Dachflächenberegnung: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 8. April 2023, 07:36 Uhr

Geeignete Gebäude sind vor allem die denkmalgeschützten Gebäude

Wir haben im Dörfl 11 denkmalgeschützte Gebäude mit teils sehr großen Dachflächen. Der Denkmalschutz erlaubt i.d.R. keine PV-Panels oder Solarthermischen Kollektoren.

Tabelle: Potential denkmalgeschützte Gebäude im Dörfl nach dem Solarpotentialkataster
Adresse	Historie	Dachfläche sehr gut m2	Dachfläche gut m2	PV kWh/a	Solartherm kWh/a
Bloschg 1	Bürgerhaus mittelalt.	85	218	58290	254173
Bloschg 2	Pfarrhof	39	166	39469	172105
Bloschg 3	Bürgerhaus	0	134	23660	103169
Georgsplz 1	Mesnerhaus	6	103	20750	90478
Georgsplz 2	15.JH und 17. JH	12	92	20294	88492
Jungherrnsteig 2	ehem Volksschule	187	94	60691	264641
Wigand 41	Pfarrkirche	2	72	13606	59329
Zwillinggasse 1	Maria Theresia-Schlösschen	110	280	76035	331546
Wigand 25	ehem Feuerwache	0	87	15385	67088
Wigand 37	Ehem. Freihof Stifts KN	63	192	49921	217679
Wigand 39	Bürgerhaus ehem Schule	9	49	11007	47996
Summe	denkmalgeschützte G.	513	1487	389108	1696696

Damit wir einen Teil der Wärme auf den Dächern dieser Gebäude dennoch für einen Beitrag zur Klimaneutralität nutzen und gleichzeitig die Dachwohnungen vor der Sonnenhitze schützen können, haben wir ein innovatives, in dieser Form noch nicht veröffentlichtes Verfahren erdacht: wir wollen die sonnenbeschienen Dächer künstlich beregnen!

TECHNIK

Beispiel für Dachkühlung mit Regenwasser

In der hauseigenen Zisterne gesammelte Regenwasser wird auf das Dach gepumpt
Regenwasser ist kalkfrei und hinterlässt keine Flecken am Dach, die nicht nur unschön wären, sondern auch das Licht reflektieren würden
das Wasser wird über Tropfschläuche gezielt in die Dachziegelsenken geleitet oder bei Flachziegeln ca. alle 5cm ein Loch
dort kühlt es die Dachziegel und nimmt die Sonnenwärme auf
die Temperatur des Wassers in Regenrinne und Fallrohr wird über die Pumpleistung geregelt und optimal gehalten
so wird immer nur die im Tagesverlauf ausreichend sonnenbeschienenen Dachflächen künstlich beregnet
das gewärmte Wasser wird in den Fallrohren durch Fallrohrfilter abgezweigt und über Rohre zum Wärmetauscher geleitet
so wird die Wärme für das Haus zur Warmwasserbereitung zur Verfügung gestellt und dafür einem Puffer als Kurzzeitspeicher (vielleicht einem Schichtladespeicher) zugeführt
und im Sommer wird die meiste Wärme über das Nahwärmenetz abführt.
Nach dem Wärmetauscher fließt das Wasser zurück in die Zisterne.
Natürlicher Regen wird ebenfalls über die Rohre in die Zisterne geleitet, um Verluste durch Verdunstung auf dem Dach von bis zu 5 Litern pro Stunde auszugleichen. Der natürliche Regen wird aber über ein elektromagnetisches Ventil am Wärmetauscher vorbei in die Zisterne geleitet.

Dabei entstehen eine Reihe von Verlusten, die sich in Modellrechnungen abschätzen lassen:

Die eingestrahlte Sonnenenergie beträgt bei optimaler Dachausrichtung und Neigung, unbedecktem Himmel ohne Verschattung 1100W/m2
33% Reflexion (Albedo von roten Dachziegeln) verbleiben 66% oder 730W/m2.
68% Abstrahlungsverlust nach oben, Es verbleiben im Optimalfall 236W/m2
18% Verdunstung bei 35°C mittlerer Temperatur des Wassers auf dem Dach (Temperatur dürfte von 25°C am First auf 40°C in der Dachrinne steigen). Es verbleiben im Optimalfall 193W/m2.
Verluste durch Konvektion (insbesondere bei Wind) sind dabei unberücksichtigt. Bei niedriger Zieltemperatur und hoher Lufttemperatur aber vermutlich unbedeutend.
15% Verlust im Wärmetauscher. Es verbleiben im Optimalfall 164W/m2.
Der Wirkungsgrad könnte etwas erhöht werden, wenn die Zieltemperatur niedriger eingestellt würde (z.B. 25°C statt 40°C), da die Abstrahlungsverluste etwas sinken und die Verdunstungsverluste ebenfalls.
Eine weitere Steigerung der Effizienz durch geringere Abstrahlungsverluste kann bei flachen Pfannen durch eine Erhöhung der Dichte der Tropflöcher oder indem die Benetzungsspuren rasch seitlich variiert werden. Dabei ist zu prüfen, ob insbesondere bei Wind ein Zusammenfliessen der engliegenden Wasserspuren verhindert werden könnte. Letzteres könnte z.B. z.B. erzielt werden, indem das Tropfrohr am Dachfirst elektromechanisch horizontal um +-2,5 cm verschoben würde (Dies wäre technisch jedoch aufwendiger und fehleranfällig).
Würden alle guten und sehr gut geeigneten Dachflächen gemäß Solarpotentialkataster genutzt (2000m2) und der Wirkungsgrad betrage im Jahresmittel (realistische) 11%, so könnte die Wärmeernte 220.000kWh/a betragen, also 20% des Bedarfs.

Weitere Einschränkungen und potentielle Probleme

ca. 15% Verlust entstehen im Wärmetauscher
und 10-50% Speicherverluste
im Winter ist die Methode weniger nützlich, denn eine Dachberegnung mit Regenwasser kann z.B. bei Frost oder Frostgefahr nicht erfolgen und die konvektiven Verluste durch Wind bei winterlichen Temperaturen senken die erzielbaren Temperaturen des Wassers und den Wärmeertrag.
da mit dem Regenwasser auch Laub und sonstiges organisches Material trotz des Fallrohrfilters z.T. in die Zisterne getragen wird, besteht das Problem der Biofilmbildung mit Erhöhung des Strömungswiderstands und reduzierter Wärmeübertragung und gar möglichen Verstopfung des Wärmetauschers.

Beispiel:

Bei 110m2 südgerichtetem Dachanteil
müssen im Sommer mittags 0,6 Liter/s Wasser auf das Dach gepumpt werden und
die Zisterne muss mindestens 500 Liter fassen
Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten, der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximaler Solarstromproduktion bzw. in Zukunft Überproduktion.
es werden 25kW-peak thermisch produziert

Kostenschätzung:

Tropfschläuche mit Montage <500€
2 Fallrohrfilter 100€
Rohrleitungen mit Verlegen 500€
elektromechanisches Ventil 100€
2 Wärmetauscher in Serie 10-15 kW 1000€
2 Tauchpumpen 100€
Sensoren und Regelelektronik 250€
Summe 2500€

Wirtschaftlichkeit

Der Jahresertrag an Wärme wird vermutlich durch Verluste bei den Wärmetauschern, bei der saisonalen Speicherung und durch Downzeiten (z.B. Frost) im Winter in unserem Beispiel auf ca. 12,5 MWh/a reduziert. Auf einen Amortisationszeitraum von 18 Jahren (bis 2040) ergeben sich ohne zeitliche Diskontierung Kosten von 11 €/MWh thermal.

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 * Der Wirkungsgrad könnte etwas erhöht werden, wenn die Zieltemperatur niedriger eingestellt würde (z.B. 25°C statt 40°C), da die Abstrahlungsverluste etwas sinken und die Verdunstungsverluste ebenfalls.
 * Eine weitere Steigerung der Effizienz durch geringere Abstrahlungsverluste kann bei flachen Pfannen durch eine Erhöhung der Dichte der Tropflöcher oder indem die Benetzungsspuren rasch seitlich variiert werden. Dabei ist zu prüfen, ob insbesondere bei Wind ein Zusammenfliessen der engliegenden Wasserspuren verhindert werden könnte. Letzteres könnte z.B. z.B. erzielt werden, indem das Tropfrohr am Dachfirst elektromechanisch horizontal um +-2,5 cm verschoben würde (Dies wäre technisch jedoch aufwendiger und fehleranfällig).
+* Würden alle guten und sehr gut geeigneten Dachflächen gemäß Solarpotentialkataster genutzt (2000m2) und der Wirkungsgrad betrage im Jahresmittel (realistische) 11%, so könnte die Wärmeernte 220.000kWh/a betragen, also 20% des Bedarfs.
 ===Weitere Einschränkungen und potentielle Probleme===
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 * müssen im Sommer mittags 0,6 Liter/s Wasser auf das Dach gepumpt werden und
 * die Zisterne muss mindestens 500 Liter fassen
-* Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximaler Solarstromproduktion bzw. in Zukunft Überproduktion.
+* Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten, der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximaler Solarstromproduktion bzw. in Zukunft Überproduktion.
 * '''es werden 25kW-peak thermisch produziert'''