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15-Tonnen-/Tag-Solarwarmwassersystem für die Xi'an No.4 High School – eine reproduzierbare Energienachrüstung auf dem Campus
15-Tonnen-/Tag-Solarwarmwassersystem für die Xi'an No.4 High School – eine reproduzierbare Energienachrüstung auf dem Campus
Ein U-Röhren-Vakuum-Solarkollektorsystem, das etwa 60 % der jährlichen Warmwasserlast für 15 Tonnen/Tag abdeckt, schätzungsweise mehr als 100 Tonnen CO₂ pro Jahr einspart und die abendliche Spitzenversorgung für Studentenwohnheime stabilisiert.
Projekthintergrund
Die Xi'an No.4 High School ist eine öffentliche weiterführende Schule im Zentrum von Xi'an mit einer hohen Schülerdichte, die über Schlafsäle, Kantinenküchen und Sportanlagen verfügt. Vor der Sanierung war die Schule auf konventionelle Gas- oder Elektro-Warmwasserbereitung angewiesen, um einen täglichen Warmwasserbedarf von rund 15 Tonnen zu decken. Zwei strukturelle Zwänge trieben das Projekt voran: steigende Betriebskosten während der Heizperiode und strengere Green-Campus- und Dual-Carbon-Ziele für chinesische öffentliche Gebäude.
Warum dieser Fall für ähnliche Campus-Projekte wichtig ist:15 Tonnen pro Tag sind eine typische Schulladung mittlerer Größe. Die thermische Berechnung, die Spitzenlastlogik und die Dimensionierung des U-Rohr-Kollektors können in diesem Fall direkt für jedes Wohnheim- oder Kantinenprojekt mit 8–25 Tonnen/Tag in den Klimazonen Nordchinas (HDD > 2.000) herangezogen werden.
Die Herausforderungen vor der Nachrüstung
Wenn man von einer täglichen Belastung von 15 Tonnen ausgeht, bei einer Eingangstemperatur von 10 °C im Winter und einer Auslieferungstemperatur von 55 °C, beträgt der monatliche Wärmebedarf der Schule etwa 23.550 kWh. Diese Zahl bestimmt alle damit verbundenen Herausforderungen.
Hohe monatlichen Energiekosten
Wird die Heizung elektrisch betrieben, beträgt der monatliche Verbrauch …~25.000 kWhmit einem Preis von …15.000 bis 22.000 CNYJe nach Zeitpunkt des Verbrauchs gelten unterschiedliche Tarife. Im Fall eines Gaskessels entsteht dabei ein bestimmter Energieverbrauch.~2.900–3.050 m³ pro MonatBei Kosten, die zwischen … liegen.6.200–10.200 CNY.
Unstabile Winterversorgung
Die Eintrittstemperatur in Xi’an im Winter sinkt auf 10 °C oder darunter, wodurch der Temperaturanstieg im Sommer von 30 °C auf über 45 °C im Winter ansteigt. Einfachsysteme verlieren an Effizienz und schaffen es in den Stoßzeiten oft nicht, eine Ausgangstemperatur von 55 °C zu gewährleisten.
Abendliche Spitzenlastbelastung
60–70 Prozent des täglichen Warmwasserverbrauchs stammen…~9–10,5 TonnenDer Verbrauch erfolgt innerhalb eines Zeitfensters von 5 Stunden (18:00–23:00). Der maximale stündliche Verbrauch kann diese Grenze überschreiten.3 t/hDadurch werden zu kleine Tanks sowie Heizsysteme mit langsamer Reaktionszeit sichtbar.
Kohlenstoffemissionen und Compliance-Anforderungen
Die elektrische Beheizung erzeugt …~171 tCO₂e/JahrGaskessel erzeugen …~75 tCO₂/JahrBeide Zahlen stehen in direktem Widerspruch zu den KPIs des „grünen Campus“ sowie zu den Anforderungen der Provinz bezüglich der Berichterstattung über den Kohlenstoffausstoß.
Überblick über die Lösung
SoletkSolar hat ein hybrides System entwickelt, das sowohl Solarenergie als auch Wärme aus thermischen Quellen nutzt: U-förmige, evakuierte Kollektoren übernehmen die Grundlast während des Tages; ein isolierter Speicherbehälter sorgt im Voraus für die Wärmeversorgung während der Spitzenlast am Abend; elektrische Reserven stellen eine Ersatzlösung an bewölkten Tagen sowie an Tagen mit geringerer Sonneneinstrahlung dar. Die Konzeption legt den Schwerpunkt auf die Stabilität der Stromversorgung in den Spitzenzeiten statt auf die maximale Nutzung der Solarenergie – eine bewusste Entscheidung insbesondere für Anwendungen auf Campus-Geländen.
Solare Energie als Grundlast – aber keine vollständige Ersetzung herkömmlicher Energiequellen
Die Anlage ist auf eine jährliche Solarenergiezufuhr von 60 % ausgelegt. Sie ermöglicht die Vorwärmung des Systems tagsüber; bei bewölkten Wintertagen wird der fehlende Energiebedarf durch elektrische Heizung ausgeglichen. Dadurch wird der häufige Fehler vermieden, die Kollektoren zu überdimensionieren, um eine 100-prozentige Ersatzenergieversorgung zu gewährleisten – schließlich führt dies zu höheren Anfangsinvestitionen und zu Problemen in anhaltend bewölkten Wochen.
Druckbelasteter U-Rohr über Heizrohr
U-Rohr-Wärmekollektoren arbeiten unter Druck, passen problemlos in das städtische Wassersystem ein und sind dank eines eisfreien Arbeitsfluids auch dem Gefahr von Wintereisungen in Xi’an gewachsen. Alternativen auf Basis von Wärmeträgerröhren wurden aufgrund der höheren Kosten bei Ausfällen einzelner Rohre in einer Schulumgebung mit begrenzten Möglichkeiten zur Instandhaltung vor Ort abgelehnt.
Verhältnis Tank zu zu ladendem Volumen: 1:1
15 Tonnen isolierter Speicher – ausgelegt für einen täglichen Verbrauch von ebenfalls 15 Tonnen. Dadurch wird die Zeit der Solarenergiegewinnung ( tagsüber) von der Zeit des Verbrauchs (abends) getrennt; dadurch wird der Spitzenverbrauch von 3 Tonnen pro Stunde aufgenommen, ohne dass der Notheizer stark in Anspruch genommen werden muss.
Intelligente Steuerung + zonenweise Strömung
Der differenzielle Temperaturregler steuert die Sammelpumpe; der Notheizkörper wird nur aktiviert, wenn die Temperatur an der Oberseite des Tanks während definierten Spitzenzeiten unter 50 °C fällt. Die zonierten Kreislaufleitungen reduzieren die Wärmeverluste in den Rücklaufleitungen der Unterkünfte.
Systemkonfiguration
30 Vakuumröhren pro Einheit, 3,0 m² Absorptionsfläche pro Einheit, Betriebsdruck von 1,0 MPa. 3003 korrosionsbeständige Aluminiumlamellen, Kupfer-U-Rohre, Lötstellen aus Silber-Kupfer-Legierung. Gesamtabsorptionsfläche ca. 240 m².
Innenbehälter aus Edelstahl 304, Isolierung aus Polyurethan mit einer Dicke von 50 mm; Wärmeverlust im Standby-Betrieb liegt unter 1 °C pro 24 Stunden. Die Größe des Behälters ist so gewählt, dass er den Spitzenverbrauch am Abend ohne zusätzliche Heizvorrichtung abfedern kann.
Die Kapazität beträgt 1,5 t/h; die Spitzenwärmezufuhr liegt bei 45 °C. Die Anlage wird nur aktiviert, wenn die Temperatur im Tank während der programmierten Spitzenzeiten unter den eingestellten Wert fällt.
Solare Pumpe wird durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Ausgang des Kollektors und dem Boden des Tanks aktiviert. Die zeitgesteuerte Zirkulation der Rückführleitung verringert die Standby-Verluste bei langen Rohrleitungen.
Vorher vs. Nachher
Die untenstehende Tabelle vergleicht das Warmwassersystem der Schule in drei verschiedenen Szenarien: Basis-Elektroheizung, Basis-Gasheizkessel sowie das eingesetzte Hybridsystem aus Solarenergie und elektrischer Notfallversorgung. Die angegebenen Kosten sind ingenieurtechnische Schätzungen, die auf der Tarifstruktur für Xi’an für den Zeitraum 2025–2026 basieren.
| Metrisch | Elektrische Baseline | Gas-Referenzwert | Solare Energie + elektrischer Notstromversorgungssystem | Verbesserung |
|---|---|---|---|---|
| Tägliche Menge an warmem Wasser | 15 Tonnen | 15 Tonnen | 15 Tonnen | — |
| Jährliche Energiekosten | 180.000 bis 270.000 CNY | 74.000 bis 122.000 CNY | 30.000 bis 55.000 CNY | ~60–70 % ↓ |
| Jährliche CO₂-Emissionen | ~171 tCO₂e | ~75 tCO₂ | ~35 tCO₂e (residueller Ersatzenergiebedarf) | 100+ t reduziert |
| Stabilität der Versorgung während des Abendhochs | randlich | randlich | Stabil (15-Tonnen-Puffer) | Mit hoher Auflösung dargestellt |
| Exposition gegenüber den Kraftstoffpreisen | Tarifrisiko gemäß TOU | Risiko bei den Wintergaspreisen | Eingeschränkte Exposition gegenüber Backups | Risiken reduziert |
| Befolgung der KPIs für „grüne Campus-Strategien“ | NEIN | Teilweise | Ja | Erreicht |
Leistungsresultate
Die unten aufgeführten Zahlen fassen die prognostizierten sowie tatsächlich erzielten jährlichen Leistungen des eingesetzten Systems zusammen. Die Angaben zu den CO2-Einsparungen basieren auf ingenieurtechnischen Schätzungen, die unter Berücksichtigung der Klimadaten von Xi’an sowie der Tarifangaben für den Zeitraum 2025–2026 erstellt wurden.
„Die größte sichtbare Veränderung betrifft die Zeitspanne von 19:00 bis 22:00 Uhr. Früher berichteten die Wohnheime fast jede Winternacht von lauwarmem Wasser. Seit das Solarsystem mit dem neuen 15-Tonnen-Tank in Betrieb genommen wurde, ist dieses Problem praktisch verschwunden.“
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Was auf diesem Campus funktioniert hat, lässt sich direkt auf jedes Schul-, Wohnheim- oder Mitarbeiterwohnprojekt mit einem täglichen Bedarf an 8 bis 25 Tonnen Material in einem ähnlichen Klima übertragen. Vier Aspekte sind dabei besonders hervorzuheben.
Die Größe entspricht dem Anteil am Solarenergieverbrauch – es handelt sich nicht um eine 100-prozentige Ersetzung.
Das Ziel eines jährlichen Solaranteils von 60 % im nordchinesischen Klima ist der kostenoptimale Punkt. Bei einer Erhöhung über 75 % erhöht sich die Anzahl der Kollektoren ohne proportionale Einsparungen, da bewölkte Winterwochen trotzdem die Aktivierung eines Backups erzwingen.
Die Tankkapazität entspricht der täglichen Belastung
Ein Tank-zu-Beladungsverhältnis von 1:1 ist die sauberste Art, Abendspitzen aufzufangen. Durch die Unterdimensionierung des Tanks aus Kostengründen wird die Last auf die Reserveheizung verlagert, was die Amortisation schmälert und genau die Versorgungsinstabilität erzeugt, die das Projekt beheben sollte.
U-Rohr gewinnt für unter Druck stehendes kommunales Wasser
Unter Druck stehende U-Röhrenkollektoren integrieren sich ohne Zwischenwärmetauscher in das Leitungswasser. Bei Schulen mit langen horizontalen Rohrverläufen über mehrere Wohnheimgebäude hinweg vereinfacht dies das System und reduziert Fehlerquellen.
Kontrollsicherung mit Peak-Window-Logik
Lassen Sie nicht zu, dass die elektrische Notstromversorgung rund um die Uhr dem Sollwert folgt. Beschränken Sie es auf definierte Spitzenzeitfenster (normalerweise 17:00–22:00 Uhr für Schulen). Diese einzige Steuerungsänderung kann den Backup-Energiebedarf um mehr als 30 % reduzieren, ohne das Benutzererlebnis zu beeinträchtigen.
FAQ
Wie liefert das System an bewölkten Wintertagen in Xi'an Warmwasser?
Das elektrische Backup mit 80 kW wird immer dann aktiviert, wenn die Tankoberseitentemperatur während programmierter Spitzenfenster unter den Sollwert fällt. Der isolierte 15-Tonnen-Tank speichert die Restwärme früherer Sonnentage, sodass die Backup-Laufzeit deutlich kürzer ist, als dies bei einem rein elektrischen System erforderlich wäre.
Wie hoch ist die Amortisationszeit für ein Schulsystem mit 15 Tonnen pro Tag?
Die technischen Schätzungen belaufen sich auf 4–6 Jahre im Vergleich zu einem Strom-Basiswert bzw. 6–8 Jahre im Vergleich zu einem Gas-Basiswert bei Gaspreisen auf Schulniveau. Die tatsächliche Amortisation hängt vom örtlichen Tarif, den Schulbetriebstagen pro Jahr und dem Abschreibungsstatus der vorhandenen Ausrüstung ab.
Kann das System erweitert werden, wenn die Zahl der Studierenden steigt?
Ja. Das U-Röhren-Kollektor-Array ist modular aufgebaut – zusätzliche U-Röhren-472-Einheiten können parallel hinzugefügt werden, ohne dass der Speicher oder der Regelkreis neu gestaltet werden muss, sofern die Dachfläche und die strukturelle Belastung dies zulassen. Lagertanks können durch Reihenschaltung eines zweiten Tanks erweitert werden.
Wie hoch sind die jährlichen Wartungskosten?
Die typische Wartung für ein System dieser Größe kostet 5.000–10.000 CNY/Jahr und umfasst Pumpeninspektion, Steuerungskalibrierung, Überprüfung der Frostschutzflüssigkeit und Tankspülung. Der Austausch der Vakuumröhre erfolgt bei Bedarf zu Stückkosten und nicht zum vollständigen Austausch des Systems.
Benötigt das System einen dedizierten Bediener?
Nein. Der Differenztemperaturregler und die Logik der Reserveheizung laufen autonom. Das bestehende Gebäudepersonal der Schule verwaltet dies mit einer vierteljährlichen Inspektion, die mit einem herkömmlichen Arbeitsablauf im Heizraum identisch ist.
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SoletkSolar stellt U-Röhren-Solarkollektoren, isolierte Speichertanks und komplette Warmwassersysteme für Schulen, Krankenhäuser, Hotels und öffentliche Gebäude her – exportiert in über 60 Länder.
