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Effiziente Solarsysteme für Sport- undFreizeiteinrichtungenLeitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung
2 Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen
Dieser Leitfaden fasst die Ergebnisse des Forschungsprojektes „Effiziente Solarsysteme für Sport- undFreizeiteinrichtungen“ zusammen. Das Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und imRahmen des Programms „Neue Energien 2020 - 5. Ausschreibung durchgeführt. Die Abwicklung erfolgte durch dieÖsterreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG.
Umfassendere Information zum Projekt bekommen Sie bei der AEE Niederösterreich Wien und unter derenHomepage: www.aee-now.at/QSolSport .
InhaltÜber diesen Leitfaden......................................................................................................................................................................... 3Das Forschungsprojekt........................................................................................................................................................................ 3
Allgemein ........................................................................................................................................................................................ 3Methodik und Ziel ........................................................................................................................................................................... 3Ergebnisse ....................................................................................................................................................................................... 4
Dimensionierungen von Solarthermieanlagen auf Basis der Monitoringdaten ................................................................................. 4Freizeitanlagen................................................................................................................................................................................ 4Fußballplätze................................................................................................................................................................................... 5Tennisplätze .................................................................................................................................................................................... 7
Qualitätssicherung an auszuführenden und bereits realisierten Solarthermieanlagen ..................................................................... 8Kollektorauswahl ................................................................................................................................................................................ 9Dimensionierung der Kollektorflächen ............................................................................................................................................. 10Kollektoranordnung und Verschaltung ............................................................................................................................................. 10Systemhydraulik und Einbindung ..................................................................................................................................................... 11Fazit und Ausblick ............................................................................................................................................................................. 13Weiterführende Links ....................................................................................................................................................................... 13
RedaktionAndreas ReiterDaniel ReitererMoritz Schubert
Kontakt
AEE Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie NÖ-WienKarolinengasse 32/11040 Wien01/710 75 [email protected]
Wien, März 2018.
Leitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung 3
Über diesen LeitfadenDieser Leitfaden soll sowohl Verbände, Förderstellen undFunktionäre von Sportvereinen als auch Architekten, HLS-Planer und Installateure ansprechen. Er gibt einenÜberblick über wichtige Aspekte derWarmwasserbereitung, beschreibt Spezifika vonSolarthermie-Anlagen bei Sportanlagen und definiertnotwendige Mindest-Qualitätskriterien.
Das Forschungsprojekt
AllgemeinIn Österreich wird ein Großteil der benötigten Wärme beisportnahen Dienstleistungsbetrieben aus fossilenEnergieträgern oder elektrischer Energie bereitgestellt.Freizeiteinrichtungen (Fußballplätze, Tennisanlagen,Leichtathletikanlagen, Sporthallen, Fitnesscenter) habenaber vor allem im Bereich Kabinen- und Zuschauertraktausreichend Dachflächen zur Verfügung, um diesesolartechnisch zu nutzen.
Das QSolSport - Projekt hat das Energie-Effizienzsteigerungspotenzial von neuen und bestehendensolarthermischen Anlagen auf Sport- undFreizeiteinrichtungen durch Vermessung und Analyseerhoben. Die Projektergebnisse wurden in diesem Leitfadenwiedergegeben. Dieser Leitfaden soll die Qualität undEffizienz solarthermischer Anlagen auf Freizeit- undSporteinrichtungen gewährleisten und verbessern.
Methodik und ZielEine repräsentative Auswahl von 30 Sport- undFreizeiteinrichtungen, welche Schlussfolgerungen aufähnliche Betriebe zulässt, wurde gewählt. Davon wurdennotwendige Energieverbrauchsdaten von 15 Sport- undFreizeiteinrichtungen ohne Solaranlage vermessen. Dieanderen 15 Sport- und Freizeiteinrichtungen wurden mitinstallierter Solaranlage ausgewählt und mittels „I Buttons“qualitativ untersucht.
Abb. 1 Schaltschrank MonitoringQuelle: SOLID
Für die zu vermessenden Betriebe ohne Solaranlage mussteeine technisch/wirtschaftliche Vermessungsmethode undDatenübertragungs-Hardware gefunden werden, dieflexibel Vorort einzubauen ist und wieder demontierbarsein musste.
Zusätzlich variierten die Einbaumöglichkeit (Warmwasser,Kaltwasser, mit/ohne Zirkulation) desWärmemengenzählers, sowie die Haftungsprobleme beimUm-/Einbau durch ein Installationsunternehmen.
Abb. 2 Warmwasser-WärmemengenzählerQuelle: SOLID
Die ausgewählten Sportstätten wurden vor Ort besichtigt,das vor Ort vorhandene Wärmeversorgungssystemprotokolliert und anhand der Rohrleitungsquerschnitte undDurchflussmenge notwendige Wärmemengenzählerermittelt. Ein passendes Datenübertragungssystem sowieAnbieter wurden ermittelt.
Die Potentialanalyse wurde nach folgenden Parameterndurchgeführt: Volumenstrommessung der Kaltwasseranspeisung an
den Warmwasserboiler Temperaturmessung von Kaltwassereingang und
Warmwasserausgang am Boiler Temperaturmessung von Vorlauf und Rücklauf der
Nachheizung Temperaturmessung der Zirkulationsleitung
Anlagen mit bestehender Solaranlage wurden auf IhreEffizienz und Betriebsweise untersucht. Die ausgewertetenTemperaturverläufe wurden für Empfehlungen zurQualitätssicherung im Leitfaden herangezogen.
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Tem
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tur [
°C]
Auswertung Eggenberger Bad
F17 Solar Vl primär - Eggenberger Bad F18 Solar RL primär - Eggenberger BadF19 Solar VL sekundär - Eggenberger Bad FreihalterF20 Solar RL sekundär - Eggenberger Bad F21 Hzg Solareinspeisung NT RL - Eggenberger BadF22 Hzg Solareinspeisung HT RL - Eggenberger Bad F23 Hzg Solareinspeisung HT VL - Eggenberger BadF24 Hzg Solareinspeisung NT VL - Eggenberger Bad Delta T Primär
Abbildung 3: Temperaturprofil mittels I-Buttons AnalyseQuelle: AEE NOW
ErgebnisseDie Daten und Anlagenaufnahme zeigte eindeutig dieBevorzugung von Boilersystemen bei Anlagen ohne Solar-versus Puffersysteme bei Anlagen mit Solarnutzung.
Abbildung 4:Speicher bei Anlagen ohne SolarQuelle: AEE NOW
Abbildung 5:Speicher bei Anlagen mit SolarQuelle: AEE NOW
Die Pufferspeichersysteme bieten mehr Möglichkeitenhöhere Temperaturen einzulagern, aber auch mehrFlexibilität im Umgang mit der Hygienenorm (z.B. mit 2-Leiter System)!
Dimensionierungen vonSolarthermieanlagen auf Basis derMonitoringdaten
FreizeitanlagenFür Sporthallen wurden in den marktüblichenSimulationsprogrammen keine den Messergebnissenentsprechenden Lastgänge vorgefunden und daher wurdenVerbraucherprofile auch explizit in die Simulationeneingearbeitet.
Als Beispiel dient hier eine Mehrzweckhalle mitTennisanlage, bei der neben dem Monatslastprofil auch dasProfil für die Woche und den Tag angepasst wurdeDie Monatswerte zeigen im Winter bis April konstanteVerbräuche jedoch mit erheblicher Abweichung zu denberechneten Durchflussmengen aus den Sanitärnormen für16 Duschköpfe. Ein hoher Gleichzeitigkeitsfaktor ist hierimmer zu berücksichtigen, um Anlagen kleiner undeffizienter auszuführen.
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Abbildung 6:Monatswerte Warmwasserverbrauch ohne ZirkulationQuelle: AEE NOW
Zu berücksichtigen sind die Tageslastgänge, die imGegensatz zu Wohngebäuden höchst verschiedenaussehen.
Abbildung 7: TageswerteQuelle: AEE NOW
FußballplätzeAndere Lastgänge haben die Fussballplätze gezeigt. DieErgebnisse spiegeln aber Unterschiede zwischen unterenKlassen und dem Semi-Profibereich wieder.
Abbildung 8:Warmwasserverbrauch verschieden-klassiger FußballvereineQuelle: AEE NOW
Bei einer entsprechenden Simulation desRegionalligavereins ergibt sich überraschend bei relativkleinen Anlagen bereits ein hoher solarer Deckungsanteil.
6 Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen
Abbildung 9: Ausschnitt aus der SOLID Firmen-SimulationssoftwareQuelle: SOLID
Leitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung 7
Tennisplätze
Bei den allgemein verbreiteten Tennisanlagen/-plätzen sindsehr geringe Verbrauchswerte aus den Monitoringdatenhervorgegangen. Die Energiemenge lässt zwar kein hohesSolarpotential erkennen, jedoch ergeben sich bereits beikleinsten Anlagen hohe solare Deckungsgrade.
Bei Tennisplätzen kann bereits eine sehr kleineSolarthermieanlage mehr als 50 % des Wasserverbrauchesdecken. In der folgenden Simulation wird eine 4m² !!Anlage simuliert.
Abbildung 10: Monatswerte WarmwasserenergieQuelle: AEE NOW
Abbildung 11: Simulation 4m² AnlageQuelle:Solid
8 Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen
Abbildung 12: Energiebedarf und solare BereitstellungQuelle: Solid
Qualitätssicherung an auszuführenden und bereits realisierten Solarthermieanlagen
Abbildung 13:Auswertung I-Button TemperaturvermessungQuelle: AEE NOW
Mit Temperaturlastgang-Messungen (z.B.: mittels I-Buttons) können eventuell auftretende Fehler bei Heiz-und Solaranlagen aufgezeigt werden. Im Projekt QSolSportwurden so annähernd dieselben Qualitätsdefizite wie imWohnbau detektiert.
I-Button Temperaturvermessung: Die Anlage, in derAbbildung 13 dargestellt, weist eine permanent hoheVorlauftemperatur der Kesselanlage auf und im Spezielleneine diesbezüglich noch höhere Rücklauftemperatur zumKessel aus dem Speicher = Fehlzirkulation/Fehlregelung.
Die Einregulierung der Anlagen ist eine der wichtigstenMaßnahmen bei der Inbetriebsetzung. Leider ist in vielenFällen sowohl bei der Solaranlage als Energieerzeuger alsauch beim Verbraucher diese Maßnahme eine Ausnahme.Die Einregulierung erfolgt auf Basis der geplantenWassermengen und ist bei höchster Drehzahldurchzuführen. Standards sind Einregulierungsarmaturenmit Schauglas oder technisch hochwertigeStrangregulierventile.
Leitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung 9
Abbildung 14: Einregulierarmatur mit SchauglasQuelle: AEE NOW
Nur durch eine exakte Einregulierung werden diegewünschten Wassermengen im System befördert.
Die Effizienz der Kollektoren und des Wärmetauschers istvon der richtigen Wassermenge abhängig.
Abbildung 15: hochwertige StrangregulierventileQuelle: AEE NOW
Durch undefinierte Wassermengen kommt es zuineffizienten großen Temperaturspreizungen von Primär-und Sekundärseite. Für effiziente Anlagen sollte diese nur maximal 6
Kelvin betragen – gemessen werden oft mehr als 10Kelvin
KollektorauswahlDie Umsetzung einer Solaranlage für eine Sportstätte ist inden Dimensionen und in der Qualitätsanforderung meistvergleichbar mit jenen eines Mehrfamilienhauses.Im Wohnbau ist aber noch immer der „kleine“(2-2,5 m²)Flachkollektoren Standard. Diese haben den Vorteil, dasssie recht robust sind und aufgrund der Dimensionen leichttransportier- und montierbar sind.
Bei größeren Anlagen (ab 10m²) sollte immer auch derGroßflächenkollektor (einzeln je 5-15m²) in der Planungbetrachtet werden. Diese sind optisch ansprechend undschneller auf der Baustelle zu verarbeiten. Mittels
Kranmontage werden diese Kollektoren direkt aufs Dachgesetzt und sind fertig verrohrt. Die Fehlerpotentiale beider Hydraulik werden so minimiert.
Abbildung 16:Großflächenkollektor mit Mäanderverrohrung = effizientund gutes Stagnationsverhalten
Quelle: Solarier
Vakuumröhren- und CPC Kollektoren müssen exaktausgelegt und dimensioniert werden, dann sind sie auchwirtschaftlich gegenüber Flachkollektoren interessant.
Klarer Vorteil ist die Möglichkeit über längere Zeiträumehöhere Temperaturen zu erzeugen, um so mehr solaresWarmwasser (> 65°C, entsprechend der bei Freizeitanlagengültigen Hygienenormen) zu erzeugen, ohne mit derKesselanlage nachzuheizen.
Abbildung 17: Röhren und CPC KollektorenQuelle: Foto AEE NOW
Der CPC-Spiegel der Solaranlage bringt den Vorteil, dass erjeden Lichtstrahl zum Absorber lenkt. So wird auch diffuseEinstrahlung, wie sie bei bewölktem Himmel auftritt,wirkungsvoll in nutzbare Solarwärme umgewandelt.Wichtig ist hier dass nur hochwertige Produkte verwendetwerden, die Langlebigkeit und Dichtheit garantieren.
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Dimensionierung der Kollektorflächen
Kollektoranordnung und VerschaltungDie Kollektoren sind optimaler weise nach Südenauszurichten. Osten oder Westen ist mit geringenErtragseinbußen ebenfalls möglich. Die Kollektoren sind soanzuordnen, dass eine serielle Verschaltung desKollektorfeldes möglich ist.
Check für die Kollektorverschaltung:
Low Flow System: 10-20kg/m²h Große thermische Längen ca. 40m
(>2mWs Druckverlust empfohlen) Geringe Anzahl paralleler Stränge (bis
100m² in Serie) Kollektorverrohrung gering halten
Hohe Wassermenge –lange Verrohrung
ca.80m
ca.5m
ca.2
mca.4
m
manuelle,temperaturbeständigeEntlüftung
manuelle,temperaturbeständigeEntlüftung
Ungünstige Hydraulik
Günstige Hydraulik
Abbildung 18:Kollektor mit ParallelverschaltungQuelle: AEE NOW
Geringe Wassermengen – weniger Verrohrunggeringe hydraulische Fehlermöglichkeit
ca.80m
ca.5m
ca.2
mca.4
m
manuelle,temperaturbeständigeEntlüftung
manuelle,temperaturbeständigeEntlüftung
Ungünstige Hydraulik
Günstige Hydraulik
Abbildung 19: Kollekotr mit SerienschaltungQuelle: AEE NOW
Hohe solare DeckungApril-Sept
Bruttokollektor-fläche
Mehrzweckhalle: ab 50m²
Outdoor-Fussball: 12-15 m²
Outdoor-Tennis 5-7 m²
Leitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung 11
Systemhydraulik und Einbindung
Die Hydraulik und das Abgabesystem entsprechen Großteils den Empfehlungen im Wohnbau.
TITI
TI
TI
TI
TI
TI
TI
TI
Systemhydraulik
Puffer
T2
P1
35 l
P
T1
T2
T2
P
Kesselanlage
TI
Solaranlage
Abbildung 20:Systemhydraulik für Solarthermie und hygienischer WarmwasserbereitungQuelle: AEE NOW
Hauptaugenmerk gilt der notwendigen hohen Solarvorlauftemperatur von mind. 65°C zur hygienischenWarmwasserbereitung.
Drehzahlgeregelte Pumpen und hydraulische Einregulierung der solaren Kreisläufe vor und nach demWärmetauscher (Primär und Sekundärseite) sind hier ein MUSS!
12 Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen
Umgesetzt im Sanierungskonzept einer realen Anlage:IST: 3x2000 Liter Warmwasserspeicher Hygienenorm wird nicht, oder nur mit hohem Energieaufwand eingehalten
62,5 m² Aperturfläche60° Aufständerung
P
T1
je 2000 Liter Bestands-Pufferspeicher
Wassermenge1562l/h
T T
Wi: VL 80°CP
Solar System Sportzentrum
WW-Indoor Bereich
41 kW
Cu35
Cu35
ADG300 l
ADG200 l
70 l/min Zapfleistung
VF1
Hzg RL 60C
Zusatzheizung Fernwärmeanschluss Bestand Heizzentrale
WT Bestand
1950 li/Mo
Pumpengruppe Bestand
Abbildung 21:Solar System SportzentrumQuelle: AEE NOW
SOLL: Warmwasserspeicher auf Pufferspeicher umgebaut Hygienische Warmwsserbereitung 70% solare Warmwasserdeckung
Effizienzsteigerung durch Betreiber(Checkliste ) Regelmäßige, zumindest aber jährliche Kontrolle
der Anlagenfunktionalität Ventile und der Pumpen Hydraulik nach Undichtigkeit Feuchtigkeit im Kollektor Systemdruck Rohrleitungsdämmung Regelungsparameter Pumpendrehzahlstufe Frostschutz, Korrosionsschutz, Druck
im Ausdehnungsgefäß, etc. Funktionalität des Sicherheitsventils des spezifischen Kollektorertrages Wärmemengenzähler
o Monatliche Erträge mit Sollwertals Referenz
Bereits vor der Beauftragung der ausführendenFirma ist zu fixieren = im Vergabevertragfestsetzen: Mindestens zu erreichender spezifischer
Kollektorertrag Max. Rücklauftemperaturen Verpflichtete Optimierungsphase
Abbildung 22: Montage
Fazit und Ausblick
Um solare Deckungsgrade im Wärmesektor zu erhöhen und damit größere Kollektorfelder (Energiebezugsflächen) für densolaren Energieertrag zu realisieren, ist die Solarnutzung alleine für die Warmwasserbereitung nicht ausreichend.Die Energie aus Solarthermieanlagen hat, aufgrund der im Projekt vorgefundenen großen Dach und Überdachungsflächen,genug Potential auch intensiver zur Beheizung von Hallen oder auch den Freiflächen herangezogen zu werden. Hier ist eingroßes Interesse an der Beheizung sowohl von Hallenflächen aber vor allem den Outdoorflächen zur Frostfreihaltung bekundetworden.
Das Potential von Massenaktivierung, sei es Beton oder Erdreich, sollte in weiteren Forschungsarbeiten untersucht werden.Da vor allem im Profisport und immer mehr auch im Semiprofibereich Sportanlagen im Winter im Betrieb sein müssen und dabeivermehrt die Sportaußenanlagen eisfrei zu halten sind (oft eine Lizenzgrundlage), ergibt sich ein zusätzliches großes Potentialzur Reduzierung von Primärenergie. Rasenheizung mit Solarthermie ist ein spannendes und noch sehr unbekanntes System beiFußballanlagen.
Die Qualität der ausgeführten Haustechnikanlagen im Allgemeinen und der Solaranlagen im Speziellen muss auch durcheinfaches und standardisiertes Qualitätsmanagement gewährleistet werden. Anlagen ohne Wärmedämmung, mit nichtabgestimmter Regelung, ineffizienter Speichertechnik sowie die Missachtung der Hygienevorschrift müssen vermieden werden.Dieses Qualitätsmanagement zu definieren und umzusetzen ist eine Herausforderung für die Zukunft des Sportstättenbaus und-betriebs.
Weiterführende Links
www.aee-now.atwww.solid.atwww.aee-intec.atwww.oeiss.orgwww.asvoe.at
Der gegenständliche Leitfaden „Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen - Leitfaden zur optimiertenAnlagenerrichtung“ wurde im Zuge des Projektes „Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen“ (im Rahmen desForschungsprogrammes „Neue Energien 2020 – 5. Ausschreibung“ des Klima und Energiefonds) erstellt
Projektleitung:Andreas ReiterAEE NÖ-Wien,Karolinengasse 32/1, 1040 Wien01/710 75 [email protected]
In Kooperation mit:
Solid
Die Autoren weisen darauf hin, dass diese Broschüre, die nach bestem Wissen und Gewissen erstellt wurde, eine Detailplanungnicht ersetzen kann. Weiters wird kein Anspruch auf Vollständigkeit und keine Haftung für Inhalte übernommen.
