So heizt man heute - Regenerative Wärmeerzeugung mit Pelletheizung und Solarthermieanlage im Kloster Kellenried

Da das Kloster eine eigene Großküche besitzt und Spül- und Waschmaschinen direkt an das Brauchwarmwasser angeschlossen sind, liegt der tägliche Warmwasserverbrauch bei rund 1100 l. Unter Berücksichtigung der Wärmeverluste in der Warmwasser- und Zirkulationsleitung ergibt sich ein Wärmeverbrauch für die Brauchwarmwasserbereitung von rund 30000 kWh/a. Dies entspricht rund 6% des jährlichen Gesamtwärmeverbrauchs.
Vor dem Austausch der Heizungsanlage lag der jährliche Heizölverbrauch für die Wärmeversorgung des Gebäudes bei rund 58000 l. Steigende Heizölpreise und der Wunsch, nachhaltige und regenerative Energieträger zur Beheizung und Warmwasserbereitung des Klostergebäudes einzusetzen, führten zur Beauftragung des Ingenieurbüros Schuler aus Bietigheim-Bissingen zur Ausarbeitung einer Machbarkeitsstudie mit anschließender Planung und Ausführung einer Wärmeversorgung des Klosters auf Basis Erneuerbarer Energien.
Die Pelletheizung mit einer Nennwärmeleistung von 300 kW (Hersteller: KWB Powerfire TDS) und einem jährlichen Pelletverbrauch von rund 110 t ging im September 2012 in Betrieb. Eine große Herausforderung bei der Montage der Anlage stellte hierbei die Einbringung des Pelletkessels über einen 5 m tiefen Einbringschacht sowie das Schweißen des Heizungswasserpufferspeichers mit 9 m³ Füllinhalt in der Heizzentrale. Der Pufferspeicher, der dem Ausgleich von Heizlastschwankungen dient, wird während der Heizperiode mit Wärmeenergie aus dem Pelletkessel beladen.
In den Sommermonaten wird der Speicher ausschließlich als Wärmeenergiespeicher für die Solarthermieanlage genutzt. Als Brennstoffsilo für die Holzpellets wurde der ehemalige Kohlelagerraum umgebaut. Das Fassungsvermögen beträgt hierbei rund 22 t. Die Befüllung des Silos erfolgt durch Einblasen der Holzpellets über ein Silofahrzeug. Mittels Rührwerkaustragung und Förderschnecke werden die Holzpellets aus dem Silo in den Pelletkessel transportiert und verbrannt.

Neues Regelungskonzept
Während der Wintermonate erfolgt die Wärmeversorgung nahezu ausschließlich durch die Pelletheizung. Als Ausfallsicherung der Pelletheizung sowie zum Nachheizen des Brauchwarmwassers in den Sommermonaten bei nicht genügender Ertragsleistung durch die Solarthermieanlage wurde der bestehende Heizölkessel mit in das neue Regelungskonzept integriert. In den Monaten Mai bis Ende September wird die Pelletheizung aufgrund zu geringer Wärmeabnahme ausgeschaltet. Während diesem Zeitraum soll die Wärmeerzeugung für Brauchwarmwasser und Gebäudebeheizung überwiegend durch die Solarthermieanlage auf dem Klosterdach erfolgen.
Bei der Konzeption der Solarthermieanlage wurde sich bewusst für eine Vakuumröhrenkollektoranlage nach dem Heat-Pipe-Prinzip entschieden. Ausschlaggebend hierfür waren der hohe Gesamtwirkungsgrad des Kollektors über das Jahr betrachtet, die geringen Wärmeverluste bei gleichzeitig hohen Vorlauftemperaturen sowie die Möglichkeit, Vakuumröhren im laufenden Betrieb der Anlage austauschen zu können, ohne hierbei den Kollektorkreis stilllegen zu müssen.
Bei der Auswahl des Solarthermieanlagenherstellers war es der Benediktinerinnenabtei ein Anliegen, ein in Deutschland gefertigtes Produkt zu beziehen, das nach den geltenden Normen und Umweltschutzrichtlinien gefertigt wird. Des Weiteren sollte der Hersteller bereits einschlägige Erfahrung im Bereich von solarthermischen Großanlagen besitzen und entsprechende Referenzanlagen vorweisen können. Nach Besichtigung der Solarthermieanlage (300 kW) in Rottweil auf dem Gelände der Deutschen Telekom, entschied man sich bei der Ausführungsplanung und späteren Umsetzung für das Produkt der Firma S-Power Entwicklungs- & Vertriebs GmbH aus Meppen. Die Firma ist derzeit der einzige Hersteller, der seine Vakuumröhren in Deutschland fertigen lässt und auf diese eine Herstellergarantie von 10 Jahren gibt.
Mit der Installation der Solarthermieanlage wurde im Frühjahr 2013 begonnen. Eine besondere Herausforderung für die Heizungsbaufirma Bertsch aus Ravensburg waren die Montagearbeiten der sechs Kollektorfelder. Hierbei wurden insgesamt 600 Heat-Pipe-Vakuumröhren mit einer Bruttokollektorfläche von 97 m² auf ein mit 28° Neigungswinkel (Sommerlast) und nach Süden ausgerichtetes Schleppdach montiert. Die installierte Kollektorfeldleistung beträgt 43,7 kWp.

Fernzugriff eingerichtet
Eine weitere Schwierigkeit bestand in der Rohrleitungsmontage im äußerst beengten Dachstuhlbereich und in der hydraulischen Verschaltung der einzelnen Kollektorfelder nach Tichelmann. Die Ausführung der Kollektoranschlussleitungen erfolgte als Kupferrohr mittels Pressverbindung. Da keine Möglichkeit bestand, die Hauptvor- und Hauptrücklaufleitung der Solarthermieanlage vom Dachstuhlbereich aus durch das Gebäude zur Heizzentrale im UG zu führen, mussten die zwei Hauptleitungen auf Putz entlang der Gebäudefassade nach unten geführt werden. Aus Denkmalschutzgründen wurde die Wärmedämmung der Leitungen mit einem Kupferblechmantel verkleidet. Die Inbetriebnahme der Solarthermieanlage erfolgte Anfang Juli an einem Regentag. Aufgrund der Witterung mussten alle Einstellwerte der Solarkreisregelung auf Basis von Erfahrungswerten eingestellt und konnten nicht im Betrieb getestet werden.
Durch das Auswerten aller in den folgenden Wochen aufgezeichneten Messdaten des Solarkreisreglers konnten die Regelparameter so angepasst werden, dass die Anlage gleichmäßig ohne Auftreten von Temperaturspitzen im Kollektorfeld betrieben werden kann. Um die Auswertung von Messdaten und den Zugriff auf die Regelung der Solarthermieanlage zukünftig zu vereinfachen, wird für das Ingenieurbüro Schuler ein Fernzugriff eingerichtet.
Eine große Herausforderung bei der Planung der Gesamtanlage war die Konzeption der hydraulischen Einbindung von Pelletheizung, Solarthermieanlage und Reserveheizölkessel.
Oberstes Ziel hierbei war, einen möglichst großen Deckungsanteil von Pelletheizung und Solarthermieanlage an der Gesamtwärmeerzeugung zu erlangen. D.h. eine Zuschaltung des Reserveheizölkessels erfolgt nur bei nicht ausreichender Wärmebereitstellung durch die erneuerbaren Energien bzw. bei Störung oder Wartungsarbeiten.
Die hydraulische Einbindung von Pelletheizung und Pufferspeicher erfolgten parallel in den Hauptvor- und Hauptrücklauf. Der Reserveheizölkessel wurde in Reihe in den Hauptvorlauf eingeschleift. Eine Beladung des Pufferspeichers durch den Heizölkessel ist somit ausgeschlossen und es ist gewährleistet, dass Pelletheizung und Solarthermieanlage jederzeit ihre Wärme im Pufferspeicher unterbringen können. Sinkt die Hauptvorlauftemperatur im Heizbetrieb unter einen vorgegebenen Sollwert, so wird der Heizölkessel freigeben. Dieser bleibt genau so lange in Betrieb, bis die vorgegebene Sollwerttemperatur durch den Pelletkessel wieder erreicht wird. Ist im Sommerbetrieb der Pelletkessel ausgeschaltet, so wird der Heizölkessel nur dann freigegeben, wenn der Wärmeertrag durch die Solarthermieanlage nicht ausreichend ist und am oberen Fühler im Pufferspeicher die Mindesttemperatur von 63°C, die zur Brauchwarmwasserbereitstellung benötigt wird, unterschritten wird.

Hydraulische Einbindung
Der Primärkreis der Solarthermieanlage ist mit Propylenglykol gefüllt und vom sekundären Heizungskreis durch einen Plattenwärmetauscher getrennt.
Die hydraulische Einbindung der Solarthermieanlage in den sekundären Heizungskreis weicht vom klassischen Konzept, bei dem der Rücklauf in der Regel im unteren Bereich und der Vorlauf im mittleren bis oberen Bereich im Pufferspeicher eingebunden sind, ab. Der Rücklauf der Solarthermieanlage ist an den Hauptrücklauf angeschlossen. Während der Heizperiode erhält die Solarthermieanlage somit den kühlen Rücklauf aus den Gebäudeheizkreisen.
Im Sommerbetrieb sind die Heizkreise ausgeschaltet und die Fließrichtung im Hauptrücklauf dreht sich um, und die Solarthermieanlage holt sich den Rücklauf aus dem unteren kalten Bereich des Pufferspeichers. Die Solarthermieanlage speist in Abhängigkeit der erzielten Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite des Wärmetauschers entweder im unteren oder oberen Bereich des Speichers ein. Dies erfolgt automatisch durch ein Umschaltventil. Durch die drehzahlgeregelte Ansteuerung von Primär- und Sekundärkreispumpe ist es möglich, auch bei kleiner Temperaturdifferenz zwischen Kollektor- und Sekundärkreis die gewünschte Zieltemperatur zu erreichen.
Die Beladung des Speichers durch den oberen Anschluss erfolgt mittels Zielminimaltemperaturregelung. D.h., überschreitet die Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite des Wärmetauschers einen vorgegebenen Mindestsollwert (z.B. 60°C), so wird der Speicher von oben nach unten durchgeladen. Wird diese Temperatur nicht erreicht, so erfolgt die Speicherbeladung in den unteren Speicherbereich mittels Differenztemperaturregelung. D.h., wird die eingestellte Mindesttemperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur im Sekundärkreis und Hauptrücklauf erreicht, so erfolgt die Beladung des Speichers von unten nach oben.
Mit Beginn der Heizperiode wird die Zielminimaltemperatur auf 75°C angehoben, da die Pelletheizung mit 75 – 80°C über einen separaten Vorlaufanschluss in den Speicher einspeist und es bei einer Nichtanhebung zu einer Mischtemperatur im oberen Speicherbereich kommen würde. Die Einspeisung der Solarthermieanlage in den Wintermonaten erfolgt somit überwiegend in den unteren Speicherbereich als Rücklauftemperaturanhebung.
Seit Inbetriebnahme der Pelletheizung Anfang September 2012 bis Mitte Oktober 2013 wurden rund 440000 kWh Wärmeenergie erzeugt und hierbei rund 105 t Holzpellets verbraucht. Die seit Anfang Juli bis Mitte Oktober 2013 von der Solarthermieanlage erzeugte und zur Brauchwarmwasserbereitung genutzte Wärmeenergie liegt bei rund 11000 kWh.
Insgesamt konnten somit rund 52000 l Heizöl eingespart und rund 151 t CO2–Emissionen vermieden werden.

Bilder: S-Power

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