und des Herstellers der Regelung.
Regelkreis Solar- und Beladekreis
Einschalten wenn S 1 > 160 W/m², dann Pumpe HP1 ein wenn TC1 < TC 2, Drei-Wege-Ventil öffnet Bypass (Frostsicherung) bei TC1 > TC2, Drei-Wege-Ventil öffnet in Richtung Wärmeübertrager wenn ∆t (TC 1 – TC 2) > 7 K, dann Pumpe HP 2 an
Ausschalten wenn S1 < 110 W/m², dann Pumpe HP1 aus und wenn ∆t (TC 1 – TC 2) < 5 K, dann Pumpe HP 2 aus Zusatz wenn TZE (Sicherheitstemperaturbegrenzer am Pufferspeicher oben) >= 95 °C dann Pumpen HP 1 und HP 2 aus
Regelkreis Entlade- und Nachheizkreis Einschalten wenn ∆t (TC 3 – TC 4) > 10 K, dann Pumpe HP 3 an, wenn TC 3 < 70°C, dann Drei-Wege-Ventil öffnet in Richtung Wärmeübertrager wenn TC 3 >= 70°C, dann Drei-Wege-Ventil öffnet Bypass (Vermeidung von Verkalkung des Wärmeübertragers)
Ausschalten wenn ∆t (TC 3 – TC 4)