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Welche Wärmequellen sind optimal für Wärmepumpen?

In den letzten Jahren dominieren Luft/Wasser-Wärmepumpen bei der Beheizung von Gebäuden. Doch auch andere Möglichkeiten sollten berücksichtigt werden.

Die Sonne geht über einem Feld unter.
Quelle: Jonathan Petersson / https://www.pexels.com/
Zur Außenluft als Wärmequelle für Wärmepumpen gibt es energieeffizientere Alternativen wie Erdwärme, Grundwasser, Abluft oder solare Wärme.

Immer mehr Gebäude werden mit Wärmepumpen beheizt. In den letzten Jahren dominieren hierbei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Doch zur Außenluft als Wärmequelle gibt es energieeffizientere Alternativen. Beispielsweise Erdwärme, Grundwasser, Abluft oder solare Wärme. Die Vielfalt an möglichen Wärmequellen und der sie erschließenden Wärmeübertrager ist für Planer durchaus anspruchsvoll. Deshalb sind validierte Konzepte, objektive Entscheidungshilfen und Analysen gefragt. Zwei Forschergruppen leisten dazu Beiträge.

Erdwärmekollektoren benötigen vergleichsweise viel Fläche, weshalb sie eher selten vorkommen. Eine Forschergruppe des Instituts für Solarenergieforschung (ISFH) in Emmerthal will deshalb über eine Regeneration des Erdreichs mit solarer Wärme die benötigte Erdwärmekollektorfläche stark reduzieren. Zur genaueren Analyse des Konzepts haben die Forscher in Kooperation mit dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) und der tewag GmbH ein Simulationsmodell für Erdwärmekollektoren entwickelt und mit Daten einer prototypischen Anlage experimentell validiert. Parameterstudien zeigen, wie solche hybriden Anlagen optimal ausgelegt werden, ohne dass es im Betrieb zur thermischen Erschöpfung des Erdreichs kommt.

In einem weiteren Projekt wollen Forscher am Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) in Braunschweig die Planung von Wärmepumpensystemen unterstützen, indem sie für die frühe Planungsphase übersichtliche und objektive Entscheidungshilfen bereitstellen. Dazu wird ein einfaches, "Excel"-basiertes Werkzeug entwickelt. Geeignete Wärmequellen und Wärmeübertrager können damit ausgewählt und auf Basis von aktuellen Marktdaten und empirischen Anlagenparametern schnell bewertet werden. Für verschiedene Gebäude- und Nutzungstypen ist ein energetischer und ökonomischer Vergleich möglich. Die Berechnungen sind über Messdaten realer Anlagen und Simulation validiert.

Ein Mann überprüft mit einem Messgerät eine Wärmepumpe.
Quelle: ISFH, Institut für Solarenergieforschung
Das Erdreich zeigt saisonal bereits in einem Meter Tiefe erheblich geringere Temperaturschwankungen als die Umgebungsluft. Die höhere mittlere Temperatur in der Heizsaison macht es für Wärmepumpensysteme als Wärmequelle attraktiv.

Das Erdreich zeigt saisonal bereits in einem Meter Tiefe erheblich geringere Temperaturschwankungen als die Umgebungsluft. Die höhere mittlere Temperatur in der Heizsaison macht es für Wärmepumpensysteme als Wärmequelle attraktiv. So verwundert es schon, dass der Anteil erdgekoppelter Wärmepumpensysteme unter den neu installierten Anlagen leicht rückläufig ist. Gegenüber den mit Bohrungen ins Erdreich eingebrachten Erdwärmesonden haben die horizontal verlegten Erdwärmekollektoren (EWK) oft einen geringeren baulichen und genehmigungsrechtlichen Aufwand. Auch sind sie weitgehend unabhängig von der geologischen Situation des Untergrunds.

Solarkollektoren ergänzen Erdwärmekollektoren

Doch zum Problem wird häufig die benötigte Fläche zur Verlegung der Kollektoren in ein bis anderthalb Metern Tiefe. Die mit einfachen, unverglasten Solarkollektoren erzeugte Wärme kann helfen, so der Ansatz der Forscher am ISFH, mit deutlich kleineren Erdwärmekollektoren auszukommen, ohne dass es zu kritischen Frostzuständen im Erdreich kommt. Denn in diesen Fällen muss – mit erheblich verminderter Effizienz – elektrisch direkt nachgeheizt werden.

Um Erdreichwärmekollektoren exakt beurteilen und auslegen zu können, wurde ein numerisches Simulationsmodell entwickelt. Es erlaubt eine feine Diskretisierung eines zweidimensionalen Schnitts durch das Erdreich, berücksichtigt Randeinflüsse, Gefriervorgänge im Erdreich und die thermische Kapazität im Erdkollektorfluid. Eingebettet in das Simulationsprogramm "TRNSYS" und optimiert für schnelle, dynamische Systemsimulationen, kann damit der Einfluss einzelner Parameter auf das gesamte Systemverhalten untersucht werden.

Das Simulationsmodell wurde an einer eigens errichteten Versuchsanlage experimentell überprüft. Der 150 m² große Erdwärmekollektor besteht aus vier variabel verschaltbaren Teilfeldern. Mit einer Reihenschaltung aus Wärmepumpe und Heizstab kann Wärme auf variierenden Leistungsniveaus zu- oder abgeführt werden.

Neben den Ein- und Austrittstemperaturen am Erdwärmekollektor und der Wärmepumpe werden auch Erdreichtemperaturen in verschiedenen Tiefen und horizontalen Abständen gemessen.

Die Experimente zeigten: Messungen und Simulation stimmen gut überein. Damit war der Weg frei für umfangreiche Parameterstudien, um wesentliche Dimensionierungsparameter zu ermitteln. In Simulationen mit unterschiedlich konfigurierten Erdwärmekollektoren und Solarkollektoren sowie verschiedenen Regelungsstrategien wurden die Flächenreduktionspotentiale für Erdwärmekollektoren bestimmt.

Parameterstudien liefern Planungsempfehlungen

Mit den Simulationsstudien lässt sich zeigen, dass in das Wärmepumpensystem integrierte einfache, unverglaste Solarkollektoren den Flächenbedarf – je nach Konstellation – um mehr als 50 Prozent gegenüber der aktuellen Dimensionierungsempfehlung der VDI 4640-2 (Entwurf Mai 2015) reduzieren. Wesentlich sind hierbei verringerte Verlegeabstände der EWK-Rohre. Das steigert die Effizienz und ermöglicht kleinere Flächen. Ohne Regeneration steigt allerdings die Gefahr kritischer Frostzustände, was für die Effizienz und den Betrieb der Wärmepumpe kritisch wäre.

Bei verringerten Rohrabständen verändert eingespeiste Solarwärme das Systemverhalten deutlich.

Das Diagramm zeigt System-Jahresarbeitszahlen (JaZsys) in Abhängigkeit von der Größe des Erdwärmekollektors (EWK), der solaren Regeneration und der Verlegeabstände im Erdwärmekollektor.
Quelle: ISFH, Institut für Solarenergieforschung
System-Jahresarbeitszahlen (JaZsys) in Abhängigkeit von der Größe des Erdwärmekollektors (EWK), der solaren Regeneration und der Verlegeabstände im Erdwärmekollektor.

Denn solare Wärme regeneriert das Erdreich, wodurch thermische Erschöpfung unwahrscheinlicher wird. Kritische Frostzustände und eine elektrische Nachheizung werden vermieden.

So sind kleinere Verlegeabstände und daraus resultierend deutlich kleinere Erdwärmekollektoren-Flächen bei etwa gleicher Effizienz realisierbar. Erdwärmekollektoren werden damit auch bei etwas eingeschränktem Flächenangebot realisierbar. Bei nach VDI-Richtlinie dimensionierten Erdwärmekollektoren ergeben sich mit zusätzlicher Solarwärme keine merklichen Effizienzvorteile. Das liegt an dem Strombedarf für die Fluidpumpen der Solaranlage.

Mehr Übersicht zu Wärmequellen und Wärmeübertragern

Die Auswahl der Wärmequellen und Wärmeübertrager beeinflusst die Wirtschaftlichkeit und auch den Flächenbedarf sowie die Energieeffizienz von Wärmepumpensystemen. Keine einfache Aufgabe, denn die Vielfalt an Wärmequellen erschließenden Wärmeübertragern hat in den letzten Jahren zugenommen. Neben den bekannten Luft/Wasser-Wärmepumpen, Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen gibt es viele weitere Wärmequellen bzw. Wärmeübertrager – wie beispielsweise Erdwärmekollektoren, Energiepfähle, Erdwärmekörbe, Eisspeicher, Luftabsorber sowie Wärmeübertrager für Abwasser und Fließgewässer.

Die normalerweise zur Verfügung stehenden Unterlagen liefern Informationen zu einzelnen Anlagenkonzepten und deren Wärmeübertrager, jedoch keine direkte Gegenüberstellung unterschiedlicher Systeme und Anlagenvarianten. Und nicht selten kommen Produkte zum Einsatz, zu deren Kosten-Nutzen-Effizienz kaum belastbare Erkenntnisse vorliegen. So scheuen Planer oft den Aufwand, sich einen umfassenden Überblick über die unterschiedlichen Rahmenbedingungen, Flächenbedarfe, Investitions- und Betriebskosten sowie den Bau- und Installationsaufwand zu verschaffen.

So entstand am IGS die Idee eines Informations- und Planungswerkzeugs für die frühe Planungsphase. Eine einfache, "Excel"-basierte Software soll eine differenzierte energetisch-ökonomische Bewertung für konkrete Gebäude und deren Wärme- oder Kühlbedarf ermöglichen. Für Wärmepumpenkonzepte können geeignete Wärmequellen und Wärmeübertrager identifiziert und bewertet werden.

Zunächst wurden in einer Literatur- und Marktrecherche die wesentlichen planungsrelevanten Daten zu möglichen Wärmequellen sowie marktverfügbaren Wärmepumpen und Wärmeübertragersystemen erfasst. Weiterhin haben die Braunschweiger Forscher das Betriebsverhalten von 14 Gebäuden mit unterschiedlichen Wärmepumpensystemen messtechnisch analysiert. Mittels Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen wurden einzelne thermodynamische Effekte und Szenarien für bestimmte Systeme genauer untersucht. Auf diese Weise konnte die Leistungsfähigkeit, die Energieeffizienz und die Betriebscharakteristik unterschiedlicher Niedertemperatur-Wärmequellen und zugehöriger Wärmeübertrager dokumentiert und das Berechnungsverfahren für das zu entwickelnde Planungswerkzeug auf Basis realer Anlagendaten und mittels Simulation validiert werden.

Donnerstag, 24.01.2019