BFE Projekt HP Source: Kombination von Wärmequellen für den hohen Leistungsbereich

Das BFE-Projekt WP-Source hat die primäre Zielsetzung, Einschränkungen auf Seite Wärmequelle im höheren Leistungsbereich ab 50 kW zu entschärfen und einen monovalenten Wärmepumpenbetrieb auch dort zu ermöglichen, wo die Randbedingungen den monovalenten Betrieb mit einer einzigen Wärmequelle verunmöglichen. Dazu wurden Kombinationen von Wärmequellen betrachtet, um die Einschränkungen von einzelnen Wärmequellen zu überwinden. Auf dem Markt und in der Literatur gibt es bisher nur wenige Beispiele eines Mehrquelleneinsatzes. Am häufigsten ist die Kombination im Rahmen von Regeneration des Erdreichs, die inzwischen häufiger angewendet wird, insbesondere als solare Regeneration. Je nach Randbedingungen gibt es auch Potenzial für eine Effizienzerhöhung und Kosten­reduktion durch Synergien der Wärmequellen.

Zur Kombination der Wärmequellen wurden verschiedenen Strategien betrachtet, wobei auf die Wärme­quellen Luft und Erdreich fokussiert wurde, die in der Schweiz am häufigsten eingesetzt werden.

• Spitzenlastdeckung der primären Wärmequelle Luft durch die sekundäre Quelle Erdreich
• Regeneration der primären Wärmequelle Erdreich mit der sekundären Wärmequelle Luft sowie alleiniger Betrieb der Luft-Wärmequelle
• Vorwärmung der primären Wärmequelle Luft durch die sekundäre Wärmequelle Abluft
• Nutzung einer zweiten Wärmequelle Luft neben einer Grundlastquellen Abwasser, die über das ganze Jahr einen konstanten Anteil zum Wärmebedarf beiträgt

Die Untersuchung erfolgte mit dynamischer Simulation für einen Neubau mit hohem Anteil an Warm­wasserwärmebedarf von 66% und einem Bestandsgebäude mit dominantem Heizwärmebedarf von 80% um die Unterschiede zu charakterisieren. Bei der Untersuchung stellte sich heraus, dass die grössten Potenziale in den ersten beiden Strategien liegen, weshalb diese schwerpunktmässig unter­sucht wurden.

Ergebnisse der Strategie Spitzenlastdeckung

Für die Strategie Spitzenlastabdeckung mit Erdwärmesonden bieten sich Vorteile in Kombination mit Leistungsbegrenzungen der primären Wärmequelle, wie sie bei der Wärmequelle Aussenluft aufgrund von Lärmemissionen bestehen können. Bei reiner Erdreichquelle über Erdwärmesonden können hin­gegen Platzbeschränkungen für die Installation einer ausreichenden Anzahl von Sonden bestehen. Abbildung 1  zeigt die relative Sondenlänge im Vergleich zu einer 100% Erdwärmesonden-Wärmequelle für die durchgeführten Parametervariationen. Durch die Spitzenlastdeckung können beide Quellen Luft und Erdreich kleiner, z.B. auf 50% der erforderlichen Quellenleistung ausgelegt werden, wodurch Lärm- wie auch Platz- und Bohrtiefenbeschränkungen entschärft werden.

Die meisten Variationen zeigen ein robustes Verhalten, was eine Auslegung für unterschiedlichen Rand­bedingungen vereinfacht. Der grösste Unterschied besteht in der Sondenanordnung zwischen Linien- und kompaktem Feld. Letzteres zeigt stärker degressives Verhalten, da die natürliche Regeneration durch die gegenseitige Beeinflussung der Sonden (Feldeffekt) beschränkt ist und eine Reduktion der Sondenlänge/-anzahl sowie eine geringere Belastung im Spitzenlastfall grösseren Einfluss hat.

Bei der Kombination von Luft als primärer Quelle und Erdreich für reinen Spitzenlastbetrieb wird dem Erdreich deutlich weniger Energie entzogen als bei reiner Erdreichquelle. Dadurch kann die gesamte installierte Sondenlänge überproportional reduziert werden, was weiter zur Überwindung von Einschrän­kungen beiträgt, die insbesondere bei Bestandsgebäuden bestehen. Bei kompakten Erdsondenfeldern entspricht die Reduktion der Sondenlänge ungefähr dem Energieentzug aus dem Feld, z.B. ca. 20% der gesamten Quellenenergie bei Auslegung auf 50% der gesamten Heizleistung. Die Simulationser­gebnisse bestätigen weiterhin auch Effizienzvorteile durch bessere Quellentemperaturen und wirtschaft­liche Vorteile.

Die Jahresarbeitszahl kann in den Simulationen in Abhängigkeit des Leistungsanteils über die Erd­wärmesonde von knapp 3 (reine Luftquelle) bis 4.5 (reine Erdsondenquelle) gesteigert werden. Die Unterschiede zwischen Neu- und Altbau fallen relativ gering aus, da die niedrigeren Heiztemperaturen im Neubau durch den höheren Warmwasseranteil kompensiert werden.

Abbildung 2  zeigt die Kostenstruktur für ein Bestandsgebäude in Abhängigkeit des Leistungsanteils über die Erdsonde und im Vergleich zu einer bivalenten Lösung mit Erdgas für die Marktsituation im Juni 2022. Für die Wärmepumpenlösungen ergeben sich bei kleineren Leistungen von 60 kW Vorteile der Einzelquellen. Die Zusatzkosten für eine Wärmepumpenlösung sind mit 50 CHF/kW aber moderat und ermöglichen allfällig einen monovalenten Wärmepumpeneinsatz. Bei grösseren Leistungen verringern sich die Kostenvorteile der Einzelquellen oder weisen sogar höhere Kosten auf. Unter diesen Preis- und Kostenrandbedingungen ergeben sich sogar geringere spezifische Kosten der monovalenten Lösung nur mit Wärmepumpe als die Spitzendeckung über Erdgas. Im Neubau besteht im Vergleich zu reiner Luftquelle zusätzlich noch ein Kühlpotenzial über die Erdsonden.

Ergebnisse der Strategie Regeneration

Die Auswertung erfolgte primär hinsichtlich erforderlicher Fläche und Bohrtiefe als Trade-off zwischen Kosten und Regenerationsgrad. Bei Regeneration können die Sonden mit geringerem Abstand zuein­ander angeordnet werden, was Optionen für mehr Sonden auf weniger Platz eröffnet. Zur Regeneration wurden Solarabsorber, PV/T-Kollektoren und Aussenluftwärmetauscher systematisch in Parameter­variationen u.a. für verschiedene Gebäudegrössen, Sondenfeldgrössen, Bohrtiefen, Sondenabstände und Sondenanordnungen im Feld untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Regeneration wirtschaft­liche Vorteile durch eine geringere notwendige Sondenlänge erzielt und damit auch Platz- und Bohr­tiefenbeschränkungen umgangen werden können.

Die Kosteneinsparungen können in vielen Fällen die Investitionskosten für die Regenerationsquelle re­finanzieren bzw. sogar überkompensieren. Bei solarer Regeneration kann beispielsweise eine kosten­optimale Auslegung als Verhältnis zwischen Kollektorfläche und eingesparter Sondenlänge erfolgen.

Der kostenoptimale Regenerationsgrad lag bei unterschiedlichen Parametervariationen im Bereich von 60-80%. Weiterhin wurde bestätigt, dass die Effektivität einer Regeneration bei grösseren Feldern und geringerem Sondenabstand steigt.

Aus den Ergebnissen wurde eine neue Darstellung entwickelt, welche für gegebenen Heizleistungs­bedarf und Platzverhältnisse (Grundstücksfläche, Bohrtiefe) sowie den Kostenparametern die Notwendigkeit und Wirtschaftlichkeit einer Regeneration zeigt, die in Abbildung 3  links dargestellt ist.

Der Regenerationsgrad auf der x-Achse kann auch als Verteilung zwischen zwei Quellen interpretiert werden, wodurch sich diese Darstellung auch für andere Systeme wie die Spitzen­lastdeckung nutzen lässt. Abbildung 3 rechts illustriert die notwendige Bohrtiefe abhängig vom Sondenabstand und Regenerationsgrad. Wenn ausreichend Platz vorhanden ist, kann die Auslegung ohne Regeneration und mit geringerer Bohrtiefe erfolgen. Platz- oder Bohrtiefen­beschränkungen können jedoch mit steigendem Regenerationsgrad überwunden werden, wobei die Regeneration bei engen Platzverhältnissen effektiver wird. Ab Regenerationsgraden von 60-80% sind keine grossen Änderungen mehr zu verzeichnen, aber die notwendige Re­generationsfläche und die Kosten der PV/T Kollektoren steigen stark an. Abbildung 4  zeigt die spezifischen Jahreskosten verschiedener Systemvarianten ohne bzw. mit Regeneration. Die niedrigsten Kosten werden bei dieser Auswertung mit dem unabgedeckten Solarkollektor (USK) kombiniert mit PV erreicht, allerdings liegen die Systeme nicht weit auseinander. Die wirtschaftliche Überlegenheit einzelner Lösungen wird zudem stark von den Kostenpara­metern (Bohrkosten, Tarifstruktur, Systemkosten, Verzinsung etc.) beeinflusst.

Die im Projekt entwickelten Strategien für die Quellenkombination werden derzeit an einer realen Pilotanlage im P&D Projekt "Renosource" für einen Wärmeerzeugerersatz für zwei grosse Mehrfamilienhäuser gemessen und ausgewertet, die genau die im Projekt untersuchten Quelleneinschränkungen aufweisen. Damit können die Simulationsergebnisse an einer realen Anlage verifiziert werden und erweiterte Untersuchungen zur Quellenintegration, Auslegung und Regelung durchgeführt werden sowie Daten zur Performance im realen Betrieb aus dem Monitoring ermittelt werden.

Hier finden Sie den Fachartikel als auch den Schlussbericht zum Projekt.