Solar- und Geothermie - ideale Partner für hohe Jahresarbeitszahlen Dipl.-Ing. Rainer Tepe
Systemkombination Wärmepumpe Trinkwarmwasserlast Heizlast Sonnenkollektor Möglichkeiten für die Kopplung von Sonnenkollektor und Wärmepumpe 1. Ins Erdreich 2. Auf den Verdampfer 3. In den Quellenspeicher 4. Auf die Senkenseite 4. 2. 3. 1. Optionaler Quellenspeicher Erdsonde
Forschungsprojekt Innovationsverbund von 4 öffentlichen wissenschaftl. Partnern mit Unterstützung und Informationsaustausch zu 6 privatwirtschaftlichen Partnern gefördert von der EU im Rahmen von EFRE, 50% mit Teilfinanzierung des Landes Niedersachsen, MWK, 40% und Eigenanteil der Forschungspartner, 10% Laufzeit: Sept. 2010 bis Febr. 2014
Forschungspartner Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Hannover Ostfalia Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Geowissenschaftliche Zentrum der Universität Göttingen
Industriepartner Solvis GmbH & Co. KG, Germany Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Germany LohrConsult GmbH & Co. KG, Germany EMW Erdwärme Mittelweser GmbH, Germany Terra Umweltwärmesonde GmbH, Germany Seidemann Solar GmbH, Germany
Projektziele Erdsonden gekoppelte Wärmepumpenanlagen Effizienz steigern durch - hohe direkt-solare Deckung des Bedarfs - Anhebung der Quellentemperatur durch solare Einkopplung - Senken der Nutzertemperatur Wirtschaftlichkeit steigern, Betriebsrisiko senken - Dimensionierung von Sondenanlagen optimieren - Vermeidung des Risikos von Fehldimensionierungen und langfristiger Überbelastung Erweiterung der Anwendungsbereiche - bei ungünstigen Erdreichverhältnissen - in Wohnsiedlungen
Inhaltliche Schwerpunkte Bau und Betrieb einer Experimentalanlage Modellierung des Erdreichverhaltens und Sonden- Bohrloch- Systems Analyse von Wärmepumpen-Betreiberanlagen Simulation von Anlagenkonzepten Handlungs- und Praxisempfehlungen
Experimentalanlage Labor- Prüfstand 2 Wärmepumpen und 3 Erdsonden mit Messbrunnen 4 Module zur Emulation von Solarkollektoren- und Wärmelast Institut 300 für ltr. Quellenspeicher Solarenergieforschung und viele Hameln hochgenaue Sensoren
Experimentalanlage Wärmepumpenverhalten COP steigt mit höherer Quellen- und niedrigerer Senkentemperatur 7.0 6.5 6.0. Cond,out V Evap COP_35 C_2500l/h COP_35 C_1000l/h COP_50 C_2500l/h Gemindertes solares Einsparpotenzial 35 C Nicht empfindlich gegenüber Volumenstromvariation Quelle COP [-] 5.5 5.0 4.5 COP_50 C_1000l/h COP_60 C_2500l/h COP_60 C_1000l/h 50 C 60 C Bereich geringen solaren Verbesserungspotenzials 4.0 3.5 WP-Tests auch für höhere Quellentemperaturen durchführen 3.0 2.5 2.0-10.0-5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 Source temperature [ C]
Wärmepumpenverhalten Gütegrad Gütegrad sinkt dramatisch für geringe Temperaturdifferenzen 0.55 0.50 35 C 50 C Optimierungspotenzial für Wärmepumpen-Hersteller (elektr. Expansionsventil, Verdichter) Gütegrad [-] 0.45 0.40 60 C Systemsimulationen 0.35 müssen den Abfall des Gütegrads berücksichtigen 0.30-10.0-5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 Quelleneintrittstemperatur [ C]
Wärmepumpenverhalten Volumenstromabhängigkeit Senke 8 Leistungszahl COP 7 6 5 4 3 25 C-500l/h 25 C-700l/h 25 C-900l/h 45 C-500l/h 45 C-700l/h 45 C-900l/h 55 C-500l/h 55 C-700l/h 55 C-900l/h cond =25 C cond =45 C cond =55 C Merklicher Einfluss des senkenseitigen Volumenstroms erst bei höheren Verdampfer- Eintrittstemperaturen Volumenstromkorrektur in der Modellierung kompensiert den Effekt 2-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Verdampfer-Eintrittstemperatur in C Institut für Solarenergieforschung Hameln
Experimentalanlage Sondenmodellierung Analyse und Weiterentwicklung von Erdsondenmodellen für die dynamische Systemsimulationen in TRNSYS durch Messtechnische Untersuchung der Erdwärmesonden und Abgleich mit COMSOL-Simulationen TRNSYS-Erdsondenmodell positiv negativ EWS (Huber et al.) Kurzzeitverhalten Einzelsonde DST (Hellström) Anordnung im Zylinder Kurzzeitverhalten SBM (Eskilson) Anordnung beliebig Kurzzeitverhalten
Experimentalanlage Temperatursprungversuch Nachsimulation in TRNSYS 450 400 Typ. Leistungsverlauf bei Sprungversuch Erdsondenverhalten: Spezifische Leistung EWS in W/m 350 300 250 200 150 100 50 Typische Laufzeit Wärmepumpe hohe spezifische Entzugsleistung zu Beginn Effekt bei den typischen Laufzeiten von Wärmepumpen nicht zu vernachlässigen 0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Zeit in h
Experimentalanlage Temperatursprungversuch Nur EWS-Modell zeigt hohe Genauigkeit In SBM und DST fehlen Totzeit und Zeitkonstante
Experimentalanlage Sondenmodellierung SBM und DST in Simulation mit virtuellem Vorschaltrohr 3D-COMSOL Simulationen durch:
Experimentalanlage Sondenmodellierung System-Jahresarbeitszahl SPF 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 DST mit Vorschaltrohr DST ohne Vorschaltrohr System BHE allein 50 70 90 110 130 Gesamtlänge Erdsonde in m Starker Effekt auf die Jahresarbeitszahl SPF 3.5: mit VSR 90 m ohne VSR 130 m BHE Länge = 110 m: mit VSR SPF=3.6 ohne VSR SPF=3.2
Experimentalanlage Fazit Effizienzgewinne durch Erhöhung der Quellentemperatur bei Standard-WP nicht vollständig nutzbar WP-Tests sollten auch für höhere Quellentemperaturen und andere Volumenströme obligatorisch sein Dynamisches Verhalten von WP hat hohen Einfluss auf die Systemeffizienz (anpassen der DIN EN 14511) Modellerweiterung in TRNSYS berücksichtigt diese Effekte Planung ohne Berücksichtigung der Erdsondendynamik führt zu einer Sondenüberdimensionierung
Systemsimulationen Systemsimulationen mit dem Programm TRNSYS Modulare Programmstruktur Beliebige Zeitschritte Kombinierte Simulationen für Gebäude und Anlage Mehrjahressimulationen Offene Quellcodes
Systemsimulationen Kennzahlen Blockdiagramm aus der IEA Task 44 Arbeitsgruppe
Systemsimulationen Definition von Arbeitszahlen Beispiel: Solare Trinkwarmwasseranlage SPFHP+HS = 4.0 SPFbSt = 4.8 SPFSHP = 4.5 SPFSHP+ = 4.3 Website: http://task44.iea-shc.org/
Systemsimulationen Vorgaben durch IEA SHC Task44 / HP Annex 38 Einfamilienhaus 140 m² 45 kwh/m² a (6300 kwh/a) Fußbodenheizung TWW 2000 kwh Standort Straßburg 7 kw Wärmepumpe Dynamisches Systemmodell
Systemkombination Wärmepumpe Trinkwarmwasserlast Heizlast Sonnenkollektor Möglichkeiten für die Kopplung von Sonnenkollektor und Wärmepumpe 1. Solare Quellenanhebung 2. Auf den Verdampfer 3. Solare Quellenanhebung mit Quellenspeicher 4. Solareinbindung auf die Senkenseite 4. 2. 3. 1. Optionaler Quellenspeicher Erdsonde
Systemanalyse Solare Quellenanhebung Quellenspeicher 1m³ 10 m² verglaster Sonnenkollektor Coll HP Zielsetzung: Steigerung der Arbeitszahl ca. 2%/K COP-Steigerung Verkürzung der EWS Regeneration des Untergrunds für Siedlungsgebiete oder bei behördlichen Auflagen EWS BHX Seriell vor der Erdwärmesonde 10 m² unverglaster Sonnenkollektor
Systemanalyse Solare Quellenanhebung JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solare Quellenanhebung JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solare Quellenanhebung JAZ Verbesserung durch solare Quellenanhebung klein Beste Kombination: Quellenspeicher + Flachkollektor Aspekte wie z. B. Stagnationsschutz beachten Coll HP BHX JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solare Quellenanhebung T min
Systemanalyse Solare Quellenanhebung 10% 30% Minimaltemperatur kann um 1-2 K erhöht werden Quellenspeicher / Solaranlage: Kürzung EWS ca. 10-15% Quellenspeicher + Solaranlage: Kürzung EWS ca. 30% T min
Systemanalyse Begrenzung Soletemperatur Heizstab ersetzt Wärmepumpe bei unterschreiten von T min T min großer Einfluss auf JAZ Betrieb mit Wasser erzwingt sehr lange EWS, hier: > 150 m Ohne Solaranlage T min JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Begrenzung Soletemperatur Solaranlage hebt Quellentemperatur um 1 bis 2 K an JAZ Verbesserung zwischen 0.1 und 0.6 T min 10 m² unverglaster Kollektor JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solareinbindung Senkenseite JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solareinbindung Senkenseite JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Solareinbindung Senkenseite Solarunterstützung bringt hohe Jahresarbeitszahlen TWW JAZ = 5 TWW + Heizung JAZ = 6 bis fast 8 Jahresarbeitszahl nur WP annähernd konstant Elektrische Einsparung pro m² Kollektor sinkt mit steigender Kollektorfläche 0 5 m² 100 kwh/m 2 a 5 15 m² 35 kwh/m 2 a JAZ SHP (ohne Regelung)
Systemanalyse Sondenfeld und -längen aktueller Mindestabstand bei Siedlungen a= 10 m Variation Abstände: 3, 5, 6, 8, 10, 15, 20, 36 m Sondenlängen: 70, 90, 110, 130 m
Systemanalyse Sondenfeld und -längen Geringe Sondenabstände verursachen starke Langzeitauskühleffekte Langzeiteffekte mit Solareinbindung deutlich geringer Je geringer der Sondenabstand, desto positiver der Solareinfluss
Systemanalyse Fazit Effizienzgewinne durch solare Quellenanhebung bei Standardauslegung gering, bei unterdimensionierten Erdsonden signifikant Systeme werden robuster Bei Anlagen für MFH oder Nicht-Wohngebäude sind größere Effekte zu erwarten Höhere Minimaltemperatur durch solare Quellenanhebung ermöglicht EWS Kürzung bis zu 30 % Solare TWW-Bereitung erlaubt JAZ-Werte um 5 Zusätzliche solare Heizungsunterstützung erlaubt JAZ- Werte über 6 Auskühleffekte durch gegenseitige Beeinflussung in Wohnsiedlungen können durch Solareinbindung gemindert bzw. vermieden werden
Fazit Solar- und Geothermie ergänzen sich ideal bei Vorrang direkter Solarenergienutzung Solare Erdreichregeneration bei größeren Objekten oder Fehlplanungen sinnvoll Integrierte Planung und Entwicklung von Konzepten ist notwendig
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!