Transfer in die Praxis Auslegungsregeln & Kostenaspekte

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1 Terra-Solar-Quelle, Abschlussworkshop , Offenburg Erdwärmekollektoren rmekollektoren und Sonnenkollektoren als optimierte bivalente Quelle für f r hocheffiziente Wärmepumpensysteme Terra-Solar Solar-Quelle Transfer in die Praxis Auslegungsregeln & Kostenaspekte Dipl.-Geol. Dr. David Kuntz tewag Technologie Erdwärmeanlagen Umweltschutz GmbH Niederlassung Starzach Am Haag 12 D Starzach-Felldorf dku@tewag.de

2 AP8 Auslegungsregeln für solar regenerierte Erdwärmekollektoren AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln

3 Datenbasis (vorwärts Simulationen) AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Bodentyp 1 / 2 / 3 / 4 Solarkollektor, Typ Solarkollektor, Fläche [m²] 0 / 1 / 2 / 3 SC0: 0 SC1: SC2+3: Erdwärmekollektor, Verlegeabstand [m] 0,25 / 0,3 / 0,35 / 0,4 / 0,45 / 0,5 / 0,55 / 0,6 / 0,65 T_ice_krit <= 10 h/a && E_Nachheizung / Q_Nutz <= 1% Bodentyp Solarkollektor, Typ Solarkollektor, Fläche [m²] Erdwärmekollektor, Verlegeabstand [m] ,25 / 0,3 / 0,35 / 0,4 / 0,45 / 0,5 / 0,55 / 0,6 / 0,65 Erdwärmekollektor, Fläche [m²] Variabel (7 Variationen je Kombination Erdwärmekollektor, Fläche [m²] Minimale Fläche bei gültigen Auslegungskriterien : Minimale Erdwärmekollektorfläche 2: Maximaler Verlegeabstand Kombinationen Anzahl Szenarien

4 Szenariensatz 60 gültige Auslegungen AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Fläche Erdwärmekollektor [m²] Referenzbodenart 1, 2, 3, 4 1, 2, 3, 4 1, 2, 3, 4 VDI "WLF Niedrig" VDI "WLF Mittel" VDI "WLF Hoch" (VDI "WLF Sehr Hoch") SC-Typ 0 1 2, 3 SC-Fläche 0 10, 15, 20, 30 10, 15, 20, 30, 40 Anzahl Szenarien WLF Niedrig, PVT Kollektor WLF Niedrig, Schw immbadabsorber WLF Niedrig, Fassadenkollektor WLF Mittel, PVT Kollektor WLF Mittel, Schw immbadabsorber WLF Mittel, Fassadenkollektor WLF Hoch, PVT Kollektor WLF Hoch, Schw immbadabsorber WLF Hoch, Fassadenkollektor WLF Sehr Hoch, PVT Kollektor WLF Sehr Hoch, Schw immbadabsorber WLF Sehr Hoch, Fassadenkollektor Fläche Solarkollektor [m²]

5 Grundsätzliche Überlegungen / Verallgemeinerungen AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Mit zunehmender Solarkollektorfläche kann die Erdwärmekollektorfläche reduziert werden. Die rechnerische Mindestgröße des Erdwärmekollektors ist für alle Referenzbodenarten niedriger im Vergleich zur VDI (Gründruck). Fläche Erdwärmekollektor [m²] VDI "WLF Niedrig" VDI "WLF Mittel" VDI "WLF Hoch" (VDI "WLF Sehr Hoch") WLF Niedrig, PVT Kollektor WLF Niedrig, Schw immbadabsorber WLF Niedrig, Fassadenkollektor WLF Mittel, PVT Kollektor WLF Mittel, Schw immbadabsorber WLF Mittel, Fassadenkollektor WLF Hoch, PVT Kollektor WLF Hoch, Schw immbadabsorber WLF Hoch, Fassadenkollektor WLF Sehr Hoch, PVT Kollektor WLF Sehr Hoch, Schw immbadabsorber WLF Sehr Hoch, Fassadenkollektor Fläche Solarkollektor [m²] Die erforderliche Mindestgröße des Erdwärmekollektors ist im Referenzboden Niedrige WLF deutlich höher als in den anderen drei Referenzbodenarten Auslegungsempfehlung als Reduktionspotential EWK-Fläche in % Solarkollektorfläche wird ebenfalls normalisiert (s.u.) Unterschiede im Solarkollektortyp hinreichend gering zur Vernachlässigung bei vereinfachten Auslegungsregeln

6 Verlegeabstände & Gesamtrohrlänge AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln EWK-Fläche [m²] / Rohrlänge [m] Boden: Hohe WLF PVT Verlegeabstand [m] 0,55 0,45 0,4 0,45 0,4 0,35 0,4 0,35 0,3 0,35 0,25 0,25 0,25 PVT PVT PVT EWK-Fläche (PVT) EWK-Fläche () EWK-Fläche (Fas) Fläche Solarkollektor [m ²] (Referenzbodenarten Mittlere WLF & Sehr Hohe WLF ähnlich) PVT Rohrlänge (PVT) Rohrlänge () Rohrlänge (Fas) 0,25 0,25

7 Verlegeabstände & Gesamtrohrlänge AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln EWK-Fläche [m²] / Rohrlänge [m] Boden: Niedrige WLF PVT 0,6 Verlegeabstand [m] 0,55 0,55 0,55 0,55 0,6 0,65 0,45 0,25 0,4 0,25 0,25 PVT PVT 0,6 PVT 0,5 EWK-Fläche (PVT) EWK-Fläche () EWK-Fläche (Fas) Fläche Solarkollektor [m ²] 0,55 PVT Rohrlänge (PVT) Rohrlänge () Rohrlänge (Fas)

8 Verlegeabstände & Gesamtrohrlänge AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Bei Böden mit geringer effektiver Wärmeleitfähigkeit (bzw. vermutlich bei Böden mit geringer Bodenfeuchte) kann die Gesamtrohrlänge zumindest in den ersten Ausbaustufen des Solarkollektors verringert werden. Bei zunehmender Solarkollektorfläche bleibt aber auch hier die Gesamtrohrlänge zunehmend stabil, so wie dies bei den Referenzbodenarten mit höherer WLF durchgängig der Fall ist. Der Effekt der solaren Unterstützung erlaubt demnach vorwiegend engere Verlegeabstände! Für die vereinfachten Auslegungsregeln wird der Befund in Referenzbodenart Niedrige WLF vernachlässigt, so dass grundsätzlich gilt: Solar unterstützte Erdwärmekollektoren können im Flächenbedarf reduziert werden, die verlegte Gesamtrohrlänge bleibt jedoch gleich! (D.h. dass der Verlegeabstand im gleichen Maß zu reduzieren ist, wie die Erdwärmekollektorfläche!) d = A d EWK, red EWK, red EWK,0 AEWK,0

9 EWK-Flächenreduktion, Szenarien 70% AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Reduktion EWK-Fläche 60% 50% 40% 30% 20% 10% Reduktion EWK-Fläche 70% 60% 50% 40% 30% Reduktion EWK-Fläche 60% 50% Y = -60 X ,5 X Y = -11 X 2 + 5,5 X WLF Niedrig, PVT Kollektor Y = -8,5 X 2 + 4,3 X WLF Niedrig, Schw immbadabsorber WLf Niedrig, Fassadenkollektor TREND 0% 40% 0% 20% 2% 60% 4% 6% 8% WLF Mittel, 10% PVT Kollektor 12% WLF Mittel, Schw immbadabsorber Y = -8,0 X 2 + 4,0 X Solarkollektorfläche / EWK-Fläche Grundauslegung WLF Mittel, Fassadenkollektor 10% 30% 50% TREND Reduktion EWK-Fläche 0% 20% 40% 0% 5% 10% 15% WLF 20% Hoch, PVT Kollektor 25% WLF Hoch, Schw immbadabsorber Solarkollektorfläche / EWK-Fläche Grundauslegung 10% WLF Hoch, Fassadenkollektor 30% TREND 0% 20% 0% 5% 10% 15% WLF Sehr 20% Hoch, PVT Kollektor 25% WLF Sehr Hoch, Schw immbadabsorber Solarkollektorfläche / EWK-Fläche Grundauslegung 10% WLF Sehr Hoch, Fassadenkollektor TREND 0% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% Solarkollektorfläche / EWK-Fläche Grundauslegung

10 Regressionskoeffizienten über WLF Kurvenschar AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Reduktionspotential Erdwärmekollektorfläche 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wärm eleitfähigkeit Boden: X2-Stützpunkte X1-Stützpunkte X2-Kurve X1-Kurve 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% Anteil Solarkollektorfläche an Grundauslegung Erdwärmekollektorfläche 1,9 2,0 2,1 (mit gemittelten Stützpunkten)

11 Vereinfachte Auslegungsregel AP8: Vereinfachte Auslegungsregeln Reduktionspotential Erdwärmekollektorfläche 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wärm eleitfähigkeit Boden: 1,2 1,3 1,4 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% Anteil Solarkollektorfläche an Grundauslegung Erdwärmekollektorfläche SFH45 7 kw Entzugsleistung, Lehmboden Mittlere WLF (WLF 1,5 W/mK) 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 Die Gesamtrohrlänge des Erdwärmekollektors darf nicht reduziert werden! Nach Festlegung der reduzierten EWK-Kollektorfläche (A EWK,red ) ist der neue Verlegeabstand (d EWK,red ) wie folgt zu ermitteln: d A EW K, red EW K, red = d EW K,0 AEW K,0 VDI (Gründruck) Klimazone W/m² Entzugsleistung 280 m² Kollektorfläche Verlegeabstand 0,6-0,7 m Gesamtrohrlänge 430 m 15 m² Solarkollektor 15 / 280 = 5,4% Anteil Solarkollektorfläche + WLF 1,5 Reduktionspotential 27% EWK-Fläche reduziert = 205 m², Verlegeabstand 0,44 0,51 m 430 m Gesamtrohrlänge

12 AP9 AP8: Wirtschaftlichkeit Kostenaspekte und wirtschaftliche Bewertung

13 Kostengruppen Betrachtungsraum: Erdreich, Dach, Wärmeerzeuger inkl. Puffer Solarkollektor AP8: Wirtschaftlichkeit Erdreichkollektor Verbrauchskosten WP + Technik Marktanreizprogramm

14 Kostenansatz Betrachtungsraum: Erdreich, Dach, Wärmeerzeuger inkl. Puffer Solarkollektor (Material+Aufwand): PVT-Kollektor: / m² Schwimmbadabsorber: / m² Fassadenkollektor: / m² Anschlusskosten: Technikraum: Wärmepumpe (8 kw): Verrohrung & Puffer: Anschlusspaket SK: AP8: Wirtschaftlichkeit Erdreichkollektor: Verlegetiefe: 1,2 m, PE100 DA32 Lagerfläche f. Aushub vorhanden! Verlegekosten: 2,20-3,00 / lfm Flächenkosten: 15,00 22,00 / m² Fixkosten: / Verbrauchskosten: Strompreis: 0,22 0,26 / kwh Anschlusskosten: Marktanreizprogramm

15 Investitionskostenbandbreite AP8: Wirtschaftlichkeit Investitionskosten (Min-Max) in Tausende Niedrige WLF PVT-Kollektor (10-30 m²) VDI-Auslegung Schwimmbadabsorber (10-40 m²) Basisszenario (ohne SC) Fassadenkollektor (10-40 m²) Kategorien Mittlere WLF Hohe WLF Sehr Hohe WLF

16 Vollkostenbetrachtung & Wärmegestehungspreis Kostengruppe Günstig Teuer Invest Erdreichkollektor (130 m²) Invest Solarkollektor (15 m²) Invest Wärmepumpe & Technik (8 kw) Förderzuschüsse Gesamtinvestkosten AP8: Wirtschaftlichkeit Annuität über 20 Jahre bei 2,0% (Kapitalkosten) 680, ,97 Betriebsgebundene Kosten 201,48 278,22 Verbrauchskosten 748,72 916,85 Vollkosten pro Jahr 1.630, ,04 Jährliche Nutzenergie (Q_Nutz) ,89 kwh Wärmegestehungspreis 15,1 ct/kwh 21,7 ct/kwh

17 Wärmegestehungspreise AP8: Wirtschaftlichkeit Investitionskosten (Min-Max) in Tausende ct 24 ct 22 ct 20 ct 18 ct 16 ct 14 ct PVT-Kollektor (10-30 m²) VDI-Auslegung Schwimmbadabsorber (10-40 m²) Basisszenario (ohne SC) Fassadenkollektor (10-40 m²) Kategorien Niedrige WLF Mittlere WLF Hohe WLF Sehr Hohe WLF Wärmegestehungspreis in ct/kwh über 20 Jahre

18 Zwischenfazit Kostenreduktion durch Verkleinerung der Erdwärmekollektorfläche ist geringer als die zu erwartende Kostensteigerung durch die Solarkollektoren. Dabei ist mit steigender Solarkollektorfläche auch mit steigenden Gesamtkosten zu rechnen AP8: Wirtschaftlichkeit Auch durch ggf. geringere Verbrauchskosten z.b. bei erhöhter Effizienz (Jahresarbeitszahl) lässt sich die prognostizierte mittlere Kostensteigerung nicht kompensieren. Hinweis: Die berechneten mittleren Wärmegestehungspreise liegen in einer Bandbreite von ca. 4 ct/kwh je Referenzbodenart relativ nahe beieinander. Bei z.b. lokal günstigen Solarkollektoren und vergleichsweise teuren Erdwärmekollektoren kann durch solar unterstützte Erdwärmekollektoren durchaus auch ein wirtschaftlicher Vorteil gegeben sein. Im konkreten Anwendungsfall ist daher unbedingt zu empfehlen, die Wirtschaftlichkeitsanalyse standortbezogen mit aktuellen Kosten vorzunehmen!

19 Detailvergleich AP8: Wirtschaftlichkeit Investitionskosten (Min-Max) in Tausende ct 24 ct 22 ct 20 ct 18 ct 16 ct 14 ct PVT-Kollektor (10-30 m²) VDI-Auslegung Schwimmbadabsorber (10-40 m²) Basisszenario (ohne SC) Fassadenkollektor (10-40 m²) Kategorien Niedrige WLF Mittlere WLF Hohe WLF Sehr Hohe WLF Wärmegestehungspreis in ct/kwh über 20 Jahre

20 Detailvergleich Mittlere WLF AP8: Wirtschaftlichkeit 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% Szenarienvergleich Bodentyp "Mittlere WLF", Schwimmbadabsorber EWK SK - Technikraum 0% 0% 0% 0% Förderung Gesamtkostenveränderung und Flächenbedarf mit Wärmegestehungspreis EWK, Fläche in m² (linke Achse) SK, Fläche in m² (rechte Achse) Wärmegestehungspreis in ct/kwh (rechte Achse) ~205 m² 16,9 29% 23% 18% 10% 10% 10% 10% 10% -3% -3% -3% -3% -3% -8% -11% % -16% -20% 18,2 18,4 Basisfall 10 m² SK 15 m² SK 20 m² SK 30 m² SK 40 m² SK 18, % ~30 m² 19,0 ~75 m² 51% ,

21 Detailvergleich Niedrige WLF AP8: Wirtschaftlichkeit 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% Szenarienvergleich Bodentyp "Niedrige WLF", Schwimmbadabsorber EWK SK 0% 0% 0% - 0% Technikraum Förderung Gesamtkostenveränderung und Flächenbedarf mit Wärmegestehungspreis ~410 m² 19,8-14% 37% 29% 21% 17% 13% 7% 7% 7% 7% 7% EWK, Fläche in m² (linke Achse) SK, Fläche in m² (rechte Achse) Wärmegestehungspreis in ct/kwh (rechte ~30 Achse) m² 20,2-3% -3% -3% -3% -3% -22% 20,1-26% Basisfall 10 m² SK 15 m² SK 20 m² SK 30 m² SK 40 m² SK 19, % -31% ,1 ~140 m² ,

22 Verbrauchskosten & Effizienz (Schwimmbadabsorber) AP8: Wirtschaftlichkeit Basisfall 10 m² SK 15 m² SK 20 m² SK 30 m² SK 40 m² SK Effizienzvergleich ,61 3,59 3, Basisfall 10 m² SK 15 m² SK 20 m² SK 30 m² SK 40 m² SK Effizienzvergleich Q_Nutz E_el_tot JAZ ,73 3,65 3,66 3,66 3,51 3, ,60 Q_Nutz E_el_tot JAZ 3,54 3,61 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 Mittlere WLF Niedrige

23 Terra-Solar-Quelle: Fazit 1) Erdwärmekollektoren können durch solare Regeneration um bis zu 50% kleiner dimensioniert werden, ohne signifikante Nachteile. JA! 2) Gesamtkosten können dadurch gesenkt werden, erdgekoppelte Wärmepumpe wird attraktiver. Bedingt! Beim derzeitigen Kostenansatz werden die Einsparungen beim Erdreichkollektor durch die Mehrkosten beim Solarkollektor und im Technikraum weitgehend kompensiert! Wirtschaftlichkeitsfenster eng, lokale Anbieter & Kostenstruktur relevant Individueller Vergleich zu empfehlen!