Solarthermische Kälte in Rottweil

Mit der erzeugten Kälte werden die Technik- und Serverräume und ein Call Center der Deutschen Telekom gekühlt. Die Solarwärme wird über einen Heizungsverteiler an die Verbraucher abgegeben. An diesem sind neben den Kältemaschinen auch andere Wärmeverbraucher wie die Gebäudeheizung angeschlossen. Dadurch kann die Solarwärme wahlweise zu Heiz- oder Kühlzwecken genutzt werden. Zur Nutzungsgradsteigerung der Kollektoren, soll außerhalb der Kühlphasen die Systemtemperatur abgesenkt werden. Durch die genannten Maßnahmen kann ein deutlich höherer Ertrag als bei alleiniger Nutzung durch die Absorptionskältemaschinen erzielt werden.

Anlagenbeschreibung

Die installierte Solaranlage verfügt über 124 Vakuumröhrenkollek­toren mit einer Gesamt-Bruttokollektorfläche von 503 m². Jeweils 62 Kollektoren haben eine Aperturfläche von je 2,034 m² (Typ: „S-Power DF 20/2000 TPS inside“) bzw. je 3,051 m² („S-Power DF 30/2000 TPS inside“). Insgesamt ergibt sich eine Aperturfläche von 315 m². Die Kollektoren sind auf dem Flachdach eines Werkstattgebäudes montiert. Sie sind gegenüber der Horizontalen um 20 ° geneigt und weichen in ihrer Ausrichtung um 54 ° nach Osten von der Südrichtung ab.

Die relativ flache Neigung der Kollektoren wurde gewählt um die zweite Kollektorreihe nicht durch die erste zu verschatten. Die flache Neigung macht sich auch wegen der deutlichen Abweichung von der Südrichtung positiv bemerkbar, da dadurch auch im späteren Tagesverlauf, wenn die Sonne mit einem sehr ungünstigen Winkel zur Solaranlage steht, noch Erträge realisiert werden können. Jeweils ein „DF 20/2000“- und ein „DF30/3000“-Kollektor sind zu einem Kollektor zusammengefasst. Damit besteht ein Kollektor aus 50 Vakuumröhren die parallel geschaltet sind. Die dadurch entstehenden 62 Kollektoren sind alle parallel miteinander verschaltet und nach Tichelmann verrohrt.

Die Kollektoren sind in zwei gleichgroße Teilfelder unterteilt, die hintereinander aufgestellt sind. Das durch die eingestrahlte Sonnenenergie in den Kollektoren erwärmte Glykol/Wasser-Gemisch wird durch einen Wärmeübertrager zur Erwärmung des Speicherladekreises im Keller des Gebäudes gepumpt. Der Speicher hat ein Volumen von 20 000 l und ist im Freien neben dem Gebäude aufgestellt.

Aus den Speichern wird die solare Wärme im Sommer über einen Heizungsverteiler zu den Kältemaschinen gepumpt. Im Winter wird die Wärme über denselben Verteiler in das Heizungsnetz des Gebäudes eingespeist. Die beiden einstufigen Absorptions-Kältemaschinen vom Typ „York International/Mitsubishi Typ ES-IA 2 MW“ werden mit dem Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid betrieben und weisen jeweils 340 kW Kälteleistung im Nennbetrieb (Heiztemperatur 99 °C, Rückkühltemperatur 27 °C) auf. Die Kältemaschinen wurden bereits vor Inbetriebnahme der Solaranlage mit der Abwärme eines BHKW und Wärme von zwei Gaskesseln betrieben. Mit der erzeugten Kälte werden die Technik- und Serverräume und ein Call Center der Deutschen Telekom gekühlt.

Eine Besonderheit dieses Systems stellt der Notkühler dar, der in den Kollektorkreis integriert ist. Bei drohender Stagnation wegen zu geringer Wärmeabnahme wird die Solarwärme über den Notkühler abgeführt und damit eine hohe thermische Belastung des Kollektorfluids weitgehend vermieden. Eine weitere Besonderheit der Anlage ist der thermische Frostschutz. Bei Frostgefahr pumpt die Anlage zeitweise warmes Wasser aus dem Pufferspeicher durch die Rohrleitungen im Freien um diese vor dem Einfrieren zu bewahren. Die Leitungen im Kollektorkreis sind hiervon explizit ausgenommen, da dort der Frostschutz chemisch durch Glykol garantiert wird.

Die Solaranlage wurde im April 2011 in Betrieb genommen. Seit Juni 2011 liegen nun Messdaten vor, die in Tabelle 2 und Bild 3 als Monatswerte zusammengefasst dargestellt sind. Die Werte beziehen sich auf die Aperturfläche von 315 m². Es ist beabsichtigt die Anlage mindestens bis Ende 2012 zu vermessen.

Es konnten im Maximum im Mai 2012 bis zu 25 MWh/Monat (79 kWh/m² Aperturfläche) an solarer Wärme in die Speicher eingespeist werden was einem Nutzungsgrad von 36 % entspricht. Von der eingespeisten Wärme konnten wiederum 21 MWh (65 kWh/m²) dem Speicher entnommen und ins Heizungsnetz eingespeist werden. Die Differenz ging als Wärmeverluste an die Umgebung verloren. Speziell in den Monaten November 2011 bis Februar 2012 sind diese Wärmeverluste besonders auffällig, da in diesen Monaten nur wenig Wärme auf einem nicht nutzbaren Temperaturniveau in die Speicher eingespeist werden konnte, sind die Verluste auf bis zu 100 % angestiegen. Ein weiterer Faktor ist, dass auch Wärme für die Frostschutzfunktion zur Vermeidung des Einfrierens der Verbindungsrohre benötigt wurde, die ebenfalls den Speichern entnommen wurde. Nur in Extremfällen, wenn die Speichertemperatur zu niedrig ist, wird Wärme aus dem Heizungsnetz benötigt um die Frostfreiheit zu gewährleisten. Im Juli 2011 konnte ein maximaler solarer Deckungsanteil am Gesamtwärmeverbrauch von 16 % erreicht werden. Dieser relativ geringe Deckungsanteil ist darauf zurückzuführen, dass das Kollektorfeld aus Platzgründen nicht größer ausgelegt werden konnte.

Die in Tabelle 2 aufgeführte Arbeitszahl gibt das Verhältnis aus erzieltem solarem Ertrag zu Stromverbrauch des Solarsystems (für Pumpenbetrieb und Regler) wieder. Hier wurde im Juni 2012 ein maximaler Wert von 62 erreicht.

Bei den Kältemaschinen wurde in allen Betriebsmonaten ein für einstufige Absorptionskältemaschinen im unteren typischen Bereich liegender thermischer Coefficient of Performance (COP_th), entsprechend dem Quotienten aus Nutzkälte und Antriebswärme, zwischen 0,52 und 0,57 ermittelt. Die Maschinen wurden im Heizkreis häufig mit ca. 80 °C angetrieben und damit mit Temperaturen deutlich unter der Nennantriebstemperatur von 99 °C. Die Maschinen takten auch häufig. Beides wirkt sich negativ auf den COP_th aus.

Die Kältemaschinen hatten im August 2011 mit 78 MWh den größten Wärmebedarf im Messzeitraum und erzeugten in diesem Zeitraum 45 MWh Kälte was einem thermischen COP von 0,57 entspricht. Weitere Messergebnisse entnehmen Sie Tabelle 2 und Bild 3.

Detailanalyse der Messdaten

Bei der genaueren Untersuchung der Messdaten wurden die im Folgenden erklärten Optimierungspotentiale festgestellt.

Hohe Speicherverluste

Es zeigten sich relativ hohe Wär­me­verluste im Solarspeicher und der an ihm angeschlossenen Verrohrung. Die Rohrleitung zwischen Speicher und der Schnittstelle zum Heizungsnetz mussten über eine längere Strecke (einfache Strecke ca. 100 m) im Freien verlegt werden. Dementsprechend liegt es nahe, dass ein großer Teil der Wärmeverluste trotz guter Wärmedämmung an diesen Rohren entsteht. Die Zirkulation in diesem Kreislauf wird durch zwei unterschiedlich große Pumpen gewährleistet. Die kleinere Pumpe geht immer parallel zur Kollektorkreispumpe in Betrieb um die lange Rohrleitung über einen Bypass bis zur Einspeisestelle warm zu halten. Dadurch ist diese Pumpe deutlich länger in Betrieb als Wärme ins Heizungsnetz eingespeist wird (Bild 4). Die Pumpe geht unabhängig von Speichertemperatur und Wärmebedarf ab einer Einstrahlung von 350 W/m² in Betrieb.

Zur Reduzierung der Speicherverluste wurde die Regelung geändert, so dass die kleine Pumpe nicht mehr in Abhängigkeit von der Einstrahlung geregelt wird. Zukünftig sollen die Speichertemperatur und der Wärmebedarf im Heizungsnetz als Regelkriterien für den Betrieb der beiden Pumpen dienen. Bei Erreichen einer Mindesttemperatur von 95 °C im Speicher oben und Mitte soll die Pumpe in Betrieb gehen. Der Bypass soll erst nach einer festgelegten Zeitspanne den Weg zum Heizungsnetz freigeben. Die Zeitspanne ist so zu bemessen, dass nach Ablauf heißes Wasser am Bypassventil angekommen ist und das Einströmen kalten Wassers in das Heizungssystem weitgehend vermieden wird. Durch diese Regeländerung werden die Rohre nicht mehr so lange mit heißem Wasser warm gehalten, so dass eine Reduzierung der Wärmeverluste erwartet wird. Außerdem werden eine Reduzierung des Stromverbrauchs und damit eine Erhöhung der Arbeitszahl erwartet.

Neben den beschriebenen Verlusten aufgrund der Regelstrategie fallen außerdem noch Verluste für die Frostschutzschaltung an, mit deren Hilfe die im Freien befindlichen, mit Wasser gefüllten Rohre eisfrei gehalten werden. Bei weniger als 5 °C Außentemperatur wird in regelmäßigen Abständen die Pumpe für eine halbe Stunde gestartet um bereits abgekühltes Wasser in den Rohren durch wärmeres Wasser aus dem Speicher zu ersetzen.

Hier wäre sicher sinnvoll die Temperaturen im bzw. am Rohr an kritischen Stellen zu überwachen um dadurch die Pumpe seltener und kürzer in Betrieb nehmen zu müssen und ein unnötiges Beheizen der Rohre zu vermeiden.

Direktanbindung von Wärmeverbrauchern mit niedrigerem Temperaturniveau

Da wie in Tabelle 2 dargestellt in den Wintermonaten November bis Februar den Speichern keine Wärme entnommen werden konnte, wurde auf dem Betriebsgelände nochmals nach Wärmeverbrauchern gesucht, die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau benötigen. Hier bieten sich die Trinkwassererwärmung der Kantine sowie verschiedene Lüftungsanlagen an, die räumlich nahe bei der Solaranlage installiert sind. Die Anbindung der Trinkwassererwärmungsanlage würde nach dem Prinzip der im Projekt „Solarthemie-2000“ entwickelten und in zahlreichen Anlagen erprobten und untersuchten Prinzip der Trinkwasservorwärmung realisiert. Die Lüftungsanlage würde in ähnlicher Weise mit der Solarwärme zur Vorwärmung angebunden.

Durch diese Maßnahme kann die auf niedrigem Temperturniveau eingespeiste Solarwärme genutzt werden. Außerdem wird durch die dadurch reduzierte Speichertempertatur eine häufigere Einspeisung durch die Solaranlage ermöglicht und damit der solare Ertrag erhöht. Die Verluste werden durch die niedrigere Temperatur ebenfalls geringer ausfallen. Bisher lagen die Speichertemperaturen immer bei über 30 °C, obwohl in Frostperioden Wärme für den Frostschutz entnommen und keine Wärme außer der Solarwärme eingespeist wurde.

Notkühlung

Die oben erwähnte Notkühlung war bisher noch nicht in Betrieb, da die anfallende Wärme des Solarsystems jederzeit in das Heizungssystem eingespeist werden konnte und auch keine Störungen vorlagen, die deren Betrieb notwendig gemacht hätte. Hierzu wurde am 15. März 2012 ein Versuch durchgeführt, bei dem die Sekundärpumpe am Wärmeübertrager und damit die Wärmeabnahme deaktiviert wurde. Dadurch stieg die Temperatur kurz nach dem Kollektorfeld und kurz vor dem Notkühler von ca. 87 °C (bei aktivierter Sekundärpumpe) auf bis zu 113 °C an.

Das Drei-Wege-Ventil am Notkühler wurde so weit geöffnet bis die Temperatur nach dem Notkühler bei ca. 104 °C war. Dieser Zustand wurde mit leichten Schwankungen über einen längeren Zeitraum gehalten (Bild 5). Danach wurde die Sekundärpumpe wieder aktiviert und die Speicherentladepumpe deaktiviert. Der Speicher heizte sich langsam stufenweise auf. Die notwendige Temperatur von 104 °C wurde aber nicht erreicht, da die solare Einstrahlung wegen der fortgeschrittenen Tageszeit zu gering war.

Durch den Notkühler (Bild 6) wird die hohe thermische Belastung des Kollektorfluids in den Rohrleitungen (Bild 7) vermieden. Normalerweise sind Solaranlagen bei einem Stillstand wegen Überhitzung für den Rest des Tages außer Betrieb, da die Kollektorpumpe erst wieder beim Unterschreiten einer festgelegten Temperatur in Betrieb genommen wird, da das Kollektorfluid dann zum Teil verdampft ist und die Kollektoren stark überhitzt sind. Durch die Einbindung eines Notkühlers wird diese lange Stillstandsphase vermieden, und es kann auch nach einer Phase zu geringer Wärmeabnahme am selben Tag wieder Wärme geerntet werden. Bei der vorliegenden Anlage ist dieser Fall aufgrund der im Verhältnis zur Kollektorfläche sehr hohen Wärmeabnahme bisher nicht aufgetreten.

Bei einer, im Verhältnis zur Kollektorfläche, geringerer Wärmeabnahme kann hierdurch aber auch der solare Ertrag gesteigert werden, da nach einer vermiedenen Überhitzung die Speicher noch einmal aufgeladen werden können bzw. Wärme zur Verfügung gestellt werden kann.

Fazit und Ausblick

Die Solaranlage Rottweil bringt bisher angesichts des hohen Temperaturniveaus der Anlage von 80 °C bis 95 °C gute Erträge und läuft weitgehend störungsfrei. Im November bis Februar wurden bisher kaum solare Erträge erzielt, was einerseits auf die hohen Speicherverluste, andererseits auf das hohe Temperaturniveau des Heizungssystems zurückgeführt werden muss, das bei der geringen Einstrahlung im Winter nicht erreicht wird. Die vorgeschlagenen Optimierungsmaßnahmen sollen noch vor Beginn der sommerlichen Kühlphase durchgeführt werden, um deren Erfolg baldmöglichst überprüfen zu können.

Die solarunterstützte Klima­ti­sierung eines Telekom-Festnetzknoten in Rottweil der Deutschen Telekom wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter dem Förderkennzeichen „0325012“ im Rahmen des Förderprogramms „Solarthermie2000plus“ gefördert.