Luft/Wasser-Wärmepumpenan­lage mit alternativer Wärmequelle bei niedrigen Außenlufttem­peraturen; Theoretische Untersuchung von Spitzen­lastwärmequel­len

Ansprechpartner: 

Dr.-Ing. Klaus Ramming über Dr.-Ing. Thomas Sander ()
Telefon:  03 51 / 4 63 3 30 97
Fax:  03 51 / 4 63 3 70 76

Gefördert durch AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (Förderprogramm ProInno)

Forschungs-/ Kooperationspartner: Lattermann Haustechnik GmbH

Ausgangspunkt
Auf Grund des gestiegenen Umweltbewusstseins der Bevölkerung und vor allem der in den letzten Jahren enorm gestiegenen Preise für fossile Brennstoffe erfährt die Wärmepumpenbranche derzeit einen gewaltigen Aufschwung. Bei Neubauten von Einfamilienhäusern ist die Wärmepumpe inzwischen in ähnlichen Stückzahlen vertreten wie der Gas-Brennwert-Kessel. Aus den Fehlern Ende der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts hat die Wärmepumpenbranche gelernt. So kann die Wärmepumpe inzwischen als ausgereifte und zuverlässige Technologie zur Beheizung von Wohnhäusern, Bürogebäuden und Industriegebäuden sowie auch teilweise zur Kühlung, angesehen werden.    

Vorhaben
Die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage hängt jedoch nicht von der Wärmepumpe allein, sondern gleichermaßen von der Ausführung der Wärmequelle und Wärmesenke ab.
Als Wärmequellenanlage werden in Deutschland derzeit hauptsächlich Erdwärmesonden eingesetzt, wobei der Anteil an Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen steigt. Die Möglichkeit auch aus horizontalen Erdwärmekollektoren dem oberflächennahen Erdreich Wärme zu entziehen, wird oft vernachlässigt und unterschätzt. Dies beruht unter anderem darauf, dass diese Wärmequelle bisher wissenschaftlich am wenigsten untersucht wurde. Die Auslegungsempfehlungen sind nur sehr grob und ausschließlich auf Erfahrungswerten basierend. Planer wurden dadurch verunsichert und wichen oft auf alternative Wärmequellen aus, die jedoch aus energetischen oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten, zumindest bei Ein- und Zweifamilienhäusern, meist schlechter als ein optimierter horizontaler Erdwärmekollektor abschneiden.                    

Projektdurchführung
Zur Bewertung und Optimierung verschiedener oberflächennaher Erdwärmekollektoren wurden zunächst Auslegungskriterien und deren Grenzen definiert. Es war somit möglich, verschiedene Kollektoren quantitativ zu vergleichen und realisierbare Betriebszustände eindeutig abzugrenzen. Zur Bewertung der Energieeffizienz wurde ein Kollektorgütegrad definiert, mit dessen Hilfe der vom Erdwärmekollektor beeinflussbare Stromverbrauch der Wärmepumpe und der Stromverbrauch der Sole-Umwälzpumpe gemeinsam quantifiziert werden kann. Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit wurde mit Hilfe der Jahresgesamtkosten durchgeführt, die sich aus den kapitalgebundenen Investitionskosten und den verbrauchsgebundenen Stromkosten über eine Kalkulationslaufzeit von 20 Jahren zusammensetzen. Um die Betriebssicherheit gewährleisten zu können, ist es notwendig, die minimale Soletemperatur zu beschränken. Entsprechend üblicher Herstellerangaben wird von einer minimalen Solerücklauftemperatur von -5 °C bei einer Spreizung von 3 K ausgegangen. Damit Standardumwälzpumpen im Solekreis eingesetzt werden können, wird daneben der maximale Druckverlust auf 35 kPa begrenzt. Als weiteres begrenzendes Kriterium wird die Umweltbeeinflussung berücksichtigt. Durch das Gefrieren des Bodens um die Kollektorrohre können einerseits Hebungen und Setzungen auftreten, wenn die Radien des gefrorenen Bodens zu groß werden. Andererseits wird die hydraulische Leitfähigkeit unterbrochen, wenn benachbarte Eisradien zusammenwachsen, was im Frühjahr zu Matsch an der Erdoberfläche führen kann. Beide Effekte müssen bei einer qualitativ hochwertigen Kollektorauslegung berücksichtigt und vermieden werden.

Analytisches Modell

Numerisches Modell

Ergebnisse
Innerhalb dieser Arbeit wird ein numerisches und ein analytisches Rechenmodell vorgestellt, mit denen horizontale Erdwärmekollektoren wissenschaftlich genau untersucht werden können. Es war möglich, die Auslegung hinsichtlich der genannten Kriterien zu bewerten, zu optimieren und eindeutige Auslegungsempfehlungen auszuarbeiten. Das analytische Rechenmodell konnte, wenn auch mit einem etwas geringeren Anspruch auf Genauigkeit, auch auf Sonderbauformen wie Erdwärmekörbe und Grabenkollektoren angepasst werden. Dadurch lässt sich auch deren Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit aller relevanten Einflussfaktoren abschätzen.

Als wichtigste Erkenntnis kann hervorgehoben werden, dass sich innerhalb Deutschlands die klimatischen Verhältnisse so stark unterscheiden, dass eine sinnvolle Kollektorauslegung nur mit der Beachtung regionaler Klimaunterschiede möglich ist. In der warmen Klimazone 12 nach VDI 4710 (Rheingraben) reicht beispielhaft eine um ca. 38 % kleinere Kollektorfläche für ein Gebäude mit dem gleichen Heizwärmebedarf aus, als in der relativ kalten Klimazone 13 (Großteil Bayerns). Die maximalen flächenspezifischen Entzugsleistungen sind nur mit Abstimmung des Rohrabstandes möglich. Bei zu kleinem Rohrabstand werden die Kriterien der Umweltbeeinflussung verletzt, bei zu großem das der Betriebssicherheit. Nur ab dem Innendurchmesser des Kollektorrohrs Da 32 ist unter Berücksichtigung des maximalen Druckverlustes eine turbulente Strömung möglich ist. Da dadurch bei diesem Rohr noch bei deutlich höheren längenspezifischen Entzugsleitungen relativ hohe Soletemperaturen erreicht werden, ergeben sich aus Gründen der Energieeffizienz, Flächenoptimierung und Wirtschaftlichkeit Vorteile bezüglich kleinerer Rohrtypen. Bei der Standard-Rohrlänge von 100 m, der Standard-Spreizung von 3 K und typischen Entzugsleistungen kann im Rohr Da 32 jedoch keine turbulente Strömung erzeugt werden, weshalb es einer gesonderten hydraulischen Auslegung bedarf.

Spitzenlastwärmequelle
Als Sonderbetriebsweise wurde untersucht, inwieweit es möglich und aus energetischer sowie wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist, eine Wärmepumpenanlage mit Luft als Hauptwärmequelle und dem Erdreich als Spitzenlastwärmequelle zu betreiben. Der hierfür benötigte Spitzenlast-Erdwärmekollektor dient nur wenige hundert Stunden pro Jahr als Wärmequelle, wodurch sich dessen Flächenbedarf bei optimierter Auslegung auf ca. 50 % bezüglich eines Kollektors bei monovalenter Nutzung verringern lässt. Da dann auf die elektrische Zusatzheizung monoenergetischer Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen verzichtet werden kann und weil auf Grund der stabilen Wärmequellentemperaturen im Winter Standard-Sole/Wasser-Wärmepumpen genutzt werden können, ist eine deutlich höhere Energieeffizienz als bei bisherigen Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen möglich. Die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen hängt stark von den Kosten der Erdarbeiten ab. Vor allem bei Neubauten mit relativ kleinen Gartenflächen stellt eine solche Wärmepumpenanlage eine wirtschaftliche und energieeffiziente Alternative zu monoenergetischen Luft/Wasser-Wärmepumpenanlagen dar.

Fazit
Im Allgemeinen konnte festgestellt werden, dass die Leistungsfähigkeit horizontaler Erdwärmekollektoren bisher unterschätzt wurde. Abhängig von der Klimazone sind teilweise deutlich höhere flächenspezifische Entzugsleistungen möglich als bisher angenommen, wobei jedoch der Rohrabstand genau angepasst werden muss. Vor allem im wirtschaftlichen Vergleich sind horizontale Erdwärmekollektoren den meisten alternativen Wärmequellen für Wärmepumpenanlagen überlegen. Da sie aber dennoch bei der monoenergetischen Betriebsweise eine unversiegelte Gartenfläche von 20 bis 40 m² pro kW Heizleistung benötigen, ist deren Einsatzbereich hauptsächlich bei Ein- und Zweifamilienhäusern zu sehen.