Solar- und Geothermie ideal kombiniert

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1 Solar- und Geothermie ideal kombiniert Verbesserung der Jahresarbeitszahl von Sole/Wasser-Wärmepumpen durch solare Regeneration der Erdsonden Christoph Rosinski * Mit erdgekoppelten Wärmepumpen können Gebäude das ganze Jahr über zuverlässig mit Heizenergie und Warmwasser versorgt werden. Das dabei am häufigsten eingesetzte Verfahren sind Erdwärmesonden also Bohrungen mit bis zu etwa 150 m Tiefe. Ein ideales Zusammenspiel Erneuerbarer Energieträger entsteht, wenn Erdwärme mit Solarenergie kombiniert wird. Bei einem solchen Geo-Solarthermischen System wird die Solaranlage in den Erdwärmekreis mit eingebunden und überschüssige Energie im Untergrund gespeichert. Sie sorgt dabei für die Einsparung elektrischer Antriebsenergie und eine noch größere Bedarfsdeckung durch Regenerative Energien. *) Christoph Rosinski, Geschäftsführer GEFGA, Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermie-Anlagen mbh Die Erdreich-Temperaturen nahe der Oberfläche reichen allein nicht aus, ein Haus zu beheizen. Daher müssen Wärmepumpen eingesetzt werden, um die Temperatur des Untergrunds auf ein nutzbares Niveau zu bringen. Bei effizient ausgelegten Anlagen stammen etwa 75 % der Energie aus der Erde, etwa 25 % aus dem Antrieb der Wärmepumpe. Auch mit Solarkollektoren kann tagsüber Energie zum Aufbereiten von Warmwasser und zum Heizen umgewandelt werden. Für die Warmwassererzeugung in Ein- und Mehrfamilienhäusern wird dieses Prinzip bereits vielfach angewendet. Leider steht die Sonne nicht immer in ausreichendem Maße zur Verfügung. Das macht es aufwendig, Gebäude ausschließlich mit Solarenergie zu beheizen. Tage mit geringer Sonneneinstrahlung müssten mit entsprechend großen Speichersystemen überbrückt werden. Im Winter reicht die Sonnenenergie nicht aus, dagegen steht im Sommer ein enormer Überschuss an Solarwärme zur Verfügung, der nicht genutzt werden kann. Geo-Solarthermische Systeme kombinieren Erdwärme mit Solarenergie, um den Temperaturhub der Wärmepumpe also die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Verbraucherseite zu verringern und so elektrische Antriebsenergie einzusparen. Kennwerte eines Erdwärmesystems Für die Auslegung einer Erdwärmeanlage zum Heizen eines Gebäudes werden die Energieverbrauchs- und Leistungsdaten benötigt. Bei großen Gebäuden muss dazu eine thermische Gebäudesimulation durchgeführt werden. Zur Auslegung von Einund Mehrfamilienhäusern reichen in der Regel die Daten aus dem Wärmeschutznachweis (EnEV) und der Heizlastberechnung aus. Mit den ermittelten Energie- und Leistungsdaten des Gebäudes kann das Erdwärmesystem ausgelegt werden. Nach der VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelter Wärmepum- Bild 1: Simulierter Jahresverlauf der Solemitteltemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der Erdwärme-Anlage. Bild 2: Maximal- und Minimaltemperaturen der Erdwärme-Anlage über einen Zeitraum von 25 Jahren. Erst nach ca. 10 Jahren hat sich eine relativ konstante Temperatursenke ausgebildet. Heft 2 /2007 IKZ-FACHPLANER 15

2 Bild 5: Die berechnete Jahresenergiebilanz der Pilotanlage in Limburg zeigt den deutlichen Überschuss an Solarenergie im Sommer. Dieser kann zur Regeneration des Erdwärmesonden-Feldes genutzt werden (Q geo = Heizenergiebedarf; Q abs = Solarertrag). Bild 3: Gegenüberstellung von typischen Wärmequellen- und Verbrauchertemperatur-Niveaus. penanlagen können dabei Anlagen bis zu 30 kw Heizleistung anhand von spezifischen Entzugsleistungen ausgelegt werden. Bei größeren Anlagen und zusätzlichen Wärmequellen, wie beispielsweise Kühl- und Klimasystemen, muss die korrekte Anlagenauslegung durch Berechnungen nachgewiesen werden. Dazu ist es in der Regel erforderlich, die sich aus dem Heizenergiebedarf ergebenden Temperaturen im Jahresverlauf über den vorgesehenen Betriebszeitraum hinweg zu berechnen. Für diese Berechnungen steht Software, wie z. B. Earth-Energy-Designer (EED) zur Verfügung. Mit dem dargestellten Heizenergieverlauf wurde eine Musterauslegung nach VDI 4640 für eine Erdwärmesondenanlage durchgeführt. Um die Jahrestemperaturen einer Erdwärmesondenanlage darzustellen (Bilder 1 und 2), wurde mithilfe der EED-Software eine Simulation anhand der ausgelegten Erdwärmesonden und der Heizenergiekennwerte durchgeführt. Bild 2 zeigt anschaulich, dass die Untergrundtemperaturen in den ersten Jahren deutlich fallen und erst nach etwa zehn Jahren konstant bleiben. Nach diesem Zeitraum hat sich eine entsprechend große Temperatursenke ausgebildet, sodass genügend Energie aus dem Untergrund zu den Erdwärmesonden nachströmen kann. Bild 4: Die Leistungszahl einer Wärmepumpe ist abhängig von deren Temperaturhub. Die Grafik zeigt für typische Kombinationen aus Quellen- und Verbrauchersystemen Temperaturhub und Leistungszahl. Effizienz einer Wärmepumpenanlage Die Effizienz einer Wärmepumpenanlage ist abhängig vom Temperaturhub zwischen der Energiequelle und dem Versorgungssystem. In Bild 3 sind typische Quellenund Versorgungssysteme dargestellt. Je höher der Temperaturhub zwischen Wärmequelle und Verbraucher, desto geringer ist die Effizienz einer Wärmepumpenanlage. Diese Abhängigkeit der Arbeitszahl vom Temperaturhub zeigt Bild 4. Für das Diagramm wurden Standard Sole/Wasser-Wärmepumpen mit einer Arbeitszahl von 4,4 bei einer Quellentemperatur von 0 C sowie Vorlauftemperaturen von 35 C zugrunde gelegt. Die Effizienz der Wärmepumpenanlage steigt also an, wenn die Temperaturunterschiede zwischen Quellenund Verbraucherseite geringer werden. Deshalb werden für Wärmepumpenanlagen immer möglichst hohe Quellentemperaturen am Standort eines Gebäudes gesucht. Dabei bietet die Luft im Winter bei Werten um -12 C die geringste nutzbare Temperatur. Brunnenanlagen mit Durchschnittstemperaturen von 10 C haben zwar in der Regel die höchsten Quellentemperaturen, sind aber standortbedingt in vielen Fällen nicht ausführbar. Zur Erhöhung der Quellentemperatur bietet es sich daher an, Abwärme etwa aus der Kühlung eines Gebäudes zur Regeneration in den Untergrund abzuführen. Diese Möglichkeit wird bei Großanlagen für Büro- 16 IKZ-FACHPLANER Heft 2 /2007

3 Bild 6: Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der Geo-Solaranlage. und Verwaltungsgebäude bereits häufig genutzt und führt zu besonders wirtschaftlichen Anlagensystemen. Solare Regeneration der Wärmequelle Bei Ein- und Mehrfamilienhäusern liegt die sommerliche Kühllast in der Regel unter 15 % der Heizlast im Winter. Mit dem Einspeisen der Kühllasten in die Erdsonden kann das Gebäude gekühlt werden. Die in den Erdboden eingespeiste Energie reicht jedoch in der Regel nicht aus, um den Untergrund nachhaltig zu regenerieren. Dazu müssen andere Energiequellen, wie z. B. thermische Solarenergie, herangezogen werden. Eine Gegenüberstellung der Jahresenergiebilanz des Solarsystems und des Heizenergiebearfs zeigt Bild 5. Im Winter, wenn der Heizenergiebedarf am größten ist, liefert die Sonne am wenigsten Energie, während im Sommer der Wärmebedarf gering ist und der Solarertrag Bild 8: Moderne Kapillarrohrsysteme als Wand-, Decken- oder Fußbodensysteme können die Effizienz des Wärmepumpensystems zusätzlich steigern. Bild 7: Der Basistemperaturverlauf der durch Solarenergie regenerierten Erdwärme-Anlage zeigt deutlich gestiegene und konstantere Quellentemperaturen. Heft 2 /2007 IKZ-FACHPLANER

4 Bild 9: Schematischer Aufbau der Geo-Solar-Anlage in Limburg. sein Maximum erreicht. Der Energieentzug aus dem Untergrund im Winter kann mit dem überschüssigen Solarenergie-Eintrag im Sommer kompensiert werden. Beim Energieentzug (Heizfall) wird dann eine Energiesenke aufgebaut, die mit Einlagerung von Solarenergie wieder regeneriert wird. Wird im Jahresmittel soviel Energie in den Untergrund zurückgeführt wie ihm entnommen wird, verhält sich eine Erdwärmeanlage wie ein Speichersystem. Solange kein Energieüberschuss in den Untergrund eingelagert wird, entstehen auch keine Speicherverluste. Um die langfristige Entwicklung der Wärmequellentemperatur des Untergrundes zu ermitteln, wurde die Erdwärmesonden-Anlage mit entsprechendem Wärmeeintrag über Solarabsorber neu berechnet. In den Bildern 6 und 7 sind die Veränderungen anschaulich dargestellt. So zeigt sich, dass sich die Maximal- und Minimaltemperaturen nach einem Jahr nicht mehr verändern und die Basistemperaturen der Wärmequelle im Jahresmittel um ca. 6 K über den Temperaturen der Erdsonde ohne solare Regeneration liegen. Dies bedeutet eine erhebliche Effizienzsteigerung der Wärmepumpenanlage. Auch auf der Verbraucherseite lässt sich mit geeigneten Heizflächensystemen eine Optimierung der Systemtemperaturen erzielen. Um Vorlauftemperaturen unter 30 C zu realisieren, können moderne Kapillarrohrsysteme als Wand-, Decken- oder Fußbodensysteme eingesetzt werden (Bild 8). Kapillarrohrmodule können oberflächennah zum Heizen und Kühlen direkt unter den Wandputz oder auf den Estrich unter einen Fliesen- oder Steinbelag eingebracht werden. Damit kann die Verbrauchertemperatur ebenfalls um 6 K gegenüber einer Anlagenauslegung mit einer Vorlauftemperatur von 35 C abgesenkt werden. Pilotanlage zur Geo-Solarthermie Im Rahmen eines Forschungsprojekts der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) ist in Limburg an der Lahn eine Pilotanlage entstanden. Die Firma GEFGA Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermen Anlagen mbh hat in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Rheinzink aus Datteln, einem Produzenten von Zinkdach- und Solarabsorbersystemen, sowie dem Bauherrn ein Gesamtkonzept entwickelt und realisiert. Der schematische Aufbau der Pilot-Anlage ist in Bild 9 dargestellt. Die Hauptkomponenten bilden das Erdwärmesystem aus Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren, einer Wärmepumpe mit den hydraulischen Einrichtungen als Wärmepumpenmodul sowie einem Solarabsorbersystem und einem Flächenheizsystem, das möglichst geringe Vorlauftemperaturen ermöglicht. Weiterhin wird ein Hydraulikmodul zur hy- 18 IKZ-FACHPLANER Heft 2 /2007

5 Geo-Solarthermie-Pilotanlage in Limburg an der Lahn Projektinformationen: Wohnfläche: 300 m 2 Wärmebedarf: 15 kw Heizenergiebedarf: kwh einschließlich Warmwasser ohne Schwimmbad Wärmepumpenfabrikat: Öko Energy Systems, Typ: Cora 14 TMS, reversibel Solarabsorber: 44 m 2 QuickStep; Rheinzink Dachform: Pultdach, Ausrichtung nach Süd-Ost Erdwärmesonden: 14 GeoSticks á 17,5 m; GEFGA mbh Warmwasserspeicher: 400 l Heizflächen: 300 m 2 Wand, Decke und Fußboden als Kapillarrohr Heiztemperatur: VL-RL gleitend, C bei -12 C Außentemperatur Swimmingpool: L/B/H: 7,5 x 4,0 x 1,5 m 44 m 2 Rheinzink-Solarabsorber sorgen in dem Pilotprojekt für die Regeneration von 14 Erdsonden. Die 15 kw-wärmepumpe beheizt eine 300 m 2 große Wohnfläche und liefert im Verbund mit den Solarabsorbern Wärme für ein Schwimmbad. draulischen Umschaltung des Erdwärme- und Solarabsorberkreises und eine entsprechende Regelung benötigt. Das Institut für Solarenergieforschung in Hameln wird die Anlage während der normalen Gebäudenutzung über die nächsten zwei Jahre messtechnisch erfassen und auswerten. Dabei werden sämtliche Energiemengen und Temperaturen der Solarabsorber, Erdwärmesonden und der Verbraucher erfasst und zur Auswertung gespeichert. Die Energie- und Leistungswerte wurden mithilfe einer thermischen Gebäudesimulation berechnet. Die Auslegung der Erdwärmesonden erfolgte mit der EED-Software und die Berechnung des Solarenergieertrages wurde mit der Software T*SOL durchgeführt. Die Anlage ist seit September 2006 in Betrieb. Neue Erkenntnisse über das dynamische Zusammenspiel von Erdwärmespeicher, Solarabsorber und Gebäude sollen die auszuwertenden Messdaten liefern, welche die Grundlage für die Entwicklung von Rechenverfahren zur Auslegung von Geo-Solarthermie- Anlagen bilden. Fazit Durch Kopplung von Geothermie und Solarthermie können Sole-Wasser-Wärmepumpensysteme erheblich in ihrer Jahresarbeitszahl verbessert werden. In Zusammenhang mit modernen Niedertemperatursystemen (Kapillarrohrsysteme) kann der Temperaturhub von Quelle zu Verbraucherseite um bis zu 15 K reduziert werden, sodass sich durch Reduzierung des Stromverbrauchs der Wärmepumpe Energieeinsparungen von über 30 % gegenüber einer Erdwärmesondenanlage ohne solare Regeneration ergeben. Die Investitionskosten einer Geo- Solaranlage sind ohne Frage höher als die einer konventionellen Erdwärmesondenanlage. Die Mehrkosten des Systems amortisieren sich aber durch die Einsparung elektrischer Energie etwa in der gleichen Zeit wie eine Erdwärmepumpen-Anlage gegenüber einem konventionellen Heizsystem mit Öl- oder Gasfeuerung. Je nach Anforderungen des Gebäudes schaltet die Wärmepumpe bei Sollwertunterschreitung: der Raumtemperatur, der Vorlauftemperatur des Flächenheiz- und Kühlsystems, der Warmwassertemperatur, oder der Temperatur des Schwimmbades ein. Die Energie-Versorgung der Wärmepumpe erfolgt über den Solekreis der Erdwärmesonden. Wird am Solarabsorberausgang eine höhere Temperatur als am Ausgang des Erdwärmesondenfeldes gemessen, wird der Solarabsorberkreis über ein Dreiwegeventil dem Erdwärmekreis hydraulisch zugeschaltet und die Solarkreispumpe in Betrieb gesetzt. B i l d e r : GEFGA GmbH, Limburg an der Internetinformationen: Heft 2 /2007 IKZ-FACHPLANER 19