erneuerbare energien und energieeffiziente technologien · 2017-04-14 · möglicher aufbau großer...
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a d a ma d a ma d a ma d a m
Lehrveranstaltung
Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
E² - Erneuerbare Energien und EnergieeffizienzZIES - Zentrum für Innovative Energiesysteme
Hochschule DüsseldorfFachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Kapitel „Thermische Solarenergienutzung“
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Wärmeerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten
Aktive Systeme, mit Wasser oder Luft durchströmten Kollektoren
� Brauchwassererwärmung und Raumheizung in (Wohn-)Gebäudenmit Flach-Kollektoren oder Vakuum-Röhrenkollektoren
� Beheizung von Freibädernmit Solarabsorbern
� Wärme für gewerbliche Prozesse (Prozesswärme) z.B. - heißes Wasser für Wäschereien, Brauereien, Galvanikbetriebe oder zum Antrieb von
Sorptionskühlgeräten, etc.- warme Luft zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter- Solarkocher
Passive Solarenergienutzung in Gebäuden = Solare Einstrahlung durch Fensterflächen
Thermische Solarkraftwerke = Stromerzeugung mit Wärme/Kraft-Prozessen,mit das Sonnenlicht konzentrierenden Spiegeln (Solarturm- und Parabolrinnen-Kraftwerke)
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Solare Brauchwasser-erwärmung
Bildquelle: Energietechnik Müller
• getrennter Kollektor- und Brauchwasserkreis
• Pumpe im Kollektorkreis, per Differenztemperatur geregelt (TKollektor,oben –TSpeicher, unten), meist mit variabler Drehzahl
• Wasserspeicher: mit zwei internen Wärme-übertragern, unter Wassernetzdruck, an beliebiger Stelle im Haus
• Nachheizung bei Bedarf durch Heizkessel (oder Elektrodurchlauferhitzer)
Standard in der BRD für kleinere Anlagen
T
T
T
Temperatur-differenz-
Regler
Heizkesselmit Speicherregelung
Wasserspeicher
Entlüftung
Ausdehnungs-gefäß
Füll-/Entleerungshahn
Sicherheits-überdruck-
ventil
Kollektorfeld
Pumpe
Schwerkraft-bremse
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Solare Brauchwasser-erwärmung
Bildquelle : IZE
Wasserspeicher
• über den Kollektoren platziert
• oft drucklos (mit Öffnung zur Umgebung) und ohne interne Wärmeübertrager (durch die Kollektoren strömt dann Brauchwasser)
Warmes Wasser steigt selbstständig aus dem Kollektor in den Speicher auf (warmes Wasser ist leichter als kaltes)
Standard in Südeuropa
„Thermosiphon-Anlage“
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Solare Brauchwasser-erwärmung
• separater kleiner Brauchwasserspeicher� keine Legionellen-gefahr und geringere Kosten für Speicher
• leicht nachrüstbar bei vorhandenem Brauchwasserspeicher
• Konzept HSD-Anlage
• Viele Alternativen z.B. ohne Brauchwasser-speicher
Möglicher Aufbau großer Anlagen (Mehrfamilienhäuser, Wohnheime, etc. )
Bildquelle : Ökoinstitut e.V.
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Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung
• Tank-in-Tank-System mit innen liegendem Brauchwasser-speicher
• vergleichsweise einfach in Aufbau und Regelung
• „Einfamilienhaus-System“ mit gutem Preis-/Leistungs-verhältnis
• Dreiwegeventil am Heizkessel �Heizenergie auf niedrigem T-Niveau bereitstellen
System mit Kombispeicher
Bildquelle: Stiftung Warentest
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Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung
• Brauchwasserer-wärmung im Durch-lauf mit externem Wärmeübertrager (= Standard, siehe Bild)
• Alternativ mit internem Warmwasser-Wärmeübertrager: preiswerter, aber geringerer Komfort
• Alternativ mit externem Solar-Wärmeübertrager: auch für große Anlagen geeignet
System mit Pufferspeicher
Bildquelle: Stiftung Warentest
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Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung
• mit großem Energiespeicher zur saisonalen Speicherung von Solarenergie aus dem Sommer für den Winter
• Speicher:
− Wasserbehälter aus Stahl, Beton (Größen-ordnung 10.000 m³)
− Mit Wärmedämmung abgedeckte künstliche Seen (Größenordnung 100.000 m³)
− Unterirdische Wasser-vorkommen (Aquifere)
− Erdsondenfeld(Kunststoff-U-Rohr in zylindrischer Betonsäule)
• Vorreiter: Dänemark
Solare Nahwärme
Bildquelle : Ökoinstitut e.V.
Kollektorfeld auf Dächern oder als Freiflächenanlage
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Solar-Speicher
Merkmal 1: Gute Wärmedämmung
• große Bandbreite, z.B. 500 …1500 kWh/a Verluste bei marktgängigen Kombi-Solarspeichern für EFH� deutlicher Einfluss auf den Deckungsgrad
Merkmal 2: Erhalt der Temperaturschichtung
• beim Entladen: Zufuhr von Kaltwasser im Speicher-boden, Entnahme von Warmwasser im Speicherkopf
• beim Beladen
- Nachheizung nur im Kopf des Speichers („Warmwasserbereitschaftsteil“) oder am Warmwasseraustritt im Durchlauf � unterer Speicherteil bleibt zur Aufnahme von Solarenergie ausreichend kühl
- Schichtladung z.B. durch integriertes Wärmeleitrohr + Low-Flow“ im Kollektorkreis
Low-Flow: Kollektorkreisvolumenstrom = ca. 10 l/h pro m² Kollektorfläche statt 40 l/m²h � stärkere Aufheizung des Solarkreisfluids, effektive Nutzung des Schichtladeprinzips
Bildquelle: Ökoinstitut e.V.
„Dichte gesteuert“ steigt das warme
Wasser im „Wärme-leitrohr“ bis in die Speicherschicht
gleicher Temperatur
Schichtladeeinrichtung im Speicher
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Solarkreis-Flüssigkeit
Bildquelle: Ökoinstitut e.V., 1997
Üblich: Wasser/Glykol-Gemisch zum Schutz vor Einfrieren im Winter
Nachteil: Gefahr des „Crackens“ von Glykol bei hohen Temperaturen (bei Stillstand)
Variante: „Drain-Back“ (siehe Bild)
• Kollektor läuft bei Pumpenstillstand leer � Behälter im Kollektorrücklauf, wo sich das Wasser sammeln kann
• Nachteil: Luft im System � Gefälle überall sicherstellen, korrosionsfeste Materialien, leistungsstärkere Pumpe
Variante: „Aqua-System“
• Beheizung des Kollektors aus dem Speicher bei Einfriergefahr � Wärmeverluste, Einfriergefahr in partiell nicht durchströmten großen Feldern
Drain-Back
Alternativ: reines Wasserzusätzlicher Vorteil: größere α- und cp-Werte
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Solaranlagen - Energiebilanz
Solarer Deckungsgrad Endenergieeinsparung
ZusKollKreis
KollKreisSolar QQ
QDG
Σ+=
ohneSolarEnd,QmitSolEnd,QohneSolEnd,Q
savef−
=
Kollektor- und Kollektorkreis-Nutzungsgrad
KollG
KollKollektor AG
Q
⋅=η
KollG
KollKreisreisKollektork AG
Q
⋅=η
auch andere Definitionen denkbar
Globalstrahlung auf geneigte Kollektorfläche
GG
VerlusteHeizgerät, Speicherverrohrung
Endenergie QEnd
z.B. Holzpellets,Gas, Öl, Strom
QKoll
QZus,Speicher
manchmal: QZus,direkt
VerlusteVerteilung, Übergabe
QHeizung QNutz,Heizung
QNutz,Heizung/WW
Speicher
Qein=Qaus
VerlusteSpeicher, WW-Zirkulation
Heiz-gerät
VerlusteSolarkollektor
VerlusteRohre
QKollKreis
%) 35 ca. ( % 50 ca. SolarNutz,JahrKollektor ηη ,
QWarmwasser QNutz,Warmwasser
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Energetischer Vergleich verschiedener Solarspeicherkonzepte
TRNSYS-Simulation mit
• 15 m2 Kollektorfläche,
• 1050 l Speichervolumen
• Solltemperatur im Warm-wasserbereitschaftsteil für vergleichbaren Komfort (von 55°C bei zwei Speichern bis 70°C bei eingetauchtem BW-WAT), Energiebedarf 4225 kWh/a
• Heiznetz: 50/30°C, witte-rungsgeführt, Energie-bedarf 14.000 kWh/a
Fazit:
• bestes System: Schicht-speicher + Low-Flow
• vergleichsweise geringe Unterschiede
Quelle: Pauschinger
0 1000 2000 3000 4000 5000
Anl
agen
varia
nte
Endenergieeinsparung [kWh/a]
Zweispeicheranlage
Anlage mit Tank-inTank-Speicher
Low-Flow-Anlage mit Schichtspeicher
Anlage mit externem BW-WAT
Anlage mit eingetauchtem BW-WAT
4424 kWh/a
( 24,3 % )
4303 kWh/a
( 23,6 % )
4538 kWh/a
( 24,9 % )
4428 kWh/a
( 24,3 % )
3936 kWh/a
( 21,6 % )
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Solarkollektoren - Bauarten
Bildquelle: Becker
Flachkollektoren Vakuum-Röhrenkollektoren
Alternative Bauformen
• 2 Scheiben als Abdeckung• mäanderförmige Rohrführung im
Absorberblech• Sonderbauform: evakuierter
Zwischenraum mit Stützstäben
Vorteile gegenüber Vakuumkollektoren
• preiswerter• besseres Preis-/Leistungsverhältnis
Alternative Bauformen
• zwei getrennte Rohre für Vor-/Rücklauf• doppelwandige evakuierte Glasröhre mit
zylindrischem Absorber im inneren Zylinder• Heat Pipe: Kältemittelverdampfung im
Absorberrohr, Kondensation am Kopf
Vorteile gegenüber Flachkollektoren
• höherer Wirkungsgrad � geringerer Platzbedarf, höhere Nutztemperatur
• drehbar zur Sonne � variable Anbringung auch an Fassaden und auf Flachdächern
Glasröhre
VakuumAbsorberblech mit Rohrenhier: Rohr-in-Rohr Führung
Distanzhalter
Abdeckung aus Glas
Rahmen
Wärmedämmung
Absorberblech mit Rohrenhier: parallele Führung
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Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung
Bildquelle: IZE
„Solarabsorber“: preiswerte schwarze Schläuche, Wasser durchflossene Kunststoffmatten, etc.
bei Freibädern: sehr gute Korrelation von solarer Einstrahlung und Energiebedarf
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Weitere Systeme, Kollektoren
Bildquelle: Kaltschmitt/Wiese
Luftkollektor-Systeme Konzentrierende Systeme
Luftkollektor-Systemefür
• Trocknungsanlagen
• Luftheizungen
• Solare Kühlung mir Desiccant Cooling
• etc.
Konzentrierende Systeme für
• Solarkraftwerke (Stromerzeugung)
• Prozesswärme
• nur direkte Strahlung ist fokussierbar!!
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Energiebilanz an einem Flachkollektor
Quelle: Schreitmüller
aktive AbsorberflächeAperturflächeBruttofläche
Flächendefinitionen an KollektorenWärmeleitung/-Konvektion anWärmedämmung, Rahmen, Rohren
rittEhmint
⋅& Austritthm ⋅&
ĠG . ττττGlas = ĠG,Abs
Bilanzhülle
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Kollektor-Wirkungsgradkennlinie = f (G� �)
Anmerkung: Abszisse = ∆ T / G� � � 1 Kennlinie für alle Globalstrahlungen
optische Verluste ≡ 1 - τGlas. αAbsorber
thermische Verluste ≡ K . ∆T / G� �
Zunahme der Wärmestrahlung
gemäß σ.T 4
optischer Wirkungsgrad
Kol
lekt
or-W
irkun
gsgr
ad
ηin
%100
50
0
Temperaturdifferenz ∆T = TKollektor,mittel - TUmgebung in K0 200
Stillstandstemperatur
η0 η0 = τ . α
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Wirkungsgradkennlinien verschiedener Kollektortypen
Temperaturdifferenz ∆T = TKollektor,mittel - TUmgebung in K
GG
TK
GG
TK
AbsorberAGG
NutzQ
&&&
& 221
0∆⋅
−∆⋅
−=⋅
= ηη ĠG: Globalstrahlungsleistung in W/m²
η0: optischer Wirkungsgrad = τGlas
. αAbsorber
∆T: TKollektor,mittel - Tumgebung
(TFluid,Eintritt + TFluid,Austritt) / 2
K1: linearer Wärmeverlustkoeffizient in W/(m²K)
K2: quadratischer Wärmeverlustkoeffizient in W/(m²K²)
hier für GG = 800 W/m2
Kol
lekt
or-W
irkun
gsgr
ad
ηin
%
100
80
60
40
20
0
0 200
optischer Wirkungsgrad η0
Stillstandstemperatur
50 100 150 250
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Durchlässigkeit von KollektorabdeckungenT
rans
mis
sion
sver
hältn
is
τ
im Infraroten:τ = 0α,ε = 0,15ρ ρ ρ ρ = 0,85
im Infraroten:τ = 0α,εα,εα,εα,ε = 0,94ρ = 0,06
Quelle: Schreitmüller
mit dünnen In2O3- oder ZnO2-Schichten auf der Innenseite
τ = 0,85…0,91, α ≈ 0,08, ρ ≈ 0,04
Wellenlänge λ
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Spektrale Verteilung - Schwarzkörperstrahlung (ε = 1)
Quelle: Schreitmüller
Strahlungsintensität I jeder Kurve bezogen auf ihren eigenen Maximalwert Imax (I/Imax = 0…100%)
Absolute Strahlungsintensität I bzw. integrierte Strahlungssumme (ε.σ.T4) sinken mit Temperatur
Reale Oberflächen: Iλ = ελ. Iλ,max
mit ελ = 0…1
Wellenlänge λ
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Selektive Absorberbeschichtung � α = f (Wellenlänge)
Quelle: Kaltschmitt/Wiese
allgemein gilt: αλ = ελ und αλ + ρλ + τλ = 1
selektiv 9 ... 19
nicht selektiv 1
αSolar
εInfrarot
= ε
Hauptwellenlängen-bereich
der Solarstrahlung
Hauptwellenlängen-bereich der langwelligen
Abstrahlung
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Solare Brauch-wassererwärmung
Bildquelle: Ökoinstitut e.V.
Standard: Auslegung der Kollektorfläche auf solare Deckungsgrade von …
• im Sommer ca. 100 %
• im Jahresmittel ca. 50 % des Energiebedarfs für Warmwasser
← wirtschaftliches Optimum
← Sommer: Zusatzheizung außer Betrieb
Jahresverlauf von Energieangebot und Energiebedarf ���� Auslegung
Standard EFH: 3…5 m² Kollektorfläche200…400 l Speicher
weitere Erhöhung der Kollektorfläche � geringe Zugewinne im Winter und in
der Übergangszeit� nicht nutzbare Überschüsse im
Sommer
Sonneneinstrahlung
Ertrag der Solaranlage
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Solare Brauch-wassererwärmung und Raumheizung
Bildquelle: Ökoinstitut e.V.
Jahresverlauf von Energieangebot und Energiebedarf ���� Auslegung
Standard EFH: 10..15 m² Kollektorfläche600…1000 l Speicher
weitere Erhöhung der Kollektorfläche � geringe Zugewinne im Winter� nicht nutzbare Überschüsse im
Sommer und in der Übergangszeit
Standard: Auslegung der Kollektorfläche auf solare Deckungsgrade von …
• im Sommer ca. 100 %
• im Jahresmittel ca. 25 % des Gesamtbedarfs für WW + Heizung
← wirtschaftliches Optimum
← Sommer: Zusatzheizung außer Betrieb
Sonneneinstrahlung
Ertrag der Solaranlage
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Auslegung größerer Solaranlagen
Allgemein
• Auslegung mit Simulationsprogrammen wie TSOL, POLYSUN (TRNSYS, CARNOT)
Mehrfamilienhäuser, Wohnheime, öffentliche Gebäude, etc.
• tendenziell auf geringere solare Deckungsraten als bei „Einfamilienhaus-Anlagen“ aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen (geringere absolute Investkosten, bessere Wirtschaftlichkeit)
• Beispiel FHD-Anlage: 45 m² Kollektorfläche, 3000 l Speichervolumen, 30 % solare Deckung
Solare Nahwärme – Brauchwassererwärmung (Daten von Pilotanlagen)
• ca. 1 m2 Kollektorfläche pro Person, ca. 50 l Speichervolumen pro m2 Kollektorfläche
• solarer Deckungsgrad: ca. 25 % des Energiebedarfs zur Brauchwassererwärmung
Solare Nahwärme – Brauchwassererwärmung und Raumheizung (Daten von Pilotanlagen)
• 0,1 ... 0,2 m² Kollektorfläche pro m² Nutzfläche, 1 ... 10 m³ Speichervolumen pro m² Kollektorfläche
• solarer Deckungsgrad: 40 ... 60 % des Gesamtenergiebedarfs für Brauchwassererwärmung und Raumheizung
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Solare Wärmepreise verschiedener Solaranlagen
Quelle: Ökoinstitut e.V., eigene Berechnungen
Freibad-beheizung
Brauch-wasser,größere Gebäude
Brauch-wasser,solare
Nahwärme
Brauchw. +Raumhzg.,
solareNahwärme(Langzeit-speicher)
Brauch-wasser
Brauch-wasser
+ Raum-heizung
Sol
are
Wär
mep
reis
e [c
t/kW
h] 30
20
10
0
Einfamilienhaus-Anlagen Größere zentrale Anlagen
Heiz-energie-autarkes
Haus
~5.000 € ~10.000 €
Solare Wärmepreise mit 20 a Laufzeit, 4 % Zins
Öl, Gas
Strom
> 50 ct/kWh
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Ökobilanz - Primärenergie
Quelle: GEMIS; Ökoinstitut e.V.
Aufwand rd. 3.700 kWh
• Herstellung: rd. 3.500 kWh 2/3 davon für Alu-Rahmen/-Absorber
• Betrieb: rd. 158 kWh = 30 W (Pumpe + Regelung) · 8760 h/a · 25 % (abgeschätzte prozentuale Laufzeit)· 2,4 (Primärenergiefaktor für Strom)
Einsparung: rd. 2000 kWh = 160 l/d . 4,2 kJ/(l.K) . (40-10)°C . 365 d/a
abhängig vom Warmwasserverbrauch
Energierücklaufzeit < 2 a
Beispiel: Solaranlage für Warmwasser im Einfamilienhaus
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Optimierte Solaranlage für Einfamilienhäuser
Komponenten und Anordnung mit Gasheizgerät
Küche Bad
Haus-wirtschafts-
raum
Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale
� geringe Kosten� hoher Nutzungsgrad
Kombi-Speicher 1. zapfstellennah
2. kollektornah3. heizgerätenah
installiert
� geringe Kosten� hoher Nutzungsgrad� hoher Komfort
�
alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum
Flachkollektoren
� gutes Preis-/Leistungs-verhältnis
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Übung: Solarkollektor-KennlinieEin Solarkollektor besitzt folgende Daten:
• Abdeckung aus eisenarmem Glas (τGlas = 91 %)• mit TINOX selektiv beschichteter Absorber (αAbsorber = 93,4 %)• K1 = 4 W/m2K• Umgebungstemperatur = 20 °C
Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:
a) Ermitteln Sie für die beiden Globalstrahlungsleistungen von 400 W/m² und 800 W/m2
- den Wirkungsgrad des Kollektors bei Ein-/Austrittstemperaturen des Kollektorkreisfluidsam Kollektor von 50/70°C (ohne Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung d.h. K2 = 0)
- den Wirkungsgrad des Kollektors unter den gleichen Bedingungen, jedoch unter Berücksichtigung der Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung mit K2 = 0,01 W/m²K²
- die Absorbertemperatur, wenn keine Nutzleistung entnommen wird (= „Stillstandstemperatur“ bei ausgeschalteter Umwälzpumpe), vereinfacht mit K2 = 0
b) Skizzieren Sie zwei Grafiken für den Kollektor-Wirkungsgrad η (auf der y-Achse)
- mit x-Achse = (TKollektor,mittel - TUmgebung)
- mit x-Achse = (TKollektor,mittel - TUmgebung)/GG
jeweils für GG = 400 und 800 W/m2 als zusätzlichem Parameter in jeder Grafik und ebenfalls wieder vereinfacht mit K2 = 0Hilfe: z.B. zwei Wirkungsgrade für beliebige ∆T bzw. ∆T/GG ausrechnen, Gerade durchlegen, fertig.
Lösungen für a): 45 %, 65 %, 41 %, 63 %, 105°C, 190°C
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Übung: Solaranlage – Energiekennzahlen und KostenBerechnen Sie für eine solar unterstützte Brauchwasseranlage die Jahreswerte der folgenden energetischen Kennzahlen unter den unten angegebenen Randbedingungen:
1. den solaren Deckungsgrad
2. die Endenergieeinsparung in kWh/a, kWh/(a.m²Kollektorfläche) und in % im Vergleich zu einer konventionellen Anlage mit Ölkessel und Warmwasserspeicher (ohne Solaranlage)
3. den solaren Wärmepreis (= Kosten für Solaranlage / Solarertrag) und die Endenergieeinsparkosten (= Kosten für Solaranlage / Endenergieeinsparung)
Randbedingungen:
• Warmwasserverbrauch: 150 l/d (Kalt/Warmwassertemperatur = 10/45°C)
• Globalstrahlung in Kollektorebene: 1100 kWh/m²a
• Solarkollektoren: Fläche = 5 m², Nutzungsgrad Kollektorkreis = 40 %
• Wärmeverluste des 300 l-Wasserspeichers der Solaranlage: 3,5 W pro K; mittlere Temperatur im Speicher = 55°C; Raumtemperatur im Aufstellraum des Speichers = 15°C
• Nutzungsgrad der Energiebereitstellung durch den Ölkessel: 80 %
• Wärmeverluste des 120 l-Wasserspeichers des konventionellen Systems: 2 W pro K; mittlere Temperatur im Speicher = 45°C; Raumtemperatur im Aufstellraum des Speichers = 15°C
• 20 Jahre Lebensdauer bzw. Nutzungsdauer der Solaranlage, 4 % Zins
• Preis der Solaranlage = 5000 €, Zuschuss aus Förderprogramm = 1000 €
Lösungen: 63,5 % (Qww=2236 kWh/a, Qkollkreis=2200 kWh/a, Qverl,speicher,sol=1226 kWh/a) -1875 kWh/a, 375 kWh/m²a, 54,3 % (Qöl,sol=1577 kWh/a, Qverl,speicher,konv=526 kWh/a, Qöl,konv=3452 kWh/a) - 13,4 ct/kWh, 15,7 ct/kWh