Erfahrungen mit einem neu entwickelten kombinierten Pellet- und Solarheizungssystems
Frank Fiedler, Chris Bales, Johan Vestlund Högskolan Dalarna
S-78188 Borlänge
Tel: +46-23-778711, Fax: +46-23-778701 Email: ffi@du.se
Einleitung
Solare Kombisysteme erfreuen sich zunehmender Beliebtheit in Mittel-und Nordeuropa. Diese Systeme bestehen aus einem Solarheizungssystem und einem konventionellem Zusatzheizungssystem welches den Hauptanteil des Wärmebedarfes während der Jahreszeiten mit geringer Sonneneinstrahlung deckt. In Schweden werden oftmal im Solarspeicher integrierte elektrische Heizstäbe oder Holzkessel als Zusatzheizungssystem verwendet. In den letzten Jahren haben sich auch Holzpelletkessel und –öfen zu einer Alternative entwickelt. Verschiedene Designvarianten solarer Kombisysteme wurden im Rahmen der Forschungsarbeit im IEA-SHC Task 26 “Solar combisystems” ausführlich untersucht. Eine Auswahl von Systemen wurde mittels Computersimulationen analysiert and optimiert. Die Ergebnisse des Task 26 sind in einer Vielzahl technischer Berichte dokumentiert und öffentlich zugänglich (6).
Im Rahmen des Nordeuropäischen Forschungsprojektes REBUS wurde eine neues kompaktes Systemkonzept für ein solares Kombisystem entwickelt. Zwei Systemvarianten wurden entwickelt, eine mit einer Gastherme als Zusatzheizung und eine zweite Variante mit einem Pelletkessel oder Pelletofen als Zusatzheizung (7; 4).
Während dieses Projektes wurden auch andere kommerziel verfügbare kombinierte Solar-und Pelletheizungsysteme mit Hilfe von Messungen und Computersimulationen untersucht (2). Die Ergebnisse zeigten, dass diese Systeme aufgrund ihres Designs und ihrer Grösse oftmals nicht für die Installation in schwedischen Häusern ohne Heizungskeller geignet sind. Weiterhin wurde festgestellt, dass bei den meissten Systemen Optimierungsbedarf bei der thermischen Leistungsfähigkeit, Wärmeverlusten und dem solaren Deckungsanteil besteht. Diese Ergebnisse wurden beim Design des neuen Systems berücksichtigt. Ein erster Prototyp wurde umfassend im Labor getestet und optimiert. Ein zweiter verbesserter Prototyp wurde in einem Einfamilienhaus installiert und für ein Jahr lang wurden alle wichtigen Messdaten erfasst.
Systembeschreibung
Das REBUS Systemkonzept umfasst zwei kompakte Einheiten; die Solarspeicher- einheit und der technische Einheit, in welcher die hydraulischen Komponenten und ein Bereitschaftsspeicher integriert sind (Abbildung 2). Beide Einheiten wurden mit einem Grundmaß von 60cm x 60cm angefertigt und entsprechen damit dem selbern Rastermass wie die meissten Haushaltgeräte, wie Kühlschränke und Waschmaschinen. Die Einheiten sind in einem weisses Blechgehäuse integriert und lassen sich damit optisch und geometrisch einfach in eine Küchenzeile oder ein Badezimmer integrieren. Als Zusatzheizsystem wird ein wassergemantelten Pelletskaminofen mit eine Nennwärmeleistung von 12 kW verwendet. Der Pelletsofen beheizt den Bereitschaftsspeicher und den oberen Teil des Solarspeichers. Der 360 Liter fassende Solarspeicher ist teilweise mit Vakuumisolierung versehen und hat einen sehr geringen UV-Wert von 1.8 W/K. Der Kollektor kann über Umschaltventile sowohl den Solar- als auch den Bereitschaftsspeicher mit Wärme versorgen. Das Hydraulikkonzept des Heizungssystems erlaubt auch die Verwendung anderer Pelletsöfen/-kessel ohne hydraulische Anpassungen.
Das System besitzt einen zentralen Regler für alle Komponenten (mit Ausnahme des Pelletofens) dessen Software speziell für dieses Konzept entwickelt wurde. Eine detailierte Systembeschreibung ist in Artikel (2) enthalten.
Abbildung 1: Das Demohaus in Borlänge, mit wassergemanteltem Pelletofen (links), technische Einheit und Solarspeichereinheit in einem Badezimmer (mitte), and das 10 m2 Solarkollektorfeld auf dem Dach des Hauses (rechts).
Der zweite Prototyp des REBUS-Systems wurde im Juli 2006 in einem Einfamilienhaus in Borlänge installiert. Das neue Heizsystem ersetzt eine Direktstromheizung, bestehend aus mehreren elektrischen Heizkörpern, welche auch
heute noch in vielen schwedischen Häusern üblich sind. Die Elektorradiatoren wurden durch wasserdurchstömte Heizkörper ersetzt. Der Pelletofen wurde erst später im Oktober 2006 im Wohnzimmer des Hauses installiert. Bis dahin hatte der im Bereitschaftspeicher montierte 6 kW Elektorheizstab die Funktion des Zusatzheizgerätes übernommen. Der Pelletofen verfügt über einen integrierten Vorratspeicher für 38 kg Holzpellet der durch den Besitzer manuell befüllt wird (Abbildung 1, links). Die technische Einheit und die Solarspeichereinheit wurden in einem kleinem Raum, der vorher als zusätzliches Badezimmer verwendet wurde, installiert. Das Solarkollektorfeld umfasst 10 m2 (Abbildung 1, rechts) der Marke Svesol premium AR mit einer Wärmeproduktion von 465 kWh in Stockholm bei einer konstanten Kollektortemperatur von 50°C. Die Kollektoren sind auf dem Hauptdach mit einer Neigung von 40° und einer Ausrichtung 40° Ost montiert.
Datenerfassung
Mit der Datenerfassung des Systems wurde Ende Juli 2006 begonnen. Mittels kalibrierter Durchflussmesser und Temperatursensoren wurden die Wärmeströme in allen Hydraulikkreisen ermittelt. Der Luftmengenstrom durch den Pelletsofen wurde nicht gemessen. Stattdessen wurden die im Labor ermittelten Werte für den Wirkungsgrad des Pelletsofens verwendet, um die Rauchgasverluste zu ermitteln.
Die übertragene Wärmeleistung des Pelletsofens an die Raumluft wurde über die Energiebilanz aus Pelletsmenge, übertragene Wärme zum Wärmetauscher und den Rauchgasverlusten ermittelt. Zwei separate Stromzähler wurden installiert, um den Stromverbrauch des Systems und des elektrischen Zusatzheizstabes zu erfassen.
Ein einfaches Pyranometer wurde zur Erfassung der Einstrahlungsdaten in der Kollektorebene installiert. Mehrer Temperatursensoren wurden installiert um zusätzliche Informationen über das Verhalten und Funktionsweise des Systems zu erhalten. Abbildung 2 zeigt das Hydraulikschema des REBUS-Systems einschliesslich der Messpunkte der Regelung und des Datenerfassungssystems. Die Stromzähler und das Pyranometer sind nicht eingezeichnet. Die Messdaten wurden mit einem Datenlogger vom Typ Campbell CR10 als Minutenmittelwerte aufgezeichnet.
Zu Vergleichszwecken stehen Messdaten für den Stromverbrauch des Hauses vor der Installation des neuen Heizungssystems zur Verfügung. Das Haus vefügt ausserdem über einen Holzherd und Kachelofen. Der Holzverbrauch wurde vom Besitzer relativ genau dokumentiert und wurde in die Wärmeberechnungen mit einem geschätzten Wirkungsgrad (Wärme an die Raumluft) von 50% einbezogen.
Abbildung 2: REBUS Systemschema mit Messpunkten des Reglers (blau mit Index c) und des Messsystems (rot mit index d).
Messergebnisse
Abbildung 3 zeigt die dem Gebäude zugeführte Endenergie von Januar 2006 bis Juni 2007. Die Werte vor der Installation des neuen Heizsystemes basieren auf den vom Hausbesitzer aufgezeichneten Strom- und Scheitholzverbrauch. Der zum Heizen verwendete elektrische Energie wurde mit Hilfe des für 2007 gemessenen Haushaltsstroms geschätzt. Nahezu die gesamte elektrische Energie für Heizzwecke wurde durch Pellet- und Solarwärme ersetzt. Etwa 200 kWh Elektrizität wurden im Oktober 2006, als der Pelletkessel noch nicht eingebaut war, durch den im Bereitschaftspeicher integrierten Elektroheizstab zum Heizen verwendet. Etwas Elektrizität wurde auch im Dezember 2007 verwendet. Dies lag daran, dass anfänglich nur der 80 Liter fassendenBereitschaftspeicher vom Pelletsofen als Puffervolumen verwendet wurde. Es zeigte sich später, dass dieses Volumen zu klein ist, um die Brauchwarmwasserleistungsspitzen abdecken zu können ohne das der Elektroheizstab nachheizen muss.
Das geringe Bereitschaftsvolumen verursachte ebenfalls eine häufiges Takten des Pelletofens mit Betriebszeiten häufig kürzer als eine Stunde. Deshalb wurde im Dezember 2006 ein Umbau vorgenommen bei dem das Puffervolumen des Pellelofens auf das obere Drittel des Solarspeichers ausgedehnt wurde. Nach dem Umbau stehen dem Pelletsofen damit ingesamt 200 Liter als Puffervolumen zur Verfügung.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
jan 06 feb 06
mar 06 apr 06
maj 06 jun 06
jul 06 aug 06
sep 06 okt 06
nov 06 dec 06
jan 07 feb 07
mar 07 apr 07
maj 07 jun 07
Energy supply [kWh]
Wood [kWh]
Electr. REBUS heater [kWh]
Pellet [kWh]
Solar [kWh]
Electricity SH + DHW [kWh]*
Abbildung 3: Monatlich zugeführte Endenergie für Raumheizung und Brauchwarmwasser, „*Electricity SH + DHW“ ist der berechnete Stromverbrauch für Raumheizung und Brauchwarmwasser vor dem Beginn der Messungen.
Als ein Ergebnis dieses Umbaus kann man in Abbildung 4 den deutlichen Rückgang der Anzahl Start/Stopvorgänge erkennen. Die durchschnittliche Einschaltdauer erhöhte sich durch den Umbau auf 3-4 Stunden. Durch die längeren Einschaltdauer erhöhte sich auch der Anteil der Wärme, der vom Pelletofen an den Wärmetauscher abgegeben wurde von 61% im Dezember auf 67% im Januar. Dies ist allerding immer noch deutlich niedriger als die im Test der Bundesanstalt für Landtechnik ermittelten Werte von 76% (bei Nennlast) und 69% (bei Minimallast) (1).
2 174
291
111
29 22
66 52
32
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
okt-06 nov-06 dec-06 jan-07 feb-07 mar-07 apr-07 maj-07 jun-07
Energy [kWh]
Flue gas losses stove [kWh]
Stove to water jacket [kWh]
SH convective stove [kWh]
Number of starts and stops of the stove
Abbildung 4. Monatliche vom Pelletofen an den Wärmetauscher und die Raumluft abgegebene Wärme sowie die Anzahl der Start/Stopvorgänge.
In Abbildung 5 ist die montliche Aufteilung der zugeführte Endenergie in Nutzenergie und Wärmeverluste dargestellt. Der monatliche Brauchwarmwasserbedarf schwankt zwischen 240 und 400 kWh. Der jährliche Raumheizungsbedarf beträgt etwa 7600 kWh, was einen sehr geringen Wert für ein Gebäude mit einer Grundfläche von etwa 130 m2 darstellt und auf eine sehr gute Wärmedämmung schliessen lässt.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
jan 06
feb 06
mar 06
apr 06
maj 06
jun 06
jul 06
aug 06
sep 06
okt 06
nov 06
dec 06
jan 07
feb 07
mar 07
apr 07
maj 07
jun 07
Energy use [kWh]
Flue gas losses wood [kWh]
SH convection wood [kWh]
Flue gas losses stove [kWh]
Store and pipe losses [kWh]
SH radiators + pipes [kWh]
SH convective stove [kWh]
Electricity SH + DHW [kWh]*
DHW [kWh]
Abbildung 5. Monatliche Endenergie aufgeteilt in Nutzenergie und Wärmeverluste,
„*Electricity SH + DHW“ ist der berechnete Stromverbrauch für Raumheizung und Brauchwarmwasser vorm dem Beginn der Messungen.
Während eines Jahres lieferten die Solarkollektoren ca. 2500 kWh Wärme. Dies stellt einen zu erwartenden Wert dar, wenn man das geringe Solarspeichervolumen, die nicht-optimale Ausrichtung des Kollektorfeldes nach Süd-Osten und den geringen Raumwärmebedarf in Betracht zieht. Bezogen auf die Endenergie gibt dies einen Solaranteil von 19%.
Tabelle 1: Jährliche Endenergie und Nutzwärme Endenergie (kWh) Nutzenergie (kWh)
Pellet 9319 Raumheizung 7611
Holz 1434 Brauchwarmwasser 3673
Solar 2543
Strom 278
Total 13574 11284
Diskussion und Fazit
Ein neu entwickeltes solares Kombisystem wurde über einen Zeitraum von einem Jahr in einem Einfamilienhaus getestet. Im wesentlichen funktionerte das System wie erwartet. Die speziell für dieses System entwickelte Regelungssoftware funktionierte einwandfrei bei der Steuerung aller Hydraulikkreise und Komponenten. Einige Parameteranpassungen waren jedoch notwendig um Systemfunktionen zu optimieren. Diese Anpassungen waren in erster Linie für das Zusammenspiel des Systems mit dem Pelletofen notwendig. Die wichtigste Modifizierung war die Vergrösserung des Puffervolumens für den Pelletofen wofür ein kleinerer Umbau der Hydraulik notwendig war. Das ursprünglich nur 80 Liter umfassende Puffervolumen führte zum häufigen Takten des Pelletofens. Durch die Vergrösserung des Puffervolumens auf insgesamt 200 Liter wurden die Anzahl der Start/Stopvorgänge erwartungsgemäss deutlich reduziert. Dies bestätigt die Ergebnisse vorheriger Untersuchungen (3; 5).
Anhand der jährlichen Energiewerte aus Tabelle 1 kann der Systemwirkungsgrad mittels folgender Gleichung berechnet werden:
e imärenergi Pr
jährliche
Nutzwärme jährliche
sys
= η
Mit einem Primärenergiefaktor von 0.4 für elektrische Energie beträgt der Systemwirkungsgrad 83%. Wenn der Zusatzstromverbrauch für Pumpen, Ventile und andere Komponenten einbezogen wird verschlechtert sich der Systemwirkungsgrad auf 74%. Der Zusatzstromverbrauch beträgt ca. 680 kWh was 5 % der gesamten Endenergie des Heizungssystems entspricht. Dies macht deutlich, dass der Zusatzstromverbrauch verringert werden sollte, z.B. durch den Einsatz energieeffizienterer Pumpen, da die verwendeten Pumpen für einen Grossteil des Stromverbrauches verantwortlich sind.
Literaturverzeichnis
(1) BfL, "Prüfbericht Pelletskaminofen EVO AQUA." BLT Aktzahl: 053/04, Bundesanstalt für Landtechnik, Wieselburg, Austria. 2003.
(2) F. Fiedler, "Combined solar and pellet heating systems - Study of energy use and CO-emissions," PhD thesis, Mälardalen University, Västerås. 2006.
(3) F. Fiedler, C. Bales, and T. Persson, "Optimisation Method for Solar Heating Systems in Combination with Pellet Boilers/Stoves." International Journal of Green Energy, 4(3), 325 - 337. 2007.
(4) S. Furbo, A. Thür, C. Bales, F. Fiedler, J. Rekstad, M. Meir, D. Blumberga, C.
Rochas, T. Schifter-Holm, and K. Lorenz, "Competitive Solar Heating Systems for Residential Buildings (REBUS)." Byg, DTU, Copenhagen, Denmark. 2006.
(5) A. Heinz, "Fortschrittliche Wärmespeicher zur Erhöhung von solarem Deckungsgrad und Kesselnutzungsgrad sowie Emissionsverringerung durch verringertes Takten." Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik, Graz, Austria. 2006.
(6) IEA, "International Energy Agency - Solar Heating and Cooling Program." IEA- Task 26. 2002.
(7) A. Thür, S. Furbo, F. Fiedler, C. Bales, “Development of a Compact Solar Combisystem." EuroSun Conference, Glasgow, UK, 27-30 June, 2006.
