Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen
Im Forschungsprojekt Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen (UMSys)1 wurden vom ISFH zusammen mit dem Metalldachhersteller Rheinzink GmbH und Co. KG solar unterstützte Wärmepumpensysteme untersucht.
Im Mittelpunkt des Projekts stehen unverglaste Sonnenkollektoren, da sie kostengünstig hohe Wärmeerträge erwirtschaften - wenngleich auf niedrigem Temperaturniveau. Diese günstige Niedertemperaturwärme kann, neben dem typischen Einsatz zur Schwimmbadwassererwärmung, auch als Wärmequelle für Wärmepumpensysteme verwendet werden.Der unverglaste Sonnenkollektor sorgt in einem Wärmepumpensystem für eine Temperaturerhöhung an der Wärmepumpe und die damit verbundene Steigerung der Jahresarbeitszahl. So lässt sich elektrische Energie sehr einfach einsparen. Eine Temperaturerhöhung um 5 K im Jahresmittel steigert die Jahresarbeitszahl eines Wärmepumpensystems von etwa 3,4 auf 4,0, was einer elektrischen Energieeinsparung von 15% entspricht.
Abb. 1a: Pilotanlage mit unverglastem Kollektor. Der Zinkdachkollektor ist dachintegriert und dadurch "unsichtbar". Die Kollektorfläche ist rot umrandet und unterscheidet sich optisch nicht vom restlichen Dach.
Innerhalb des Projekts wurde für dieses Systemkonzept eine Regelung und eine Hydraulik entwickelt. Für das Systemkonzept wurde dann in Pilotanlagen und mit Hilfe von Simulationen das Zusammenspiel der drei Komponenten, Erdsonde, Wärmepumpe und unverglaster Kollektor untersucht. Aus den Ergebnissen konnten Hinweise zur Auslegung abgeleitet werden.
Die Bewertung der Wärmepumpensysteme mit Sonnenkollektorunterstützung ist anspruchsvoll, denn das ausgeprägte dynamische Verhalten lässt sich mit einfachen stationären Modellen kaum zuverlässig vorhersagen. Deshalb wurden vom ISFH numerische Simulationen durchgeführt und reale Anlagen zur Systembewertung vermessen.
Abb. 1b: Pilotanlage mit unverglastem Kollektor. Der Zinkdachkollektor ist dachintegriert und dadurch "unsichtbar". Die Kollektorfläche ist rot umrandet und unterscheidet sich optisch nicht vom restlichen Dach.
Das Systemkonzept (Abb. 2) wurde in zwei Pilotanlagen realisiert und vermessen. Auf Basis der aufgenommenen Messdaten aus den Pilotanlagen können folgende Aussagen getroffen werden:
- Ein hoher spezifischer Kollektorertrag von 545 kWh/m2a wird erzielt. Im Dezember übertrifft er sogar die Einstrahlungssumme. Dies wird durch Wärmegewinne bei Betrieb unter Umgebungstemperatur erreicht. An einigen Tagen wird der Kollektor sogar nachts betrieben.
- Die mittlere Temperatur der Erdsonde beträgt 6°C. Typische Auslegungstemperaturen für Wärmepumpensysteme ohne Solaranlagen liegen bei ca. 0°C.
- Ein wichtiges Projektziel war die Beschreibung der Kondensationswärmegewinne aus der Umgebungsluft. Diese konnten auf 4% Anteil am Jahresertrag bestimmt werden. An einzelnen Tagen kann der Kondensationsanteil am Kollektorertrag jedoch bis zu 30% ausmachen.
Abb. 2: Systemkonzept zur Einbindung eines unverglasten Kollektors in ein Wärmepumpensystem mit Erdsonden (ES), Pumpen und Umschaltventil; dargestellt ist nur die Wärmequellenseite der Wärmepumpe. Pfeile zeigen die Wärmeströme in den drei Betriebszuständen.
Das Verhalten der Jahresarbeitszahlen für viele Kombinationen von Kollektorfläche und Erdsondenlänge kann nicht mehr an realen Anlagen durch Messung, sondern nur noch sinnvoll anhand von Systemsimulationen untersucht werden. Im dargestellten Beispiel einer Systemsimulation (Abb. 3) versorgt eine 7,5 kW Wärmepumpe ein Haus mit 140 m2 Grundfläche und einem Dämmstandard von 60 kWh/m2a mit Wärme für Heizung und Trinkwarmwasser. Hier zeigt sich bei einer Erdsondenlänge von 70 m, dass ein 20 m2 großer Kollektor die Jahresarbeitszahl von ca. 4,1 auf 4,4 verbessert. Die gleiche Verbesserung kann ohne Kollektor nur durch eine Verlängerung der Erdsonde auf 130 m erreicht werden. Umgekehrt kann bei Verwendung eines Kollektors die Sonde verkürzt werden.
Sowohl die Simulationen wie auch der erfolgreiche Betrieb der Pilotanlagen zeigen, dass unverglaste Kollektoren erdgekoppelte Wärmepumpensysteme verbessern. Mit ihnen steigt die Jahresarbeitszahl der Anlage oder eine Verkürzung der Erdsondenlänge ist möglich. Zusätzlich verbessert er, als zweite Wärmequelle neben der Erdsonde, die Stabilität des Wärmepumpensystems gegenüber vielen Umwelteinflüssen oder steigendem Wärmebedarf.
1 Gefördert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt mit dem Titel Unverglaste Metalldach-Sonnenkollektoren in Wärmeversorgungssystemen: Systemkonzepte und Auslegung; Kurzname: UMSys; Aktenzeichen der DBU 21098
Abb. 3: Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe für verschiedene Kollektorflächen (Akoll) und Erdsondenlängen. Die Pumpenstromverbräuche und die elektrische Nachheizung bleiben unberücksichtigt.