Erdwärmekollektoren und Solarkollektoren lassen sich als bivalente Wärmequelle für Wärmepumpen kombinieren. Dies verspricht einige Vorteile. In diesem Forschungsprojekt wurde das Systemverhalten genauer untersucht. In Simulationsstudien wurden unterschiedliche Systemkonfigurationen mit den beiden Wärmequellen analysiert, unter besonderer Beachtung thermischer Erschöpfung des Erdreichs sowie kritischer Frostzustände. Hierfür wurde eigens ein numerisches Modell für Erdwärmekollektoren entwickelt, das die thermischen Vorgänge genau beschreibt.

Wärmepumpensysteme mit Erdwärmekollektoren (EWK) als Wärmequelle sind deutlich energieeffizienter als Luft/Wasser-Wärmepumpen. Gegenüber Erdwärmesonden haben EWK einen geringeren baulichen Aufwand und sind weitgehend unabhängig von der geologischen Situation des Untergrunds einsetzbar. Allerdings brauchen EWK vergleichsweise viel Fläche, weshalb sie bislang eher selten genutzt werden. Durch eine gelegentliche solarthermische Regeneration des Erdreichs wird die benötigte EWK-Fläche deutlich verringert und gleichzeitig eine thermische Erschöpfung des Erdreichs vermieden. Wegen des reduzierten Flächenbedarfs werden EWK für viele Ein- und Mehrfamilienhäuser attraktiv.

Forschungsfokus

Im Rahmen des Forschungsprojekts ist ein TRNSYS-Modell für Erdwärmekollektoren entwickelt worden (Type 710). Es erlaubt eine feine Diskretisierung eines zweidimensionalen Schnitts durch das Erdreich, berücksichtigt Gefriervorgänge und die Fluidkapazität. Es ist in TRNSYS für schnelle, dynamische Systemsimulationen optimiert. Das Modell wurde an einer eigens errichteten Versuchsanlage experimentell validiert. Auf der Basis wurden umfangreiche Systemsimulationsstudien durchgeführt, um wesentliche Dimensionierungsparameter zu ermitteln. In Simulationen mit unterschiedlich konfigurierten EWK und Solarkollektoren und verschiedenen Regelungsstrategien wurden die Flächenreduktionspotenziale für Erdwärmekollektoren bestimmt.

Erfolge

Die experimentellen Untersuchungen und das EWK-Modell stimmen gut überein, das haben die experimentellen Versuche gezeigt. Das TRNSYS-Modell „Erdwärmekollektoren“ kann kostenfrei vom ISFH bezogen werden.

Die Simulationsstudien zeigen weiter, dass sich mit der Integration von Solarkollektoren ins Wärmepumpensystem der Flächenbedarf je nach Konstellation um mehr als 50 Prozent gegenüber der aktuellen Dimensionierungsempfehlung der VDI4640-2 (Gründruck 05/2015) reduziert. Denn das Erdreich kann bei drohender thermischer Erschöpfung mit solarer Wärme gezielt regeneriert werden.

Wesentlicher Parameter ist hierbei eine Verringerung der Verlegeabstände der EWK-Rohre. Es wurde eine vereinfachte Auslegeregel bestimmt, die anhand der Wärmeleitfähigkeit des vorliegenden Bodens den Zusammenhang zwischen spezifischer Solarkollektorfläche (Asolar/Aewk) und relativer EWK-Flächenreduktion annähert. Somit werden die bisherigen Empfehlungen zur Dimensionierung von EWK ergänzt um den flächenmindernden Einfluss von unverglasten thermischen Solarkollektoren.

Anwendung

Ein Informationsblatt mit den vereinfachten Auslegungsregeln wird im dritten Quartal 2018 hier auf dieser Webseite erscheinen.

Das Modell für Erdwärmekollektoren wurde als rechenzeitoptimierte Komponente für die Simulationssoftware TRNSYS umgesetzt und anhand von Versuchen an einer eigens errichteten Experimentalanlage am Institut für Solarenergieforschung experimentell validiert. Es wird auf Anfrage kostenfrei zur Verfügung gestellt (TRNSYS Type 710).