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25. OTTI Symposium Thermische Solarenergie, 6.-8. Mai 2015, Kloster Banz, Bad Staffelstein
P&D Projekt Oberfeld - Monitoring einer PVT Grossanlage -
Ergebnisse aus der ersten Heizperiode Aleksis Baggenstos, Marco Larcher, Stefan Brunold
Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik Rapperswil HSR
Oberseestrasse 10, CH-8640 Rapperswil
Tel.: +41 55 2224821 , Fax: +41 55 2224844
E-Mail: [email protected]
Internet: www.spf.ch
Einleitung
In diesem Beitrag wird das Pilot & Demonstrationsprojekt (P&D) Oberfeld vorgestellt.
Es wird ein Überblick zur Überbauung Oberfeld und der darin umgesetzten
Energieerzeugungsanlage gegeben. In diesem P&D Projekt ist ein Monitoring der
Energieerzeugungsanlage der Überbauung Oberfeld umgesetzt worden. Es werden
hier die Untersuchungsschwerpunkte, die Tätigkeiten und erste Messergebnisse im
Rahmen des Monitorings aufgezeigt. Dieses, vom eidgenössischen Bundesamt für
Energie [1] unterstützte Projekt, führt das SPF in Zusammenarbeit mit dem
Industriepartner Meyer Burger AG [2] und dem Energieversorgungsunternehmen
Energie Wasser Bern [3] durch.
Die Überbauung Oberfeld [4] der Wohnbaugenossenschaft Oberfeld [5] ist eine
nachhaltige und autofreie Siedlung in Ostermundigen, nahe Bern. Es ist ein Bauprojekt
nach Minergie-P-ECO, ähnlich dem Passivhaus Standard in Deutschland. Die
Überbauung besteht aus den drei Gebäuden A, B, und C. Jedes der drei Gebäude
besitzt sein separates Heizungssystem bestehend aus Wärmepumpe, Erdsondenfeld
und PVT Solaranlage.
Abb. 1 Gebäude B mit Innenhof
Abb. 2 Gebäude C, erstes der drei erstellten Gebäude
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Abb. 3 Pressebild, Model der Überbauung Oberfeld
In diesem Bauprojekt wurde eine zukunftsorientiert Lösung der Wärmeversorgung
mittels Kombination von PVT Solaranlage und Erdsonden gekoppelten
Wärmepumpen realisiert.
Das Energieversorgungsunternehmen Energie Wasser Bern hat als Kontraktor die
Energieversorgungsanlage finanziert und installieren lassen und ist auch für deren
Betrieb zuständig.
Die PVT Solaranlagen wurden von Meyer Burger umgesetzt. Bei den eingesetzten
Kollektoren handelt es sich um deren Produkt „Hybrid Black“ [6]. Die gesamte PVT
Anlage ist verteilt auf die verschiedenen Dächer der Gebäude. Sie besteht aus
insgesamt 799 PVT Kollektoren und hat eine Gesamtfläche von über 1300m2. Das
SPF unterstützte Meyer Burger bei der Planung und Umsetzung der PVT Solaranlage.
Das SPF hat in diesem P&D Projekt die Wärmeversorgungsanlage von Haus B, de
m grössten Gebäude der Überbauung, mit einem Monitoringsystem ausgestattet.
Damit werden Daten erfasst, um die Wärmeversorgungsanlagen hinsichtlich
verschiedener Themenbereiche untersuchen zu können.
Gegenstand des P&D Projektes
Im Zentrum dieses Projekts steht die Untersuchung der Wärmeversorgung der
Überbauung Oberfeld. Dabei werden zwei Anlagenbereiche der Wärmeversorgung
detailliert betrachtet - die PVT Anlage und das Erdsondenfeld. Ein weiterer Aspekt
widmet sich der regelungstechnischen Optimierung der Gesamtanlage.
Im Folgenden werden diese drei Untersuchungsbereiche näher beschrieben.
1) PVT Anlage
Bei dieser PVT Grossanlage handelt es sich um eine der grössten in der Schweiz
realisiert Anlagen dieses Typs. Sie dient (nebst der Stromgewinnung) in erster Linie
zur solaren Regeneration des EWS Feldes. Mit der Realisierung sollen darüber hinaus
Erfahrungen für künftige kommerzielle Anwendungen gesammelt werden. Dies
insbesondere hinsichtlich der effizienten Montage der Kollektoren, der Anbindung an
Haus A
Haus B Haus C
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bestehende oder neue Gebäudetechnik und der Definition der Schnittstellen zwischen
den einzelnen Installationsunternehmen. Des Weiteren soll Entwicklungspotential auf
der technischen Ebene identifiziert werden. Konkret werden Erkenntnisse für die
Auslegungsplanung und den Betrieb zu folgenden Punkten erwartet:
- Verschaltung der Kollektoren
- Arbeitsablauf bei der Installation von grossen PVT Solaranlagen
- Leistungsdaten der Anlage im reellen Betrieb
- Regelung, explizit zu den Ein und Ausschaltkriterien der Solaranlage bei
den verschiedenen Betriebszuständen.
Abb. 4 Ein Teil der PVT Anlage auf dem Dach von Haus C
Wie bereits erwähnt wird die Niedertemperaturwärme aus den PVT Kollektoren im
Sommer zur Regeneration des Erdsondenfeldes eingesetzt. Die Solaranlage kann
aber auch direkt als Quelle für die Wärmepumpen fungieren. In diesem Fall beziehen
die Wärmepumpen Wärme direkt aus der PVT Solaranlage.
2) Solare Regeneration von Erdsondenfeldern
Das Potential von PVT Solaranlagen zur Regeneration von Erdsondenfeldern soll
genauer untersucht werden.
Dabei sind das sowohl das langfristige und als auch das kurzzeitige
Temperaturverhalten von Interesse.
Bei der Betrachtung der langfristigen Temperaturentwicklung des
Erdsondenfeldes geht es insbesondere um die dem Erdsondenfeld gesamthaft
entnommene und eingebrachte Energiemenge. Es stellt sich zum Beispiel die
Frage, ob eine langfristige Absenkung der Erdreichtemperatur erkennbar ist.
Diese Frage wird umso bedeutender, je weniger eine vollständige Regeneration
des Erdsondenfeldes möglich ist. Da die Erdsonden bei der Überbauung
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Oberfeld mit Wasser und nicht mit Frostschutzmittel gefüllt sind, besteht die
Gefahr von Frostschäden. Dies kann beispielsweise bei übermässigem oder
sehr starkem Wärmebezug aus den Erdwärmesonden geschehen.
Die kurzfristigen Temperaturänderungen des Erdsondenfeldes werden
hingegen massgeblich von der Leistung beeinflusst, dies insbesondere
während der aktiven Regeneration. Das Verhalten in diesem Betriebszustand
ist von Bedeutung, da die Temperatur der Sole einen unmittelbaren und
direkten Einfluss auf die Effizienz der PVT Anlage hat. Wird Wärme in das
Erdsondenfeld eingebracht, steigt dessen Soletemperatur an. Somit steigt auch
die Kollektormitteltemperatur in der PVT Anlage an und deren Wirkungsgrad
sinkt.
Wie schnell und wie stark sich die Soletemperatur bei Regeneration in einem
Erdsondenfeld ändert, ist vom Verhältnis der Grösse des Erdsondenfeldes zum
PVT Feld abhängig. Dazu zwei Beispiele:
- Ist das PVT Feld sehr klein dann ist auch dessen Einfluss auf das
Erdsondenfeld klein. Da die thermische Leistung der PVT Anlage relativ
gering ist, kann die Wärme vom Erdsondenfeld aufgenommen werden ohne
dass sich die Soletemperatur wesentlich erhöht.
- Ist das PVT Feld sehr gross dann ist auch dessen Einfluss auf die
Temperatur im Erdsondenfeld deutlich stärker. Damit die hohe Leistung der
PVT Anlage ins Erdreich übertragen werden kann, steigt die Temperatur des
Wassers in den Sonden an. Bei einer höheren Temperaturdifferenz
zwischen Sondenfluid und Hinterfüllung ist auch ein grösserer Wärmestrom
möglich.
3) Regelungsoptimierung
Für die regelungstechnische Optimierung der Gesamtanlage sollen beispielsweise
geeignete Ein- und Ausschaltkriterien für das PVT Kollektorfeld in verschiedenen
Betriebszuständen ermittelt werden. Diese Betriebszustände unterscheiden sich darin,
ob die Wärme aus dem Kollektorfeld direkt die Wärmepumpen speisen, oder diese zur
Erdsondenregeneration dient. Mit dem Anlagenbetreiber werden diese Kriterien in der
Regelung direkt umgesetzt und können damit real überprüft werden. Erkenntnisse aus
der Regelungsoptimierung können auf die Regelung der zwei anderen Gebäude A und
C übertragen werden.
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Das Monitoringkonzept
Für die Erfassung der benötigten Daten hat das SPF im Juni 2014 ein
Monitoringsystem installiert. Mit der Auswertung der Daten kann der Betrieb der
Energieerzeugungsanlage untersucht werden. Das P&D Projekt und damit auch das
Monitoring laufen über einen Zeitspanne von 5 Jahren.
Das Messsystem ist getrennt vom restlichen Gebäudetechniksystem und arbeitet mit
eigenen Sensoren. Eine negative Beeinflussung der Anlage und dessen Steuerung ist
somit ausgeschlossen.
Mit dem installierten Messsystem werden die Meteodaten wie Temperatur, Wind und
Globalstrahlung erfasst. Die Volumenströme und Temperaturen der Solaranlage, des
Erdsondenfeldes sowie der beiden Wärmepumpen für Brauchwarmwasser und
Heizung werden primärseitig gemessen.
Bei einem der PVT Kollektoren werden die rückseitigen Oberflächentemperaturen
erfasst. Dazu sind 5 Temperatursensoren auf der Rückseite des Aluminiumabsorbers
angebracht. Sie befinden sich in einer Reihe entlang der kurzen Mittellinie. In
Abbildung 6 ist der Kollektor, bestückt mit den Temperaturfühlern, zu sehen.
Abb. 5 Schaltschrank im Technikraum, bei Inbetriebnahme
Abb. 6 PVT Kollektor mit Temperatursensoren, im Hintergrund das Pyranometer und Windmesser
Die Abbildung 7 zeigt das Prinzipschema des Wärmeversorgungssystems von Haus
B. Die schwarz markierten Bereiche kennzeichnen die Messstellen für die
Volumenstrommessung und die Temperaturerfassung. Es werden jeweils die Vor- und
Rücklauftemperaturen erfasst. Dies bei der Solaranlage, dem Erdsondenfeld und den
beiden Wärmepumpen (je eine für Heizung und Brauchwarmwasser).
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Abb. 7 Prinzipschema Wärmeversorgungsystem Haus B
Beschreibung Haus B
Das Gebäude B umfasst 50 Wohnungen. Es ist ein U-förmiges Haus und das grösste
der drei Gebäude der Überbauung. Das Erdsondenfeld von Haus B liegt in dessen
Innenhof. Die 14 Erdsonden arbeiten mit Wasser und sind alle, bis auf eine, 190m tief.
Die Probebohrung ist tiefer und geht auf 300m Tiefe.
Da sich das Monitoring auf das Gebäude B beschränkt, werden die Anlagen der beiden
anderen Gebäude A und C hier nicht näher beschrieben.
Die PVT Anlage
Die Solaranlage von Haus B besteht aus 379 PVT Kollektoren (606.4 m2) des Typs
Meyer Burger Hybrid 260/900. Die PVT Anlage hat eine elektrische Leistung von 98.5
kWp und eine thermische Nennleistung von 341.1 kWp.
Zur Installation wurde das Flachdach mit dem Montagesystem von K2 ausgerüstet.
Dieses ist bis zur obersten Ebene mit Dachgranulat beschüttet worden. Darauf ist die
Verrohrung der PVT Anlage aufgelegt. Bei der Installation der Kollektoren werden
dann die Schutzkappen der hydraulischen Verrohrung entfernt. Diese dienen als
Staubschutz und Verschlussstopfen. Mit den Verschlussstopfen kann die gesamte
Verrohrung auf dem Dach auf Leckagen überprüft werden. Dazu wird sie mit einem
Manometer versehen und mit Luft über Nacht abgedrückt. Anbei einige Bilder der
Installationsphasen.
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Abb. 8 installierte Unterkonstruktion K2 auf Dach 4
Abb. 9 Verrohrung für das PVT Feld auf Dach 3
Abb. 10 fertig installiertes PVT Feld auf Dach 4
Abb. 11 fertig installiertes PVT Feld auf Dach 4
Das Erdwärmesondenfeld
Die Bohrungen der Erdsonden von Haus
A und Haus B liegen im selben Feld.
Diese Bohrungen sind in einem Raster
angeordnet, bestehend aus 3 Reihen mit
6 Spalten. In Abbildung 13 ist der
Erdsondenplan zu sehen. Die im Plan
blau markierten Bohrungen gehören zum
Wärmeversorgungssystem von Haus B.
Die gelb markierten zum Haus A.
Abb. 12 Sammelstelle der 14 Erdsonden im Innenhof von Haus B
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Abb. 13 Anordnung der Bohrungen von Haus A und Haus B (blau)
Die Wärmepumpen
Primär wird die Wärme aus der PVT
Solaranlage zur Regeneration des
Erdsondenfeldes genutzt. Die PVT
Anlage kann aber auch als
Direktquelle für die beiden
Wärmpumpen eingesetzt werden.
Wenn die PVT Anlage Wärme liefert
beziehen die Wärmepumpen diese
aus der PVT Anlage.
Die Leistung der Wärmepumpe (WP)
von Haus B für die Heizung beträgt
75kW, die der Wärmepumpe zur
Warmwassererwärmung 40kW.
Messergebnisse aus der ersten Heizperiode
Die Datenerfassung läuft seit August 2014. Es werden die Daten von Haus B erfasst
und dargestellt.
Die Temperaturen der Erdwärmesonden
In Abbildung 16 ist der Verlauf der Temperaturen des Erdwärmesonden (EWS) Feldes
von August 2014 bis Februar 2015 dargestellt. Zu sehen sind Stundenmittelwerte der
Vor- und Rücklauftemperatur. Bei der Umgebungstemperatur handelt es sich um
Tagesmittelwerte.
Abb. 14 WP WW mit kleinerem Wärmetauscher
Abb. 15 WP HZ mit grösserem Wärmetauscher
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Abb. 16 Stundenmittelwerte Erdsonden Vor- und Rücklauftemperaturen EWS Feld, August 2014 bis Februar 2015
Der Regenerationsbetrieb ist deutlich erkennbar im Zeitraum von August bis
November. Ab November wird das EWS Feld nur noch an einzelnen Tagen
regeneriert. Die nach oben ausschlagenden blauen Spitzen sind charakteristisch für
den Regenerationsbetrieb. Die Eintrittstemperatur (Rücklauf) in das EWS Feld ist dann
höher als die Austrittstemperatur (Vorlauf) aus dem EWS Feld.
Ab November ist eine merkliche Abnahme an Regenerationstagen zu sehen. In den
Wintermonaten Dezember bis März findet praktisch keine Regeneration statt.
Wie erwartet sinken die EWS Temperaturen in der Übergangszeit und der Heizperiode
ab. Erfahrungsgemäss hängt dies mit dem steigenden Energieverbrauch für
Warmwasser und Heizung zusammen.
Die EWS Mitteltemperatur sinkt bis gegen Ende der dargestellten Messperiode auf
etwa 7.5°C ab. Ein Effekt auf die EWS Temperatur, durch die vereinzelte Regeneration
in den Wintermonaten, ist nicht feststellbar.
Wärmebezug der Wärmepumpen in Haus B
In Abbildung 17 ist der tägliche Wärmebezug der Wärmepumpen aufgezeigt. Beim
Warmwasser (gelbe Balken) ist über die Messperiode ein leicht steigender Trend
feststellbar. Dies hängt mit der Kaltwassertemperatur zusammen, welche von der
jahreszeitlich schwankenden Umgebungstemperatur beeinflusst wird.
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Abb. 17 täglicher Wärmeenergiebezug der Wärmepumpen für Heiz und Warmwasser
Wird der Wärmebezug dem Wärmeertrag der PVT Anlage gegenübergestellt, wie in Abbildung 18 ersichtlich, zeigt sich, dass die PVT Anlage bis Mitte Oktober den Wärmebezug decken kann. Über die betrachtete Messperiode deckt die PVT Solaranlage etwa 60% des Wärmebedarfes. Wobei anzumerken ist, dass die Monate mit hoher Solarstrahlung Juni und Juli nicht enthalten sind, jedoch die Wintermonate mit hohem Wärmebedarf schon. Der Deckungsanteil wird über ein ganzes Jahr betrachtet daher noch deutlich ansteigen.
Abb. 18 täglicher Wärmeertrag der PVT Anlage und täglicher Wärmebezug der Wärmepumpen (Heizung mit Warmwasser kumuliert)
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Die PVT Anlage
Um die Effizient der PVT Anlage zu bewerten, wird die Korrelation zwischen
Solarstrahlung auf die Kollektorfläche und dem Wärmeertrag der PVT Anlage
gemacht. Die Steigung der Trendlinie in Abbildung 19 kann als Näherung für die
Anlageneffizienz angenommen werden. Die Effizienz der PVT Anlage beträgt somit
etwa 34%.
Abb. 19 Effizienz der PVT Anlage
Die Streuungen der Werte wird durch Einflüsse wie Wind, Umgebungstemperatur,
EWS Temperaturen sowie regelungstechnische Faktoren verursacht.
Regelungstechnische Faktoren sind beispielsweise die Ein- und Ausschaltkriterien.
Dazu ist in Abbildung 20 ein gutes Beispiel ersichtlich.
Abb. 20 Anlageleistung, solare Einstrahlung, Umgebungstemperatur und mittlere Temperaturen der PVT Anlage und dem EWS Feld.
Am 28. August schaltet sich die PVT Anlage erst relativ spät ein (orange Kurve), etwa
um 09:30 Uhr. Dies obwohl die solare Einstrahlung (graue Kurve) auf die
Anlagenfläche mit 350kW als auch die Kollektormitteltemperatur (rote Kurve) hoch
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sind. Das Einschalten der PVT Anlage ist am abrupten, senkrechten Anstieg gut
ersichtlich.
Dieses verzögerte Einschaltverhalten der PVT Anlage ist am 29. August nicht zu
beobachten, obwohl zu diesem Zeitpunkt die Umgebungstemperatur ähnlich wie am
Vortag ist. Die Einstrahlung am 29. August ist sogar deutlich schwächer, aber die
Anlage schaltet sich dennoch ein.
Die Ursachen für derartige regelungsbedingte(?) Effekte sollen im weiteren Verlauf des
Projektes näher betrachtet und analysiert werden. Zusammen mit dem
Anlagenbetreiber können die Anlagen so optimiert werden. Dies trägt dazu bei, die
Effizienz der PVT Anlagen und damit auch den Regenerationsgrad des EWS Feldes
zu erhöhen.
Die markierten Stellen in Abbildung 20 weisen auf eine weitere Auffälligkeit hin. Diese
zeigen, dass die PVT Anlage auch in der Nacht einen kleinen Wärmeertrag liefern
kann. Die Anlage arbeitet in diesem Betriebszustand als Wärmetauscher mit der
Umgebungsluft und dient dann als direkte Quelle für die Wärmepumpen. Dieser
Betriebszustand „PVT als Wärmetauscher“ wird ebenso im Rahmen des P&D
Projektes noch weiter untersucht.
Ausblick
Ab August 2015 kann erstmals eine vollständige Jahresbilanz gezogen und eine
Aussage zur Höhe des Regenerationsgrades getroffen werden. Die ersten
regelungstechnischen Optimierungen bei den Ein- und Ausschaltbedingungen, welche
in die Regelungsstrategie eingeflossen sind können überprüft werden. Die Erträge in
der Regenerationsphase Juni bis August und aus dem Betriebszustand „PVT als
Wärmetauscher“ können quantifiziert werden.
Danksagung
Dieses Projekt wird unterstützt vom eidgenössischen Bundesamt für Energie, sowie
vom Industriepartner Meyer Burger AG und dem Energieversorgungsunternehmen
Energie Wasser Bern. Bei diesen möchten wir uns an dieser Stelle bedanken.
Literaturverzeichnis
[1] http://www.bfe.admin.ch
[2] http://pvsystems.meyerburger.com
[3] http://www.ewb.ch/de.html
[4] http://wohnenimoberfeld.ch/web/
[5] http://www.wohnen-im-oberfeld.ch/Genossenschaft_F.htm
[6] http://pvsystems.meyerburger.com/produkte/hybrid/
