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Kurztitel: Verbundvorhaben: EnOB: Terra Solar Quelle
Laufzeit: 02/2015 bis 03/2018
Themen: Heizen, Lüften, Kühlen, Solare Wärme, Wärme aus Erdreich, Grundwasser, Abwasser, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung
Innovation: Solarkollektoren als zweite Wärmequelle helfen, bei Wärmepumpen mit Erdwärmekollektoren kritische Frostzustände zu vermeiden und ermöglichen kleinere Erdwärmekollektoren. Hierfür werden ein Simulationsmodell und vereinfachte Auslegungsregeln entwickelt.
Schlagworte:
Kurztitel: Verbundvorhaben: EnOB: Terra Solar Quelle
Laufzeit: 02/2015 bis 03/2018
Themen: Heizen, Lüften, Kühlen, Solare Wärme, Wärme aus Erdreich, Grundwasser, Abwasser, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung
Innovation: Solarkollektoren als zweite Wärmequelle helfen, bei Wärmepumpen mit Erdwärmekollektoren kritische Frostzustände zu vermeiden und ermöglichen kleinere Erdwärmekollektoren. Hierfür werden ein Simulationsmodell und vereinfachte Auslegungsregeln entwickelt.
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Kurztitel: Verbundvorhaben: EnOB: Terra Solar Quelle
Laufzeit: 02/2015 bis 03/2018
Themen: Heizen, Lüften, Kühlen, Solare Wärme, Wärme aus Erdreich, Grundwasser, Abwasser, Modellierung & Simulation, Planung & Auslegung
Innovation: Solarkollektoren als zweite Wärmequelle helfen, bei Wärmepumpen mit Erdwärmekollektoren kritische Frostzustände zu vermeiden und ermöglichen kleinere Erdwärmekollektoren. Hierfür werden ein Simulationsmodell und vereinfachte Auslegungsregeln entwickelt.
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Quintessenz

  • Erdwärmekollektoren sind eine oft kostengünstige Alternative zu Erdwärmesonden, haben jedoch einen erheblichen Flächenbedarf
  • Unverglaste Solarkollektoren als zweite Wärmequelle erlauben kleinere Erdwärmekollektoren und vermeiden kritische Frostzustände im Erdreich
  • Für die Modellierung von Erdreich und Erdwärmekollektoren wurde ein TRNSYS-Simulationsmodell entwickelt
  • Daraus lassen sich vereinfachte Auslegungsregeln ableiten, die in Kürze veröffentlicht werden

Erdwärmekollektoren und Solarkollektoren lassen sich als bivalente Wärmequelle für Wärmepumpen kombinieren. Dies verspricht einige Vorteile. In diesem Forschungsprojekt wurde das Systemverhalten genauer untersucht. In Simulationsstudien wurden unterschiedliche Systemkonfigurationen mit den beiden Wärmequellen analysiert, unter besonderer Beachtung thermischer Erschöpfung des Erdreichs sowie kritischer Frostzustände. Hierfür wurde eigens ein numerisches Modell für Erdwärmekollektoren entwickelt, das die thermischen Vorgänge genau beschreibt.

Projektkontext

Wärmepumpensysteme mit Erdwärmekollektoren (EWK) als Wärmequelle sind deutlich energieeffizienter als Luft/Wasser-Wärmepumpen. Gegenüber Erdwärmesonden haben EWK einen geringeren baulichen Aufwand und sind weitgehend unabhängig von der geologischen Situation des Untergrunds einsetzbar. Allerdings brauchen EWK vergleichsweise viel Fläche, weshalb sie bislang eher selten genutzt werden. Durch eine gelegentliche solarthermische Regeneration des Erdreichs wird die benötigte EWK-Fläche deutlich verringert und gleichzeitig eine thermische Erschöpfung des Erdreichs vermieden. Wegen des reduzierten Flächenbedarfs werden EWK für viele Ein- und Mehrfamilienhäuser attraktiv.

Schematische Darstellung des modellierten Wärmeversorgungssystems mit Wärmepumpe, Pufferspeicher, Erdwärmekollektor und thermoelektrischem Hybrid-Solarkollektor (PVT)

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

Forschungsfokus

Im Rahmen des Forschungsprojekts ist ein TRNSYS-Modell für Erdwärmekollektoren entwickelt worden (Type 710). Es erlaubt eine feine Diskretisierung eines zweidimensionalen Schnitts durch das Erdreich, berücksichtigt Gefriervorgänge und die Fluidkapazität. Es ist in TRNSYS für schnelle, dynamische Systemsimulationen optimiert. Das Modell wurde an einer eigens errichteten Versuchsanlage experimentell validiert. Auf der Basis wurden umfangreiche Systemsimulationsstudien durchgeführt, um wesentliche Dimensionierungsparameter zu ermitteln. In Simulationen mit unterschiedlich konfigurierten EWK und Solarkollektoren und verschiedenen Regelungsstrategien wurden die Flächenreduktionspotenziale für Erdwärmekollektoren bestimmt.

Erdwärmekollektor im Bau. Experimentiert wird mit verschiedenen Verlegetiefen und –abständen.

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

Erdwärmekollektor im Bau. Eine aufwändige Sensorik wird zur detaillierten Vermessung der thermischen Vorgänge im Erdreich installiert.

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

System-Jahresarbeitszahlen (JAZsys) in Abhängigkeit von der Größe des Erdwärmekollektors (EWK), der solaren Regeneration und der Verlegeabstände im Erdwärmekollektor im Vergleich: Ohne solare Regeneration (durchgehende Linien) vs. mit solarer Regeneration (gestrichelte Linien) sowie Verlegeabstand 30 cm (blaue Linien) und 60 cm (grüne Linien).

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

Elektrischer Heizstabeinsatz und energetisch gemittelte Verdampfer-Temperatur für verschiedene Bodenarten in Abhängigkeit von der EWK-Fläche (Verlegeabstand 60 cm)

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

System-Jahresarbeitszahl (JAZsys) für verschiedene Bodenarten und Heizlasten bzw. Vorlauftemperaturen in Abhängigkeit von der EWK-Fläche (Verlegeabstand 60 cm)

© ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Emmerthal

Erfolge

Die experimentellen Untersuchungen und das EWK-Modell stimmen gut überein, das haben die experimentellen Versuche gezeigt. Das TRNSYS-Modell „Erdwärmekollektoren“ kann kostenfrei vom ISFH bezogen werden.

Die Simulationsstudien zeigen weiter, dass sich mit der Integration von Solarkollektoren ins Wärmepumpensystem der Flächenbedarf je nach Konstellation um mehr als 50 Prozent gegenüber der aktuellen Dimensionierungsempfehlung der VDI4640-2 (Gründruck 05/2015) reduziert. Denn das Erdreich kann bei drohender thermischer Erschöpfung mit solarer Wärme gezielt regeneriert werden.

Wesentlicher Parameter ist hierbei eine Verringerung der Verlegeabstände der EWK-Rohre. Es wurde eine vereinfachte Auslegeregel bestimmt, die anhand der Wärmeleitfähigkeit des vorliegenden Bodens den Zusammenhang zwischen spezifischer Solarkollektorfläche (Asolar/Aewk) und relativer EWK-Flächenreduktion annähert. Somit werden die bisherigen Empfehlungen zur Dimensionierung von EWK ergänzt um den flächenmindernden Einfluss von unverglasten thermischen Solarkollektoren.

Dieses Diagramm zeigt, wie stark die Fläche des Erdwärmekollektors mit zunehmender Solarkollektorfläche verkleinert werden kann – in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Bodens (in W/mK), Beispiele: Lehmiger Sand 1,2 W/mK, Sandiger Ton 1,9 W/mK.

© tewag Technologie - Erdwärmeanlagen - Umweltschutz GmbH, Starzach-Felldorf

Anwendung

Ein Informationsblatt mit den vereinfachten Auslegungsregeln wird im dritten Quartal 2018 hier auf dieser Webseite erscheinen.

Das Modell für Erdwärmekollektoren wurde als rechenzeitoptimierte Komponente für die Simulationssoftware TRNSYS umgesetzt und anhand von Versuchen an einer eigens errichteten Experimentalanlage am Institut für Solarenergieforschung experimentell validiert. Es wird auf Anfrage kostenfrei zur Verfügung gestellt (TRNSYS Type 710).

Ansprechpartnerin TRNSYS Types

Susanne Schiewe
s.schiewe(at)isfh.de

Letzte Aktualisierung: 9. Mai 2018

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