Terra-Solar-Quelle – Erdwärmekollektoren und Sonnenkollektoren als optimierte bivalente Quelle für hocheffiziente Wärmepumpensysteme

Wärmepumpensysteme mit Erdwärmekollektoren (EWK) als Quelle sind deutlich energieeffizienter als Luft-Wasser-Wärmepumpen und haben einen geringeren baulichen und administrativen Aufwand als Erdwärmesonden. Diese Vorteile stehen einem vergleichsweise hohen Flächenbedarf gegenüber, weshalb EWK als Quelle für Wärmepumpen in der Praxis seltener als andere Quellen zur Anwendung kommen.

In Zusammenarbeit mit der tewag GmbH und dem Bundesverband Wärmepumpe, wird am ISFH die Kombination von EWK und Sonnenkollektoren untersucht. Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts ist es, durch solare Regeneration die benötigte Fläche von EWK signifikant zu verringern und die Effizienz von EWK-Wärmepumpensystemen zu erhöhen. Dies soll die Attraktivität von EWK in Ein- und Mehrfamilienhäusern erhöhen.

EWK können im Gegensatz zu Erdwärmesonden mit geringeren Soleeintrittstemperaturen betrieben werden. Das Gefrieren des Bodens ist deshalb durchaus üblich und stellt eine zusätzliche Wärmekapazität dar, die effektiv durch Sonnenkollektoren beladen werden kann. Erste experimentelle Untersuchungen zur Kombination von Solarwärme und EWK deuten an, dass eine Flächenreduktion von mindestens 50% gegenüber konventionell dimensionierten Systemen möglich ist.

Diese Fragestellung soll deshalb für verschiedene Kollektortypen und Systemschaltungen detailliert untersucht werden. Zunächst wird ein den Anforderungen komplexer Systemsimulationen gerechtes EWK-Modell erstellt und mit Hilfe einer Experimentalanlage validiert. Im Vergleich zu vorhandenen Modellen werden dabei das Fluidvolumen und Randeffekte Berücksichtigung finden. Systemsimulationen in TRNSYS und weitere experimentelle Studien sollen dann zeigen wie stark die Fläche regenerierter EWK gegenüber konventionell dimensionierten Anlagen für Ein- und Mehrfamilienhäuser reduziert werden kann. Die Ergebnisse werden schließlich in Form vereinfachter Dimensionierungsregeln bzw. eines Auslegungstools verbreitet, um die Planung solar regenerierter EWK zu vereinfachen.

Am 28.02.2018 fand auf dem Messegelände in Offenbach der Abschlussworkshop des Projekts statt. Die Ergebnisse wurden gemeinsam mit den Projektpartnern, der tewag GmbH und dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) vorgestellt. Der Workshop wurde in Kooperation mit dem Institut für Gebäude- und Solartechnik der TU Braunschweig durchgeführt, das Ergebnisse eines Projekts zur energetischen und wirtschaftlichen Bewertung verschiedener Wärmequellen für Wärmepumpen (future:heatpump / FKZ 03ET1273A) vorgestellt hat. Die Vorträge sind nachfolgend dokumentiert:

1. Einführungsvortrag (M. Sabel, BWP)
2. Untersuchungen in TRNSYS (F. Hüsing & O. Mercker, ISFH)
3. Vereinfachte Auslegungsregeln und ökonomische Bewertung (D. Kuntz, tewag)
4. future:heatpump (F. Bockelmann et al., TU Braunschweig) Der Abschlussbericht zum Projekt wird im Laufe des Jahres 2018 hier veröffentlicht.

Downloads

Hauke Hirsch; Oliver Mercker; Gunter Rockendorf: Erdwärmekollektoren in Kombination mit Solarkollektoren als Quelle für Wärmepumpensysteme. OTTI-Tagungsband zum 14. Internationalen Anwenderforum Oberflächennahe Geothermie, Neumarkt, Juni 2015

Hauke Hirsch; Fabian Hüsing; Gunter Rockendorf: Modellierung oberflächennaher Erdwärmeübertrager für Systemsimulationen in TRNSYS. Proceedings zum Central European Symposium on Building Physics 2016/BauSIM 2016, Dresden, September 2016

Fabian Hüsing; Hauke Hirsch; Gunter Rockendorf: Combination of Solar Thermal Collectors and Horizontal Ground Heat Exchangers as Optimized Source for Heat Pumps. Conference Proceedings, EuroSun 2016, Palma de Mallorca, Oktober 2016

Hauke Hirsch; Fabian Hüsing; Gunter Rockendorf: Erdwärmekollektoren in Kombination mit Solarkollektoren als Quelle für Wärmepumpensysteme. Ausführliches Skript zum 26. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, April 2016

Fabian Hüsing; Oliver Mercker; Hauke Hirsch; Jan Steinweg: Solare Regeneration von Erdwärmekollektoren – Reduzierter Flächenbedarf bei hoher Effizienz. Ausführliches Skript zum 27. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein; Mai 2017

Fabian Hüsing; Oliver Mercker: Energieversorgung im Einfamilienhaus mittels Wärmepumpe, horizontalen Erdwärmekollektoren und photovoltaisch-thermischen Solarkollektoren. Tagungsband zur 1. Regenerativen Energietechnik-Konferenz RET.CON 2018, Nordhausen, Februar 2018