27. Symposium Thermische Solarenergie, 10. 12. Mai 2017 in Bad Staffelstein Solare Regeneration von Erdwärmekollektoren Reduzierter Flächenbedarf bei hoher Effizienz F. Hüsing, O. Mercker, H. Hirsch und J. Steinweg Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln (ISFH) Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal Tel.:0049 (0)5151 999 645, Fax: 0049 (0)999 500 E-Mail: huesing@isfh.de Internet: www.isfh.de 1 Motivation Wärmepumpen ermöglichen die effiziente Wandlung elektrischer Energie in Wärme und sind deshalb ein wichtiger Baustein für eine sektorenübergreifend regenerative Energieversorgung. Das Erdreich stellt aufgrund seiner geringen saisonalen Temperaturschwankung eine attraktive Wärmequelle für Wärmepumpensysteme dar. Verglichen mit Luft/Wasser-Wärmepumpen werden, insbesondere in der Heizsaison, höhere Quellentemperaturen und somit insgesamt eine um ca. 30 % höhere Effizienz (Jahresarbeitszahl / JAZ) erreicht [1, 2]. Dennoch ist der Anteil erdgekoppelter Systeme bei den Wärmepumpenneuinstallationen rückläufig [3]. Für horizontale Erdwärmekollektoren (EWK) verhindert oftmals deren hoher Bedarf an unversiegelten Bodenflächen eine Umsetzung. In einem in Kooperation mit dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) und der tewag GmbH durchgeführten Forschungsprojekt untersucht das ISFH daher Möglichkeiten den Flächenbedarf von Erdwärmekollektoren durch eine optimierte Kombination mit Solarthermie zu verringern. 2 Vorgehen Ziel des Projekts ist die detaillierte Analyse von Wärmeversorgungssystemen, die EWK und Solarkollektor auf der Quellenseite einer Wärmepumpe (WP) kombinieren. Dafür wurde ein numerisches EWK Modell entwickelt und als TRNSYS-Type umgesetzt. Weiterhin wurde eine Versuchsanlage mit EWK, WP und Emulatoren für thermische Lasten sowie Solarerträge auf dem Grundstück des ISFH errichtet. Anhand durchgeführter Versuche wurde das EWK-Modell experimentell validiert [4].
Unter Verwendung des EWK-Modells werden Simulationsstudien durchgeführt, um das Verhalten unterschiedlich dimensionierter bivalenter (solar unterstützter, geothermischer) Wärmequellen im System zu analysieren. 3 Simulationsstudie Nachfolgend werden das Systemsimulationsmodell beschrieben und die durchgeführten Untersuchungen vorgestellt. 3.1 Randbedingungen Die Randbedingungen des Systemsimulationsmodells sind angelehnt an die Referenzen des Task 44 (Solar and Heat Pump) des Solar Heating and Cooling Programms der Internationalen Energie Agentur (IEA). Es sind sowohl ein Referenzgebäude (modernes Einfamilienhaus / SFH45) [5], als auch das Benutzerverhalten (Trinkwasserbedarf, Anwesenheitsprofile und interne Wärmegewinne) [6] gemäß der Referenzen implementiert. Als meteorologische Randbedingung wird der Klimadatensatz von Zürich genutzt. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des untersuchten Wärmeversorgungssystems. Zentrale Komponente ist die Wärmepumpe (WP), die zwei Zonen eines Pufferspeichers belädt. Abbildung 1: Schema des untersuchten Wärmeversorgungssystems
Der Pufferspeicher versorgt die Raumheizung (RH) direkt und ermöglicht die Bereitung von Trinkwarmwasser (TWW) über eine Frischwasserstation. Auf der Quellenseite der WP ist eine Kombination aus thermischem Solarkollektor (ST) und EWK implementiert. Der Solarkollektor kann bei ausreichendem Temperaturniveau in den Quellenkreis hydraulisch zugeschaltet werden und wird zu jeder Zeit mit seinem Nennmassenstrom (mst) von 50 kg/(m 2 h) betrieben. Im EWK ist der Massenstrom abhängig vom aktuellen Wärmebedarf. Liegt ein Wärmebedarf vor, so ist die Wärmepumpe in Betrieb und der EWK wird mit dem Nennmassenstrom der WP (mwp) durchströmt. In diesem Fall strömt ein Teil des Wärmeträgers über einen Bypass am Solarkollektor vorbei. Liegt ein Solarertrag vor, aber kein Wärmebedarf, so wird der EWK mit dem Nennmassenstrom des Solarkollektors durchströmt und regeneriert. Der Wärmeträger zirkuliert in den vorgestellten Untersuchungen nach dem Solarkollektor immer durch den EWK. Diese Konfiguration wird gewählt, um die Volatilität der Solarerträge mit der Kapazität des Erdreichs zu dämpfen. Abhängig von den Temperaturniveaus an den Komponenten und dem vorliegenden Wärmebedarf ergeben sich vier mögliche Betriebsmodi für die Wärmequelle, welche in Tabelle 1 zusammengefasst sind. Tabelle 1: Mögliche Betriebszustände der Wärmequelle in Abhängigkeit des Systemzustands Systemzustand Steuersignale Betriebsmodus ST-Angebot Wärmebedarf ST EWK WP Aus 0 0 0 0 0 Regeneration 1 0 mst mst 0 Monovalente Quelle 0 1 0 mwp 1 Bivalente Quelle 1 1 mst mwp 1 Die Regelung stellt sicher, dass das Wärmeträgerfluid beim Eintritt in den EWK maximal eine Temperatur von 25 C aufweist. Für Quellentemperaturen unter -5 C wird der Betrieb der WP ausgesetzt und eine elektrische Nachheizung (AUX) übernimmt die Wärmebereitstellung. 3.2 Parametervariation Um den Einfluss unterschiedlicher Dimensionierungsgrößen systematisch zu untersuchen wird eine Parameterstudie durchgeführt. Dabei werden die wesentlichen Parameter von EWK und Solarkollektor variiert. Sowohl die variierten Parameter, als auch der jeweils untersuchte Wertebereich sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Für
die Solarwärme werden drei verschiedene unabgedeckte Kollektortypen betrachtet. Dies sind kommerziell erhältliche PVT-Kollektoren und Schwimmbadabsorber sowie ein am ISFH entwickelter Fassadenkollektor [7]. Es werden jeweils Bruttokollektorflächen von 0 bis 30 m 2 untersucht. Für den EWK werden drei Bodenarten betrachtet, die aus der Entwurfsfassung der VDI 4640-2 [8] vom Mai 2015 abgeleitet sind. Die Richtlinie beinhaltet Tabellen mit Empfehlungen zu EWK-Fläche und Verlegeabstand der EWK-Rohre, in Abhängigkeit von Entzugsleistung und -arbeit, Bodentyp und Klimazone. Für Zürich werden die Werte der deutschen Klimazone 13 genutzt. Aus empfohlener EWK-Fläche und Verlegeabstand wird für jeden Bodentyp die Gesamtlänge des EWK-Rohres berechnet. Für die Simulationsstudie dient die empfohlene Gesamtlänge als Ausgangspunkt der Parametervariation. Der Verlegeabstand der EWK-Rohre wird ebenfalls variiert. Tabelle 2: Variierte Parameter und untersuchte Wertebereiche Parameter Wertebereich Solarkollektor Kollektortyp Schwimmbadabsorber, Photovoltaisch-Thermischer- Kollektor (PVT), Fassadenkollektor (vgl. [7]) Bruttokollektorfläche [0 30] m 2 Erdwärmekollektor Bodenart Länge EWK-Rohr Verlegeabstand Sand, Lehm, Sandiger Ton* [0.25 2] * VDI-Empfehlung** [0.25 0.9] m Erläuterungen *) Bodenarten entsprechen den in der VDI 4640-2 [8] aufgeführten **) Gesamtrohrlänge der Empfehlung der VDI 4640-2 ist Ausgangswert der Variation 3.3 Auswertegrößen Zur Bewertung der Qualität eines erdgekoppeltes Wärmepumpensystems sind zwei wesentliche Aspekte zu betrachten: Effizienz und Nachhaltigkeit. Die Effizienz wird anhand der Systemjahresarbeitszahl (JAZSYS) ausgewertet. Diese setzt die Nutzwärme ins Verhältnis zur dafür aufgewendeten elektrischen Energie [9].
Gemäß Gleichung (1) bilden Trinkwarmwasserbedarf (QTWW) und Raumheizungswärme (QRH) in den untersuchten Systemen die Nutzwärme, während elektrische Energiemengen für WP-Betrieb (EWP_Komp), Nachheizung (EAUX), die Fluidpumpen (EPumpen) und den Regler (ERegler) in die Bilanzierung eingehen. Nutzwärme JAZ SYS = Elektrische Energie = (Q TWW +Q RH)dt (P WP_Komp +P AUX +P Pumpen +P Regler )dt (1) Unter Nachhaltigkeit ist die Erhaltung der Betriebsfähigkeit der Wärmequelle innerhalb ihres Auslegungsbereichs zu verstehen. Wesentliche Einschränkungen können sich durch kritische Frostzustände ergeben, welche nachfolgend erläutert werden. In Abbildung 2 ist die Eisausbreitung im Erdreich schematisch dargestellt. Gefrorenes Erdreich ist in der Abbildung weiß dargestellt. Neben der Eisausbreitung rund um die Kollektorrohre kann im Erdreich auch natürlicher Oberflächenfrost unterschiedlicher Dicke (dz1) auftreten. Es sind zwei kritische Zustände zu unterscheiden: A) Wenn das Eis um die Kollektorrohre mit dem Oberflächenfrost kollidiert (dz2 0), können Spannungen resultieren, die Hebungen an der Oberfläche verursachen. B) Wenn das Eis zwischen den Kollektorrohren zusammenwächst (dx 0) und gleichzeitig kein Oberflächenfrost vorliegt (dz1 0), wird durch das Eis um den EWK die Versickerung von Niederschlägen verhindert. Es kann zur Verschlammung des Installationsbereichs kommen. Abbildung 2: Eisausbreitung im Erdreich (schematische Darstellung) Da die kritischen Frostzustände den Erhalt der Betriebsfähigkeit des EWK innerhalb seines Auslegungsbereichs gefährden, müssen beide vermieden werden. Deshalb
werden im Systemsimulationsmodell beide Zustände mittels Indikatoren ausgewertet und gegebenenfalls Zeitpunkt und Dauer von Verstößen erfasst. 3.4 Ergebnisse In Abbildung 3 sind die Systemjahresarbeitszahlen von Systemen ohne (links) und mit Solarwärme (rechts) über der EWK-Fläche dargestellt. Die vorgestellten Ergebnisse basieren auf Simulationen mit der Bodenart Lehm, welche mittlere thermische Eigenschaften aufweist. Die Solarwärme wird mit PVT-Kollektoren bereitgestellt. Parameter der Kurvenschar ist der Verlegeabstand. Die Dimensionierungsempfehlung der VDI 4640-2 ist mit einer schwarzen Raute gekennzeichnet. Rote Dreiecke markieren die Fälle, in denen kritische Frostzustände auftreten. Die Kurven weisen eine charakteristische Form auf. Unterhalb einer kritischen EWK- Fläche sinkt die Effizienz (JAZSYS) signifikant. Dafür sind Erschöpfungszustände des EWK verantwortlich, die den Einsatz der wesentlich ineffizienteren elektrischen Nachheizung erforderlich machen. Oberhalb der kritischen EWK-Fläche tritt, in Folge degressiv steigender Quellentemperaturen, nur eine moderate Effizienzsteigerung auf (vgl. [10]). Abbildung 3: JAZSYS über EWK-Fläche für verschiedene Verlegeabstände ohne und mit Solarwärme Geringere Verlegeabstände führen, bei gleicher EWK-Fläche, zu höherer Effizienz. Allerdings treten bei geringeren Verlegeabständen auch häufiger kritische Frostzustände auf. In Systemen ohne Solarwärme (Abbildung 3 links) stellen kritische Frostzustände (rote Dreiecke) allgemein eine wesentliche Einschränkung für die Betriebsfähigkeit kleiner EWK-Flächen dar.
Die Integration von Solarwärme verändert das Kennlinienfeld des Systems deutlich (Abbildung 3 rechts). Unterhalb der kritischen EWK-Fläche wird die Effizienz der Systeme signifikant gesteigert. Dies ist auf seltenere Erschöpfungszustände des EWK zurückzuführen, wodurch der Bedarf an ineffizienter elektrischer Nachheizung gemindert wird. Weiterhin werden kritische Frostzustände vollständig vermieden. Dadurch können kleinere Verlegeabstände genutzt werden und es werden insgesamt kleinere EWK-Flächen bei nahezu gleicher Effizienz betreibbar. Für großzügige EWK-Dimensionierungen (oberhalb der Empfehlung der VDI 4640-2) ergeben sich durch die Integration von Solarwärme Effizienzeinbußen. Folglich kann der Effizienzgewinn durch Erhöhung der Quellentemperatur in diesen Fällen nicht den zusätzlichen Strombedarf für die Fluidpumpen der Quelle ausgleichen. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass unterdimensionierte EWK signifikant von der Kombination mit Solarwärme profitieren, während für ausreichend oder gar überdimensionierte EWK kein Effizienzgewinn erzielt wird. Diese Erkenntnis steht in Übereinstimmung zu früheren Forschungsergebnissen bezüglich der Kombination von Erdwärmesonden und Solarwärme [11]. Im Anschluss an die Parametervariation wird eine mögliche EWK-Flächenreduktion für jede Solarkollektorkonfiguration ermittelt. Dafür werden zunächst alle Konfigurationen aus der Menge der Ergebnisse entfernt, die kritische Frostbedingungen oder elektrischen Nachheizbedarf aufweisen. Anschließend wird für jede Solarkollektorkonfiguration und jede Bodenart die EWK-Konfiguration mit dem kleinsten Flächenbedarf ausgewählt. Beispielhaft sind in Abbildung 4 die möglichen EWK-Flächenreduktionen für verschiedene Bodenarten über der Schwimmbadabsorberfläche dargestellt. Zur Einordnung der thermischen Eigenschaften der Bodenarten ist die Wärmeleitfähigkeit (WLF) mit den Abstufungen niedrig, mittel und hoch versehen.
Abbildung 4: EWK-Flächenreduktion über Bruttokollektorfläche für unterschiedliche Bodenarten Den Referenzwert für die relative Flächenreduktion bildet die kleinstmögliche EWK- Fläche ohne Solarwärme. Das Diagramm zeigt, dass mit 30 m 2 Schwimmbadabsorberfläche für alle Bodenarten hohe relative EWK-Flächenreduktionen zwischen 54 und 60 % erreicht werden. Zum Vergleich sind in Abbildung 5 die zugehörigen minimalen EWK-Flächen dargestellt. Abbildung 5: Minimale EWK-Fläche über Bruttokollektorfläche für unterschiedliche Bodenarten
Es wird deutlich, dass hinter ähnlicher relativer EWK-Flächenreduktion große Unterschiede in der absoluten Flächenänderung stehen. Die Größe der Flächenänderung ist abhängig von der Bodenart. Abbildung 6 zeigt die Verlegeabstände der ermittelten minimalen EWK-Flächen über der Solarkollektorfläche. Es zeichnet sich der Trend ab, dass mit steigender Kollektorfläche der optimale Verlegeabstand geringer wird. Während die optimalen Verlegeabstände ohne Solarwärme bei 0.5 bis 0.6 m nahe an den Empfehlungen der VDI 4640-2 liegen, sinken diese auf 0.25 bis 0.3 m mit Solarwärme. Das Ergebnis ist einfach nachzuvollziehen, da bei geringeren Verlegeabständen die übertragbare Wärmestromdichte zunimmt und diese für die Integration größerer Solarwärmeleistungen benötigt wird. Im Widerspruch zu den Empfehlungen der VDI 4640-2 steht die Tatsache, dass die minimalen Verlegeabstände mit schlechteren thermischen Eigenschaften des Bodens zunehmen. Die Analyse der Datensätze lässt vermuten, dass dieser Effekt auf die geringere Feuchte, insbesondere des Sandbodens, zurückzuführen ist. In Folge der geringen Feuchte ist die Schmelzenthalpie des Sandbodens klein und kritische Frostzustände treten bei enger Verlegung entsprechend schnell auf. An dieser Stelle gilt es allerdings zu hinterfragen, wie kritisch das Durchfrieren eines Sandbodens tatsächlich ist. Abbildung 6: Verlegeabstand minimaler EWK-Flächen über Bruttokollektorfläche Abbildung 7 zeigt die mögliche EWK-Flächenreduktion über der Solarkollektorfläche für die Bodenart Sandiger Ton. Dargestellt sind in diesem Diagramm die relativen EWK-Flächenreduktionen für die verschiedenen Kollektortypen.
Generell ist festzustellen, dass die untersuchten unabgedeckten Kollektortypen ähnliche EWK-Flächenreduktionen ermöglichen. Im Bereich zwischen 10 und 25 m 2 erreicht der Schwimmbadabsorber die höchsten Flächenreduktionen. Die Steigung der Kurven flacht bei unterschiedlichen Kollektorflächen ab. Während der PVT- Kollektor als erstes in seiner Flächenreduktionseffizienz nachlässt, ist dies für den Schwimmbadabsorber später und für den Fassadenkollektor im untersuchten Bereich gar nicht festzustellen. Ein Zusammenhang mit den unterschiedlichen Kollektorausrichtungen (PVT-Kollektor und Schwimmbadabsorber 45 ; Fassadenkollektor 90 zur Horizontalen) liegt nahe. Weiterhin zeigen die zeitlichen Verläufe der Solarwärmeerträge, dass der Schwimmbadabsorber bei Außentemperaturen über dem Gefrierpunkt mehr Umgebungswärme (Wärmegewinne in Zeiten ohne Solareinstrahlung) gewinnt. Abbildung 7: EWK-Flächenreduktion über Solarkollektorfläche für unterschiedliche Kollektortypen 4 Zusammenfassung und Ausblick Erdwärmegekoppelte Wärmepumpensysteme ermöglichen eine effiziente Wärmeversorgung in Wohngebäuden. Horizontale Erdwärmekollektoren ermöglichen die verhältnismäßig einfache und sichere Erschließung von Erdwärme. Um einen häufigeren Einsatz zu ermöglichen, muss der Flächenbedarf der EWK verringert werden.
Im vorliegenden Beitrag wurde die Möglichkeit untersucht, dies durch eine Kombination von EWK mit Solarwärme zu realisieren. Die Erschöpfung des EWK sowie kritische Frostzustände wurden als beschränkende Effekte effizienter Wärmequellen mit kleinen EWK-Flächen identifiziert. Durch Integration von Solarwärme können Erschöpfungszustände begrenzt und kritische Frostzustände vermieden werden. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass signifikante Reduktionen der EWK-Fläche mittels Solarwärme, unabhängig von der Bodenart, möglich sind. Eine Reduktion des Flächenbedarfs um 50 % bei nahezu gleicher Effizienz der Wärmeversorgung wurde in Simulationen nachgewiesen. Die Flächenreduktionen wurden für verschiedene Bauformen von unabgedeckten Solarkollektoren untersucht und deren prinzipielle Eignung nachgewiesen. Die vorgestellten Ergebnisse verhelfen EWK zu neuen Anwendungsmöglichkeiten bei begrenztem Flächenangebot. Weitere Untersuchungen bezüglich der zusätzlichen direkten Solarwärmenutzung im vorgestellten System stehen kurz vor ihrem Abschluss. In Kooperation mit den Projektpartnern wird zudem die entscheidende Frage der Wirtschaftlichkeit der präsentierten Konzepte betrachtet. 5 Danksagung Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben Erdwärmekollektoren und Sonnenkollektoren als optimierte bivalente Quelle für hocheffiziente Wärmepumpensysteme wurde in Kooperation mit der Firma tewag-technologie- Erdwärmeanlagen-Umweltschutz GmbH und dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.v. durchgeführt und mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen FKZ 03ET1275A aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt ausschließlich bei den Autoren. 6 Quellen [1] M. Y. Haller und E. Frank (2014): Solarwärme & Wärmepumpen Interpretation der Simulationen des IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38, im Tagungsband des 24. OTTI Symposiums Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2014 [2] M. Miara et al. (2014): WP Monitor Feldmessungen von Wärmepumpenanlagen, Fraunhofer ISE, Abschlussbericht, 2014
[3] BWP (2016): Pressemitteilung zu Wärmepumpenabsatzzahlen 2015, unter: https://www.waermepumpe.de/presse/zahlen-daten/absatzzahlen/ (abgerufen am 13.12.2016) [4] H. Hirsch und F. Hüsing (2016): Modellierung und Simulation von Erdwärmekollektoren in Wärmeversorgungssystemen, in GI Gebäudetechnik in Wissenschaft & Praxis 06/16, ITM InnoTech Medien GmbH, Augsburg, 2016, ISSN 2195-643X [5] Dott, R. et al. (2012): The Reference Framework for System Simulations of the IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 - Part B: Buildings and Space Heat Load; unter: http://task44.iea-shc.org/publications (abgerufen am 15.01.2015) [6] Haller, M. et al. (2012): The Reference Framework for System Simulations of the IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 - Part A - General Simulation Boundary Conditions; unter: http://task44.iea-shc.org/publications (abgerufen am 15.01.2015) [7] M. Kirchner et al. (2017): Solaraktivierte, hinterlüftete Glasfassade: Experimentelle Untersuchungen und Systemsimulationen, im Tagungsband des 27. OTTI Symposiums Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2017 [8] Verein Deutscher Ingenieure (2015): Richtlinie VDI 4640 Blatt 2 Entwurf (Gründruck) Thermische Nutzung des Untergrunds Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, Düsseldorf, 2015 [9] M. D Antoni (2013): Presentation of System Performance Calculation Educational Material A technical report of Subtask D Report D1; unter http://task44.iea-shc.org/publications [10] H. Hirsch et al. (2016): Erdwärmekollektoren in Kombination mit Solarkollektoren als Quelle für Wärmepumpensysteme, im Tagungsband des 26. OTTI Symposiums Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2016 [11] Bertram, E. et al. (2014): Hocheffiziente Wärmepumpensysteme mit Geound Solarthermie-Nutzung; Niedersächsisches Verbundvorhaben Abschlussbericht für das Teilprojekt des ISFH; Institut für Solarenergieforschung Hameln