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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Solare Wärme kann helfen, mit deutlich kleineren Erdwärmekollektoren auszukommen, ohne dass es zu kritischen Frostzuständen im Erdreich kommt. Das Konzept wird per Simulation und experimentell untersucht.
© ISFH, Institut für Solarenergieforschung
Wärmepumpensysteme
Projektinfo 06/2018

System-Jahresarbeitszahlen (JAZsys ) in Abhängigkeit von der Größe des Erdwärmekollektors (EWK), der solaren Regeneration und der Verlegeabstände im Erdwärmekollektor
© ISFH, Institut für Solarenergieforschung

Die Fläche des Erdwärmekollektors kann mit zunehmender Solarkollektorfläche verkleinert werden – in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Bodens (in W/mK).
© ISFH, Institut für Solarenergieforschung
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Welche Wärmequellen sind optimal für Wärmepumpen?

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 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 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 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.

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.

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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 Institut für Solarenergieforschung (ISFH), mit deutlich kleineren EWK auszukommen, ohne dass es zu kritischen Frostzuständen im Erdreich kommt.

Denn in diesen Fällen muss – mit erheblich verminderter Effizienz – elektrisch direkt nachgeheizt werden.

Simulation prüft Effizienz und Nachhaltigkeit

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.

Projektinfo 06/2018:
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Merkzettel

Adressen

Projekt Terra-Solar-Quelle: Forschung und Projektleitung
ISFH GmbH

Marktanalyse und Technologietransfer
Bundesverband Wärmepumpe e.V.

Projekt future:heatpump: Marktanalyse, Simulation, Toolentwicklung
TU Braunschweig, IGS

Links

Erdwärme- und Solarkollektoren ergänzen sich als Wärmequellen
Projektpräsentation auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

Energetisch-ökonomische Bewertung von Wärmequellen für Wärmepumpen
Projektpräsentation auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

Solare Regeneration von Erdwärmekollektoren
Publikation auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

Ermittlung und Prüfung von Wärmequellen und Wärmeübertragersytemen für Wärmepumpen
Publikation auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

ENERGIEWENDEBAUEN
Projekte, Berichte, Nachrichten
und Analysen aus der Forschungsinitiative ENERGIEWENDEBAUEN

Infotipps

Doppelt heizt besser
BINE-Projektinfo 4/2018

Elektrisch angetriebene Wärmepumpen
BINE-Themeninfo I/2013

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

Terra-Solar-Quelle
future:heatpump