DE10048035A1 - Verfahren und Einrichtung zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Solarenergie - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels SolarenergieInfo
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Abstract
Die Nutzung von Solarenergie für die Gebäudeheizung in den Wintermonaten gelingt bisher nur in Ausnahmefällen mit sehr teuren sogenannten Vakuumkollektoren. Auch diese können bei anhaltend niedrigen Außentemperaturen jedoch den Wärmebedarf eines Hauses selbst bei relativ hohem Dachflächenanteil (Ein- und Zweifamilienhäuser) nur teilweise decken, da die üblichen Warmwasserspeicher einen erhöhten Wärmebedarf bestenfalls über einige Tage ausgleichen können. DOLLAR A Nach dem vorliegenden Verfahren werden als Dach des Gebäudes mindestens teilweise Dacheindeckungselemente verwendet, die unter Vermeidung einer Glasabdeckung als solare Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-Module ausgebildet sind. Der von den Dacheindeckungselementen erzeugte Strom wird mindestens teilweise zum Betrieb einer Wärmepumpe genutzt, über die mit der in den Dacheindeckungselementen erzeugten Wärmeenergie während der einstrahlungsreichen Jahreszeit teilweise ein Brauchwasserkreislauf und zum anderen ein Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird, aus dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, bei ungenügender Sonneneinstrahlung die Gebäudebeheizung und der Warmwasserkreislauf betrieben werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Beheizung, Warmwasser- und
Stromversorgung von Gebäuden mittels Solarenergie.
Solarenergie wird in der modernen Gebäudetechnik
bereits vielfältig zur Erzeugung von Strom oder
Warmwasser genutzt. Während der Wirkungsgrad sowohl von
fotovoltaischen Solarstromanlagen als auch von
thermischen Solarkollektoren inzwischen bereits
befriedigende Werte aufweist, zwingt die tages- und
jahreszeitlich unterschiedliche Einstrahlung der
Sonnenenergie nach wie vor zu erheblichen technischen
Aufwendungen bezüglich der Speicherung und Verwertung
der Energie. So müssen zur Netzeinspeisung von
fotovoltaisch erzeugtem Strom Wechselrichter und
Stromzähler bereitgehalten werden. Für einen ebenso
möglichen Inselbetrieb einer Fotovoltaikanlage sind
raumaufwendige Batterieanlagen nötig.
Wärmekollektoren können einen Beitrag zur
Bereitstellung der benötigten Gebäudeenergie in der
Regel nur in den strahlungsreichen Sommermonaten in
Form von erwärmtem Brauchwasser liefern. Wünschenswert
wäre es dagegen, solare Warmwasserenergieanlagen auch
für die Gebäudeheizung in den Wintermonaten nutzen zu
können, was bisher in Ausnahmefällen nur mit sehr
teuren sogenannten Vakuumkollektoren möglich ist. Auch
diese können bei anhaltend niedrigen Außentemperaturen
jedoch den Wärmebedarf eines Hauses selbst bei relativ
hohem Dachflächenanteil (Ein- und Zweifamilienhäuser)
nur teilweise decken, da die üblichen
Warmwasserspeicher einen erhöhten Wärmebedarf
bestenfalls über einige Tage ausgleichen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung anzugeben, mit denen der jahres-
und tageszeitliche Unterschied von verwertbarer
Sonnenenergie und benötigtem Warmwasser zur
Gebäudeheizung und als Brauchwasser besser ausgeglichen
werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die
Merkmale der Ansprüche 1 und 6. Zweckmäßige
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach werden für das Dach des Gebäudes mindestens
teilweise Dacheindeckungselemente verwendet, die unter
Vermeidung einer Glasabdeckung als solare
Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-
Module ausgebildet sind. Der von diesen
Dacheindeckungselementen erzeugte Strom wird mindestens
teilweise zum Betrieb einer Wärmepumpe genutzt, über
die mit der von den Dacheindeckungselementen erzeugten
Wärmeenergie während der einstrahlungsreichen
Jahreszeit teilweise ein Brauchwasserkreislauf und zum
anderen ein Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird,
aus dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, die
Gebäudeheizung betrieben wird.
Die Gebäudeheizung ist zweckmäßig als Niedertemperatur-
Flächenheizung (Fußbodenheizung, Wandheizung,
Deckenheizung) ausgebildet.
Überschüssige Elektroenergie aus der Solarstromanlage
kann gegebenenfalls ins Netz abgegeben oder in
Batterien gespeichert werden.
Zweckmäßig werden die Strom- und Wärmeflüsse mittels
einer angepassten Steuerung über einen Algorithmus zum
Energiemanagement so gesteuert, dass im Jahresmittel
eine positive Energiekostenbilanz oder wenigstens ein
Energiekostenminimum im Gebäude erreicht wird, wobei
die Einspeisevergütung Berücksichtigung findet.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht
erfindungsgemäß aus Dacheindeckungselementen, jedes
bestehend aus einer Dachschare aus Profilblech,
mindestens einem oberseitig aufgebrachten Solar-Laminat
und unterseitig aufgebrachten Rohren zur Ableitung von
solar erwärmtem Wasser, sowie einer Wärmepumpe, einem
Netzeinspeise-Wechselrichter und/oder einem
Akkumulatorsystem, einem Erdwärmespeicher, einer
Niedertemperatur-Flächenheizung und einem Steuergerät.
Nach einer bevorzugten Variante sind die
Dacheindeckungselemente zusätzlich mit einer
unterseitigen Wärmedämmung versehen.
Nach einer weiteren Varante kann ein Warmwasserspeicher
nach dem Durchlauferhitzer-Prinzip Verwendung finden.
Das bedeutet, dass das Wasser im Warmwasserspeicher
nicht direkt als Brauchwasser verwendet wird, sondern
dass mit dem Wasser des Warmwasserspeichers im
Durchlauf Brauchwasser erhitzt wird, so dass als
solches immer Frischwasser benutzt wird.
Dacheindeckungselemente zur Solarstromerzeugung,
sogenannte BIPV-Module sind an sich bekannt. Sie sind
möglich geworden durch die Entwicklung eines flexiblen
Modulaufbaus, bei dem auf eine Glasabdeckung, wie sie
bei Silizium-Modulen unerläßlich ist, verzichtet werden
kann. Sie haben den Vorteil, daß die Solarzellen
weniger stark erwärmt werden und so ihre
Leistungsfähigkeit behalten. Höher erwärmte Solarzellen
mit der bisher üblichen Glasabdeckung leiden dagegen
stark unter temperaturabhängiger Leistungsverminderung.
Ebenso an sich bekannt sind Wärmekollektoren, die als
Dacheindeckungselemente, d. h. als konstruktive
Bestandteile des Gebäudedaches, ausgebildet sind. Um in
einem sinnvollen Arbeitstemperaturbereich zu arbeiten,
sind derartige Kollektoren bisher stets mit einer
Glasabdeckung versehen.
Im Zusammenhang mit der verfahrensgemäß vorgesehenen
Wärmepumpe und dem Langzeitspeicher macht die
gemeinsame Verwendung von Solarstrom- und
Wärmekollektor-Dachelementen den Sinn, daß eine weitaus
größere Dachfläche ausgenutzt werden kann, wobei die
Solarwärme den Dachkollektoren mit niedriger Temperatur
entnommen wird. Die durch die Wärmepumpe
"hochtransformierte" Energie des dann in einem
Langzeitspeicher gespeicherten Wassers hat im Winter
noch die für eine Flächenheizung nötige Temperatur.
Die Verwendung von Niedrigtemperatur-Wärmekollektoren,
das heißt die Vermeidung einer Glasabdeckung, hat
darüber hinaus den Vorteil, daß die sogenannte
Stillstandstemperatur der Warmwasseranlage (Temperatur
in den Sommermonaten bei stärker Sonneneinstrahlung und
fehlender Wärmeabfuhr) sehr viel niedriger liegt,
wodurch erhebliche Konstruktions-, Material- und
Steuerungsprobleme, z. B. hinsichtlich einer
"Abkochsicherung" vermieden werden.
Wärmepumpen sind im Zusammenhang mit der Gebäudeheizung
bisher nur in Verbindung mit der Erdwärmeausnutzung
gebräuchlich. Im Zusammenhang mit dem vorliegenden
Verfahren erschließt sich eine ganz neue Möglichkeit
zur Anwendung von Wärmepumpen. Hochwertige Kollektoren
im Dachbereich sind nicht mehr erforderlich, da die
Solarwärme den Kollektoren bei geringer
Wassertemperatur entnommen werden kann, wenn dieser
Kreislauf im Sommer über die Wärmepumpe geführt wird.
Durch das Zusammenwirken der Solartechnologie, der
Wärmepumpentechnik und einer Erdreichspeicherung
entsteht eine Energieerzeugungsanlage, die im
wesentlichen ohne weitere Elektroenergiezufuhr auskommt
und die in der Lage ist, den Energiebedarf der in einem
Gebäude lebenden Menschen bezüglich Heizung und
erwärmten Brauchwasser voll zu decken.
Erdreichspeicher, die mehr oder weniger tief im Boden
angeordnet sind, sind zur Speicherung von Heißwasser
bekannt. Während die üblichen Warmwasserspeicher für
Brauchwassersysteme die Energie bestenfalls wenige
Wochen zu speichern vermögen, sind derartige
Erdreichspeicher in der Lage, saisonal Wärmeenergie zu
speichern, daß heißt vom Sommer in den Winter zu
übertragen.
Einen Erdreichspeicher zusammen mit einer Wärmepumpe zu
betreiben hat sich bisher nicht angeboten, da mit den
üblichen Hochtemperatur-Kollektoren eine Wärmepumpe
höchstens im Winter benötigt würde. Da die Solarthermie
im Winter aber ohnehin marginale Erträge zeigt und man
möglichst keine zusätzliche konventionelle Energie
(hier zusätzliche Elektroenergie aus dem Netz zum
Betreiben der Wärmepumpe) bereitstellen möchte, hat man
auf diese mögliche Nutzung der Solarenergie im Winter
gerne verzichtet.
Es versteht sich, daß die genannten Komponenten von
einer intelligenten Steuerung geregelt werden, die eine
Systemoptimierung im Sinne geringster Energiekosten für
das Gebäude bewirkt. Bei einer entsprechend hohen
Netzeinspeisevergütung für Solarstrom kann es
beispielsweise sinnvoll sein, möglichst viel Solarstrom
erst einmal in das Netz eines
Energieversorgungsunternehmens einzuspeisen, um dann
die Wärmepumpe quasi indirekt an der Kollektoranlage zu
betreiben, in dem hierfür billiger Netzstrom genutzt
wird.
Gegebenenfalls wird der übliche Brauchwasserspeicher
überhaupt nicht mehr benötigt. Soweit warmes
Brauchwasser mit einer Temperatur, die höher ist als
die, welche das Solardach momentan erzeugt, benötigt
wird, z. B. nachts oder bei Schlechtwetter, kann dieses
über die Wärmepumpe dem Erdreichspeicher entnommen
werden.
In den beigefügten Zeichnungen wird ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Es stellen
dar:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Strom-,
Warmwasser- und Heizenergieversorung eines
Gebäudes und
Fig. 2 ein Hybrid-Solardach, bestehend aus BIPV-
Dacheindeckungselementen mit integriertem
Wärmekollektor.
Auf dem Dach eines Gebäudes, das Fig. 1 zeigt, sind
eine Fotovoltaikanlage und eine Kollektoranlage
installiert. Beide bilden gemeinsam die
Dacheindeckungselemente 1, wie in Fig. 2 noch näher
dargestellt ist, wobei die gesamte Südseitendachfläche
des Gebäudes, bei einem Einfamilienhaus mindestens
60 m2, ausgenutzt ist.
Die Dacheindeckungselemente 1 sind über eine Wärmepumpe
3 einmal mit einem Erdreich-Wärmespeicher 4 im
Fundamentbereich des Gebäudes verbunden, zum anderen
mit einem Warmwasserspeicher 5. Der Betrieb der
Wärmepumpe 3 erfolgt über die Fotovoltaikanlage der
Dacheindeckungselemente 1 und eine Pufferbatterie 6b.
Das in den in den Dacheindeckungselementen 1
integrierten Wärmekollektor-Röhren 14 erwärmte Wasser
versorgt zunächst über die Wärmepumpe 3 den
Warmwasserspeicher 5. Darüber hinaus wird die in den
Wärmekollektor-Röhren 14, insbesondere bei hoher
Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten gewonnene
Energie in Form von Warmwasser, dessen Temperatur von
der Wärmepumpe 3 "hochtransformiert" wurde, im
Erdreich-Wärmespeicher 4 gespeichert.
Für flächige Erdreich-Wärmeentnahme ohne zuvor
zusätzlich eingetragene Wärmeenergie beträgt das
benötigte Arial etwa das ein bis zweifache der
beheizten Wohnfläche. Bei Einspeicherung der gewonnenen
solaren Wärmeenergie im Fundamentbereich ist somit die
Grundrißfläche des Hauses mit Sicherheit voll
ausreichend.
Es ist auf diese Weise möglich, den Heizwärmebedarf
ganzjährig aus solar erzeugter Energie zu decken. Im
Winter liefert der Erdreich-Wärmespeicher 4 den
überwiegenden Anteil der Heizenergie für das Gebäude an
eine Fußbodenheizung 7. Außerdem kann auch im Winter
Warmwasser als Brauchwasser bereitgestellt werden,
indem Wasser aus dem Erdreich-Wärmespeicher 4 entnommen
und über die Wärmepumpe 3 erwärmtes Wasser an den
Warmwasserspeicher 5 geliefert wird. Die Wärmepumpe 3
muß zu diesem Zweck entsprechend umgeschaltet werden.
Die Steuerung der Wärmepumpe 3 sowie von Pumpen 8 im
Kollektor-, Brauchwasser-, Heizungs- und Erdspeicher-
Kreislauf erfolgt über eine Ansteuerlogik 2, z. B.
mittels Mikroprozessor, die alle gebäudetechnischen
Steuerungsaufgaben z. B. die Einhaltung der geforderten
Raum- und Brauchwassertemperatur sowie die Einspeisung
der restlichen solaren Wärmeenergie in den Erdreich-
Wärmespeicher 4 oder die Entnahme fehlender
Wärmeenergie aus dem Erdreich-Wärmespeicher 4
übernimmt. Zugleich wird durch die Steuerung der
Solarstrom kostenoptimal aufgeteilt zur Versorgung der
Wärmepumpe 3 und weiterer elektrischer Verbraucher 10
im Gebäude oder zur Netzeinspeisung über einen
Einspeise-Wechselrichter 6a (alternativ zur
Abspeicherung in einer Akkumulatoranlage 6b) bzw. es
wird bei ungenügender Solarstrom-Produktion elektrische
Energie für die Wärmepumpe 3 oder anderer elektrischer
Verbraucher 10 dem Netz oder der Akkumulatorenanlage 6b
entnommen ("Energiemanagement").
Fig. 2 zeigt ein Dacheindeckungselement 1, das zur
Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Eine
Dachschare 12 ist oberseitig vollflächig mit flexiblen
Solar-Laminaten 13 beklebt. Mit der Unterseite der
Dachschare 12 aus Blech sind Wärmekollektor-Röhren 14
wärmeleitend verbunden. Zusätzlich ist unterseitig eine
Wärmeisolation 15 mit der Dachschare 12 verbunden. Mit
dieser Übereinander-Anordnung kann die vorhandene
Dachfläche optimal zur Aufnahme der Solarenergie
genutzt werden. Im Gegensatz zu bisher bekannten
solaren Strom- oder solaren
Warmwassererzeugungsanlagen, die nachträglich auf ein
vorhandenes Dach aufmontiert werden, kann ein
derartiges Hybrid-Dacheindeckungselement vorteilhaft
industriemäßig vorgefertigt werden.
1
Dacheindeckungselemente
2
Ansteuerlogik
3
Wärmepumpe
4
Erdreich-Wärmespeicher
5
Warmwasserspeicher
6
a Netzeinspeise-Wechselrichter
6
b Akkumulatoranlage
7
Fußbodenheizung
8
Pumpe
9
Warmwasser-Entnahme
10
Elektrischer Verbraucher
11
-
12
Dachschare
13
Solarlaminat
14
Wärmekollektor-Röhren
15
Isolierung
Claims (8)
1. Verfahren zur Beheizung, Warmwasser- und Strom
versorgung von Gebäuden mittels Solarenergie,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Dach des Gebäudes mindestens teilweise
Dacheindeckungselemente verwendet werden, die unter
Vermeidung einer Glasabdeckung als solare
Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-
Module ausgebildet sind, und der von den
Dacheindeckungselementen erzeugte Strom mindestens
teilweise zum Betrieb einer Wärmepumpe genutzt
wird, über die mit der in den
Dacheindeckungselementen erzeugten Wärmeenergie
während der einstrahlungsreichen Jahreszeit
teilweise ein Brauchwasserkreislauf und zum anderen
ein Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird, aus
dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, bei
ungenügender Sonneneinstrahlung die
Gebäudebeheizung und der Warmwasserkreislauf
betrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Gebäudebeheizung eine Niedertemperatur-Flächen
heizung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die von den Dacheindeckungselementen erzeugte
elektrische Energie mindestens teilweise in
Batterien gespeichert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der von den Dacheindeckungselementen erzeugte Strom
mindestens teilweise in das Netz eines
Energieversorgungsunternehmens abgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Steuerung über einen Algorithmus zum Energie
management die Strom- und Wärmeflüsse unter
Berücksichtigung der Einspeisevergütung so steuert,
dass im Jahresmittel eine positive
Energiekostenbilanz oder wenigstens ein
Energiekostenminimum im Gebäude erreicht wird.
6. Einrichtung zur Gewinnung und Nutzung von
Solarenergie,
gekennzeichnet durch
die Verbindung von Dacheindeckungselementen (1),
jedes bestehend aus einer Dachschare (12) aus
Profilblech, mindestens einem oberseitig
aufgebrachten Solar-Laminat (13) und unterseitig
angebrachten Rohren zur Ableitung von solar
erwärmtem Wasser (14),
mit einer Wärmepumpe (3) sowie einem Netzeinspeise-
Wechselrichter (6a) und/oder einem
Akkumulatorsystem (6b), einem Erdwärmespeicher (4),
einer Niedertemperatur-Flächenheizung (7) und einem
Steuergerät (2).
7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Dacheindeckungselemente zusätzlich mit einer
unterseitigen Wärmedämmung(15) versehen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich ein Warmwasserspeicher (5) nach dem
Durchlauferhitzer-Prinzip Verwendung findet.
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DE10048035A DE10048035B4 (de) | 2000-09-26 | 2000-09-26 | Verfahren und Einrichtung zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Solarenergie |
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DE10048035B4 DE10048035B4 (de) | 2006-03-30 |
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