Klinikum Solingen

Planung der Solaranlage

Das Trinkwasser wird dezentral in den Heizungskellern der Klinikgebäude erwärmt. Die Warmwasserbereitung des Haupthauses ist in drei Druckstufen aufgeteilt, die jeweils einen bestimmten Stockwerksbereich des Hochhauses versorgen. Die vorbereitenden Verbrauchsmessungen ergaben einen Gesamt-Warmwasserverbrauch im Haupthaus von über 28 m³/d (Wochenmittelwert), wobei in der Druckstufe 1 (Küche, Operationsräume, Ambulanz) mit 18,7 m³/d der höchste Verbrauch gemessen wurde. Der Verbrauch in den Bettenstationen (Druckstufe 2 und 3) ist deutlich niedriger. Da nur eine Dachfläche für knapp 200 m² Kollektoren zur Verfügung steht, wurde die Solaranlage ausschließlich auf den Verbrauch der Druckstufe 1 ausgelegt. Damit ergab sich eine recht hohe Auslegungs-Auslastung der Solaranlage von täglich 94 l Warmwasser pro m² Kollektorfläche. Die Standard-Auslastung im Teilprogramm 2 von Solarthermie-2000 liegt bei 70 l/(m²·d). Die Solaranlage wurde mit Mitteln des BMBF gefördert (Programmförderung heute durch BMWi) und Ende 1998 fertiggestellt.

Systemtechnik

Das Kollektorfeld ist auf dem Flachdach des Hochhauses aufgeständert. Die Solarstrahlung wird in den Kollektoren in Wärme umgewandelt und mit Hilfe eines Gemisches aus Wasser mit Frost-/Korrosionsschutzmittel (Wärmeträger) über die Pumpe P1, Wärmetauscher WT1 und Pumpe P2 in die beiden je 4 m³ fassenden Solar-Pufferspeicher transportiert. Diese sind mit Heizwasser (kein Trinkwasser) gefüllt und sollen die Solarenergie zwischenlagern, um dem üblichen Zeitunterschied zwischen Energieangebot (Einstrahlung) und -bedarf (Warmwasserverbrauch) Rechnung zu tragen. In den Solarspeichern befinden sich sog. Schichtladelanzen, die aus Kunststoffrohren mit mehreren über die Speicherhöhe verteilten Membranklappen bestehen. Sie sollen für eine möglichst gute Temperaturschichtung im Speicher sorgen. Aufgrund der temperaturabhängigen Dichteunterschiede des Wassers öffnet sich immer nur die Klappe, an der die Temperatur im Speicher genauso hoch ist wie in der Lanze. Mit der Pumpe P3 und über den Wärmetauscher WT2 wird die gespeicherte Solarwärme immer dann an das Trinkwasser übertragen, wenn Warmwasser gezapft wird. Das solar erwärmte Trinkwasser strömt anschließend in den Nachheizspeicher, in dem es auf die Solltemperatur von 60 °C erwärmt wird. Die Versorgung mit Warmwasser ist so auch bei fehlender Sonneneinstrahlung gesichert. Durch diese Systemschaltung gelangt nur dann Solarwärme in den Nachheizspeicher, wenn gezapft wird. Eine Deckung derZirkulationsverluste ist so nur begrenzt möglich, selbst dann, wenn die Solarspeicher an schönen Tagen bis 95 °C aufgeheizt sind. Bei derartigen Vorwärmanlagen ist diese Schaltung sinnvoll, da Solarspeichertemperaturen unter 60 °C den Normalfall darstellen.

Messergebnisse und Betriebserfahrungen

Jahresbilanz (22.07.1999-21.07.2000):

Die wichtigsten Messwerte und Kenngrößen der Solaranlage sind Tab. 2 zu entnehmen. Ausfallzeiten im 1. Messjahr von insgesamt 60 Tagen, die u.a. auf eine defekte Kollektorpumpe und untypischen Betriebsstörungen (Nachfüllung eines falschen Wärmeträgers) beruhten, verursachten einen erheblichen Ertragsausfall von ca. 14,5 MWh, der jedoch so behandelt wurde, als sei er nicht aufgetreten. Die Energiedifferenz zwischen der Strahlung und der Abgabe vom Kollektorkreis an den Solarpuffer resultiert aus optischen und thermischen Verlusten der Kollektoren sowie System-Stillstandszeiten wegen Erreichen der maximalen Speichertemperatur. Die Nutzenergie der Solaranlage ist in der Jahressumme höher als der Solarenergieeintrag in die Solarspeicher, weil das Heizwasser, vor allem im strahlungsarmen Winter, Umgebungswärme aus dem Heizungskeller aufnimmt (mittl. Temperaturen im Winter: Keller 31 °C, Speicher 20 °C). Das von der Solaranlage erwärmte Zapfvolumen war aufgrund von Veränderungen an der Kaltwasserbeimischung im konventionellen Teil der Druckstufe 1 zeitweise erheblich niedriger als der tatsächliche Warmwasserverbrauch, weshalb auch die Auslastung der Solaranlage mit 61 l/(m²d) im Jahresmittel kleiner ist als der Planungswert von 94 l/(m²d). Ende März 2000 konnte die Zumischung korrigiert werden. Das Zapfvolumen ist nun fast so hoch wie vorgesehen. Der Systemnutzungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Strahlungsenergie als nutzbare Wärme an den Verbraucher abgegeben werden, der solare Zapf-Deckungsanteil, wie viel Prozent der zur Aufheizung des gezapften Warmwassers notwendigen Energie die Solaranlage bereitstellt. Beide Werte liegen unter Berücksichtigung der niedrigeren Auslastung im zu erwartenden Bereich. Es ist anzunehmen, dass mit der heute höheren Auslastung künftig ein Jahres-Nutzungsgrad um 50 % und ein Jahres-Zapf-Deckungsanteil um 30 % erzielt werden. Bild 3 zeigt Tageswerte (14-Tages-Mittel) der Strahlungs- und Nutzenergie sowie den Systemnutzungsgrad und die Auslastung. Zu Beginn der Messperiode liegt der Systemnutzungsgrad nur um 42 %, weil die Auslastung mit rd. 50 l/(m²·d) niedrig ist und die vom Kollektorfeld theoretisch erzeugbare Wärme nicht vollständig vom System aufgenommen werden kann. Im Winter ist er mit bis zu 35 % vor allem deshalb noch recht hoch, weil das Trinkwasser im Solarspeicher Raumwärme aufnimmt. Erst mit Zunahme der Auslastung ab April 2000 werden die erwarteten Werte bis 50 % erzielt.

Analysen von zeitlich hoch aufgelösten Messwerten zeigen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in den parallel durchströmten Solarspeichern (Bild 4). Im oberen Speicherbereich verlaufen die Temperaturen nur so lange gleichmäßig, wie die Speicher erwärmt werden, im unteren Bereich sind die Temperaturen fast den ganzen Tag lang unterschiedlich. Ursache ist eine ungleich starke Durchströmung der Speicher. Der Temperaturabfall in beiden Speichern oben ab 12:00 Uhr lässt vermuten, dass die Klappen der Schichtladelanzen nicht korrekt funktionieren; der Volumenstrom pro Lanze liegt über der Herstellerempfehlung. Die ungleichen Speichertemperaturen verursachten erhebliche Regelungsprobleme /2/, die auch die Effektivität der Anlage beeinträchtigten. Mit dem Einbau von Strangregulierventilen in den Speicherkreis (Strömungsabgleich), zusätzlicher Lanzen sowie einer Optimierung der Laderegelung sollen die Probleme abgestellt werden.

Kosten und Wirtschaftlichkeit

*) alt: 6% Zins und 20 Jahre Lebensdauer: 8,72% Annulität; ohne Wartung und Gegenrechnung Fernwärmeeinsparung

Der vom Installateur auf Basis der Plandaten für Wetter und Verbrauch garantierte Ertrag von 107 MWh/a (558 kWh/(m²a)) wurde nicht erreicht (vgl. Tab.). Dies ist jedoch hauptsächlich durch den anfangs zu geringen Zapfverbrauch bedingt. Unter Berücksichtigung dieser real ungünstigeren Arbeitsbedingungen hat die Solaranlage den entsprechend korrigierten Garantieertrag geliefert. Es ist zu erwarten, dass der Ertrag im zweiten Messjahr mit der höheren Auslastung und bei normaler Einstrahlung im Bereich des Planwertes liegen wird. Die spez. Systemkosten betragen knapp 1.600 DM/m² (incl. MwSt. und Planung). Der Planwert für die solare Nutzwärme wurde überschritten, weil in den ersten 8 Monaten der Messperiode die Auslastung geringer als geplant war. Er kann aber künftig durchaus erreicht werden, wenn die zuletzt höhere Auslastung andauert. Bei den solaren Wärmekosten wurden gemäß Definition des Rechenganges in Solarthermie-2000 Wartungs-/Betriebskosten nicht integriert und die Kosten für die eingesparte konv. Energie nicht gegengerechnet. Die zusätzliche Berücksichtigung dieser Positionen ergibt Gesamt-Solarwärmekosten von 0,28 DM/kWh.

Wissenschaftliche Betreuung: ZfS