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Solarkollektorsystem in Kombination mit Wärmepumpenheizung für ein Bürogebäude in einem Kohlebergwerk mit einer Fläche von 24.000 m²
Solarkollektorsystem in Kombination mit Wärmepumpenheizung für ein Bürogebäude in einem Kohlebergwerk mit einer Fläche von 24.000 m²
Wie ein Solarthermiesystem mit zwei Energiequellen die elektrische Heizung in Yulin, Shaanxi, ersetzt hat – jährliche Energieeinsparungen in Höhe von 300.000 kWh sowie eine Amortisationszeit von vier Jahren. Ingenieurliche Analyse für B2B-Käufer, die großflächige kommerzielle Heizlösungen in Betracht ziehen.
Ein Heizsystem, das aus einem Solarkollektor und einer Wärmepumpe besteht, ersetzte die herkömmliche elektrische Heizung in einem 24.000 Quadratmeter großen Bürogebäude eines Kohlebergwerks in Yulin, Provinz Shaanxi, China. Das im Jahr 2021 in Betrieb genommene System sorgt auch in extremen Wintern für stabile Raumtemperatur, spart jährlich 300.000 kWh Strom und ermöglicht eine vollständige Amortisierung der Investitionen innerhalb von vier Jahren. Diese Fallstudie erläutert den technischen Aufbau, den ingenieurtechnischen Ansatz für kalte Klimazonen sowie die gemessenen Ergebnisse – wobei auch Aspekte erwähnt werden, die für B2B-Käufer relevant sind, die ähnliche Systeme für industrielle oder große Geschäftsgebäude bewerten.
Warum Energieanlagen für den Kohleabbau alternative Lösungen für die Solarenergieheizung benötigen
Die Kohlebergbauaktivitäten im Norden Chinas stehen vor einem besonderen Dilemma in Bezug auf die Wärmeerzeugung. Diese Anlagen befinden sich über reichen Vorkommen an fossilen Brennstoffen; dennoch wird das Verbrennen von Kohle zur Raumheizung aufgrund der nationalen Dekarbonisierungsrichtlinien zunehmend eingeschränkt. Die elektrische Wärmeproduktion löst das Problem der Emissionen lokal, führt jedoch zu erheblichen Betriebskosten – insbesondere für Gebäude mit einer Fläche von über 10.000 m² in Regionen mit einer Heizperiode von 4 bis 5 Monaten sowie Umgebungstemperaturen, die regelmäßig unter -15 °C fallen.
Das Gebiet um Yulin in der Provinz Shaanxi veranschaulicht diese Herausforderung auf deutliche Weise. Als eine der größten Kohleproduktionsregionen Chinas stehen die dortigen Unternehmen unter Druck, ihre Umweltverträglichkeit unter Beweis zu stellen und gleichzeitig die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Herkömmliche Kohlekessel werden schrittweise außer Dienst gestellt. Die reine elektrische Beheizung ist zwar an der Stelle der Nutzung umweltfreundlich, doch die damit verbundenen Stromkosten steigen proportional zur Gebäufläche an – und in kalten Klimazonen können diese Kosten das für viele Industrieunternehmen Akzeptable überschreiten.
Dies schafft praktische Möglichkeiten für solare Wärmesysteme in Kombination mit Wärmepumpen: Ein Konzept, das die kostenlose Sonneneinstrahlung während des Tages nutzt und gleichzeitig Wärmepumpentechnologie einsetzt, um die Lücke in den bewölkten Zeiten sowie in der Nacht zu überbrücken. Die technische Frage ist jedoch, ob solche Systeme in großem Maßstab zuverlässig Wärme liefern können – insbesondere in Gebäuden mit einer Fläche von über 20.000 m² sowie in Klimazonen, in denen regelmäßig Temperaturen von unter -20 °C erreicht werden.
Projektumfang: 24.000 m² Bürogebäude in Yulin, Shaanxi
Der Standort des Projekts ist ein Verwaltungskomplex eines Kohlebergwerks in Yulin, der aus Büroflächen, Konferenzräumen sowie Mitarbeiterunterkünften besteht und insgesamt eine beheizte Fläche von 24.000 m² umfasst. Das System wurde im Jahr 2021 in Betrieb genommen.
Wichtige Standortparameter:Die Heizperiode dauert von Mitte November bis Mitte März – insgesamt etwa vier Monate. Wintertemperaturen erreichen in dieser Region regelmäßig Werte zwischen -15°C und -20°C. Die Sonneneinstrahlung in der Region Yulin ist relativ stark; an klaren Tagen in den trockenen Wintertagen ist dies besonders auffällig. Das Gebäude wird hauptsächlich tagsüber genutzt (Bürozwecke), was gut mit den Zeiten der höchsten Sonneneinstrahlung übereinstimmt.
Das Projektziel bestand darin, eine umfassende Heizversorgung für die gesamte Fläche von 24.000 m² sicherzustellen, dabei die Raumtemperatur während der Heizsaison konstant bei 18–22 °C zu halten und gleichzeitig sowohl den Stromverbrauch als auch die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zum vorherigen rein elektrischen Heizsystem erheblich zu reduzieren.
Technischer Entwurf: Wie die Koppelung zwischen Solarwärmepumpe und Heizsystem funktioniert
Das System nutzt eine Architektur mit zwei Quellen, die Ingenieurqualität mit… kombiniert.FlachkollektorenMithilfe von Luftwärmepumpen. Keine dieser Technologien funktioniert allein – die Funktionsweise hängt von einer intelligenten Wechselung zwischen dem Solarenergiebetrieb und dem Wärmepumpenbetrieb ab, wobei diese Entscheidung an den Echtzeitbedingungen orientiert ist.
Engineering-Manifold-Plattenkollektoren
Die Solaranlage verwendet großformatige, für den kommerziellen Einsatz konzipierte Flachkollektoren. Im Gegensatz zu Wohngebäudekollektoren verfügen diese Kollektoren über eine größere Absorptionsfläche (mehr als 10 m² pro Einheit), innere Strömungskanäle sowie eine Konstruktion, die den typischen Windbelastungen der chinesischen Hochplateaus im Norden standhält.
Für diese Anwendung wurden Flachplattenkollektoren aus verschiedenen Gründen den Vakuumröhrenkollektoren vorgezogen. In windigen Umgebungen weisen Flachplattenkollektoren ein stabileres Profil auf und bergen daher ein geringeres Risiko mechanischer Schäden. Ihr modulares Anschlusskonzept ermöglicht die Aufstellung in Reihen- oder Parallelschaltungen, was die hydraulische Ausgleichsregelung bei großen Anlagen vereinfacht. Zudem vertragen Flachplattenkollektoren teilweises Schattenwerfen sowie Temperaturschwankungen, ohne dass dabei Degradationserscheinungen auftreten – im Gegensatz zu Vakuumröhrenkollektoren, bei denen Versagen der Dichtungen im Laufe einer Nutzungsdauer von über 15 Jahren zu solchen Problemen führen können.
Die Sammelleiste erwärmt eine Mischung aus Glykol und Wasser; diese überträgt die Wärmeenergie an ein Pufferspeichersystem. Von dort aus wird die Wärme über ein herkömmliches Hydrauliksystem im Gebäude verteilt.
Luft-Wärmepumpe als Hilfssystem
Luftwärmepumpen bieten eine zusätzliche Heizung, wenn die Solarenergieerzeugung unzureichend ist – beispielsweise bei bedecktem Himmel, in den frühen Morgenstunden oder in Zeiten extremer Kälte. Die Wärmepumpen arbeiten mit einem Wirkungsgrad, der deutlich über 1,0 liegt; das bedeutet, dass sie mehr Wärmeenergie liefern, als sie an elektrischer Energie verbrauchen. Selbst bei einer Umgebungstemperatur von -20 °C behalten moderne Luftwärmepumpen nützliche Wirkungsgrade bei (wenn auch niedrigere als bei wärmeren Temperaturen).
Der wirtschaftliche Vorteil gegenüber rein elektrischer Beheizung ist erheblich: Wärmepumpen verbrauchen etwa ein Viertel bis ein Drittel der elektrischen Energie, die für eine gleich hohe Wärmeleistung bei der direkten Widerstandsheizung erforderlich wäre.
Intelligente Logik zur Wechselung zwischen verschiedenen Betriebsmodi
Modus „klarer Himmel“
Solarkollektoren dienen als Hauptwärmequelle. Die gesammelte Wärmeenergie wird entweder direkt genutzt oder im Pufferspeicher gespeichert. Wärmepumpen bleiben in Bereitschaft, wodurch der Stromverbrauch minimiert wird.
Wolkig / teilweise bedeckt
Beide Systeme arbeiten gleichzeitig. Die Solarkollektoren liefern so viel Energie, wie verfügbar ist; Wärmepumpen ergänzen den Mangel. Dadurch wird eine Überdimensionierung eines der Systeme vermieden.
Extremer Kälteeinfluss / anhaltend bewölkte Wetterbedingungen
Wärmepumpen übernehmen den Hauptanteil der Wärmebereitstellung. Zunächst wird die in dem Speichersystem verbliebene Restwärme aus vorherigen Solarenergieerfassungsprozessen genutzt, wodurch die Betriebszeit der Wärmepumpen sowie der Spitzenstromverbrauch reduziert werden.
Entwurfsgrundlagen
Ein reines Solarsystem würde unpraktische Speichertechnologien oder riesige Anlagen erfordern. Ein reines Wärmepumpensystem würde an sonnigen Tagen unnötig hohe Stromkosten verursachen. Der kombinierte Ansatz optimiert beide Szenarien.
Kältewetter-Engineering: Aufrechterhaltung einer Wärmemenge unter –20 °C
Um zuverlässige Leistung bei -20 °C zu gewährleisten, sind spezifische technische Lösungen erforderlich, die über die gängigen Methoden der Solarenergieanwendung hinausgehen.
Kältemittelsystem
Die Sammelleitungsanordnung verwendet ein Wärmeträgerfluid auf Glykol-Wasser-Basis, dessen Gefrierpunkt weit unter -30 °C liegt – dadurch werden Schäden an den Rohren während der über Nacht anhaltenden Ruhephase verhindert. Die Konstruktion der Leitungsanordnung minimiert außerdem die Entstehung von Stagnationszonen, in denen das Gefrieren des Fluids möglich wäre.
Kältemittelbetriebene Wärmepumpen
Für dieses Projekt ausgewählte Wärmepumpen sind für den Betrieb bei Umgebungstemperaturen von bis zu -25 °C geeignet. Ihre Enteisungsvorgänge sind so konzipiert, dass sie auch bei dauerhaftem Betrieb unter dem Gefrierpunkt ohne Einbußen in der Effizienz funktionieren.
Isolierung von Rohren
Speziell entwickelt für extreme Temperaturunterschiede zwischen heißem Fluid (60 °C und mehr) und Umgebungsluft (-20 °C). schlecht isolierte Rohrleitungen verursachen erhebliche parasitäre Wärmeverluste, die die Berechnung des Anteils der Solarenergie beeinträchtigen.
Bestimmung der Größe des Pufferspeichers
Die Größe ist so gewählt, dass sie den tagszeitlichen Solarenergieertrag mit den abendlichen Wärmebedarf abdeckt. Ist die Größe zu klein, ist eine übermäßige Kompensation durch die Wärmepumpe erforderlich; ist die Größe hingegen zu groß, steigen die Anschaffungskosten, ohne dass es zu einem entsprechenden Nutzen kommt.
Gemessenes Ergebnis:Während der gesamten Heizsaison lagen die Innenraumtemperaturen stets im gewünschten Bereich von 18 bis 22 °C – auch dann, wenn die Außentemperaturen auf bis zu -20 °C fielen.
Gemessene Projektresultate nach der Umsetzung
Energieeinsparung und Kosteneinsparungen
Im Vergleich zur vorherigen rein elektrischen Heizanlage spart das System jährlich 300.000 kWh Strom. Bei den lokalen Strompreisen bedeutet dies eine jährliche Ersparnis an Betriebskosten in Höhe von etwa 250.000 CNY – was ungefähr 35.000 US-Dollar entspricht. Die Reduzierung des Verbrauchs an Steinkohleäquivalenten beträgt etwa 100 Tonnen pro Jahr.
Die erwarteten kumulativen Einsparungen bei den Stromkosten über die gesamte 15-jährige Nutzungsdauer des Systems belaufen sich auf etwa 3,75 Millionen CNY – was in etwa 520.000 US-Dollar entspricht. Die Amortisationszeit der Investition, berechnet anhand der im ersten Jahr erzielten Einsparungen im Verhältnis zu den Anschaffungskosten des Systems, wurde innerhalb von vier Jahren erreicht.
Eine vierjährige Amortisationszeit ist für ein kommerzielles Heizsystem bemerkenswert. Zum Vergleich erzielen viele kommerzielle Solaranlagen auf günstigen Märkten eine Amortisation in 5 bis 8 Jahren. Die Kombination aus einer hohen Stromeinsparung, reichlichen Sonnenressourcen sowie dem effizienzsteigernden Effekt der Wärmepumpe trug alle dazu bei, dass im Yulin-Projekt eine relativ kurze Amortisationszeit erreicht werden konnte.
Auswirkungen der Kohlenstoffreduzierung
Jährliche Reduzierung der Kohlendioxidemissionen: 644 Tonnen. Diese Zahl wird auf Grundlage des Emissionsfaktors des Stromnetzes in Shaanxi berechnet und spiegelt die tatsächliche Kohlenstoffintensität der ersetzten Energiequellen wider. Im Gegensatz zu Kohlekraftwerken erzeugt dieses System keine lokalen Luftschadstoffe – weder Schwefeldioxid noch Feinstaub oder Stickoxide am Einsatzort. Für Anlagen, die sich auf Umweltkonformitätsprüfungen befinden, verringert die Beseitigung solcher Emissionen auch das regulatorische Risiko.
Planen Sie ein Solarenergieheizsystem für ein gewerbliches oder industrielles Gebäude mit einer Fläche von mehr als 5.000 m²? Erhalten Sie eine vorläufige Größenempfehlung von Soletks Engineering.
Beratung anfordernWas B2B-Käufer aus diesem Projekt lernen können
Dieser Fall bietet wertvolle Erkenntnisse für Käufer, die Systeme mit Kombination aus Solarwärmepumpen und anderen Technologien bewerten – unabhängig davon, ob es sich um eine Kohlemine, ein Industriekomplex, ein Logistikzentrum oder eine Gruppe von Geschäftsgebäuden handelt.
Kriterien für die Auswahl von Systemen für den großflächigen kommerziellen Heizbereich
Allein die Gebäudefläche bestimmt nicht die Systemauslegung. Entscheidende Faktoren sind: die Heizlast pro Quadratmeter (abhängig von der Dämmung, der Ausrichtung des Gebäudes sowie den inneren Wärmegewinnen), die Schwere des lokalen Klimas (Heizgradtage), die Verfügbarkeit solarer Energiequellen (kWh/m²/Jahr auf der Neigungsebene der Kollektoren), die Stromkosten sowie die akzeptable Amortisationszeit.
Für Käufer, die diese Architektur bewerten:Für Gebäude mit einer Fläche von 10.000 bis 50.000 m², bei denen die Heizperiode 3 bis 5 Monate beträgt und die Umgebungstemperatur regelmäßig unter –10 °C liegt, erweist sich die Kombination aus Solarkollektoren und Wärmepumpe in Bezug auf die Lebenszykluskosten in der Regel als vorteilhafter als rein elektrische oder rein solare Lösungen – vorausgesetzt, die Solarenergie ist ausreichend und es steht genügend Fläche für die Anbringung der Kollektoren zur Verfügung.
Fragen Sie jeden potenziellen Systemanbieter nach einer thermischen Simulation, die die erwartete Solareinspeisung pro Monat sowie den prognostizierten Stromverbrauch der geplanten Wärmepumpen unter Normalbetriebsbedingungen zeigt, sowie nach einer klaren Rückzahlungsrechnung mit angegebenen Annahmen.
Bewertung der Fähigkeiten von Zulieferern im Bereich Engineering
Der Wert eines Lieferanten in dieser Art von Projekt geht über den Verkauf von Solarmodulen hinaus. Ein zuverlässiger Lieferant für Heizsysteme, die Solarenergie und Wärmepumpen kombinieren, sollte folgende Leistungen erbringen:
| Fähigkeit | Was Sie verlangen sollten |
|---|---|
| Unterstützung bei der Systemarchitektur | Größenbestimmung des Sammellagers, Spezifikationen des Pufferspeichers, Auswahl der Wärmepumpe, hydraulische Konstruktion |
| klimabedingte ingenieurtechnische Maßnahmen | Anforderungen an Frostschutzmittel, Aspekte der Windbelastung sowie Auswirkungen des Enteisungskreislaufs an Ihrer geografischen Lage |
| Referenzprojekte | Projekte vergleichbaren Umfangs (>10.000 m²) in vergleichbaren Klimazonen |
| Einrichtungsunterstützung | Erste Einstellung der Logik zur Wechselung zwischen den Modi sowie der Strategie zur Steuerung des Speichers |
| Leistungsdaten | Gemessene Ergebnisse des ersten Jahres aus früheren Installationen – nicht nur modellierte Prognosen |
Wenn ein Lieferant nur Preise für Solarmodule angeben kann, aber keine Informationen zur Systemarchitektur bereitstellt, ist sein Angebot für diese Anwendungskategorie unvollständig. Suchen Sie nach Herstellern, die die gesamte Wertschöpfungskette – von der Auswahl der Solarmodule bis zur Inbetriebnahme des Systems – verstehen. Ein detailliertes Bewertungskonzept für die Auswahl von Lieferanten finden Sie in unserem Leitfaden.Wie wählt man einen Hersteller von Sammlersystemen für kommerzielle Projekte aus?.
Ingenieurleistungen von Soletks für kommerzielle Solarheizprojekte
Soletks (Shandong Soletks Solar Technology Co., Ltd.) stellte die technische Planung bereit.PlattenkollektorenIn diesem Projekt der Kohlemine in Yulin wurden die EFPC-Serie von Großformat-Sammelern ausgewählt – aufgrund ihrer speziellen Struktur, die sie für windige Umgebungen geeignet macht, sowie aufgrund ihrer hohen Wärmeeffizienz.
EFPC-Serie – ingenieurgemachte, flache Plattenkollektoren
Entworfen für den Einsatz in großflächigen zentralen Heizsystemen, district energy-Anlagen sowie kommerziellen Warmwassersystemen – dort, wo die Installationsgeschwindigkeit sowie die Fläche, die mit einer Einheit abgedeckt wird, die wirtschaftlichen Aspekte des Projekts direkt beeinflussen.
Soletks hat ähnliche Systeme in mehreren großangelegten Projekten in China eingesetzt, darunter eine zentrale Solarheizanlage mit einer Fläche von 107.000 m² in Shigatse, Tibet – eines der höchstgelegenen Solarheizprojekte der Welt – sowie ein Schulheizprojekt in Tianjin, bei dem die TPV Pro + Wärmepumpe eingesetzt wurde.
Für internationale B2B-Käufer fungiert Soletks als direkter Hersteller mit Sitz in Dezhou, Provinz Shandong. Die Firma verfügt über die technischen und produktionellen Kapazitäten, um OEM-/ODM-Anforderungen, individuelle Spezifikationen sowie projektbezogene Beratungen zu erfüllen. Soletks besitzt die Zertifizierungen „Solar Keymark“ sowie die Zertifizierungen für Managementsysteme nach ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001. Entdecken Sie mehr…Wirtschaftlicher SolarkollektorUmfang der für das jeweilige Modell spezifischen Daten.
Häufig gestellte Fragen
Kann ein System aus Solarkollektoren und Wärmepumpe tatsächlich ein Gebäude mit einer Fläche von 24.000 m² den ganzen Winter über beheizen?
Ja – aber das System muss für das spezifische Klima sowie die jeweiligen baulichen Anforderungen korrekt konzipiert werden. Das Projekt in Yulin zeigt, dass bei ausreichender Fläche der Solarenergiekollektoren, einer angemessenen Größe des Wärmespeichers sowie Wärmepumpen in kommerzieller Qualität, die für Betrieb bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geeignet sind, das kombinierte System auch bei Außentemperaturen von -20°C eine Raumtemperatur von 18–22°C aufrechterhalten kann. Der Schlüssel liegt in der Architektur mit zwei Energiequellen: An sonnigen Tagen übernimmt die Sonne einen großen Teil der Wärmebereitstellung, während Wärmepumpen in bewölkten Zeiten sowie bei extremen Kältebedingungen für eine kontinuierliche Wärmeversorgung sorgen.
Wie lang ist eine realistische Amortisationszeit für diese Art von kommerziellen Solarheizsystemen?
Das Yulin-Projekt erzielte die Amortisierung innerhalb von vier Jahren – was für kommerzielle Solarthermieprojekte ein relativ schneller Zeitraum darstellt. Die Amortisierungsdauer hängt von den lokalen Strompreisen, der Qualität der Sonneneinstrahlung, dem Wärmedämmungsniveau des Gebäudes sowie der Länge der Heizsaison ab. In kalten Klimazonen mit Stromkosten von über 0,6 CNY/kWh und starker Wintersonneneinstrahlung sind 4–6 Jahre für die Amortisierung realistisch. In Regionen mit niedrigeren Stromkosten oder kürzeren Heizsaisons kann die Amortisierungsdauer jedoch bis zu 6–8 Jahre betragen.
Warum wurden Flachkollektoren statt Vakuumröhrenkollektoren gewählt?
Plattenkollektoren weisen in windigen Umgebungen Vorteile auf: geringerer Windwiderstand, reduziertes Risiko mechanischer Schäden sowie einfachere Wartung. Ihr spezielles Design ermöglicht eine einfache hydraulische Ausbalancierung bei großen Anlagen. Evakuierte Kollektoren erzielen höhere Temperaturen pro Flächeneinheit, sind jedoch anfälliger für Verschlechterungen der Dichtungen während ihrer etwa 15-jährigen Lebensdauer und erfordern bei Installation in windigen Gebieten eine besonders sorgfältige Montage. Weitere Details finden Sie in unserer…Vergleich zwischen Flachplatten und Vakuumröhren.
Wie viel Wartung erfordert ein System, das aus einer Solarwärmepumpe und weiteren Komponenten besteht?
Zur regelmäßigen Wartung gehören jährliche Überprüfungen der Glykolkonzentration, eine visuelle Inspektion der Verglasung der Kollektoren sowie der Dämmung der Rohre, die Reinigung der Filter der Wärmepumpe sowie die Überprüfung des Steuerungssystems. Dank des modularen Designs können einzelne Kollektoreinheiten ohne Stilllegung des gesamten Systems gewartet werden – ein erheblicher Vorteil im Vergleich zu Kohlekesseln, die längere Wartungsstillstände erfordern.
Ist diese Systemarchitektur auch außerhalb Chinas anwendbar?
Die ingenieurtechnischen Prinzipien sind vollständig übertragbar. Systeme, die Solarwärmpumpen kombinieren, werden bereits in Nordeuropa, Kanada sowie anderen Regionen mit kaltem Klima eingesetzt. Spezifische Kollektormodelle, Wärmpumpenparameter sowie Steuerlogiken werden an die lokalen klimatischen Bedingungen sowie Bauvorschriften angepasst. Soletks liefert Ausrüstung weltweit und bietet ingenieurtechnische Beratung für Projekte in Europa, dem Nahen Osten sowie anderen B2B-Märkten an.
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