Wirtschaftliche Auslegung von Klein-BHKW-Anlagen

Heizung Wirtschaftliche Auslegung von Klein-BHKW-Anlagen Teil 1: Ermittlung von Energiekennwerten, Lastprofilen und Jahresdauerlinien Kraft-Wärme-Kop...
Author: Ralph Albrecht
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Wirtschaftliche Auslegung von Klein-BHKW-Anlagen Teil 1: Ermittlung von Energiekennwerten, Lastprofilen und Jahresdauerlinien Kraft-Wärme-Kopplungen werden durch die inzwischen am Markt verfügbaren „MiniBHKWs“ für eine zunehmende Anzahl von Gebäuden interessant. Mithilfe der Leistungsmodulation sowie der kleinen Leistungsbereiche kann ein wirtschaftlicher Betrieb auch in kleineren Gebäuden erreicht werden. Voraussetzung dafür ist allerdings die genaue Kenntnis der Strom- und Wärme-Bedarfsstruktur des Gebäudes. Der Beitrag zeigt die Vorgehensweise einer BHKW-Dimensionierung auf und stellt Möglichkeiten zur Erfassung und Auswertung von Verbrauchswerten dar. Der 2. Teil beschäftigt sich mit der Bestimmung der Laufzeiten zur wirtschaftlichen Beurteilung eines BHKWs sowie der Betrachtung möglicher Primärenergie- und Kosteneinsparpotenziale.

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ie dezentrale Umwandlung von Primärenergie in elektrischen Strom und Nutzwärme hat gegenüber der getrennten Erzeugung ener­getische Vorteile. So ergeben sich aufgrund des schlechten Kraftwerks-Wirkungsgrades primärenergetische Einsparungen von bis zu 37 % bei einer gleichzeitigen Nutzung der Koppelprodukte des BHKWs. So wird

bei einem Brennstoff­einsatz von 100 % bis zu 51 % in nutzbare Wärme und bis zu 36 % in elektrische Energie umgewandelt. Somit wird der Ener­ gieinhalt des Brennstoffs zu 87 % ausgenutzt. Bei einer getrennten Umwandlung von Primär­energieträgern in Wärme und Strom werden dazu 157 % des Brennstoffes benötigt. Diese idealisierte Energiebilanz setzt allerdings vor-

∂ Mithilfe von berührungslosen Messverfahren wie der optischen Abtastung der Stromzählerscheibe kann das Stromverbrauchs-Profil eines Gebäudes einfach ermittelt werden.

aus, dass für die Koppelprodukte Strom und Wärme immer auch ein zeitgleicher Bedarf vorhanden ist. Die innovativsten KWK-Technologien können aber nicht wirtschaftlich betrieben werden, wenn der gleichzeitig vorhandene Strom- und Wärmebedarf eine hohe Anzahl von Betriebsstunden nicht zulässt. Der größtmögliche Nutzen wird in der Regel dann erzielt, wenn das BHKW läuft, sobald Wärme im Gebäude abgenommen werden kann. Der erzeugte Strom wird dann bestenfalls selbst genutzt. Darüber hinaus erzeugter Strom muss in das öffentliche Netz eingespeist und vergütet werden.

Verbrauchsdaten erfassen

∂ Die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung erlaubt im Vergleich zur getrennten Bereitstellung von Strom und Wärme eine effizientere Ausnutzung des Brennstoffes. Bild: ASUE e.V.

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Insbesondere in kleineren Anwendungen wie Pflegeund Altenheimen aber auch Gewerbebetrieben und Hotels sollte daher der Bedarf an elektrischem Strom und Nutzwärme möglichst genau ermittelt werden. Verbrauchs-Kennwerte aus ähnlicher Nutzung sollten für die Dimensionierung nicht direkt he­rangezogen werden, da sie die nutzungsbedingten Eigenarten kleinerer Objekte nicht berücksichtigen können. Viel-

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∂ Die Messdatenreihe eines Stromzählers zeigt an Werktagen ein gleichartiges Lastprofil. Die orangefarbene Linie unterhalb der Messwerte bildet die Grundlast, die auch außentemperaturabhängige Verbrauchsanteile enthält.

mehr können sie zur Plausibilitätsprüfung verwendet werden, oder um vorab mögliche Einsparpotenziale grob abzuschätzen. Je genauer der zeitgleich auftretende Verbrauch elektrischer und thermischer Ener­ gie in Form von Lastprofilen ermittelt wird, desto sicherer wird die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer BHKWAnlage am Ende sein. Für die erforderlichen Messungen ist zunächst zu über-

legen, welche Daten mit welcher Auflösung erfasst werden müssen. Welche Verbräuche sind außentemperaturabhängig und welche sind regelmäßig wiederkehrend. Darüber hinaus stellt sich die Frage, wo die jeweiligen Verbrausdaten erfasst werden können.

Messung der Außentemperatur Die Außentemperatur im Messzeitraum kann sowohl selbst, als auch mithilfe von

Wetterdaten des Wetteramtes erfasst werden. Stündliche – sowie Tagesmittelwerte werden dann zur Auswertung der Daten herangezogen. Fehlmessungen durch Stau- und Abwärme sowie Sonneneinstrahlung müssen dabei aber unbedingt vermieden werden.

Messung des Stromverbrauchs Zur Erfassung des Stromverbrauchs sollte ein berührungsloses Messverfahren wie

etwa das Abtasten der Zählerscheibe mit einem Optokoppler verwendet werden. Dabei wird der Tastkopf, der aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger besteht, auf die Markierung der Zählscheibe ausgerichtet. Das Licht der Leuchtdiode wird von der Zählscheibe solange reflektiert bis die durchlaufende Markierung das Signal kurz unterbricht. Ein Impuls wird an den Datenlogger ausgegeben. Über die Zählerkonstante – also die Energiemenge pro Umdrehung – können die Verbrauchswerte bestimmt werden. Eine stündliche Auflösung der Mittelwerte sollte zur Erstellung der Lastprofile zur Verfügung stehen. Stromverbraucher in Gebäuden können periodisch – also mit einem typischen Lastprofil (Werktag) auftreten – aber auch außentemperaturabhängige Anteile enthalten. Ein Beispiel sind evtl. vorhandene Raumklimageräte oder Kühlaggregate. Da es oft nicht möglich ist, die einzelnen Verbraucher einzeln zu messen, kann der außentemperaturabhängige Anteil nur anhand von Messungen des Gesamtstromverbrauchs und der parallelen Erfassung der Außentemperatur erfolgen.

∂ Der Warmwasserbedarf kann mithilfe eines Zählers mit Impuls-Ausgang er-

∂ Die Messung innerhalb des Kaltwasserzulaufs des Speichers ermöglicht die

folgen. Die Messdaten werden mithilfe eines kleinen Datenloggers gespeichert.

Erfassung der tatsächlichen Zapfraten ohne Zirkulationsvolumenströme.

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∂ Auch für die Abtastung von Gaszählern können Optokoppler verwendet werden. Anhand der Zählerkonstante können die Zählimpulse in einen Gasverbrauchswert umgerechnet werden.

Messung des Warmwasserverbrauchs Die Messung des Warmwasserverbrauchs ist erforderlich, um den Anteil witterungsunabhängiger Heizlasten im Gebäude zu erfassen. Alternativ kann die Grundlast auch während des Sommers – ohne Heizbetrieb – ermittelt werden. Nachteilig ist

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allerdings der lange Messzeitraum, da grundsätzlich auch innerhalb der Heizperiode gemessen werden muss. Will man den Warmwasserverbrauch ermitteln, so stellt sich die Frage, an welcher Stelle dieser am einfachsten erfasst werden kann. Eine einfache Möglichkeit stellt die Messung innerhalb des Kaltwasserzulaufs des Speichers dar, wo die tatsächlichen Zapfraten – ohne Zirkulationsvolumenströme – gemessen werden können. Ist bereits ein Zähler vorhanden, kann er z. B. mithilfe eines Optokopplers berührungslos abgetastet werden, ohne dass Eingriffe in das Leitungsnetz erforderlich sind. Andernfalls muss nachträglich ein Zähler mit Impulsausgang montiert werden. In beiden Fällen werden die gesammelten Daten mithilfe eines Datenloggers ausgelesen. Zusätzlich kann ein Anlegetemperaturfühler am Warmwasserausgang des Speichers die tatsächliche Warmwassertemperatur erfassen. Bei den so gemessenen Lastprofilen handelt es sich – anders als bei Messungen am Gaszähler – um den tatsächlichen Nutz-Energiebedarf für Warmwasser. Der Aufwand, der aufgrund der Effizienz der vorhandenen Anlage betrieben werden muss und letztlich den Wärmeverbrauch bestimmt, wird hierbei nicht miterfasst.

So sind für den tatsächlichen Wärmeverbrauch der Warmwasserbereitung die folgenden Faktoren zu berücksichtigen: ∑ Die Abgas- und Bereitschaftswärmeverluste des Heizkessels. ∑ Der Bereitschaftswärmeverlust des Warmwasserspeichers. ∑ Die Qualität der Wärmeübertragung des Speichers (z. B. verkalkte Rohrschlangen). ∑ Die Verteilverluste im Rohrnetz durch Zirkulation und Dämmqualität. Da für die BHKW-Auslegung zunächst aber eine Bedarfsprognose erstellt werden soll, können die ermittelten Lastprofile direkt verwendet werden. Um aber auf den Ver-

brauch schließen zu können, der für die Einschätzung der Wirtschaftlichkeit entscheidend ist, muss für das vorgeschlagene oder optimierte Gesamtsystem in jedem Fall eine Nutzungsgradbetrachtung durchgeführt werden.

Messung des Heizwärmeverbrauchs Aufgrund der Außentemperaturabhängigkeit sollte der Messzeitraum so gewählt werden, dass zur Auswertung Daten im Temperaturbereich von –5 °C bis +10 °C vorliegen. Für die spätere Dimensionierung mithilfe des Jahresdauerlinien-Verfahrens müssen stündliche Mittelwerte für den Wärmeverbrauch vorliegen, die dann den normierten Wetterdaten eines Testre-

∂ Mithilfe des Schemas können die erforderlichen Schritte von der Erfassung von Verbrauchswerten bis hin zur Erstellung der Jahresdauerlinie nachvollzogen werden.

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∂ Der außentemperaturabhängige Wärmebedarf eines Objektes wird mithilfe des Tagesmittelwert-Verfahrens errechnet. Die lineare Gleichung für den Wärmebedarf (Heizgerade) wird später für die Erstellung der Jahresdauerlinie benötigt.

ferenzjahres zugeordnet werden. Um den Verbrauch zu erfassen, stehen verschiedene berührungslose Messverfahren zur Verfügung. So kann der Verbrauch auch hier mithilfe eines Optokopplers direkt am Gaszähler ausgelesen werden. Bei Ölfeuerungen bietet sich an, die Laufzeit des Brenners mithilfe eines Impulszählers zu messen, wobei die Düsenleistung vorher durch „auslitern“ bestimmt werden muss. Für größere mit Erdgas versorgte Liegenschaften kann oftmals vereinfachend auf die stündlichen Gasbezugsdaten des Versorgungsunternehmens zurückgegriffen werden. In den beschriebenen Fällen liegt aber zunächst immer nur ein unbereinigter Gas- oder Ölverbrauch vor, der sowohl witterungsabhängige als auch periodisch wiederkehrende Wärmeverbrauchsanteile beinhaltet. Darüber hinaus ist in den Messwerten natürlich der Anlagenaufwand enthalten, der letztlich zum Bedarf führt. Zur Bereinigung der Messwerte sind folgende Schritte erforderlich:

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1. Umrechnung des  m³-Gasverbrauchs in den Nutzwärmeverbrauch  (Aufwand) Der Nutzwärmeverbrauch bezieht sich auf den Heizwert eines Brennstoffes. Für Erdgas muss also der vom Versorger angegebene Brennwert (Betriebsbrennwert) in den Heizwert umgerechnet werden. · QNutz = H1 · VGaszähler Hs   H1

()

· = H1 · VGaszähler 1,11    Für Heizöl kann die gemessene Menge mit dem Brennwertfaktor 1,06 in den Nutzwärmeverbrauch umgerechnet werden. 2. Nutzwärmeverbrauch in  Bedarfswert umrechnen Der am Gaszähler gemessene Verbrauch stellt zunächst nur den Aufwand dar, der benötigt wird, das Gebäude der Nutzung entsprechend zu beheizen. Um das BHKW dimensionieren zu können, muss aber eine Prognose des zukünftig zu erwartenden Ener­ giebedarfs erstellt werden. Die in den Messungen enthaltenen Abgas-, Betriebsbereitschafts- und Abstrahlverluste spiegeln sich im Nut-

zungsgrad der vorhandenen Anlage wider. Nicht berücksichtigt werden Verteilverluste, wenn sie auch für das zukünftige BHKW bestehen bleiben. Wird dagegen die Wärmeübergabe durch hydraulischen Abgleich verbessert, so muss auch dies zur Ermittlung des zukünftigen Bedarfs berücksichtigt werden. Ein genaues Verfahren zur Bestimmung des Anlagen-Nutzungsgrades ist in der VDIRichtlinie 3808 „Energetische Bewertung von Gebäuden und Gebäudetechnik“ (Kurzverfahren für öffentlich-rechtlichen Nachweis) enthalten. 3. Bereinigung um nicht  witterungsabhängige Anteile Der Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung ist nicht witterungsabhängig und unterliegt in den meisten Gebäuden einem oder mehreren gleich bleibenden typischen Tages-Profilen, die sich aus den Messungen ergeben. Um die erforderlichen Lastprofile für jede Stunde eines Typ-Tages (z.B. Werktag) zu erstellen, wird die Wärmeenergie aus den Mittelwerten des Volumenstroms und der Temperaturdifferenzen wie folgt berechnet:

gigkeit des Wärmebedarfs errechnet werden.

Tagesmitteltempe­ ratur-Verfahren Will man die Außentemperaturabhängigkeit des nun vorliegenden Wärmebedarfs anhand der gesammelten Daten berechnen, so kann das in der VDI-Richtlinie 3807 „Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude“ dargestellte Tagesmitteltemperatur-Verfahren angewendet werden. Dazu werden die ermittelten Tagesbedarfswerte in einem Diagramm als Funktion der Tagesmitteltemperatur dargestellt. So erhält man über den Messzeitraum eine Punkteschar, durch die eine Regressionsgerade gelegt werden kann.

· · QwwB = VKW · KW · cW · (WW – KW)  mit: · VKW = V  olumenstrom Kaltwasser KW =  Dichte cW = spez. Wärmekapazität (WW – KW) = Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Warmwasser Der so ermittelte Tagesbedarf an Wärmeenergie für die Warmwasserbereitung kann dann zur Bereinigung des Gesamt-Wärmebedarfs in Abzug gebracht werden. Somit kann die Außentemperaturabhän-

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∂ Die Jahresdauerlinie für den Energiebedarf ist die Basis für die Auslegung der Modulleistung eines BHKWs.

Wählt man für das Diagramm auf der X-Achse einen Wertebereich von –12 °C bis + 20 °C und trägt auf der Y-Achse entsprechend die Tagesbedarfswerte auf, so erhält man neben der linearen Abhängigkeit des Wärmebedarfs von der Außentemperatur (Heizgerade) auch die Heizgrenztemperatur. Sie ist im Diagramm an der Stelle ablesbar, wo der Wärmebedarf gegen Null geht oder aber aufgrund enthaltener außentemperaturunabhängiger Wärmebedarfsanteile konstant bleibt. Die Regressionsgerade (Heizgerade) wird mithilfe der Diagrammfunktionen von MS-Excel in die Messwerte eingefügt, sodass die entsprechende lineare Gleichung zur weiteren Auswertung direkt zur Verfügung steht. Mit der Gleichung kann nun die Jahresdauerlinie für die erforderliche thermische Energie erstellt werden.

Nutzungsänderungen berücksichtigen Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Prognose des zukünftigen Bedarfs ist die Berücksichtigung von Nutzungsänderungen. So kann

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beispielsweise der Ersatz einer alten Kältemaschine gegen ein Kälteaggregat mit Freikühleinrichtung, wie es beispielsweise zur EDV-Klimatisierung eingesetzt wird, den Strombedarf stark verringern. Der Anbau eines neuen Pflegebereichs an ein bestehendes Seniorenheim beeinflusst den Gesamtbedarf an Heizwärme, Warmwasser und Strom gleichermaßen und wirkt sich ebenfalls auf die Betriebsstunden einer möglichen KraftWärme-Kopplung aus. Bei der Erstellung der Jahresdauerlinie muss daher der entsprechende Wärme- und Strombedarf durch Einzelmessungen oder Bedarfsberechnungen berücksichtigt werden.

Jahresdauerlinie Das Jahresdauerlinien-Verfahren mit einer Auflösung von 1 Stunde wird zur Bestimmung der Laufzeit eines BHKWs herangezogen. Dabei werden die normierten Wetterdaten eines Testreferenzjahres – also einem langjährigen Mittel der Wetterdaten des Standortes – verwendet. Eine Jahresdauerlinie stellt die Summenhäufigkeit des Leistungsbedarfs eines Gebäudes in einem Diagramm dar. Dazu wird die erforderliche thermische oder elektrische

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Leistung über die Anzahl der Jahresstunden aufgetragen. Ordnet man die Leistungsdaten nach ihrer Größe, so ergibt sich die Jahresdauerlinie des Leistungsbedarfs. An ihr kann abgelesen werden, für wie viele Stunden im Jahr der Leistungsbedarf einen bestimmten Wert überschreitet. Darüber hinaus kann im flachen Teil der Jahresdauerlinie die thermische und elektrische Grundlast eines Gebäudes abgelesen werden. Der Vorteil dieser Darstellung des Wärmebedarfs liegt in seiner Übersichtlichkeit. So kann für die geplante Mo-

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dulleistung direkt die Laufzeit aus dem Diagramm abgelesen werden. Zur Erstellung der Jahresdauerlinie wird mithilfe der Heizgeraden für die Temperaturen des Referenzjahres der Heizwärmebedarf berechnet. Anhand der ermittelten Typ-Tage (Werktag, Wochenende etc.) können dann die außentemperaturunabhängigen Bedarfswerte den einzelnen Tagen des Jahres zugeordnet werden. Addiert man die Werte, erhält man den Jahresgang des Wärmebedarfs innerhalb des untersuchten Objektes.

Für die Erstellung der Jahresdauerlinie des ermittelten Strombedarfs kann die gleiche Vorgehensweise angewendet werden. Abhängig vom Objekt sind aber meist nur geringe außentemperatur­ abhängige Bedarfsanteile zu berücksichtigen, sodass sich die Jahresdauerlinie im Wesentlichen aus den einzelnen typischen Tagesprofilen zusammensetzt.

Fazit Für die wirtschaftliche Auslegung von BHKWs ist die Kenntnis der Verbrauchsda-

tenstruktur insbesondere in kleinen Objekten erforderlich. Praktikable berührungslose Messverfahren erlauben die Aufzeichnung der benötigten Daten, ohne aufwendige Eingriffe in den Betrieb der Anlagen vornehmen zu müssen. Mithilfe des Schemas können die erforderlichen Schritte zur Erstellung von Jahresdauerlinien nachvollzogen werden. Die Jahresdauerlinien für den Strom- und Wärmebedarf bilden die Basis für die in Teil 2 vorgenommene Auslegung der Modulleistungen und der Wirtschaftlichkeitsbetrach∂ tung.

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