Thermische Solaranlage - Rehaklinik

Thermische Solaranlage –
Rehaklinik
Abb 1
䊳 Solarsystem unterstützt die komplexe
Wärmeversorgung einer Klinik
䊳 Solarer Deckungsanteil von
etwa 40% erreicht
䊳 Nach Optimierung der Betriebsweise
stetig steigende Solarerträge
䊳 Ertragsgarantie wird seit dem
zweiten Messjahr erfüllt
In der Rehaklinik Bad Frankenhausen unterstützt seit drei Jahren eine
solarthermische Anlage die Wärmeversorgung. Ansicht des östlichen
Kollektorfeldes mit Konstruktionsdetails.
D
as Wichtigste für die Patienten medizinischer Einrichtungen
sind kompetente Ärzte und moderne Medizintechnik. Andererseits verbrauchen Kliniken mit zum Teil mehreren
hundert Betten große Mengen an Energie für Heizung, Warmwasser,
Lüftung und den Betrieb elektronischer Geräte. Sie haben während
des ganzen Jahres einen hohen Bedarf an Warmwasser und Heizwärme und eignen sich damit u.a. ideal für den Einsatz solarthermischer
Anlagen zur Wärmeversorgung. Innerhalb der komplexen Versorgungsstrukturen von Kliniken und Krankenhäusern ermöglichen sie
Energieeinsparungen in großem Umfang. Anlagen zur Brauchwassererwärmung wurden bereits vielfach erprobt. Dabei war das Ziel, kostengünstig und im Zuge von Pilotanlagen nicht zu groß zu bauen, zumal ihr Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf systembedingt
beschränkt ist.
Die Erprobung großer „Kombianlagen“ zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung ist Neuland. Denn es fehlt bislang
an hinreichenden Erfahrungen zur Dimensionierung von Kollektorfeld und Speicher, zur Verschaltung und Betriebsweise. Zudem gilt
es, im Rahmen von Pilotanwendungen höhere solare Deckungsgrade zu erzielen. Die Solaranlage der Rehaklinik im thüringischen
Bad Frankenhausen ist die erste im Rahmen des BMU-Förderprogramms „Solarthermie2000“ errichtete Anlage, in der die gewonnene Wärme neben der Brauchwassererwärmung auch zur Erwärmung der Zuluft von Patientenzimmer-Sanitärzellen sowie von zwei
Therapie-Wasserbecken genutzt wird. Das Projekt wurde drei Jahre
lang durch ein wissenschaftliches Messprogramm der TU Ilmenau
begleitet. Die Ergebnisse des Probebetriebs liegen nun vor.
䊳
Große solare Kombianlage Rehaklinik
Abb 2: Gesamtansicht des Gebäudekomplexes
Die Rehaklinik der Deutschen Rentenversicherung Bund (ehemals BfA) befindet sich
am nordöstlichen Rand von Bad Frankenhausen am Südhang des Kyffhäusergebirges.
Die im März 2000 eingeweihte Einrichtung
dient der Rehabilitation von Patienten mit
orthopädischen und psychosomatischen Erkrankungen. Der Gebäudekomplex besteht
aus 4 dreigeschossigen Hauptgebäuden mit
insgesamt 196 Patientenzimmern. Diese sind
fast halbkreisförmig angeordnet. Die Dachflächen der beiden inneren Gebäudeteile
sind komplett mit dachintegrierten Großkollektoren belegt. An die Hauptgebäude
angrenzend befinden sich drei eingeschossige Nebengebäude mit Speisesaal, Foyer,
Hallenbad und Turnhalle. Die Solaranlage
erwärmt nicht nur das Brauchwasser der
Klinik, sondern auch die Zuluft der Patienten-Nasszellen und das Schwimmbadwasser
der Therapiebecken.
Konventionelle Wärmeversorgung
Die konventionelle Warmwasserbereitung
und Heizung der Rehaklinik erfolgt über
zwei Gas-Brennwertkessel mit je 860 kW
Leistung. Der Gebäudekomplex ist nach
hohen technischen Maßstäben geplant und
Abb 3: Lüftungssystem im Dachgeschoss
2
BINE projektinfo 11/07
ausgeführt. Der Energieeinsparung wurde
mit mehreren Wärmerückgewinnungsanlagen, Versorgungsbereichen auf Niedertemperaturniveau und Gebäudeautomation mit
DDC- Regelung Rechnung getragen. Die
Übergabe der Wärme an das Trinkwasser
erfolgt mittels einer Vorwärmanlage. Einmal
täglich wird ein Teil des Schwimmbadwassers
ausgetauscht. Die Abwärme des abfließenden ca. 30-grädigen Abwassers wird in einer
Wärmerückgewinnungsanlage mit Wärmepumpe ebenfalls für die Trinkwasservorerwärmung genutzt. Dazu ist in den Kaltwasserzulauf der Warmwasserbereitung ein
500 Liter fassender Speicher eingebaut. Dieser wird von der Wärmepumpe über einen
externen Wärmetauscher beladen.
Die Lufterwärmung erfolgte vor Installation
der thermischen Solaranlage durch vier
Be- und Entlüftungsanlagen. Die Wärme
der Abluft wurde in Kreuzstromwärmetauschern an die gleichzeitig angesaugte
kalte Zuluft übergeben (Wärmerückgewinnung). Die Nachheizung der Zuluft übernahm das konventionelle Heizsystem. Das
Solarsystem ist nun über zwei zusätzlich installierte Wärmetauscher im Ansaugtrakt
der Lüftungsanlagen eingebunden.
Solare Heizungsunterstützung mit Kombianlagen
Etwa jede fünfte in Deutschland installierte
Solaranlage liefert neben warmem Wasser
auch Wärme für die Gebäudeheizung. Dabei handelt es sich jedoch bisher überwiegend um Kleinanlagen. Diese sind meist so
ausgelegt, dass 20-25% des Gesamtwärmebedarfs eines modernen Einfamilienhauses
solar gedeckt werden – also etwa doppelt soviel wie durch reine Brauchwassersysteme.
Betreiber können unter einer Vielzahl von
Anlagen mit unterschiedlichen Konzepten
wählen. In Forschungsarbeiten und Pilotanwendungen, z.B. im Rahmen des „Solar
Heating and Cooling“-Programms (SHC) der
Internationalen Energie Agentur, wurde deutlich, dass über den solaren Ertrag kleiner
Kombianlagen weniger das Anlagenkonzept
als vielmehr die Ausführung und Dimensionierung der einzelnen Komponenten entscheidet. Wichtig sind die optimale Größe
des Speichers sowie ausreichend große Wärmeübertragerleistungen der Wärmetauscher.
Besondere Bedeutung kommt der Wärmedämmqualität des Speichers zu. Für größere
Anlagen ist eine Frage entscheidend: „Wie
müssen Kombianlagen beschaffen sein, so
dass Solarkreis, Raumheizungskreis, Nachheizung und Speicher optimal zusammen
arbeiten?“
Solarsystem, solare
Wärmenutzung
Das Solarsystem ist in zwei von einander getrennten Teilsystemen ausgeführt, die im
Speicherbereich zusammengeführt wurden.
Das Pufferspeicher-Volumen von insgesamt
35 m3 ist aufgeteilt in zwei 15 m3 -Speichergruppen sowie einen weiteren Pufferspeicher (5 m3), der für die Anbindung der
Trinkwasservorwärmung und der Schwimmbadnachheizung sorgt. Hinzu kommt eine
DDC-Regelung für die Belade- und Entladekreise (s. Abb. 4).
Zwei Dachflächen des Hauptgebäudes wurden vollständig mit Flachkollektoren belegt
(dachintegriert, Südausrichtung +/- 20%).
Die Dacheindeckung (Tondachziegel) wurde
abgenommen, um sie für einen andernorts
geplanten Neubau wieder verwenden zu
können. Die aktive Kollektorfläche beträgt
646 m2, bestehend aus zweimal 32 Großkollektoren zu je 10 m2 Absorberfläche. Hydraulisch sind die Kollektorfelder in jeweils 8
parallel geschaltete Stränge mit je 4 in Reihe
angeordneten Kollektoren geschaltet.
Durch die Solaranlage wird die von den
Lüftungsanlagen angesaugte Außenluft je
nach Außenlufttemperatur und solarem
Energieangebot vorerwärmt. Um Verluste
im Temperaturniveau zu vermeiden und zur
Gewährleistung der Frostsicherheit wird
die Wärme direkt aus den Kollektorkreisen
(d.h. den Pufferspeichern) entnommen. Die
Patientenzimmer der Rehaklinik verfügen
über eine eigene Sanitärzelle, die über eine
Lüftungsanlage belüftet und gleichzeitig
Abb 4: Schaltschema der Solaranlage
Abb 5: Teilansicht des westlichen Kollektorfeldes mit Firstkonstruktion
Heizungsunterstützung
Luftvorwärmung
Kollektorfelder:
2 x 323 m2
Abluft
5 Schichtenladespeicher gesamt 35 m3
Zuluft
Trinkwasservorwärmung
Kaltwasserzulauf
Pumpe
Pumpe
Pumpe
Wärmeübertrager
Kollektorkreis
Speicherbeladung
Beckenwassernachheizung
Speicherentladung
beheizt werden. Die Lüftungsanlagen sind
in den Dachräumen der Gebäudeteile untergebracht. Um die Wärme der Solarsysteme
über das Jahr verteilt optimal für die
Heizungsunterstützung nutzen zu können,
erfolgt sowohl eine Luftvorerwärmung wie
auch eine Nachheizung. Die beschriebene
Einbindung des Solarsystems in ein Be- und
Entlüftungssystem zur Heizungsunterstützung ermöglicht gerade im Winter und in
den Übergangszeiten eine effektive Nutzung
der Wärme. In den Sommermonaten sinkt
der Wärmebedarf zur Lufterwärmung. Eine
䊳
Wärmeübertrager
Entladekreise
Schwimmbecken
entsprechende Anlagenkonfiguration sorgt
dafür, dass die Solarwärme dann vorrangig
der Trinkwasser- und Therapiebeckenerwärmung (Wassertemperatur ganzjährig
32°C) zugeführt wird. In der strahlungsreichen Zeit von Mai bis September wird
der Bedarf für die Trinkwassererwärmung
(10 m3/d) und die Beckenwassererwärmung
damit weitgehend durch die Solaranlage
gedeckt.
Abb 6: Kenndaten Solaranlage
Betreiber
Deutsche Rentenversicherung Bund
Kollektorfläche
646 m2
Solare Pufferspeicher
35 m3 (4x7,5 m ; 1x5 m )
3
3
Solarer Deckungsanteil am
Wärmebedarf für Trinkwasserund Beckenwassererwärmung 39,7%
sowie Luftheizung
(1.1.-30.9.2007)
ca. 22.000 m3
Erdgas jährlich
Einsparung an
fossiler Energie
Gesamtkosten Solaranlage
inkl. Messtechnik
(Kollektoren, Netz, Speicher,
Messtechnik, Betrieb, MWSt.)
543.800 Euro
davon Systemkosten
Solaranlage
(inkl. Planung und MWSt.)
714 Euro/m2
Betriebserfahrungen
Die Anlage wurde im Juli 2003 in Betrieb
genommen und seit April 2004 im Rahmen
eines dreijährigen Intensiv-Messprogramms
durch die TU Ilmenau vermessen und
gemeinsam mit Betreiber und Planer optimiert. Im ersten Messjahr ergaben sich
mehrfach Probleme durch die schlechte
Rücklaufauskühlung sämtlicher Speicherentladekreise – sowohl für die Lufterwärmung wie auch für die Trinkwasservorwärmung und Schwimmbadnachheizung.
Durch Einsatz einer PumpenleistungsRegelung bzw. deren Optimierung konnte
Abhilfe geschaffen werden. Stark schwankende bzw. fehlangepasste Volumenströme
in den Wärmetauschern verhinderten eine
Ausbildung der Temperaturschichtung in
den Pufferspeichern und führten damit zu
verminderten Kollektorwirkungsgraden.
Denn auch optimal ausgelegte Wärmetauscher nützen nichts, wenn die Volumenströme der beiden Kreisläufe nicht aufeinander
abgestimmt sind. Ein weiteres Problem
war die exakte Anpassung der Lastkreise
(Heizung, Lüftung) an das Solarsystem. Sie
ist die Vorraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb. Dazu sollte das Kollektorfeld
mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen
betrieben werden.
Künftig ließe sich noch die Speicherentladung
für die Lufterwärmung verbessern. Problematisch ist auch hier die ungenügende Angleichung der Volumenströme auf beiden Seiten
der Wärmetauscher. In der Vorsaison des
Jahres 2007 wurde zusätzlich das kleine Therapie-Schwimmbecken an die Solarsysteme
angeschlossen. Die bestehenden Gaskessel
gingen oftmals nur zum Nachheizen dieses
Beckens in Betrieb. Gerade in der strahlungsreichen Sommerzeit – wenn die Wärmeabnahme durch die Lüftungssysteme gering oder
gar nicht vorhanden ist – macht sich die Einbindung einer zusätzlichen Last positiv bemerkbar. Mit dieser Maßnahme ist deshalb
eine weitere Steigerung des solaren Ertrags
zu erwarten.
Bereits 2004 kam es zu Undichtigkeiten im
Bereich der Kollektorzwischenräume, weil
sich Dichtungsstreifen durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungen zwischen Dichtungsstreifen und Profilnuten der Kollektorrahmen
verschoben hatten. Eine veränderte Ausführung der Dichtbleche wurde erforderlich.
Während der Dachsanierungsarbeiten wur-
de an einigen Kollektoren ein großflächiger
Beschlag festgestellt, der nach Prüfung ausgetauschter Kollektoren auf Undichtigkeiten
in der inneren Kollektorverrohrung zurückzuführen war. 2007 wurden erneut Druckabfall und Flüssigkeitsverlust im Kollektorfeld festgestellt, so dass Anfang 2008 ein Austausch von 12 Kollektoren mit jeweils 10 m2
Fläche notwendig wird. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage wird hiervon noch nicht berührt, weil der Hersteller im Rahmen der
Gewährleistung die Kosten der Reparatur
übernimmt.
Regelung
Großes Optimierungspotenzial besteht auch
bei der Regelung des Gesamtsystems. Hinzu
kommt: Nur eine ständige Funktionsüberwachung solarthermischer Anlagen sichert ihren
zuverlässigen Betrieb. DDC-Regelungen bzw.
Gebäudeleitsysteme sind aufgrund ihrer
freien Programmierbarkeit hierzu prinzipiell
gut geeignet. Begleitende Schulungen sind
vorteilhaft, um in der Praxis schlecht funktionierende Anlagen zu verhindern.
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3
PROJEKTORGANISATION
Abb 7: Entwicklung der Solarerträge und Nutzwärmekosten
Solargarantieertrag
[ % ] erfüllt?
Systemnutzungsgrad-Garantie
[%]
erfüllt?
Nutzwärmekosten bei
Systemnutzungsdauer
[Euro/kWh]
Rehaklinik Bad Frankenhausen
Ertrag
[kWh/a]
geplanter Solarertrag
298.440
korrigierter Solarertrag unter
realen Betriebsbedingungen
253.886
1. Messjahr
(01.04.04–31.03.05)
196.386
84,1
nein
84,9
nein
0,205
2. Messjahr
(31.03.05–30.03.06)
226.974
90,8
ja
90,0
ja
0,177
3. Messjahr
(30.03.06–29.03.07)
238.662
94,0
ja
92,0
ja
0,169
0,135
Der ursprünglich geplante Solarertrag von ca. 300 MWh/a erwies sich unter den tatsächlichen
Betriebsbedingungen – im Ergebnis der wissenschaftlichen Begleitforschung – als zu optimistisch. Eine entscheidende Ursache war, dass bei der Planung des komplexen Solarsystems mit
drei verschiedenen Wärmeabnehmern geeignete Simulationsprogramme nicht zur Verfügung
standen bzw. das Solarsystem simulationstechnisch nicht exakt abgebildet werden konnte.
Fazit
PROJEKTADRESSEN
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Wissenschaftlich-technische
Projektbegleitung
• Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Fachgebiet Thermo- und
Magnetofluiddynamik
Jürgen Bühl
Postfach 10 05 65
98684 Ilmenau
Links, Literatur
• www.solarthermie2000.de
• www.maschinenbau.tu-ilmenau.de
• www.energiesparendes-krankenhaus.de
Träger der Einrichtung
• Deutsche Rentenversicherung Bund
Dietmar Tolksdorf
Harald Krischausky
10704 Berlin
Service
• Ergänzende Informationen sind bei
BINE im Internet unter www.bine.info
(Service/InfoPlus) abrufbar
Planer
• LiS Licht- und
Solartechnik Sondershausen
Dora Reich
Carl-Schroeder-Straße 5
99706 Sondershausen
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Die Energieversorgung in Kliniken und Krankenhäusern sorgt dafür, dass der Aufzug
funktioniert, der OP-Trakt oder Therapieraum zuverlässig beheizt und kontinuierlich
belüftet ist. Große solarthermische Anlagen können die Wärmeversorgung wie im Fall
der Rehaklinik Bad Frankenhausen substanziell ergänzen. Die dortige Pilotanlage ist
eine der ersten großen Kombianlagen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung innerhalb des Förderprogramms „Solarthermie2000“. Nach Schwierigkeiten zu Beginn des Probebetriebs läuft die Anlage inzwischen zufriedenstellend –
bei stetig steigenden Solarerträgen. Die Fehlanpassung der Volumenströme in den
Wärmetauschern verhinderte zum damaligen Zeitpunkt die Ausbildung der Temperaturschichtung in den Pufferspeichern und führte damit zu verminderten Kollektorwirkungsgraden. Seit dem 2. Messjahr wird die solare Ertragsgarantie jedoch
erfüllt. Nach erfolgreicher Optimierung der Anlage konnte bis Ende September 2007
ein solarer Deckungsanteil von nahezu 40% erreicht werden (in 2006: 31%). Die
Nutzwärmekosten der bereitgestellten Wärme betrugen im 3. Messjahr (bis Ende
März 2007) rund 0,17 Euro/kWh. Die Vorschläge zur Optimierung der Anlage,
zur Regelung bzw. Betriebsweise sind weitgehend realisiert worden. Der Vergleich der
Ertragszahlen aus den vergangenen Betriebsjahren macht deutlich, dass sich die
Bemühungen gelohnt haben.
Die inzwischen guten Ergebnisse der Solaranlage in Bad Frankenhausen werden zu
einer breiteren Anwendung dieser Technologie beitragen – als wirtschaftliche, technisch ausgereifte Ergänzung zur konventionellen Wärmeversorgung. Nicht zuletzt
deshalb, weil die Deutsche Rentenversicherung über 30 weitere Rehakliniken mit
ähnlichen energetischen Anforderungen betreibt.
BINE projektinfo 11/07
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Außenstelle Berlin
Postfach 61 02 47
Dr. Peter Donat
10923 Berlin
■ Förderkennzeichen
0329604A
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
FIZ Karlsruhe
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Nachdruck
Nachdruck des Textes nur zulässig bei
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■ Autor
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• Abb. 4: TU Ilmenau
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KERSTIN CONRADI · Mediengestaltung, Hennef
䊳
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Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
11055 Berlin