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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Solarkollektoren auf Dächern und Lärmschutzwall sind augefällige Merkmale des solaren Nahwärmesystems in Crailsheim-Hirtenwiesen. Ein Ersonden-Wärmespeicher bevorratet solare Wärme für den Winter.
© Stadtwerke Crailsheim GmbH
Große Solarkollektoranlage mit saisonalem Wärmespeicher
Projektinfo 01/2013

Schema des solaren Nahwärmesystems in Crailsheim-Hirtenwiesen
© Solites

In den oberen 5 Metern des umgebenden Erdreichs des ESWSP tritt zeitweise Schichtenwasser auf. Um Wärmeverluste zu verhindern, haben die Bohrlöcher hier einen größeren Durchmesser und wurden mit einem Dämmer verhüllt.
© Solites
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Sonnenenergie in der Erde speichern

Auf einem ehemaligen Kasernengelände wächst in Crailsheim- Hirtenwiesen ein Wohngebiet, dessen Wärmebedarf zur Hälfte mit Sonnenenergie gedeckt werden soll. Damit dies rund ums Jahr möglich ist, wurde ein saisonaler Erdsonden-Wärmespeicher mit 10.000 m³ Wasseräquivalent installiert. Er ist der bislang kostengünstigste seiner Art. Eine spezielle Wärmepumpe steigert die Effizienz und die Speicherkapazität der Anlage.

Damit aus den US-amerikanischen „McKee Barracks“ ein Wohngebiet werden konnte, ließ die Crailsheimer Bau- und Entwicklungsgesellschaft fünf Gebäude der ehemaligen Kaserne in sanierte Eigentumswohnungen umwandeln. Auf deren Dächern installierten die Stadtwerke Crailsheim Solarkollektoren. Zusätzlich entstand auf einer 32 ha großen Fläche ein Neubaugebiet mit Sporthalle und Gymnasium mit Solardächern sowie Einzel-, Doppel-, Reihen- und Mehrfamilienhäuser. Auf einem Lärmschutzwall, der Gewerbe- und Wohngebiet voneinander trennt, befinden sich die restlichen zwei Drittel der Kollektoren. Diese speisen in einen 480 m³ großen Heißwasser-Pufferspeicher ein, die Dachkollektoren in einen 100-m³-Pufferspeicher. Die Herausforderung ist es, die Energie der Sommersonne möglichst verlustfrei für die winterliche Heizperiode zu speichern. Hier kommt der saisonale Erdsonden-Wärmespeicher (ESWSP) zum Einsatz.

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Reicht die in den beiden Pufferspeichern gespeicherte Solarwärme nicht mehr aus, speist der saisonale Wärmespeicher in das System ein. Dieser funktioniert im Zusammenspiel mit dem zweiten und größeren Pufferspeicher, der sich zwischen Kollektorfläche und Erdsonden-Wärmespeicher befindet. Der Pufferspeicher kann rund um die Uhr in das Langzeitwärmedepot einspeichern. Es ist also eine gewisse Zeitverzögerung bei der Beladung des ESWSP möglich. Der Vorteil: Die maximale Beladeleistung des Erdsondenspeichers kann deutlich unter der maximalen Wärmeleistung des Kollektorfeldes gehalten werden. Dadurch kann die Größe des Speichers so stark reduziert werden, dass trotz des zusätzlich notwendigen Pufferspeichers die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verbessert wird. Ein weiterer Grund für die geringen Investitionskosten von rund 50 Euro je Kubikmeter Wasser: Das Projektteam setzte Sondenschenkel mit bereits vorhandener Horizontalverrohrung ein. „Bisher wurden gleich lange Sonden in die Erde gesetzt, die durch Schläuche miteinander verbunden waren. Das Ganze wurde vor Ort zusammengeschweißt, was fehleranfällig ist, zu Verunreinigungen führen kann und entsprechend teuer ist“, erklärt der Leiter des Solites-Forschungsinstituts Dirk Mangold, welcher das Projekt beratend begleitet hat. „In Crailsheim setzten wir erstmals Sonden in unterschiedlichen Längen ein und sorgten so zudem für den notwendigen hydraulischen Abgleich. Dadurch konnten wir auf die bisher dafür eingesetzten Strangregulierventile verzichten.“ Materialkosten und Arbeitsaufwand wurden eingespart. Außerdem verwendeten die Verantwortlichen vernetztes Polyethylen als Material für die Erdwärmesonden. Im Unterschied zur ersten Speichergeneration, bei der das teurere Polybuten zum Einsatz kam.

Wärmepumpe reduziert Speicherverluste

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe erreicht eine Arbeitszahl 4,8. Ihre Aufgabe ist es, den Erdsonden-Wärmespeicher auf möglichst niedrige Temperaturen zu entladen. „Die Besonderheit der von uns eingesetzten Wärmepumpe ist, dass sie mit großen Temperaturspreizungen bei der Quelltemperatur sehr gut umgehen kann“, so Sebastian Kurz, der Leiter der Planung bei den Stadtwerken Crailsheim. „Die Temperaturen im Speicher können zwischen 20°C und 50°C variieren. Trotzdem muss die Wärmepumpe eine konstante Vorlauftemperatur von 60°C liefern.“ Durch den Einsatz der Wärmepumpe kann der Speicher auf tiefere Temperaturen entladen werden. Somit steigt seine Effizienz: Die Wärmeverluste sinken, die nutzbare Temperaturdifferenz und die damit verbundene volumenbezogene Speicherkapazität steigen. Zusätzlich erhöht sich der Nutzungsgrad der Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall vor allem im Frühjahr durch niedrigere Kollektorrücklauftemperaturen. Kann der Wärmebedarf des Wohngebietes nicht mehr durch solare Wärme gedeckt werden, erfolgt die Nachheizung auf die erforderliche Vorlauftemperatur durch das örtliche Wärmenetz. Dieses basiert auf zwei Gaskesseln und einem Erdgasblockheizkraftwerk.

Projektinfo 01/2013:
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Solites

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