Solarthermie - Demostrationsanlage:

Die wachsende Bedeutung der regenerativen Energietechniken zeigt sich in der Innungsarbeit nicht nur in der Organisation verschiedener Veranstaltungen in diesem Bereich. Im Innungshaus befindet sich eine Solaranlage die EDV-gestützt verschiedene Systemzustände abbilden kann. Eine Beschreibung dieser Anlage ersehen Sie nachfolgend.

Solarthermie-Demonstrationsanlage zur Vermittlung regenerativer Umwelttechnik im Ausbildungszentrum der Innung Spengler, Sanitär- und Heizungstechnik München

Die Innung Spengler, Sanitär- und Heizungstechnik München hat seit Jahresbeginn 2000 eine moderne Solarthermie-Demonstrationsanlage. Diese soll Schulungszwecken zur Verfügung stehen.

Nachfolgend haben wir Informationen über die Demonstrationsanlage zusammengestellt. Hier können Sie sich sowohl über die technische Realisierung als auch die didaktischen Ziele informieren.

1. Anlagenbeschreibung Kurzfassung
2. Solarkurs
3. Didaktische Ziele
4. Allgemeine Beschreibung
5. Technische Darstellung hausinterne Solaranlage
6. Simulationsspeicher Speicherplätze
7. Speichersysteme
8. Regelungstechnik
9. Messtechnik
10. Darstellung der Solaranlage nach außen
11. Kollektor-Prüfstände
12. Kenntnisstand des Lehrpersonals
13. Zeitlicher Vorhabensverlauf

Anlagenbeschreibung-Kurzfassung

Kernstück der Versuchsanlage ist ein Solarschichtenspeicher mit eingebautem Brennwertgerät zur Nachheizung bei zu geringem Solarangebot.

Die Steuerung aller Systemkomponenten, die bestehende Solaranlage, die Heizung der Schulungsräume, sowie die Ansteuerung der einzelnen Speicherplätze wird über eine zentrale Leitstelle in digitaler Ausführung geregelt. Die Daten der Wärmemengenzähler und alle relevanten Messergebnisse wurden als Führungsgrößen herangezogen. Alle Systemkomponenten und Messergebnisse können bildlich dargestellt und auf Wunsch ausgedruckt werden.

In allen Systemkreisen wurden elektronische Wärmemengenzähler eingebaut, die über eine zentrale Busverbindung ihre Messdaten an die zentrale Leitstelle senden. Alle Pumpen wurden einzeln erfasst und deren Betriebszustände können über die Zentrale eingesehen und verändert werden.

Bei der Schichtspeicherung handelt es sich um das gängige Grundprinzip. Gerade in den vergangenen Jahren wurden in der Solartechnik seitens der Hersteller neue Innovationspotentiale genutzt und in marktreife Produkte umgesetzt. Die technische Weiterentwicklung der Produkte ist vergleichbar mit dem technischen Fortschritt in der Computer-Branche.

Beispiele für bereits umgesetzte technische Innovationen:

- Beschichtungsverfahren mit neuen Werkstoffen (Tinox Interplane)
- Vakuum-Technik im Kollektor-Segment
- Speichersysteme zur Schichtenbeladung
- neue Regelungssystem- und Pumpentechnik

Solarkurs

Im Rahmen der Solarkampagne 2000 möchte die Innung Spengler, Sanitär- und Heizungstechnik München in Kooperation mit dem Bildungszentrum für Solartechnik der Stadt München eine bundeseinheitliche Qualifizierungsmaßnahme des Zentralverbandes Sanitär, Heizung, Klima umsetzen. Dieser Kurs wird unter anderem auf wirtschaftliche, technische und ökologische Kriterien im Zusammenhang mit einer Solaranlage eingehen. Die Kursdauer soll 60 Unterrichtseinheiten umfassen und mit dem ZVSHK-Zertifikat SHK-Fachkraft "Solarthermie" abschließen. Zu diesem Zweck hat die Innung diese Solarthermie-Demonstrationsanlage installiert. Diese Kurse laufen bereits seit Jahren erfolgreich.

Didaktische Ziele

Aus- und Fortbildung können auftragsunabhängig gestaltet werden. 

Die geplanten Kurse sollen u. a. folgende Lehrziele verwirklichen:

- Aufbau und Montage einer Solaranlage sowie deren Funktionsweise
- Darstellung der Be- und Entladesituation
- Vergleich der Ertragsleistung verschiedener Systeme
- Erkenntnisse über die Kosten-Nutzen-Relation
- Erkenntnisse über das Energieeinsparvolumen
- Marketing/Verkauf einer Solaranlage
- Didaktische Ziele sollen der Abbau der Installationshemmnisse und die 
  Darstellung der Zukunftsträchtigkeit dieser alternativen Energiegewinnung
  sein.

Allgemeine Beschreibung

Die Demo- und Versuchsanlage der Innung Spengler, Sanitär- und Heizungstechnik in München wurde konzipiert, um die Möglichkeit zu schaffen, verschiedene Solarspeichersysteme in praxisorientierten Be- und Entladesituationen zu testen. Hierbei sollen die unterschiedlichen technischen Ausführungen der Speicher erkannt, das Wärmeverhalten dokumentiert und deren solarer Ertrag im Vergleich festgestellt werden. Ein Vergleich der Ertragsleistung der einzelnen Speichersysteme wird durch eine konstantgeregelte Sonnensimulationsanlage gewährleistet.

Ein weiterer Aspekt ist der Einsatz eigener Systemkomponenten und ein ausführlicher Alltagstest mit der hausinternen Solaranlage. Die Montage der Speicher, sowie aller dazugehörigen Systembaugruppen wird durch die Probanten erfolgen, die nach Beendigung der Versuchsreihen auch sämtliche Wartungsarbeiten durchführen sollen.

Alle Messungen, sowie alle Steuerungsprozesse werden von einer zentralen digitalen Leitstelle ausgeführt. Eine bildliche Darstellung aller Anlagenkomponenten und der Messgrößen soll auf einem Computer gezeigt und Veränderungen von Anlagenparametern durchgeführt werden. Die Demoanlage ist für den Anschluss von vier Speichersystemen ausgelegt.
Die solare Beladung erfolgt mittels der hausinternen Solaranlage oder einem Simulationsspeicher mit eingebautem Brennwertgerät (Solar Max). Die Wärmeenergie wird über Plattenwärmetauscher in die Versuchsspeicher übertragen. Die Entladung erfolgt über einen Hochtemperaturkreis, an dem ein Warmlufterzeuger angeschlossen ist (Heizkörperheizung). Eine Wandheizung simuliert die Entladung im Niedertemperaturbereich (Fußbodenheizung). Zwei Warmwasserzapfstellen mit angeschlossener Zirkulationsleitung decken den Bereich der Wasserversorgung ab.

Die Vernetzung der Systemkomponenten eröffnet die Möglichkeit, alle im Alltag auftretenden Betriebszustände in verschiedenen Versuchen nachzustellen. Eine schnelle Montierbarkeit der Speichersysteme wird durch flexible Anschlussvorrichtungen bei den Speicherplätzen gesichert.

Technische Darstellung hausinterne Solaranlage

Die hausinterne Solaranlage besteht aus zwei Kollektorfeldern in Ost- und Westausrichtung, die drei Warmwasserspeicher mit insgesamt 1550 Liter Wasserinhalt beladen.

Die Ostseite ist mit zwanzig Flachkollektoren mit einer Gesamtabsorberfläche von 24m² bestückt. Auf der Westseite sind 19m² des gleichen Typs montiert. Im Zuge der Neuinstallation wird die Regelung der Solaranlage zentral über die Leitstelle erfolgen.

Die bestehende Solaranlage soll mit drei Optionen in die Versuchsanlage eingebunden werden. Direkte Beladung mittels Plattenwärmetauscher in die Versuchsspeicher (Echtzeitsimulation). Indirekte Beladung in den Simulationsspeicher im Low-Flow Prinzip zur Beheizung der Schulungsräume Feststellung von Gesamtwirkungsgraden bei verschieden starker Sonneneinstrahlung.

Simulationsspeicher

Kernstück der Versuchsanlage ist ein Solarschichtenspeicher mit eingebautem Brennwertgerät zur Nachheizung bei zu geringem Solarangebot.

Aufgaben:
 
- Aufnahme der Wärmeenergie von der bestehenden Solaranlage mittels
  eines Plattenwärmetauschers und einer systemeigenen Beladestation im
  Low-Flow Prinzip Speicherung der Wärmeenergie zur abendlichen
  Verwendung der Versuchsanlage
- Wärmelieferant für den Warmlufterzeuger zur Beheizung der praktischen
  Unterrichtsräume Wärmeversorgung der Theorieräume über eine
  Fußbodenheizung
- Leistungsgeregelte Beladung der Versuchsspeicher zur Simulation einer
  konstanten Sonneneinstrahlung im Bereich von 0,5 KW - 10 KW
- Alternatives Heizsystem bei Platzmangel

Speicherplätze

Die vier Speicherplätze wurden so konzipiert, dass die Simulation einer gesamten Heizungsanlage mit Brauchwassererwärmung durchgeführt werden kann. Über zwölf Anlegefühler und der zentralen Leitstelle kann das Temperaturverhalten der Speicher graphisch dargestellt und zeitlich ausgewertet werden.

Aufbau:

Die solare Beladung erfolgt über die bestehende Solaranlage (tagsüber), oder leistungsgeregelt über den Simulationsspeicher. Diese Leistungsregelung ermöglicht den Probanten verschiedene Sonneneinstrahlungssituationen um das jeweilige Temperaturverhalten der Speicher zu erforschen. Die Durchflüsse können variabel verändert werden Hochtemperatur-Entladung erfolgt über einen fünfstufigen Warmlufterzeuger. Leistungsbereich 1,5 KW - 15 KW (Heizkörper im Wohnbau). Niedertemperatur Entladung erfolgt über eine 30m² Wandflächenheizung Leistungsbereich 0,5 KW - 3,5 KW (Fußbodenheizung im Wohnbau). Warmwasser Entladung erfolgt über zwei Zapfstellen mit jeweils 16 Liter/s und 12 Liter/s (Badewanne und Dusche). Zirkulationsverluste werden durch eine nicht isolierte Zirkulationsleitung mit einer Pumpe erzeugt. Alle Speicherplätze verfügen über Temperaturablesemöglichkeiten, Entlüftungen, Einrichtungen zur Einstellung der Durchflüsse, sowie flexible Anschlüsse zur schnellen Montier- und Demontierbarkeit. Die Versuchsspeicher selbst werden in einem Stahlkorsett auf Rollen gestellt. Für den Anschluss von Speichersystemregelungen und deren Komponenten stehen Stromanschlüsse, sowie Tauchhülsen für alle relevanten Fühler zur Verfügung.

Speichersysteme

Die ausgewählten Speicher zur Simulation und Montage wurden in Anlehnung an das Programm der Bundesregierung (Solarkampange 2000), und den Lehrplan zur Weiterbildung "SHKfachkraft Solar-Thermie" des Zentralverbandes Heizung-, Lüftung- und Klimatechnik ausgesucht. Bei der Speicherauswahl wurde besonders darauf geachtet, alle am Markt vorhandenen Speichertypen zu erfassen (Solid Marktübersicht Solarspeicher).

Regelungstechnik

Die Steuerung aller Systemkomponenten, die bestehende Solaranlage, die Heizung der Schulungsräume, sowie die Ansteuerung der einzelnen Speicherplätze wird über eine zentrale Leitstelle in digitaler Ausführung geregelt. Die Daten der Wärmemengenzähler und alle relevanten Messergebnisse werden als Führungsgrößen herangezogen. Alle Systemkomponenten und Messergebnisse können bildlich dargestellt, und auf Wunsch ausgedruckt werden.

Aufgaben:

- Steuerung der Solarstellglieder in Abhängigkeit von Kollektortempera- 
  turen, Sonneneinstrahlung, Speichertemperaturen, und Prioritäten
- Drehzahlregelung der Solarpumpen, Regelung der Heizung in
  Abhängigkeit von Aussentemperatur und Raumtemperatur
  (Warmlufterzeuger und Fußbodenheizung)
- Regelung der solaren Beladung vom Simulationsspeicher zu den
  Versuchsspeichern in Abhängigkeit einer bestimmten Leistungsvorgabe (3
  Wege-Ventil und Drehzahlsteuerung der Pumpe)
- Regelung der solaren Beladung von der bestehenden Solaranlage zu den
  Versuchsspeichern in Abhängigkeit von Solarstrahlung, Kollektor-2-
  Temperatur und aller wichtigen Durchflüsse Steuerung aller Entlade-
  Kreise der Versuchsanlage (Pumpen, Warmlufterzeuger, Durchflüsse
  Steuerung der einzelnen Zonenventile der belegten Speicherplätze)

Messtechnik

In allen Systemkreisen werden elektronische Wärmemengenzähler eingebaut, die über eine zentrale Busverbindung ihre Messdaten an die zentrale Leitstelle sendet. Alle Pumpen werden einzeln erfasst und deren Betriebszustand kann über die Zentrale eingesehen und verändert werden.

Messgrößen Versuchsanlage:

Solareinstrahlung auf die Kollektorflächen (Ost und West getrennt)
Durchflüsse in m3/h oder Liter/s in allen Systemkreisläufen, Vor- und Rücklauftemperaturen in allen Systemkreisläufen(Grad Celsius).
Wärmemengen in KWh in allen Systemkreisläufen, Wärmeleistung KW in allen Systemkreisläufen Gesamtenergiebilanzen in allen Systemkreisläufen; Wirkungsgrade der einzelnen Systemkreisläufe und der gesamten Anlage
Warmwasserentnahme und Zirkulationsverluste, Messerfassung Speicherplatz: Jeder Speicherplatz ist mit zwölf Anlegefühlern ausgestattet, die in Abständen von einem Zwölftel der Speicherhöhe angebracht werden. Dies ermöglicht eine momentane Messung der Temperaturen im zweiten Schritt eine Anzeige des Temperaturverhaltens auf einen bestimmten Zeitraum. Der Temperaturverlauf wird graphisch in Linien angezeigt oder ausgedruckt.

Darstellung der Messorgane

Die gesamte Anlage wird graphisch im Versuchsraum auf einem 21-Zoll-Bildschirm dargestellt. Ein Display am Eingang des Ausbildungszentrums soll aktuelle Daten (Sonneneinstrahlung, Kollektorerträge, Leistung der Anlage, usw.) für die Auszubildenden und Passanten sichtbar machen.

Die Ergebnisse der mobilen Kollektor-Prüfstände können in das Hauptsystem zur Auswertung übertragen werden.

Kollektor-Prüfstände

Vorgesehen sind zwei bewegliche Kollektor-Prüfstände für verschiedene Sicherheitssimulationen, die Darstellung einfacher Sonnenkollektoranlagen, sowie die komplette Montage der Prüfstände.

Durch einen Wärmemengenzähler kann der Energiegewinn und der Wirkungsgrad verschiedener Kollektortypen ermittelt werden.

Acht Infrarotlampen sorgen für eine Sonneneinstrahlungssimulation für Innenraumversuche. Die Grundkonstruktion wird universal ausgeführt, d.h. alle Kollektortypen können schnell ausgetauscht werden. Probanten wird die Möglichkeit geboten, in kurzer Zeit verschiedene Kollektortypen praktisch kennenzulernen.

Hauptschwerpunkt neben der Montage der Versuchsstände wird eine Versuchsreihe im Bereich der Sicherheitstechnik sein.

Im einzelnen sollen folgende Versuche durchgeführt werden:

- Überhitzung der Kollektoren bei Stillstand
- Auswirkungen verschiedener Sicherheitsventil-Größen bei Stillstand
  der Anlage
- Auswirkungen verschiedener Ausdehnungsgefäße
- Temperatur- und Druckverhalten in der Anlage
- Verschiedene Wärmeträgerflüssigkeiten und das Verhalten bei Stillstand
- Errechnung der Kollektorwirkungsgrade bei verschieden starker Ein-
  strahlung

Ein Prüfstand wird für Flachkollektoren verwendet, der zweite Prüfstand für Röhrenkollektoren. Es wurde bei der Kollektorauswahl darauf geachtet, dass alle marktüblichen Systeme in das Schulungsprogramm aufgenommen wurden.