SolarHybrid Solare Hybridsysteme zum Heizen und Kühlen – Mit Optimierungen zu minimierten und kostengünstigen Systemkonzepten

Projektverlauf

Es werden die Verbesserung der Einzelkomponenten bzw. der getrennt betrachteten Technologien, die gezielte Abstimmung auf die jeweilige Nutzung und damit die Erhöhung der Primärenergie­effizienz sowie Wirtschaftlichkeit angestrebt. Darauf aufbauend werden die optimierten Komponenten zu Gesamtlösungen zusammengestellt und innovative, radikal minimierte solare Hybridlösungen erarbeitet. Kern dieser Lösungen sind je nach Anforderungen (Wärme, Kälte, Strom) aufeinander abgestimmte Komponenten, wie elektrisch und thermisch angetriebene Wärmepumpen, Solarthermie und Photovoltaik, PVT Kollektoren, sowie optimierte Regelungs- und Steuerungskonzepte.

Die wirtschaftliche und energetische Optimierung der solarthermischen Konzepte wird durch angepasste Hydraulik-Layouts, radikal minimierte Komponenten-Anzahl und verbesserte, leistungsfähigere Regelungen erreicht. Zur Untersuchung, Entwicklung und Optimierung der Einzel- wie auch hybriden Systeme werden ein Verwaltungsgebäude, ein Hotelprofil und ein Erzeugerprofil mit maximalem solaren Potential zur Wärme- und Kälteerzeugung herangezogen.

Das Projekt stützt sich auf ausführliche Recherchen zu den Lastprofilen, den Komponenten und Systemen, sowie deren Modellierung bzw. Optimierung. Die systematische Analyse der Simulationsansätze und der Einzelmodelle auf deren Teillastfähigkeit und Anwendungsgrenzen bilden die notwendige Grundlage zur Modellierung. Durch die geeignete Wahl der einzelnen Modelle der Komponenten und, falls notwendig, der Erstellung neuer bzw. Erweiterung dieser Modelle werden umfangreiche dynamische Simulationen für Gesamtsysteme erstellt. Aufbauend aus den Erkenntnissen der Optimierung der Einzelsysteme werden die solarhybriden Systeme entwickelt und optimiert. Zusätzlich wird eine reale Anlagenkonfiguration (hybride Lösung für Absorptions- und elektrische Kompressionskältemaschine) hinsichtlich der Hardware-in-the-Loop Messungen gebaut, getestet und optimiert.

Die Bewertung erfolgt methodisch nach technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten nach internationalen Standards des IEA SHC Task 48 bzw. 53, welche auf Arbeiten des Projektkonsortiums basieren. Durch umfangreiche Sensitivitätsanalysen werden die Auswirkungen geänderter technischer und wirtschaftlicher Rand­bedingungen auf die Key Performance Indikatoren festgehalten.

Ergebnisse

Durch den systematischen Aufbau der Simulationsmodelle und des Bewertungstools stehen flexibel einsetzbare Werkzeuge zur Verfügung, um Solares Heizen und Kühlen sehr detailliert abzubilden, zu optimieren und zu bewerten.

Die hybriden, dynamisch geregelten Konzepte führen bei den solarthermisch unterstützen Anlagen zu elektrischen Jahres- Arbeitszahlen deutlich über 10 und zu vielversprechenden nicht-erneuerbaren primär­energetischen Einsparungen. Auch Kompressionskältemaschinen werden in Zukunft durch die Energieeffizienz Richtlinie (2012/27/EU) Arbeitszahlen >5 erreichen müssen, wodurch die Kopplung mit PV zufolge der Effizienz interessant wird, dies setzt aber einen abgestimmten Betrieb von Kältemaschine und PV voraus, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen.

Wichtig ist die Betrachtung des Gesamtsystems (inklusive aller Verbraucher, wie. z.B. Warmwasser). Bei gleichen Einsparungen an nicht-erneuerbarer Primärenergie erreichen bei den hier betrachteten Profilen, auf Grund der zeitlichen Verschiebung der Lasten in die frühen Abendstunden, die solarthermischen Systeme kostengünstigere Lösungen als die PV unterstützten Systeme.

Beide Funktionsmuster (Absorptions- und Kompressions_­kältemaschine) weisen über einen sehr breiten Betriebsbereich einen stabilen und verlässlichen Betrieb auf. Die Effizienz entspricht den berechneten bzw. erwarteten Größenordnungen, hat aber noch Verbesserungspotential. Der Betrieb als solarhybrides System zeigt vielversprechende Ergebnisse. Die Jahresergebnisse, welche mit Hilfe der Labormessungen validiert wurden, zeigen, dass Einsparungen an nicht-erneuerbarer Primärenergie von über 50% bei über den Lebenszyklus gerechneten Kosten von unter 80%, gegenüber einem definierten Referenzsystem, erreicht werden.

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• SolarHybrid-final.pdf