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Abb. 29 Solevorlauf- und Solerücklauftemperaturen gemittelt über die ausgewerteten Anlagen.
© FhG-ISE

Abb. 31 Überwachung der Haustechnik per App
© Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf

Abb. 32 Prototyp eines Lamellenwärmeübertragers
© FhG-ISE

Abb. 33 Solerücklauftemperatur (minimale Wochenmitteltemperatur) und mittlere spezifische Entzugsleistung von 27 Wärmepumpensystemen im Betrachtungszeitraum April 2009 und März 2010 des Projektes „ WP
© FhG-ISE
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Wärmequelle Sole

In den vermessenen Erdreich-Wärmepumpensystemen sind zumeist Erdsonden oder Flachkollektoren als Wärmequellenanlagen eingesetzt. Oberflächennahe Sonderbauformen (wie Erdkörbe) bildeten die Ausnahme.

Die Anlagen mit Erdsonden einerseits und die Anlagen mit Erdkollektoren andererseits weisen unterschiedliche Charakteristika des jahreszeitlichen Verlaufes der Soletemperaturen auf. In Abb. 29 ist der Verlauf der Vorlauf- und Rücklauftemperaturen gemittelt über alle ausgewerteten Anlagen getrennt für diese beiden Wärmequellenanlagentypen dargestellt. Zusätzlich ist die Außentemperatur, als Mittelwert verschiedener Orte in Deutschland, abgebildet. Die Darstellung zeigt, dass Anlagen mit Erdsonden im Mittel eine deutlich geringere Schwankungsbreite der Soletemperaturen im Jahresverlauf aufweisen als Anlagen mit Erdkollektoren: die Erdreichaustrittstemperatur – hier als Vorlauftemperatur bezeichnet – der Anlagen mit Erdsonden fiel in der Kernheizperiode auf 4 °C und stieg in den Sommermonaten auf 13 °C an. In Anlagen mit Erdkollektoren sank die Solevorlauftemperatur mit Beginn der Heizperiode unter die der Anlagen mit Erdsonden. Aufgrund der Erwärmung der oberflächennahen Erdschicht übersteigt sie diese ab Juni erneut. Dies spiegelt sich in den Arbeitszahlen wider. In den Sommermonaten und zu Beginn der Heizperiode arbeiten die Anlagen mit Erdkollektoren im Mittel mit höheren Arbeitszahlen als die Anlagen mit Erdsonden. In der Kernheizperiode und im Frühjahr kehrt sich der Effekt um. Aufgrund der höheren Energiebereitstellung im Winter gegenüber dem Sommer lag damit der Durchschnitt der Jahresarbeitszahlen der Anlagen mit Erdsonden über dem der Anlagen mit Erdkollektoren. Betrachtet über den Bilanzzeitraum wurden die Wärmepumpen mit Erdsonden im Mittel bei einer Vorlauftemperatur von 7 °C betrieben und die Anlagen mit Erdkollektoren bei einer Vorlauftemperatur von knapp 4 °C. Die Rücklauftemperatur der Wärmepumpen lag im Mittel knapp 4 K unter der Vorlauftemperatur.

Die Soletemperaturen, die sich im Betrieb einstellen, sind von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Vergleicht man bei den Wärmepumpen mit Erdsonden die niedrigste Wochenmitteltemperatur der Sole im Betrachtungszeitrum April 2009 bis März 2010, so zeigt sich, dass sie sich bei den einzelnen Anlagen um bis zu 8 K unterscheiden. Bei der „ungünstigsten“ Anlage sank die Wochenmitteltemperatur des Vorlaufes (Rücklaufes) im Betrieb auf 1 °C (–3 °C), hingegen bei der „günstigsten“ Anlage nur auf 9 °C (5 °C).

Als Kenngröße für die Auslegung von Erdsonden in Einfamilienhäusern wird häufig die spezifische Entzugsleistung, als Entzugsleistung bezogen auf die Gesamtlänge der Erdsonde(n), verwendet. Die zuständige Richtlinie (VDI 4640) gibt drei allgemeine Richtwerte abhängig vom Erdreich für Wärmepumpen zur Heizungs- und Brauchwassererwärmung vor: 20 W/m bei schlechtem Untergrund, 50 W/m bei normalem Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtem Sediment sowie 70 W/m für Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit. In Abb. 33 sind die gemessenen Solerücklauftemperaturen einzelner Anlagen über der jeweiligen mittleren spezifischen Entzugsleistung (ermittelt aus den Messwerten der Jahresentzugsenergie und der Laufzeit sowie der Erdsonden-Gesamtlänge) dargestellt. Die Bandbreite der gemessenen mittleren Entzugsleistungen liegt zwischen 30 W/m und 64 W/m. Zum einen zeigt sich, dass die Anlagen mit den höchsten Soletemperaturen in der Heizperiode auch nur mit eher geringeren Entzugsleistungen betrieben wurden. Jedoch erkennt man auch deutlich die große Bandbreite der Temperaturen derjenigen Anlagen, die über gleiche spezifische Entzugsleistungen verfügten. Dies verdeutlicht, dass neben der spezifischen Länge der Erdsondenanlage andere Faktoren, wie die Eigenschaften des Untergrundes (mittlere Temperatur des ungestörten Erdreiches, Erdreichbeschaffenheit, Vorkommen von Grundwasser), der Erdsonde (insbesondere der Verfüllung) und des Betriebes (Strömungsform, Betriebsdauer) einen großen Einfluss haben. Da in dem Projekt keine Kenntnis über das Erdreich besteht, lassen sich die jeweiligen Effekte der Einflussfaktoren nicht näher untersuchen.

Monitoringprojekt mit Online-Visualisierung der Messdaten

„WP Monitor“ ist der Titel einer aktuellen Felduntersuchung von Wärmepumpen durch das Fraunhofer ISE. In dem Projekt werden rund 100 Wärmepumpen vermessen, wobei etwa 50 Anlagen aus „WP-Effizienz“ übernommen wurden. Die Verlängerung der Monitoringperiode ermöglicht die Generierung einer umfassenden Datenbasis für Langzeituntersuchungen. Teilweise können Messdaten über einen Zeitraum von bis zu sechs Heizperioden gesammelt werden, was zum Beispiel bessere Möglichkeiten bei der Untersuchung der Wärmequelle Erdreich zulässt.

Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Projekten erfolgt jetzt auch eine Vermessung von erdgekoppelten Wärmepumpensystemen, die einen Direktverdampfer anstelle eines mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllten Wärmequellenkreises verwenden. Außerdem werden entsprechend der Marktentwicklung jetzt auch Wärmepumpen variabler Leistung betrachtet. Zu den Projektpartnern bei „WP Monitor“ zählen zwölf deutsche und österreichische Hersteller und ein Energieversorger.

Für alle Wärmepumpeninteressenten wurde die Möglichkeit geschaffen, den Betrieb realer Wärmepumpensysteme zu verfolgen. Hierfür wird auf der Projekt-Homepage der freie Zugang zu den Messdaten von anonymisierten Wärmepumpen-Anlagen angeboten. Neben einer Anlagen-beschreibung werden alle Messgrößen als Tages-werte und die wichtigsten Energie- und Arbeitszahlen als Monatswerte gezeigt.

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(PDF, 20 Seiten, 3,2 MB)

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