Publikation

PelletSolar – Leistungsanalyse und Optimierung eines Pellet-solarkombinierten Systems für Heizung und Warmwasser

Sowohl Pelletheizungen wie auch solarthermische Systeme befinden sich aktuell auf einer starken Wachstumskurve. Die Kombination dieser beiden Technologien in einem Pellet-Solar-System für die Raumheizung und Warmwasseraufbereitung bietet grosses Potential für die Einsparung von fossilen Energieträgern, die verbesserte Ausnutzung der Biomasse und die Reduktion von Emissionen. Ziel des vorliegenden Projektes ist die energetische Optimierung eines Pellet-Solar-Systems.

 

Zur Prüfung von Pellet-Solar-Anlagen wurde der System-Prüfstand des SPF zunächst einigen grösseren Veränderungen unterzogen. Anschliessend wurden die Wirkungsgrade eines 10 kW Pelletkessels bei Volllast, Teillast und im Taktbetrieb bestimmt. In einem zweiten Schritt wurde der Kessel mit einer Solaranlage kombiniert (Pellet-Solar-System), und es wurden zwei 12-tägige Systemtests unter realistischen Lastbedingungen durchgeführt. Basierend auf den Messresultaten erfolgte in einem dritten Schritt die Erstellung eines Simulationsmodells. Analog zum realen Messaufbau des 12-Tages-Systemtests sind im Simulationsmodell Kessel, Solaranlage und Speicher enthalten. Das Modell diente dazu, Jahressimulationen mit realistischen Last-Bedingungen für Raumheizung und Warmwasser durchzuführen, und durch die Veränderung von Parametern deren Einfluss auf die Leistung des Systems zu evaluieren.

 

Die Messungen am 10 kW Pellet-Kessel und die darauf basierenden Simulationen haben gezeigt, dass der Einfluss von Abstrahl- und Konvektionsverlusten auf den Kesselwirkungsgrad bedeutend ist. Dieser Einfluss steigt mit abnehmender Last. Im realen Einsatz in einem Einfamilienhaus im Schweizer Mittelland können die Abstrahl- und Konvektionsverluste die feuerungstechnischen Verluste deutlich übertreffen. Der stationäre Betrieb des Kessels schneidet bei gleicher mittlerer Last gegenüber dem taktenden Betrieb vor allem aufgrund des verminderten Bedarfs an elektrischer Hilfsenergie energetisch besser ab. Die durchgeführten Untersuchungen lassen darauf schliessen, dass Potential besteht, den Kesselnutzungsgrad weiter zu verbessern. Einerseits durch Massnahmen im Bereich der Wärmedämmung, andererseits durch einen reduzierten Luftüberschuss bei niedriger Leistungsstufe. Vor allem für den anzustrebenden Modulationsbetrieb dürften solche Massnahmen von besonderer Bedeutung sein, da sich bei der Modulation die Abstrahlverluste durch die verlängerten Laufzeiten anteilsmässig besonders stark auswirken.

 

Der 12-tägige Systemtest konnte die einwandfreie Funktion und die gute Leistung des Pellet-Solar-Systems belegen. Ausserdem konnte mit einer hydraulisch-regeltechnischen Optimierung die Start-Stop-Zyklen des Kessels im Test um ein Drittel reduziert werden. Die erhoffte Verminderung des Pelletverbrauchs stellte sich dadurch jedoch nicht ein. Die Massnahme zur Reduktion der Start-Stop-Zyklen wird dennoch aus anderen Gründen vom projektbeteiligten Kesselhersteller beim Bau der nächsten Kesselserie implementiert werden.

 

Die Jahresertragsrechnung mit dem Simulationsmodell ergab für das geprüfte Solar-Pellet-System eine Brennstoff-Einsparung von 27% gegenüber einer Pellet-Heizung ohne Solaranlage und ohne Pufferspeicher. Weitere Simulationsrechnungen zeigten, dass eine optimierte Pellet-Solar-Anlage (15 m² Kollektorfeld, 950 Liter Speicher) unter den angenommenen Rahmenbedingungen nicht nur den Pelletverbrauch um 32% senkt, sondern auch einen deutlich positiven Effekt auf den Bedarf an elektrischer Energie (-17%), auf die Start-Stop-Zyklen des Kessels (-52%), und auf den Kesselnutzungsgrad (+5% absolut) hat. Diese Werte wurden erreicht, indem ausgehend vom Simulationsmodell Hydraulik und Regeltechnik für die geprüfte Anlage optimiert und die Wärmedämmung von Leitungen, Kessel und Speicher verbessert wurden. Beim untersuchten System lag der jährliche Raumwärmebedarf bei 15’500kWh/a (bzw. 103 kWh/a*m²_EBF) und der Warmwasserenergiebedarf bei 2800 kWh/a.

 

Das durchgeführte Forschungsprojekt konnte wichtige neue Erkenntnisse zur Betriebsweise von Pelletheizungssystemen liefern. Daraus wurden Empfehlungen für die Optimierung solcher Systeme abgeleitet. Die gewählten Mittel zur Systemuntersuchung haben sich dabei als geeignet erwiesen und verfügen über Potential weitere sich aufdrängende Fragestellungen zu untersuchen. In einem nächsten Schritt gilt es die Übertragbarkeit der hier gesammelten Erkenntnisse zu prüfen. Hierzu müssen weitere Systeme auf dem Prüfstand zu untersucht und die Simulations-Studien auf andere Last-Bedingungen (zum Beispiel geringerer Energiebedarf für Raumheizung und Warmwasser, höheres Temperaturniveau des Heizsystems) ausgedehnt werden. Mit dem Umbau des System-Prüfstands besteht nun erstmalig die Möglichkeit, die effektive Leistungsfähigkeit von auf dem Markt angebotenen Pellet-Systemen mit und ohne Solaranlage zu quantifizieren. Bezüglich der Optimierung von Hydraulik und Regeltechnik kann das im Rahmen dieses Projektes entwickelte Simulations-System dazu dienen, weiteres Verbesserungspotential aufzuzeigen. Zudem stellt sich die Frage, in welchem Ausmass und unter welchen Bedingungen eine Solaranlage durch Brennstoffeinsparung und zusätzliche Reduktion der Start-Stop-Zyklen eine Minderung der Schadstoffemissionen von Pellet- Heizungen bewirken kann.

Autorenschaft:
L. Konersmann, M. Haller, P. Vogelsanger, 2007
Herausgeber:
SPF Institut für Solartechnik, Rapperswil
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