DE10048035B4

DE10048035B4 - Verfahren und Einrichtung zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Solarenergie

Info

Publication number: DE10048035B4
Application number: DE10048035A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Kalberlah
Original assignee: BIPV SOLARMODUL FABRIK BERLIN; BIPV SOLARMODUL FABRIK BERLIN GmbH
Current assignee: EUROSUN SOLARTECHNIK UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT),, DE
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: DE10048035A1

Abstract

Verfahren zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Dacheindeckungselementen, die als solare Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-Module ausgebildet sind und bei denen die Wärmekollektoren wahlweise einen Brauchwasserkreislauf, einem Heizkreislauf und/oder einen Langzeit-Erdreichspeicher speisen unter Vermeidung einer transparenten Abdeckung der Dacheindeckungselemente, wobei 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 der Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird, aus dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, bei ungenügender Sonneneinstrahlung die Gebäudeheizung und der Brauchwasserkreislauf 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 angebrachten Wärmekollektorrohren zur Ableitung von solar erwärmtem Wasser. Das Solar-Laminat ist mit einem Netzeinspeise-Wechselrichter und/oder einem Akkumulatorsystem und die Wärmekollektorrohre mit einem Brauchwasserkreislauf, einem Heizkreislauf und/oder einem Langzeit-Erdreichspeicher thermisch verbindbar, die mit einem Steuergerät in Verbindung stehen. Zwischen den Wärmekollektorrohren zur Ableitung von solar erwärmtem Wasser und dem Langzeit-Erdreichspeicher ist eine Wärmepumpe angeordnet.

Nach einer bevorzugten Variante sind die Dacheindeckungselemente zusätzlich mit einer unterseitigen Wärmedämmung versehen.

Nach einer weiteren Variante 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 starker 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, das 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:
1 eine Prinzipdarstellung der Strom-, Warmwasser- und Heizenergieversorung eines Gebäudes und
2 ein Hybrid-Solardach, bestehend aus BIPV-Dacheindeckungselementen mit integriertem Wärmekollektor.
Auf dem Dach eines Gebäudes, das 1 zeigt, sind eine Fotovoltaikanlage und eine Kollektoranlage installiert. Beide bilden gemeinsam die Dacheindeckungselemente 1, wie in 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-Rohren 14 erwärmte Wasser versorgt zunächst über die Wärmepumpe 3 den Warmwasserspeicher 5. Darüber hinaus wird die in den Wärmekollektor-Rohren 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").
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-Rohre 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
6a: Netzeinspeise-Wechselrichter
6b: Akkumulatoranlage
7: Fußbodenheizung
8: Pumpe
9: Warmwasser-Entnahme
10: Elektrischer Verbraucher
11
12: Dachschare
13: Solarlaminat
14: Wärmekollektor-Rohre
15: Isolierung

Claims

Verfahren zur Beheizung, Warmwasser- und Stromversorgung von Gebäuden mittels Dacheindeckungselementen, die als solare Wärmekollektoren sowie gleichzeitig als Solarstrom-Module ausgebildet sind und bei denen die Wärmekollektoren wahlweise einen Brauchwasserkreislauf, einem Heizkreislauf und/oder einen Langzeit-Erdreichspeicher speisen unter Vermeidung einer transparenten Abdeckung der Dacheindeckungselemente, wobei 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 der Langzeit-Erdreichspeicher gespeist wird, aus dem, gleichfalls über die Wärmepumpe, bei ungenügender Sonneneinstrahlung die Gebäudeheizung und der Brauchwasserkreislauf betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gebäudebeheizung eine Niedertemperatur-Flächenheizung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Dacheindeckungselementen erzeugte elektrische Energie mindestens teilweise in Batterien gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Dacheindeckungselementen erzeugte Strom mindestens teilweise in das Netz eines Energieversorgungsunternehmens abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung über einen Algorithmus zum Energiemanagement die Strom- und Wärmeflüsse unter Berücksichtigung der Einspeisevergütung so steuert, dass im Jahresmittel eine positive Energiekostenbilanz oder wenigstens ein Energiekostenminimum im Gebäude erreicht wird.
Einrichtung zur Gewinnung und Nutzung von Solarenergie mittels Dacheindeckungselementen (1), jedes bestehend aus einer Dachschare (12) aus Profilblech, mindestens einem oberseitig aufgebrachten, nicht abgedeckten Solar-Laminat (13) und unterseitig angebrachten Wärmekollektorrohren (14) zur Ableitung von solar erwärmtem Wasser, bei denen das Solar-Laminat (13) mit einem Netzeinspeise-Wechselrichter (6a) und/oder einem Akkumulatorsystem (6b) und die Wärmekollektorrohre (14) mit einem Brauchwasserkreislauf, einem Heizkreislauf und/oder einem Langzeit-Erdreichspeicher (4) thermisch verbindbar sind, die mit einem Steuergerät (2) in Verbindung stehen, wobei zwischen den Wärmekollektorrohren (14) zur Ableitung von solar erwärmtem Wasser und dem Langzeit-Erdreichspeicher (4) eine Wärmepumpe (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dacheindeckungselemente zusätzlich mit einer unterseitigen Wärmedämmung (15) versehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Warmwasserspeicher (5) nach dem Durchlauferhitzer-Prinzip Verwendung findet.