P&D Renosource - Mehrquellen-Wärmepumpensysteme für den Wärmeerzeugerersatz mit Erdwärmesonden zur Spitzenlastdeckung

Motivation

Beim Wärmeerzeugerersatz von Heizkesseln durch Wärmepumpe können Einschränkungen der Wärmequellen auftreten, die gerade bei höheren Leistungen in grösseren Altbauten einen Wärmepumpeneinsatz beschränken oder verhindern können. Über Mehrquelleneinsatz können die Einschränkungen entschärft oder ganz umgangen und damit einen monovalenten Wärmepumpeneinsatz ermöglicht werden.

Ergebnisse aus dem BFE-Projekt HP-Source

Im BFE-Projekt HP-Source [1] wurden zwei Strategie für Mehrquellenintegration für die in der Schweiz am häufigsten eingesetzten Wärmequellen Luft und Erdsonden mittels Simulationen untersucht.

Zum einen wurde eine Spitzenlastdeckung mit Erdsonden und Luft als Grundlast bewertet. Beide Quellen können dadurch auf ein reduzierte Quellenleistung ausgelegt werden, wodurch Einschränkungen sowohl für die Luft- als auch für die Erdsondenquelle abgemindert werden können. Für die Auslegung der Erdsonden wurde zusätzlich festgestellt, dass die Grösse der Erdsonden überproportional abnimmt, wie in Abbildung 1  dargestellt ist. Bei einer Auslegung auf 50% Leistung kann das Erdsondenfeld bspw. auf 20% der Grösse reduziert werden. Dabei ist die Reduktion bei kompakten Erdsondenfeldern grösser, was dem Platzbedarf gerade bei schwierigen Platzverhältnissen reduziert.

Als zweite Strategie wurde die Regeneration einer primären Erdreichquelle mit der sekundären Regenerationsquelle Luft oder Solarkollektoren betrachtet, die im Sommerbetrieb auch die Deckung des Warmwasserbedarfs übernehmen kann. Auch durch Regeneration lassen sich grosse Platzeinsparungen erzielen und durch Nutzung der besten Temperaturniveaus auch Effizienzsteigerungen. Als kostenoptimaler Regenerationsgrad stellen sich Regenerationsgrade zwischen 60%-80% heraus. Für grosse Leistungen können die beiden Strategien «Spitzenlastdeckung» und «Regeneration» auch kombiniert werden.

Ausgangslage

Die Wohngenossenschaft Lägern Wohnen besitzt in Baden zwei Mehrfamilienhäuser mit je 28 Wohnungen auf insgesamt 4'190 m² Wohnfläche. Die Mehrfamilienhäuser in Abbildung 2 mit Baujahr 1972 befinden mehrheitlich im Originalzustand und wurden zuletzt in den 90er Jahren leicht saniert. Die gemeinsame Wärmeerzeugung mittels Ölkesseln von gesamthaft 200 kW ist in der Heizzentrale im Kellergeschoss des einen Mehrfamilienhauses installiert. Das andere Mehrfamilienhaus ist mittels einer Fernleitung an die Heizzentrale angeschlossen. Der analysierte Heizölverbrauch über die letzten 14 Jahren ergibt einen durchschnittlichen Jahresverbrauch von 60'000 l Heizöl resp. 600 MWh/a.

Als Wärmeerzeugerersatz ist neu eine Wärmepumpe pro Gebäude mit einem gemeinsamen Erdsondenfeld geplant. Aufgrund von Platzbeschränkungen für die Erdwärmesonden auf den Parkplatz zwischen den Gebäuden durch die abschüssige Umgebung, siehe Abbildung 2, wurde eine zusätzliche Regeneration mittels Luftwärmetauscher vorgesehen.

Die Bohrungen der ersten beiden Erdsonden auf geplanten 290 m mussten bei 130 m Teufe jedoch wegen Arteser abgebrochen werden. Daher bestand neben der Platzbeschränkung auch zusätzlich noch eine Tiefenbeschränkung bei 130 m. Es traten bei dem Projekt also genau die Einschränkungen auf, die im Projekt HP Source mittels Simulationen untersucht wurden. Als neues Konzept wurde daher ein Spitzenlastbetrieb der Erdwärmesonden mit der Grundlastquelle Aussenluft gewählt. Der Aussenluftwärmetauscher wurde vergrössert, und Simulationen ergaben, dass die Sondenlänge auf 16 Sonden à 105 m reduziert werden können, wenn nur die Spitzenlastdeckung über die Sonden erfolgt. Andererseits kann dadurch die Vergrösserung des Luftwärmetauschers beschränkt werden. Der Luftwärmetauscher dient im Sommer zusätzlich zur Regeneration des Erdreichs. Die Quellenintegration erfolgte über einen Sole-Zwischenkreis, was den Vorteil hat, dass beide Quellen für beide Wärmepumpen zur Verfügung stehen, und so keine Leistungslimitierung der einzelnen Quellen durch die Wärmepumpenleistung besteht.

Als Wärmepumpen wurden zwei innenaufgestellte Sole-Wasser-Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel Propan eingesetzt. Dies hat Vorteile für die Bestandsgebäude, da Vorlauftemperaturen bis 70 °C erreicht werden.

Ziele des P&D Projekts

Das P&D Projekt kombiniert die beiden untersuchten Konzepte Spitzenlastdeckung und Regeneration und bietet damit ideale Voraussetzungen, die Simulationsergebnisse aus dem Projekt «HP-Source» an realen Messungen zu verifizieren. Es können Betriebserfahrung mit den realen Anlagenbetrieb des Mehrquellensystems gesammelt werden und Auslegungs- und Regelungsstrategie für den Betrieb abgeleitet und getestet werden. Die Projektziele umfassen daher im Einzelnen die folgenden Punkte

• Verifikation des Konzepts der Spitzenlastsonde über die vollständigen Projektphasen Planung – Inbetriebnahme – Monitoring – Optimierung
• Überprüfung der Planungsgrundsätze und hydraulische Einbindung
• Auswertung von 3 Betriebsjahren (optional auch längere Messungen des Mehrquellensystems)
• Modellvalidierung mit Betriebsdaten und Anlagenoptimierung
• Optimierung der Quellenbewirtschaftung (z. B. mittels Sollwertschiebung: dynamischem Bivalenzpunkt, Kombination mit sommerlicher Regeneration etc.)
• Von den realen Randbedingungen abstrahierter Systemvergleich, um zu verifizieren, ob Mehrquellensysteme auch ohne Einschränkungen Vorteile bieten können
• Auswertung Betriebsverhalten der innenaufgestellten Propan-Wärmepumpen grösserer Leistung

Messkonzept

Das Messkonzept umfasst Wärmezähler für die einzelnen Wärmequellen der Erdsonden und der Luft sowie für die Wärmeabgabeseite und Stromzähler für die Wärmepumpe und die Peripherie. Darüber hinaus werden die Betriebszustände wie die Kompressordrehzahl und der Pumpenstatus sowie die Ventilstellungen aufgezeichnet. Aus den Messgrössen können die Jahresarbeitsarbeitszahl, die Quellenanteile, der Abtaubetrieb des Luftwärmetauschers und der Regenerationsgrad für die Erdsonden ausgewertet werden und entsprechende Optimierungen vorgenommen werden.

Projektstand und Ausblick

In Verbindung mit Simulationen ist die Planung des Projekts ist in der ersten Hälfte 2023 erfolgt. Die Erdwärmesonden wurden im Herbst 2023 gebohrt und die Inbetriebnahme erfolgte im ersten Quartal 2024. Die ersten Messdaten werden gegenwärtig aufgezeichnet.

Quellen

[1]     C. Wemhöner, Ch. Meier, S. Büsser, M. Bätschmann, HP Source – Integrationsmöglichkeiten von Wärmequellen, BFE-Schlussbericht, Rapperswil, Nov. 2023