Kontaktieren Sie uns:

Systemkonzepte

Im Kontext der Nutzung von TABSOLAR®-Elementen als Wärmequelle werden verschiedene Speicher- und Einbindungskonstellationen analysiert. Energetische Fragestellungen Rund um die Auslegung von Quelle, Speicher und Wärmepumpe sind dabei ein zentraler Teil. Quellseitige Speicher prägen durch ihre Eigendynamik bzw. sensibles oder latentes Verhalten den zeitlichen Verlauf der Betriebstemperaturen der Quelle; bei der Optimierung spielen auch Fragen nach geeigneten Hydrauliken und Regelungsstrategien eine wichtige Rolle.   Bereits im vorangehenden Projekt wurden Simulationen zur quellseitigen Kopplung von TABSOLAR®-Elementen mit einem Eisspeicher durchgeführt. In einem weiteren Arbeitspaket wird untersucht, inwieweit im Sanierungsfall eine Beton-Bestandsdecke mittels TABSOLAR®-Elementen thermisch aktiviert werden kann. Dies wird im Abschnitt TABSOLAR®-Bauteilaktivierungs-System näher beschrieben.

Hintergrundinformationen: Komplexes Zusammenwirken unterschiedlicher Betriebszustände

Die Besonderheit beim Betrieb der Niedertemperaturkollektoren ist, dass die Entzugsleistung entscheidend das Quellentemperaturniveau bestimmt. Unter diesem Aspekt ist eine Verteilung der Quellenlast auf größere Zeiträume anzustreben, um die Leistungen und somit die Temperaturdifferenzen zu minimieren; gleichzeitig ist eine Priorisierung der Zeitspannen mit hoher Einstrahlung sinnvoll. Da der Quelle im Regelfall auch in Zeiten ohne Einstrahlung Energie entzogen werden muss, spielt der Betrieb bei einer mittleren Kollektortemperatur unter Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle. Für diesen Fall ist eine spektralselektive Beschichtung des Betons, die die Performance unter mittlerer bis hoher Einstrahlung verbessert, kontraproduktiv, da der verminderte Strahlungsaustausch das resultierende Quellentemperaturniveau bei vorgegebener Leistungsentnahme senkt. Dieser konstruktive Zielkonflikt steht in engem Verhältnis zur Anlagen- und Speicherkonfiguration. Abhängig vom jährlichen Lastprofil und den Dimensionierungen sowie von der Ausrichtung der Quellenkollektoren ändert sich der Anteile des Betriebs bei positivem gegenüber dem beim negativem Temperaturgradienten.

Systeme mit TABSOLAR®-Elementen

Grundlegend ist eine TABSOLAR®-Installation analog zu klassischen Systemen aufgebaut, die eine Sole- oder Luftwärmepumpe mit solarthermischen Kollektoren kombinieren; Quelle und Kollektorsystem werden durch die unterschiedlichen TABSOLAR®-Elemente an der Fassade ersetzt:

Grundlegender Systemaufbau


TABSOLAR® Design dient im einfachsten Fall direkt als Wärmequelle für eine Wärmepumpe, es wird kein quellseitiger Speicher benötigt. TABSOLAR® Premium lädt den Heißwasserspeicher direkt; zwischengeschaltet ist ein Wärmeübertrager, der den Sekundärkreislauf über eine Ladelanze mit dem primären Solarkreislauf koppelt (nicht abgebildet). Alternativ ist eine Durchströmung der verglasten Elemente mit Speicherwasser, bzw. die Umsetzung eines Drain-Back-Systems möglich. In Systemen ohne quellseitigen saisonalen Speicher wird eine Wärmepumpe eingesetzt, deren Betriebsbereich bis zu einer Quelleneintrittstemperatur von -17 °C reicht. Wird diese für die Deckung der maximalen Heizlast ausgelegt, kann auf eine elektrische Zusatzheizung verzichtet werden.

Drei Varianten möglicher Quellsysteme mit unabgedeckten Elementen der Produktfamilie TABSOLAR® Design


Quellseitige Speicher können die Performance steigern. Insbesondere bei großzügig dimensionierten Quellflächen mit hoher Einstrahlung wirkt sich die Installation eines Sole-Puffers positiv auf die Ausnutzung der solaren Gewinne aus. Ein Quellentemperaturniveau, das auch im Winter nicht unter 0 °C sinkt und so durchgehend einen sehr effizienten Wärmepumpenbetrieb ermöglicht, ist nur in Kombination mit einem großen Eisspeicher zu erreichen. Dies geht jedoch mit einer deutlichen Erhöhung der System-Komplexität und des Investitionsaufwands einher.

Planungskarte

Ein Entwicklungsziel im Projekt ist eine Methodik, die in der frühen Planungsphase für konkrete Neubau- oder Sanierungssituationen Aussagen darüber liefern kann, welche Konstellationen mit höherem Detaillierungsgrad zu simulieren sind, um mit minimiertem Aufwand eine bestmögliche Systemauslegung gewährleisten zu können. Für die Planung der Fassaden sind dabei insbesondere Informationen über die erforderlichen Flächen und zum sinnvollen Anteil verglaster Kollektoren wichtig. Durch die theoretische Untersuchungen im Projekt wird dafür eine wissenschaftlich fundierte Grundlage geschaffen. Als Simulationssoftware wird POLYSUN für die Fragestellungen im Systemkontext verwendet, während MODELICA für die Untersuchungen detaillierterer Fragestellungen auf Komponentenebene zum Einsatz kommt. Auf Grundlage von Systemsimulationen verschiedener Quellen- und Speicherkonstellationen werden im Projekt Regeln und Vorgehensweisen für die Auslegung von TABSOLAR®-Systemen erarbeitet. Im Folgenden wird ein Ansatz vorgestellt, der die wichtigsten Aspekte (Fassadengestaltung, Kosten  und Effizienz) grafisch verknüpft; zentral ist dabei die Dimensionierung und Ausrichtung der unabgedeckten und verglasten aktiven Flächen. Es besteht eine bidirektionale planerische Einstiegsmöglichkeit: wahlweise Vorgabe der zu erzielenden System-Effizienz oder Beginn mit einer Fassadenbelegung oder Kostenrandbedingung. Sowohl aus energetischer Sicht als auch von Seiten des Architekten/Fassadenplaners haben die thermisch aktiven Fassadenflächen, deren Orientierung und die Ausführung (TABSOLAR® Design | Premium | Economy) den größten Einfluss auf die Konfiguration. Daher steht deren Beschreibung im Zentrum der Planung: Die spezifische unabgedeckte Quellen-Fläche ist in der folgenden Darstellung auf der horizontalen Achse, die Größe der verglasten Fläche in der Vertikalen aufgetragen. Als zentrale Bewertungsgröße, um die Effizienz des Gesamtsystems zu charakterisieren, wird die System-Jahresarbeitszahl herangezogen. Sie beschreibt das Verhältnis aus der über ein Jahr bereitgestellten Wärmemenge und der eingesetzten elektrischen Energie (Wärmepumpe + sämtliche Umwälzpumpen).

Beispiel

Für das Szenario eines sanierten Ein- oder Zweifamilienhauses mit Niedertemperaturflächenheizung und Wärmepumpe, die als monovalentes System ohne Heizstab ausgelegt wird, bildet die gezeigte Planungskarte das Ergebnis der Systemsimulationen ab.

Die gestrichelten Pfeile entsprechen der folgenden Konfiguration:

Es resultiert eine zu erwartende System-Jahresarbeitszahl von 5,5 und eine vorgeschlagene Speichergröße von 1700 Liter  (170 Liter/kW).


Beispiel einer durch Simulationen erstellten Planungskarte zur Ermittlung der Systemjahresarbeitszahl (SJAZ) eines Wärmepumpensystems mit TABSOLAR® Premium und TABSOLAR® Design


Dieser Abbildungszusammenhang bildet in einer linearisierten Form die Datenbasis für die Berechnungen in der Augmented-Reality-App und wird auch im Webkonfigurator für die Realisation der Vorauslegung eingesetzt.