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Untersuchung eines Power-to-Heat-Konzepts zur Erweiterung einer vorhandenen Solaranlage mit thermischen Speichern

  • Einleitung Motivation Eine kontinuierlich verfügbare Energiegrundversorgung ist sehr wichtig für die Menschen und die Entwicklung auf der ganzen Welt. Durch die wachsende Weltbevölkerung hat sich der Energiebedarf in den letzten 40 Jahren mehr als verdoppelt. Um 45 Prozent wird die weltweite Energienachfrage bis 2030 steigen, wenn sich die heutigen Trends unverändert fortsetzen [Schlesinger, 2009]. Dieser wachsende Energiebedarf verursacht das Problem der Knappheit der Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Kohle, sowie den Klimawandel. Derzeit und auf lange Sicht muss auf erneuerbare Energien gesetzt werden, zur Ablösung der fossilen Energieträger und zur Reduzierung der CO2-Emission. Die erneuerbaren Energien werden 2017 voraussichtlich über 36% des Bruttostromverbrauchs in Deutschland abdecken [BDEW, 2017]. In den vergangenen Jahren entwickelte sich die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland, wie Bild 1 zeigt, nach oben. Photovoltaik ist ein sehr wichtiger Teil davon. Bild 1: Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland (BDEW, 2017) Die Solarenergie auf der Erdoberfläche beträgt etwa 1,074∙1014 GWh/a, was dem 35.000-Fachen des weltweiten Energiebedarfs entspricht, der eine unerschöpfliche Energiequelle darstellt. Die Installationskosten für Photovoltaikanlagen verringern sich und die Einspeisevergütungssätze für den erzeugten Strom von der PV-Anlage sind stark gesunken. Dadurch werden die Voraussetzungen für die Errichtung und den Betrieb von PV-Anlagen verändert. Die PV-Anlagen rechnen sich heute vor allem über einen hohen Eigenverbrauchsanteil des erzeugten Stroms. Allerdings stellt der Strom nur einen Teil des Endenergieverbrauches in Deutschland dar, wie Bild 2 zeigt. Rund 35 Prozent des deutschen Energieverbrauchs entfällt auf die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser in Gebäuden. Etwa 40 Prozent aller CO2-Emissionen entstehen in diesem Bereich [BWP, 2017]. Deshalb muss auch berücksichtigt werden, wie der Wärmebedarf auf regenerative Energien umgestellt werden kann. Bild 2: Energieverbrauch nach Anwendungsbereichen in Deutschland 2015 (BDEW, 2016) Die Nutzung des Stroms von der PV-Anlage zur Deckung des Wärmebedarfs von Gebäuden ist eine vielversprechende Alternative. Der produzierte Strom der PV-Anlage wird immer mehr zur Deckung des Wärmebedarfs im Gebäude genutzt, um den PV-Eigenverbrauch und somit die Anlagenrentabilität zu erhöhen. Dies führt zum Power-to-Heat Konzept: Stromerzeugungspotenziale, die auf dem Strommarkt wirtschaftlich oder technisch nicht sinnvoll genutzt werden können, werden mittels elektrischer Heizeinrichtungen in Wärme umgewandelt [IWO, 2015]. Die Kombination von PV-Anlage und Wärmepumpe ist eine großartige Möglichkeit, es zu verwirklichen. Außer zur Steigerung des Photovoltaik-Eigenverbrauch durch Wärmepumpe, gegenüber einem fossilen Energieträger ist der Heizungstausch mit Wärmepumpe auch eine Möglichkeit, den CO2-Austoß und die Wärmeverluste zu reduzieren. Zielsetzung Diese Diplomarbeit basiert auf einem konkreten Projekt. Es ist geplant, auf dem Dach des Gebäudes eine PV-Anlage zu installieren und den Wärmeverlust zu verringern. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Power-to-Heat-Konzept für das Gebäude zu untersuchen und zu bewerten, um das Energiesystem des Gebäudes effizienter, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu machen. Zuerst wird die Übersicht des Gebäudes beschrieben, inkl. der Baukonstruktion, des derzeitigen Heizungssystems und Lüftungssystems. Anschließend wird der Energiebedarf, nämlich Warmbedarf und Strombedarf, in diesem Gebäude berechnet. Danach wird die PV-Anlage ausgelegt, inkl. des Modulplans und der technischen Planung. Dann wird anhand mehrerer Varianten untersucht, inwieweit sich der Eigenverbrauchsanteil der PV-Anlage in Verbindung mit unterschiedlichen Ansätzen für Eigennutzung des Stroms, elektrischen Speichern, Wärmepumpe und thermischen Speicher steigern lässt. Die Untersuchungen beinhalten auch die Dimensionierung der Wärmepumpe sowie des Pufferspeichers. Der Energieertrag der PV-Anlage wird mit verschiedenen Ansätzen durch PV-Sol simuliert. Danach wird die wirtschaftliche Bewertung sowie die ökologische Bewertung für jede Variante vorgenommen. Zum Abschluss wird eine Zusammenfassung gemacht. 2 Hauptteil Beschreibung des Projektbeispiels Baukonstruktion Das in dieser Arbeit als Beispiel verwendete Projekt ist das Gebäude der Baptistengemeinde Nürnberg und befindet sich in der Sperberstraße 166 in Nürnberg. Dieses Gebäude wurde 2001 gebaut und ist eine zusammengesetzte Struktur aus Kirche und Wohnungen. In dieser Arbeit wird das Gebäude in zwei Teile, Bauteil A und Bauteil B, getrennt, um es besser zu beschreiben. Die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ist ein Foyer, wie Bild 3 zeigt. Im Bauteil A gibt es Büro, Aktivitätsräume, Gruppenräume und 4 Wohnungen, sowie Kellerräume. Bauteil B hat hauptsächlich einen Versammlungsraum und einige Nebenräume. Das Gebäude hat insgesamt 3 Geschosse, nämlich Untergeschoss, Erdgeschoss und Obergeschoss. Bild 3: Luftbild des Gebäudes Der Grundriss jedes Geschosses wird in Anlage 1 bis 3 angezeigt. Anhand des des Grundrisses und dem Schnittplan eines jeden Geschosses kann man die Abmessungen jedes Raums bekommen. Die Daten jedes Geschosses werden in Tabelle 1 gezeigt. Geschoß-höhe [m] Bauteil Nutzfläche [m2] Raumhöhe [m] Nutzung UG 2,82 A 344 2,55 Haustechnik, Lagerräume, Mieterkeller EG 4,05 A 574 3,87 MZ-Räume, Teestube, Wirtschaftsbereich Foyer 100 3,87 EG+OG 10,00 B 390 8,8 Gemeindesaal OG 3,53 A 778 3,25 Wohnen, Tagesräume Tabelle 1: Daten jedes Geschosses Aus dem Dokument der Ausschreibung für den Rohbau kann man die konstruktiven Materialien des Gebäudes ermitteln, wie in Tabelle 2 gezeigt. Fassaden Mauerwerk + Thermohaut Wände Mauerwerk, Stahlbeton Decken Stahlbeton Fußboden Stahlbeton Tabelle 2: Materialien der Gebäudehülle Heizungs- und Lüftungssystem Die Wärmeversorgung des Gebäudes erfolgt derzeit durch eine zentrale Gasheizung. Der Wärmeerzeuger ist ein Gasheizkessel. Der Typ des Gaskessels ist Buderus Logano GE 315 und die Nennwärmeleistung ist 180 kW. Aktuell besteht die Problematik dass der Heizungstechnikraum, wo der Heizkessel liegt, sehr warm wird. Diese Wärme ist verschwenderisch und man hat das Ziel, diesen Wärmeverlust zu reduzieren. Es gibt zwei Heizungsvarianten, Heizkörper und Fußbodenheizung, in diesem Gebäude. Die Heizkörper für alle Bereiche werden als Plattenheizkörper, geeignet für Niedertemperatur, ausgeführt. Bild 4 zeigt das Schema des Heizungssystems. Bild 4: Schema des Heizungssystems In dem Schema kann man sehen, dass es fünf Heizkreise in diesem Gebäude gibt, einmal für Heizkörper in der Kirche, einmal für Fußbodenheizungen in der Kirche und einmal für Heizkörper in den Wohnungen. Außerdem werden ein Warmwasserspeicher und ein Wärmetauscher für das Taufbecken mit dem Heizkreisverteiler verbunden. Im Auslegungsfall beträgt die Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur des Heizkörpers 80/55 °C und die der Fußbodenheizung 45/25 °C. Das Bild 5 zeigt das Anlagenschema der Lüftung. Dadurch kann man sehen, dass es die Fortlüftungsanlagen in WC, Bäder, Küche in EG und Bücherstube gibt. Dies muss bei der Heizlastberechnung berücksichtigt werden. Es wurden keine Wärmerückgewinnung und Lufteinlassgeräte installiert. Deshalb benötigt das Lüftungssystem keine Wärme aus dem Heizungssystem. Bild 5: Schema des Lüftungssystems Monitoring-Portal des Gebäudes Es gibt ein Monitoring-Portal der Firma SCH.E.I.D.L mit dem Namen SCH.E.I.D.L Energy Controller für das Gebäude. Die Lufttemperatur der Räume sowie der thermische und elektrische Energieverbrauch werden von Sensoren im Gebäude in das Monitoring-Portal aufgezeichnet. Dadurch kann man den Energieverbrauch in diesem Gebäude überwachen. Außerdem kann in allen unregelmäßig genutzten Räumen, die Betriebszeit der Heizung über Internet in den Räumen gesteuert werden. Das ist eine Optimierungsmethode für das Heizungssystem des Gebäudes, um den Energieverbrauch zu verringern. Energiebedarfsberechnung Elektrischer Energiebedarf Der Eigennutzungsstrom in diesem Gebäude, der teilweise durch die PV-Anlage abgedeckt werden soll, besteht aus Gemeindestrom und Allgemeinstrom. Die Daten des Stromverbrauchs und der Stromleistung können von dem Monitoring-Portal exportiert werden. Die Stromleistung wird stündlich aufgezeichnet. Weil das Monitoringsystem im April 2017 installiert wurde, müssen die Daten im ganzen Jahr von den aufgezeichneten Daten geschätzt werden. Nach der Bearbeitung der Daten wird der Stromlastgang 2017 in Bild 6 gezeigt. Bild 6: Stromlastgang 2017 Der Gesamtstromverbrauch im ganzen Jahr wurde dadurch berechnet und beträgt 11.167 kWh. Thermischer Energiebedarf Aufgrund des Heizungssystems besteht der thermische Energiebedarf des Gebäudes aus 3 Teilen, nämlich Heizwärmebedarf, Warmwasserwärmebedarf und Wärmebedarf für das Taufbecken. Heizwärmebedarf Nach DIN 4710 gehört der Standort Nürnberg zur Klimazone 13. Die Norm-Außentemperatur ist -16 °C und das Jahresmittel der Außentemperatur ist 7,9 °C. Die Norm-Innentemperaturen der beheizten Räume sind wie Tabelle 3 gezeigt. Norm-Innentemperatur Räume 15 °C Flur, Treppenhaus 20 °C Andere beheizte Räume 24 °C Umkleideraum, Bäder Tabelle 3: Norm-Innentemperatur Die Heizlastberechnung ist nach dem vereinfachten Berechnungsverfahren in DIN EN 12831 vorzunehmen. Der gesamte Norm-Wärmeverlust Φ_i eines beheizten Raumes (i), wird wie folgt berechnet: Φ_i=Φ_(T,i)+Φ_(V,i) (1) Dabei ist Φ_(T,i) Norm-Transmissionswärmeverlust eines beheizten Raumes (i) in W Φ_(V,i) Norm-Lüftungswärmeverlust eines beheizten Raumes (i) in W Transmissionswärmeverlust Der Norm-Transmissionswärmeverlust Φ_(T,i) eines beheizten Raumes (i) wird wie folgt berechnet: Φ_(T,i)=∑▒〖f_k⋅A_k⋅U_k⋅(θ_(int,i)-θ_e)〗 (2) Dabei ist f_k Temperaturkorrekturfaktor für ein Bauelement (k) A_k Fläche des Bauelementes (k) in m2 U_k Wärmedurchgangskoeffizient des Bauelements in W/m2∙K θ_(int,i) Norm-Innentemperatur des beheizten Raumes (i) in °C θ_e Norm-Außentemperatur in °C Die Werte des Temperaturkorrekturfaktors f_k und des Wärmedurchgangskoeffizienten U_k werden in Anhang A zu Norm DIN EN 12831 Beiblatt 2 ausgewählt. Lüftungswärmeverlust Der Norm-Lüftungswärmeverlust Φ_(V,i) eines beheizten Raumes (i) wird wie folgt berechnet: Φ_(V,i)=0,34⋅V ̇_(min,i)⋅(θ_(int,i)-θ_e) (3) V ̇_(min,i)=n_min⋅V_i (4) Dabei ist V ̇_(min,i) hygienisch erforderlicher Mindest-Luftvolumenstrom eines beheizten Raumes (i) in m3/h n_min Mindest-Außenluftwechselzahl je Stunde in h-1 V_i Raumvolumen des beheizten Raumes (i) in m3 Die Heizlast Φ_HL eines Gebäudes wird wie folgt berechnet: Φ_HL=∑▒Φ_(T,i) +∑▒Φ_(V,i) +∑▒Φ_(RH,i) (5) Φ_(RH,i)=A_i⋅f_RH (6) Dabei ist Φ_(RH,i) Aufheizleistung für unterbrochenen Heizbetrieb in W A_i Fläche des beheizten Raumes in m2 f_RH Aufheizfaktor Die Berechnungsergebnisse der Gesamtheizlast werden wie in Tabelle 4 gezeigt. Heizkreis Heizlast [kW] Heizkreis 1 (Heizkörper in Kirche) 56,63 Heizkreis 2 (Heizkörper in Wohnungen) 14,76 Heizkreis 3 (Fußbodenheizung) 83,55 Gesamt 154,94 Tabelle 4: Heizlast des Gebäudes Die konkreten Berechnungsergebnisse der Heizlast jedes Raums werden in Anlage 4 dargestellt. In Tabelle 5 sind Anhaltswerte für die Heizgrenztemperatur genannt. Baustandard Heizgrenze Bestandsgebäude 15 °C Niedrigenergiehäuser 12 °C Passivhäuser 10 °C Tabelle 5: Heizgrenztemperatur (IWU, 2017) Als Heizgrenztemperatur für das Gebäude werden 15 °C angesetzt. Unter Anwendung des Wetterdatensatzes aus dem Testreferenzjahr 2010, Region 13 sind die Wärmebedarfe für Raumheizung zu berechnen. Die Tage, an der die Temperatur kleiner als 15°C, betragen 6645, wie Bild 7 zeigt. Bild 7: Außentemperatur TRY 2010 Region 13 In diesem Gebäude werden die Gruppenräume durchschnittlich 3 Tage pro Woche benutzt. In dieser Arbeit werden Freitag, Samstag und Sonntag als Betriebstage für die Kirche genommen. Die Betriebszeit an diesen 3 Tagen ist täglich 6 Uhr bis 22 Uhr. Außerhalb der Betriebszeit soll die Innentemperatur 15 °C sein. Die Soll-Innentemperatur für die Wohnungen ist immer 20 °C. Die Jahresganglinie der Heizwärmeleistung mit der Berücksichtigung der Betriebszeit wird in Bild 8 gezeigt: Bild 8: Jahresganglinie der Heizwärmeleistung Dadurch kann man die Änderung der Heizwärmeleistung im ganzen Jahr sehen. Bild 9: Jahresdauerlinie des Heizwärmebedarfs jedes Heizkreises Die Vollbenutzungsstunden der Wohnungen werden auf 2000 Stunden pro Jahr angenommen. Für die Kirche werden 1100 Stunden angenommen. Der Jahresheizwärmebedarf jedes Heizkreises wird in Tabelle 6 gezeigt. Heizkreis Jahresheizwärmebedarf in kWh/a Heizkreis 1 62.300 Heizkreis 2 29.520 Heizkreis 3 92.000 Gesamt 183.820 Tabelle 6: Jahresheizwärmebedarf Warmwasserwärmebedarf Im aktuellen Heizsystem gibt es einen Heizkreis mit einem Warmwasserspeicher, um das Warmwasser für das Gebäude bereitzustellen. Die Temperatur des Warmwassers wird auf 60 °C ausgelegt. Der Typ des Warmwasserspeichers ist Nau Duocell 500. Aus dem Datenblatt des Warmwasserspeichers kann man herauslesen, dass die Durchlaufleistung 38 kW und die Leistungskennzahl 13 beträgt. Als Bedarfskennzahl wird 13 angenommen. Die Zentralheizung muss auch den Warmwasserwärmebedarf bedienen. Der Kesselzuschlag wegen Warmwasserbedarf ist im Bild 10 abzulesen. Bild 10: Kesselzuschlag der Trinkwassererwärmung (Projektierung von Warmwasserheizungen, 2006) Gemäß Bild 10 werden für den Kesselzuschlag auf 17 kW angenommen, da die Heizlast für Warmwassererwärmung 17 kW beträgt. Der Jahreswärmebedarf des Warmwassers beträgt 148.920 kWh. Wärmebedarf des Taufbeckens Das Taufbecken wird vor der Zeremonie mit 35 °C warmen Wasser gefüllt. Die Warmwasserversorgung erfolgt über einen Plattenwärmetauscher mit 30kW und einen zentralen-Mischthermostat. Das Taubecken wird etwa 10-mal pro Jahr genutzt. Die Entnahmemenge des Taufbeckens wird auf 200 l geschätzt. Die Wärmemenge des Taufbeckens Q_T ist nach der folgenden Gleichung zu ermitteln. Q_T=m_E∙c∙∆t (7) Dabei ist m_E Entnahmemenge in kg c spezifische Wärmekapazität des Wassers in kJ/(kg∙K) ∆t Temperaturerhöhung in K Der Jahreswärmebedarf des Taufbeckens beträgt 58 kWh. PV-Anlage Belegung Modulplan Die PV-Anlage soll auf dem Dach des Bauteils B installiert werden. Zuerst wird der Modulplan für die PV-Anlage erstellt. Das Dach ist Flachdach. Die nutzbare Fläche des Daches ist ca. 400 m2. Überschlägig kann man die Größe der Anlagenleistung damit wie folgt berechnen: Anlagengröße [kWp]=Nettodachfläche[m^2 ]/10[m^2/kWp] (8) Damit ergibt sich die überschlägige Anlagengröße 40 kWp. Unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs wird die Größe der PV-Anlage auf 30 kWp festgelegt. Bei der Anlagenplanung sollen die Sperrflächen, wie Dachfenster, Entlüftungsanlage, freigelassen werden. Der Abstand von dem Rand des Daches soll rundum ca. 1m betragen. Auch die Verschattung, die durch ein Kreuz auf der Südostseite des Dachs verursacht wird, soll berücksichtigt werden. Der Modulplan wird wie in Bild 11 gezeigt. Bild 11: Modulplan der PV-Anlage Die Modulanzahl beträgt 110. Der Typ des Moduls ist Talesun TP660P270 die maximale Nennleistung eines Moduls ist 270 W. Die Gesamtleistung der PV-Anlage ist somit 29,7 kWp. Die Gestelle werden als als Ost-West Hütchen Variante mit einem Neigungswinklen von 10° geplant. Die PV-Anlage mit Ost-West Aufständerung hat einen Vorteil, dass Solarstrom früher am Morgen und später am Abend zur Verfügung steht. Die Ausrichtungen der zu installierenden PV-Anlage ist 89° Ost und 269° West. Technische Planung Die Stromerzeugung und die Verschaltung der PV-Anlage werden über PV-Sol simuliert, welches ein dynamisches Simulationsprogramm zur Berechnung des Ertrags der PV-Anlage und Optimierung der Modulverschaltung, sowie zur Auslegung und Optimierung von PV-Anlagen mit Speicherung in Batteriesystemen ist. Die notwendigen Daten der PV-Anlagen werden in PV-Sol eingegeben. Die verwendeten Strahlungsdaten basieren auf den Klimadaten des Standorts von 1981 bis 2010. Die Jahressumme der Globalstrahlung in Nürnberg ist 1080 kWh/m2. Der Typ des gewählten Wechselrichters ist Huawei SUN2000-12kTL. Die Informationen der Verschaltung werden in Anlage 5 gezeigt. Der Dimensionierungsfaktor des Wechselrichters beträgt 112,5%. Die Simulationsergebnisse der PV-Anlage von PV-Sol werden in Tabelle 7 gezeigt. PV-Generatorenergie (AC-Netz) 27.054 kWh/a Spez. Jahresertrag 910,92 kWh/kWp Anlagennutzungsgrad 87,7 % Tabelle 7: Simulationsergebnisse der PV-Anlage Der Wert des spez. Jahresertrags liegt in einem vernünftigen Bereich, da dieser für Ost-West Systeme in Deutschland zwischen 850 kWh/kWp und 950 kWh/kWp liegt. Aus dem Bild 12 kann man die Solarstromerzeugung in verschiedenen Monaten eines Jahres sehen. Bild 12: Ertragsprognose der PV-Anlage Varianten der Ansätze In diesem Teil der Arbeit wird darauf abgezielt, die verschiedenen Ansätze für den Anschluss an der PV-Anlage zu suchen, um den erzeugten PV-Strom besser zu nutzen. Eigennutzungsstrom Zuerst wird der Eigennutzungsstrom als Verbrauch der PV-Anlage aufgenommen. In 2.2.1 wurde der Stromlastgang und der Strombedarf des Gebäudes berechnet. In PV Sol kann man die Anlagenart als netzgekoppelte PV-Anlage mit elektrischen Verbrauchern wählen und den Stromlastgang aufladen. Das Bild 13 zeigt das Verschaltungsschema des PV-Systems mit Verbrauchern. Bild 13: Verschaltungsschema der netzgekoppelten PV-Anlage mit elektrischen Verbrauchern Die Simulationsergebnisse werden in Tabelle 8, Bild 14 und 15 gezeigt. PV-Anlage PV-Generatorenergie (AC-Netz) 27.069 kWh/a Eigenverbrauch 4.450 kWh/a Netzeinspeisung 22.618 kWh/a Eigenverbrauchsanteil 16,4 % Verbraucher Verbraucher 11.167 kWh/a Stand-By Verbrauch 36 kWh/a Gesamtverbrauch 11.203 kWh/a gedeckt durch PV 4.450 kWh gedeckt durch Netz 6.752 kWh Solarer Deckungsanteil 39,7 % Tabelle 8: Simulationsergebnisse der PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom Bild 14: Nutzung der PV-Energie für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom Bild 15: Deckung des Verbrauchs für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom Aus den Simulationsergebnissen kann man entnehmen, dass in diesem Fall nur ein kleiner Teil des Strombedarfs durch PV-Energie gedeckt wird da der Großteil der PV-Energie ins Netz eingespeist wird. Elektrischer Speicher Aufgrund der Reduzierung der Einspeisevergütung sind PV-Anlagen mit einem hohen Eigenverbrauchsanteil stets wirtschaftlicher. Die Kombination von PV-Anlage mit Batteriespeichern ermöglicht es, einen größeren Anteil des erzeugten Stroms vor Ort zu nutzen. Für das Gebäude werden die Räume in Kirche hauptsächlich für ein paar Tage in der Woche benutzt, deshalb ist es notwendig, einen Batteriespeicher mit der PV-Anlage zu kombinieren. Bei der Simulation ist die PV-Anlage an die elektrischen Verbraucher und an einen Stromspeicher angeschlossen, der neben der Batterie auch den Wechselrichter beinhaltet. Bild 16: Verschaltungsschema des PV-Systems mit Verbrauchern und Batteriesystem Als Batterie-Wechselrichtersystem wird auf SMA Sunny Boy Storage mit LG Chem RESU 10H zurückgegriffen. Die nutzbare Batteriekapazität von LG RESU 10H ist 9,3 kWh. Die Simulationsergebnisse werden in Tabelle 9, Bild 17 und 18 zeigt. PV-Anlage PV-Generatorenergie (AC-Netz) 27.069 kWh/a Direkter Eigenverbrauch 4.448 kWh/a Netzeinspeisung 19.827 kWh/a Batterieladung 2.794 kWh/a Eigenverbrauchsanteil 26,8 % Verbraucher Gesamtverbrauch 11.203 kWh/a gedeckt durch PV 4.448 kWh/a gedeckt durch Netz 4.169 kWh/a gedeckt durch Batterie netto 2.592 kWh/a Autarkiegrad 62,8 % Tabelle 9: Simulationsergebnisse der PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Batteriesystem Bild 17: Nutzung der PV-Energie für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Batteriesystem Bild 18: Deckung des Verbrauchs für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Batteriesystem Aus den Ergebnissen kann man herauslesen, dass sich der Eigenverbrauchsanteil des Systems erhöht. Analog dazu steigt er Autarkiegrad des Gebäudes von 39,7% auf 62,8%. Power-to-Heat Konzept Aus dem obigen Inhalt kann man erkennen, dass es immer noch einen Anteil des erzeugten Stroms gibt, der nicht eigenverbrauch wird. Dafür wird ein Power-to-Heat Konzept gesucht, um das Energiekonzept des Gebäudes zu verbessern und mehr PV-Strom zu benutzen. Es wird die Kombination von einer Wärmepumpe mit PV-Anlage geplant, um die elektrische Antriebsenergie zum Teil durch die PV-Anlage zu decken. Der Strom wird durch eine elektrische Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und gleichzeitig wird zusätzliche Energie aus der Umwelt gewonnen. Es ist sinnvoll für das Gebäude eine Wärmepumpe einzusetzen, weil es Fußbodenheizungen im Erdgeschoss gibt. In diesem Teil werden drei Varianten der Energiekonzepte diskutiert. Variante A Der alte Gaskessel in diesem Gebäude hat eine Lebenserwartung von 25-30, wenn dieser normal arbeitet. Deshalb wird der alte Gaskessel zurzeit weiterverwendet. Das neue Energiekonzept sieht vor, dass der Wärmebedarf des Gebäudes durch eine Wärmepumpe und den alten Gaskessel zusammen gedeckt wird. Dadurch hat der Gaskessel weniger Nutzzeiten, was die Lebensdauer verlängert. Eine Methode von Gaskessel auf die Wärmepumpe umzustellen ist es, dass die Wärmepumpe sich mit dem bestehenden Wärmeerzeuger bivalent kombinieren lässt. Die Betriebsart wird auf den bivalent-parallelen Betrieb umgestellt. Bei geringerem Wärmebedarf arbeitet nur die Wärmepumpe. Ab dem Zuschaltpunkt wird der Wärmebedarf gleichzeitig durch die Wärmepumpe und den alten Gaskessel abgedeckt. Der Gaskessel deckt den Teil bei Spitzenlast ab. Für die Wärmepumpe mit dem höheren Deckungsanteil wird der Energiebedarf von Gas verringert und mehr PV-Strom benutzt. Der Deckungsanteil von Wärmepumpe wird auf 85% ausgelegt. Der Zuschaltpunkt ist auf eine Außentemperatur von 6,5 °C festgesetzt. Die erforderliche Wärmeleistung und der Deckungsanteil von jedem Wärmeerzeuger werden in Tabelle 10 gezeigt. Gaskessel Sole/Wasser-Wärmepumpe Wärmeleistung 180 kW 65 kW Deckungsanteil 15 % 85 % Wärmebedarf 49.920 kWh 282.878 kWh Tabelle 10: Wärmeleistung und Wärmebedarf für Wärmeerzeugern von Energiekonzept Variante A Bild 19 zeigt die Jahresdauerlinie der Wärmeleistung mit Deckungsanteil von Wärmeerzeugern. Bild 19: Jahresdauerlinie von Power-to-Heat-Konzept Variante A Als Wärmepumpentyp wird eine Sole-Wasser-Wärmepumpe ausgewählt In dieser Variante kann die Wärmepumpe auch bei sehr niedriger Außentemperatur in Betrieb sein. Das Gebäude besitzt einen Gartenanteil. Deshalb ist es möglich die Erdsonden oder Erdkollektoren zu installieren. Im Vergleich zu einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist die Sole-Wasser-Wärmepumpe effizienter im Winter. Unter Berücksichtigung der Sperrzeiten wegen dem Energieversorger wird die Wärmeleistung der Wärmepumpe durch 65×24/(24-3) errechnet, nämlich 74 kW. Die Wärmepumpe wird vom Hersteller Viessmann gewählt. Das Datenblatt der gewählten Typen Vitocal 350-G BWS 351.B42 mit 42,3 kW und BWS 351.B33 mit 32,7 kW wird in Tabelle 11 gezeigt. Tabelle 11: Datenblatt der Sole/Wasser-Wärmepumpe (Viessmann, 2017) Die Wärmepumpe des Typs lässt sich im zweistufigen Betrieb mit einer weiteren Wärmepumpe des gleichen Typs betreiben. Die zwei Wärmepumpen leisten dann 75 kW. Die Wärmepumpe Vitocal 350-G hat den Vorteil, dass sie bereits für den Betrieb mit selbst erzeugtem Strom aus einer PV-Anlage vorbereitet ist. Aufgrund der Sperrzeit und der Überdimensionierung der Wärmepumpe wird ein Pufferspeicher in Form eines thermischen Speichers eingesetzt. Ein Pufferspeicher kann die Wärme speichern und arbeitet gleichzeitig auch als einer hydraulischen Trennung zwischen Wärmepumpe und dem verbundenen Heizungssystem. Durch den Pufferspeicher kann die Lebensdauer der Wärmepumpe verlängert werden und kann man in jedem Raum die Raumtemperatur durch Einzelregler regeln. Für die Dimensionierung des Pufferspeichers wird als Richtwert 60 l/ kW der Heizleistung genommen. V_PS=60 l/kW×Q ̇_c=60×48=2880 l (9) Der Pufferspeicher wird vom Hersteller TWL des Typs P 3000 mit Speicherinhalt 3000 l gewählt. Die max. Speicherkapazität des Pufferspeichers wird durch die folgende Formel berechnet. Q_PS=V_ps∙ρ∙c_p∙(ϑ_(Vor,WP)-ϑ_(R,Verbr.) )=151 kWh (10) Die Beladezeit t_E und Entladezeit t_A werden durch folgenden Formeln berechnet. t_E=m_ps/(m ̇_C-m ̇_V ) (11) t_A=m_ps/m ̇_V (12) Dabei ist m ̇_C Massenstrom Wärmepumpe in kg/h m ̇_V Massenstrom Wärmeverbraucher in kg/h Die Beladezeit und Entladezeit bei verschiedenen Außentemperatur werden in Tabelle 12 gezeigt. Tabelle 12: Beladezeit und Entladezeit des Pufferspeichers mit 3000 l Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe ist der Maßstab für die Effizienz der Wärmepumpe. Sie berechnet sich nach der folgenden Formel: JAZ=Q_WP/W_EL (11) Dabei ist Q_WP Jährliche abgegebene Wärme in kWh/a W_EL Jährliche aufgenommene elektrische Energie in kWh/a Als Jahresarbeitszahl der Sole-Wasser-Wärmepumpe wird 4 angenommen. Der jährliche Stromverbrauch wird dadurch errechnet und ist beträgt 70.000 kWh. Die Simulationsergebnisse des PV-Systems durch PV-Sol werden in der folgenden Tabelle und Bildern gezeigt. PV-Anlage PV-Generatorenergie (AC-Netz) 27.069 kWh/a Eigenverbrauch 13.728 kWh/a Netzeinspeisung 13.340 kWh/a Eigenverbrauchsanteil 50,7 % Verbraucher Verbraucher 81.167 kWh/a Stand-By Verbrauch 36 kWh/a Gesamtverbrauch 81.203 kWh/a gedeckt durch PV 13.728 kWh gedeckt durch Netz 67.474 kWh Solarer Deckungsanteil 16,9 % Tabelle 13: Simulationsergebnisse der PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Sole/Wasser-WP Bild 20: Nutzung der PV-Energie für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Sole/Wasser-WP Bild 21: Deckung des Verbrauchs für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom und Sole/Wasser-WP An den Ergebnissen kann man erkennen, dass sich der Eigenverbrauchsanteil weiter erhöht. Besonders im Winter wird der Großteil des PV-Stroms direkt eigenverbraucht. Jedoch verringert sich durch die Integration der Wärmepumpe der Autarkiegrad wegen dem größeren Stromverbrauch gleichzeitig. Variante B Um den Autarkiegrad der oberen Variante zu steigern, wird eine Batterie mit einer Kapazität 9,3 kWh eingesetzt. In diesem Fall wird die Sperrzeit nicht berücksichtigt und kein Pufferspeicher eingesetzt. Die Wärmepumpen werden auf zwei Geräte mit Typ BWS 351.B33 umgestellt und leisten 65,4 kW. Die Simulationsergebnisse werden in der folgenden Tabelle und Bilder gezeigt. PV-Anlage PV-Generatorenergie (AC-Netz) 27.069 kWh/a Direkter Eigenverbrauch 13.705 kWh/a Netzeinspeisung 10.713 kWh/a Batterieladung 2.651 kWh/a Eigenverbrauchsanteil 60,4 % Verbraucher Gesamtverbrauch 81.203 kWh/a gedeckt durch PV 13.705 kWh/a gedeckt durch Netz 65.027 kWh/a gedeckt durch Batterie netto 2.490 kWh/a Autarkiegrad 19,9 % Tabelle 14: Simulationsergebnisse der PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom, Sole/Wasser-WP und Batteriesystem Bild 22: Nutzung der PV-Energie für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom, Sole/Wasser-WP und Batteriesystem Bild 23: Deckung des Verbrauchs für PV-Anlage mit Eigennutzungsstrom, Sole/Wasser-WP und Batteriesystem Der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad erhöhen sich in unterschiedlichem Maße. Aber der Vorteil der Batterie ist nicht sehr offensichtlich. Ob die Installation mit Batterie besser ist, wird im Kapitel 2.5 mit wirtschaftlicher Analyse weiter erläutert. Variante C Es ist die Problematik zu berücksichtigen, dass die PV-Anlage wenig Strom im Winter erzeugen kann. Im Gegensatz dazu benötigt das Heizungssystem an den kalten Tagen mehr Energie. Dies führt zu dem Umstand, dass bei tiefen Temperaturen der Wärmebedarf nur durch den Gaskessel gedeckt wird. Diese Betriebsart heißt bivalent-alternativer Betrieb. Die Wärmequelle der Wärmepumpe wird auf Luft-Wasser ausgelegt. Diese Methode wird auch für die Situation, dass die Installation des Erdwärmetauschers nicht möglich ist, übernommen. Die Wärmepumpe kann die Restwärme der Luft benutzen, bevorzugt die aus dem Keller, dadurch kann man den Heizungsraum, der derzeit sehr warm ist, mit der kalten Abluft kühlen. Die Luftwärmepumpe arbeitet nicht so effizient wie Sole/Wasser-Wärmepumpen, allerdings wird diese Situation sich verbessern, wenn die Luft/Wasser-Wärmepumpe an den kalten Tagen abgestellt wird. Im Sommer und in der Übergangszeit kann die Luftwärmepumpe die Luftwärme in Heizwärme effizienter umwandeln. Der Jahresdeckungsanteil von Wärmepumpe der Betriebsart ist häufig relativ gering als anderen bivalenten Betriesarten. Der Bivalenzpunkt wird auf eine Außentemperatur von 2 °C ausgelegt, dadurch sind die beiden Werte von dem Autarkiegrad und dem Deckungsanteil der Wärmpumpe nicht gering. Die erforderliche Wärmeleistung und der Deckungsanteil von jedem Wärmeerzeuger werden in Tabelle 15 und Bild 24 gezeigt. Gaskessel Luft/Wasser-Wärmepumpe Wärmeleistung 180 kW 86 kW Deckungsanteil 42 % 58 % Wärmebedarf 139.775 kWh 193.023 kWh Tabelle 15: Wärmeleistung und Wärmebedarf für Wärmeerzeugern von Energiekonzept Variante C Bild 24: Jahresdauerlinie von Energiekonzept Variante C Unter Berücksichtigung der Sperrzeit soll die Wärmeleistung der Wärmepumpe 98 kW erreichen. Die Wärmepumpe wird auch vom Hersteller Viessmann gewählt. Der Typ ist Vitocal 300-A AWO 302.A60 mit 26,4

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Metadaten
Author:Chenxi Yang
Advisor:Matthias Hoffmann, Markus Buortesch
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Name:Greenovative GmbH
Gleißbühlstraße 2, 90402 Nürnberg
Date of Publication (online):2018/02/13
Year of first Publication:2018
Date of final exam:2018/02/12
Tag:PV-Anlage; Power-to-Heat-Konzept; Wärmepumpe
Page Number:58 Seiten, 24 Abb., 22 Tab., 17 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Maschinenbau und Kraftfahrzeugtechnik (bis 2018)
Release Date:2018/02/13