Die folgende, vorlesungsbegleitende Ausarbeitung Projektierung einer Solarthermieanlage für ein Studentenwohnheim am Standort Osnabrück wurde im Rahmen des Moduls Projektierung technischer Systeme im fünften Semester am Institut für duale Studiengänge der Hochschule Osnabrück angefertigt. Ziel der Ausarbeitung ist die Projektierung einer solarthermischen Anlage zur Warmwasserunterstützung für ein Studentenwohnheim inklusive Angebotserstellung.
Mit Hilfe einer Grobauslegung und der Simulationssoftware "GetSolar" werden zwei verschiedene Kollektortypen ausgewählt, für die eine genauere Projektierung durchgeführt wird. Durch verschiedene Berechnungen werden alle benötigten Bauteile wie Speicher, Rohre und MAG jeweils für beide Varianten bestimmt. Nach einem abschließenden Kostenvergleich, der Investitionskosten, staatliche Förderungen und Einsparung fossiler Brennstoffe beinhaltet, wird dem Kunde empfohlen, 20 Kollektoren des Typs SKN 4.0s in einer 2x10 Parallelschaltung auf der Süddachfläche des Studentenwohnheims zu installieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
1.1 Ausführungsbedingungen
1.2 Ausführungssystem
1.3 Dachflächen
2 Informationen und vorläufige Berechnungen zu den Kollektoren
2.1 Kollektorarten
2.2 Erforderliche Heizleistung der Kollektoranlage
2.3 Grobauslegung der Kollektoren
2.4 Vorauswahl
2.5 Feldgröße und –design
3 Speicherauslegung
4 Auslegung des Leitungssystems und der Pumpe
4.1 Auslegung der Rohrlänge
4.2 Auslegung der Rohrdimension
4.3 Berechnung des Volumenstroms
5 Bestimmung der Druckverluste
5.1 Druckverlust des Kollektorfelds
5.2 Druckverlust des Kollektorkreislaufs
5.3 Druckverlust im Solarspeicher
5.4 Gesamter Druckverlust
5.5 Auswahl einer Solarstation
6 Membran-Ausdehnungsgefäß
6.1 Stagnation
6.1.1 SKN 4.0s
6.1.2 SKR 12.1R CPC
6.2 Anlagevolumen
6.3 MAG bei einer Flachkollektoranlage
6.3.1 Vordruck
6.3.2 Fülldruck
6.3.3 Enddruck
6.3.4 Eigensicherheit der Solaranlage
6.4 MAG bei einer Vakuumröhrenkollektoranlage
6.5 Variantenauswahl
6.6 Solarflüssigkeit
7 Kosten
7.1 Energieeinsparung
7.2 Investitionskosten
7.3 Staatliche Förderung
8 Amortisationsrechnung
9 Kritische Reflexion
10 Fazit
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Projektarbeit befasst sich mit der technischen und wirtschaftlichen Planung einer Solarthermieanlage zur Warmwasserunterstützung für ein Studentenwohnheim in Osnabrück, mit dem Ziel, eine solare Deckungsrate von etwa 40 % bei ausschließlicher Verwendung von Buderus-Komponenten zu erreichen.
- Dimensionierung und Grobauslegung verschiedener Kollektortypen
- Berechnung von Druckverlusten und Auslegung des Leitungssystems
- Dimensionierung des Membran-Ausdehnungsgefäßes (MAG) und Speicherauslegung
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung inklusive Amortisationsrechnung und Förderanalyse
Auszug aus dem Buch
1.1 Ausführungsbedingungen
Die Eigentümergemeinschaft einer studentischen Wohnanlage in Osnabrück sucht seit einiger Zeit nach einer Kapitalanlage, die möglichst auch gleichzeitig eine Investition in die Wohnanlage darstellt. In diesem Zuge soll eine solarthermische Anlage zur Unterstützung der Warmwasserbereitung ausgelegt und kalkuliert werden. Ziel der vorliegenden Ausarbeitung ist die Erstellung eines Angebots für eine aus wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten lohnenswerten Solarthermieanlage. Die Wohnanlage besteht aus 5 Stockwerken und besitzt 97 Wohneinheiten, in denen insgesamt 123 Personen wohnen. Bei den Bewohnern handelt es sich um Studenten, Auszubildende, Schüler oder junge Personen in ähnlichen Lebenssituationen.
Die solare Deckungsrate, das ist der solare Energieanteil am Gesamtenergiebedarf, soll ca. 40% betragen. Für den fehlenden Bedarf an Energie dient der vorhandene Brennwertkessel.
Die Wohnanlage, wie in Kapitel 1.3. zu sehen, besitzt zwei Dachflächen. Die erste Fläche zeigt nach Süden, während die zweite Fläche nach Osten geneigt ist. Daher soll auf Grundlage einer Grobauslegung unter Beachtung wirtschaftlicher und technischer Gesichtspunkte diskutiert werden, ob die Anlage ausschließlich auf dem Süddach oder auf beiden Dachflächen projektiert werden sollte.
Bei einem tatsächlichen Bau der Anlage würden auf Wunsch der Eigentümergemeinschaft ausschließlich Bauteile der Firma Buderus verwendet werden. Daher werden auch für die folgenden Auslegungen ausschließlich Buderus-Produkte berücksichtigt. Das hier vorliegende Angebot umfasst die solarthermische Anlage inklusive aller benötigten Bauteile und einen bivalenten Speicher.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung: Erläutert die Ausgangslage im Studentenwohnheim, die Zielsetzung einer 40-prozentigen solaren Deckung und die Beschränkung auf Buderus-Komponenten.
2 Informationen und vorläufige Berechnungen zu den Kollektoren: Analysiert verschiedene Kollektortypen und führt eine erste Berechnung der benötigten Kollektorflächen sowie eine Vorauswahl durch.
3 Speicherauslegung: Beschreibt die Dimensionierung eines bivalenten Solarspeichers basierend auf dem Warmwasserbedarf der Bewohner.
4 Auslegung des Leitungssystems und der Pumpe: Behandelt die Bestimmung der Rohrleitungsdimensionen und des erforderlichen Volumenstroms unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit.
5 Bestimmung der Druckverluste: Berechnet die systemrelevanten Druckverluste im Kollektorfeld, in den Leitungen und im Speicher zur Auswahl der passenden Solarstation.
6 Membran-Ausdehnungsgefäß: Analysiert das Stagnationsverhalten und berechnet das notwendige Volumen für die Ausdehnungsgefäße beider Kollektorvarianten.
7 Kosten: Gegenüberstellung der Investitionskosten, der zu erwartenden Energieeinsparungen und der verfügbaren staatlichen Fördermittel.
8 Amortisationsrechnung: Detaillierte Darstellung des Amortisationszeitraums beider untersuchter Anlagenvarianten.
9 Kritische Reflexion: Hinterfragt die gewählten Annahmen, die Genauigkeit der Datenerhebung und Herausforderungen während der Projektdurchführung.
10 Fazit: Gibt eine abschließende Empfehlung für eine der Anlagenvarianten basierend auf den ermittelten wirtschaftlichen und technischen Ergebnissen.
Schlüsselwörter
Solarthermie, Warmwasserunterstützung, Studentenwohnheim, Buderus, Grobauslegung, Kollektorfeld, Druckverlust, Speicherauslegung, Membran-Ausdehnungsgefäß, Stagnation, Amortisationsrechnung, Energieeinsparung, Wirtschaftlichkeit, Solarstation, Deckungsrate.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die technische Planung und wirtschaftliche Bewertung einer Solarthermieanlage für ein Studentenwohnheim in Osnabrück.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Schwerpunkte liegen auf der Kollektor- und Speicherauslegung, der Berechnung der Anlagendynamik (Druckverluste) und der abschließenden Wirtschaftlichkeitsanalyse.
Welches primäre Ziel verfolgt die Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung eines technisch fundierten Angebots, das eine solare Deckungsrate von etwa 40 % erreicht und wirtschaftlich attraktiv für die Eigentümergemeinschaft ist.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Auslegung erfolgt methodisch durch Grobberechnungen nach VDI-Richtlinien, unterstützt durch Simulationssoftware (GetSolar) und Hersteller-Planungsunterlagen.
Welche Inhalte umfasst der Hauptteil?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bestimmung der Kollektorarten, die Auslegung von Speichern und Rohrleitungen, die Berechnung von Druckverlusten sowie die sicherheitstechnische Auslegung (MAG) und die Kosten-Nutzen-Rechnung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Untersuchung?
Wichtige Fachbegriffe sind Solarthermie, Stagnation, Amortisationsdauer, solare Deckungsrate und Anlagenauslegung.
Warum wird eine Sonderanfertigung für den Solarspeicher empfohlen?
Da das Studentenwohnheim über keine zentrale Speichervorrichtung verfügt, wurde ein bivalenter Speicher auf Basis der "Logalux SM500"-Serie speziell auf den Bedarf der 123 Bewohner angepasst.
Warum ist die Variante mit SKN 4.0 Kollektoren wirtschaftlich vorzuziehen?
Die Variante mit den SKN 4.0-Flachkollektoren weist einen deutlich kürzeren Amortisationszeitraum von 12 Jahren auf und stellt somit die lohnenswertere Investition dar.
Wie wurde das Stagnationsverhalten der Anlage berücksichtigt?
Das Stagnationsverhalten wurde durch die Dimensionierung geeigneter Membran-Ausdehnungsgefäße (MAG) ausgeglichen, um den bei Sonneneinstrahlung auftretenden Druckanstieg in der Solarflüssigkeit sicher abzufangen.
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- Marvin Acuna Pihan (Author), 2014, Projektierung einer Solarthermieanlage am Beispiel eines Studentenwohnheims, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/342770
