Martin Hornberger:
Solarunterstützte Heizung und Kühlung an Gebäuden

Es wurden solargestützte Heizungssysteme, bestehend aus Kollektoren, Langzeit­wärmespeicher und Wärmepumpe oder Zusatzkessel, sowie kombinierte Heiz-/Kühlsysteme, bestehend aus Kollektoren, kombiniertem Wärme-/Kältespeicher und Wärmepumpe, theoretisch und experimentell untersucht. 

Im theoretischen Teil wurden Berechnungsverfahren und Simulationsprogramme für unverglaste Kollektoren, einen Wasser- bzw. Kies/Wasser-Speicher, eine Elektro- und eine Gasmotorwärmepumpe erstellt. Daraus wurde je ein Simulationsprogramm für solargestützte Heizungssysteme und eines für kombinierte Heiz-/Kühlsysteme zusammengestellt.

Im experimentellen Teil wurde eine Pilotanlage mit unverglasten Kollektoren

(A_K = 211 m²), Kies/Wasser-Speicher (V_Sp = 1050 m³), Elektrowärmepumpe (Heizleistung

66 kW) und Büro-/Laborgebäude (Nutzfläche 1375 m²) jeweils zwei Jahre lang als solargestütztes Heizungssystem bzw. als kombiniertes Heiz-/Kühlsystem betrieben.

Der Betrieb als kombiniertes Heiz-/Kühlsystem wurde mit dem Simulationsprogramm nachgerechnet und dadurch die Berechnungsverfahren überprüft. Die Berechneten Jahreswärmemengen wichen um weniger als 4%, die Speicher- und Erdreichtemperaturen um weniger als 1,5 bzw. 2 K von den Messwerten ab.

Mit Systemsimulationen wurde gezeigt, dass solargestützte Heizungssysteme zur Deckung eines jährlichen Heizwärmebedarfs Q_GH,a von 20 bis 2000 MWh/a in der Basisauslegung (Speichervolumen V_Sp = Q_GH,a*5 m³a/MWh; Kollektorfläche A_K = Q_GH,a *2 m²a/MWh) solare Deckungsanteile f zwischen 50 und 61,2% erreichen. Eine 150 mm starke Wärmedämmung an der Speicherdecke und –seitenwand verbessert f gegenüber ungedämmten Flächen um bis zu 14,4 bzw. 20,5%, eine Senkung der Rücklauftemperatur im Wärmeverteilnetz um 15K steigert f bis um 6,6 %.

Kombinierte Heiz-/Kühlsysteme mit Elektrowärmepumpe sparen gegenüber konven­tionellen Anlagen (Gaskessel und Kältemaschine) bis zu 42,9% Primärenergie ein, solche mit Gasmotor-Wärmepumpe sogar bis zu 55,4%. Eine Wärmedämmung ist nur an der Speicherdecke sinnvoll. Die Beladung des Speichers mit Kollektoren ist nur sinnvoll, wenn das Verhältnis Nutzkälte/Nutzwärme geringer als 0.4 ist.

Abstract

Solar assisted heating systems, consisting of collectors, long term heat store and heat pump or additional boiler, as well as combined heating/cooling systems, consisting of collectors, combined heat/cold store and heat pump, were here investigated theoretically and experimentally.

In the theoretical part methods of calculation and simulation programs for unglazed collectors, a water or gravel/water store, an electric and a gas engine heat pump were developed. With these methods a simulation program for solar assisted heating systems as well as one for combined heating/cooling systems have been composed.

In the experimental part a pilot plant with unglazed collectors (A_K = 211 m²), gravel/water store (V_Sp = 1050 m³), electric heat pump (heating power 66 kW) and office/laboratory building (useful area 1375 m²) was operated for two years as solar assisted heating system and for two years as solar assisted heating system and for two years as combined heating/cooling system.

The operation as combined heating/cooling system  was recomputed by the simulation program and the methods of calculation were checked in this way. The calculated yearly amount of heat differed by less than 4%, the store and ground temperatures by less than 1.5 and 2 K from the measured values.

It was shown by system simulations that solar assisted heating systems for a yearly heat demand Q_GH,a between 20 and 2000 MWh/a reach with basic design (store volume

 V_Sp = Q_GH,a*5 m³a/MWh; collector area A_K = Q_GH,a *2 m²a/MWh) solar fractions f between 50 and 61,2%.  A 150 mm thick thermal insulation on top and at the side wall of the store improves f by up to 42,9% primary energy, those with gas engine heat pump even up to 55,4%.

Combined heating/cooling systems with electric heat pump save, compared to conventional systems (gas boiler and refrigeration machine), up to 42,9 % primary energy, those with gas engine heat pump even up to 55,4%.

A thermal insulation is most useful only on top of the store. Charging the store by collectors is only useful, if the ratio used cold/ used heat is less than 0.4.