In diesem Kapitel geben wir Ihnen die Antworten auf die Fragen, die am Ende jedes Kapitels des achtteiligen Kurses gestellt werden.
Frage 1.1
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Neben einem Bürogebäude entsteht gerade ein Wohngebäude. Welche der drei Optionen in diesem Kapitel würden Sie auf den ersten Blick vorschlagen?
Ein Wohngebäude und ein Bürogebäude weisen in der Regel völlig unterschiedliche Lastprofile auf: Büros werden an Werktagen genutzt, während Wohngebäude vor allem morgens, abends und am Wochenende geheizt und gekühlt werden müssen. Darüber hinaus benötigt ein Büro in der Regel deutlich mehr Kühlung als Heizung, sodass das Ungleichgewicht geringer ist oder sogar von der Zuluft dominiert wird, während Wohngebäude (natürlich abhängig von Ihrer Region) aufgrund des höheren Heiz- und Warmwasserbedarfs typischerweise von der Abluft dominiert werden.
Daher würde die Anbindung beider Gebäude an dasselbe Erdwärmefeld das Gesamtungleichgewicht verringern und somit die erforderliche Größe des Erdwärmefeldes reduzieren. Es ist wahrscheinlich einfacher, weiterhin mit einzelnen Wärmepumpen zu arbeiten (mindestens eine für den Wohnbereich und eine für das Bürogebäude), da beide wahrscheinlich eine völlig unterschiedliche Eigentümerstruktur aufweisen und die Trennung der Wärmepumpen die einfachste Lösung sein dürfte.
Frage 1.2
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Es entsteht ein neues Wohngebiet mit 10 kleineren zweistöckigen Gebäuden mit jeweils 4 Wohnungen und einem größeren sechsstöckigen Gebäude mit 12 Wohneinheiten. Würden Sie ein individuelles oder ein gemeinschaftliches System empfehlen?
In diesem Fall ist es wahrscheinlich am besten, sich für eine halbkollektive Lösung zu entscheiden, bei der jedes Gebäude über ein eigenes kollektives Bohrfeld verfügt. Bei den vier Wohnungen könnte es sinnvoll sein, mit einzelnen Wärmepumpen zu arbeiten, da sich bei einer zentralen Wärmepumpe aufgrund des geringen Gleichlaufgrads kaum Einsparungen erzielen lassen. Der Einsatz kleiner gemeinschaftlicher Systeme hat zudem den Vorteil, dass sich die Last auf die verschiedenen Bohrlöcher verteilt und ausgleichen lässt, falls eine Wohnung (aus irgendeinem Grund) ein deutlich abweichendes Nutzungsprofil aufweist.
In einem Gebäude mit 12 Wohnungen kann sich der Einsatz einer zentralen Wärmepumpe zwar bereits lohnen, aufgrund des geringeren Umfangs der Gemeinschaftsanlage ist dies jedoch wahrscheinlich noch nicht der Fall.
Frage 1.3
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Stellen Sie sich vor, ein Energiedienstleistungsunternehmen (ESCO) würde in alle Erdwärmepumpen einschließlich der Bohrfelder investieren, diese warten und betreiben. Würde sich Ihre Antwort auf die vorherige Frage ändern, wenn es einen zentralen Eigentümer für alle Anlagen gäbe?
Wenn es einen zentralen Eigentümer der Anlage gibt, spielen auch die Wartungskosten und der Wartungsaufwand eine Rolle. In diesem Fall, bei 12 Wohnungen, könnte es vorteilhafter sein, eine zentrale Wärmepumpe zu warten, anstatt 12 einzelne. Auch aus Kosten- und Investitionssicht kann eine zentrale Erzeugungsanlage in diesem Gebäude von Vorteil sein. Bei vier Wohneinheiten hängt es davon ab, ob ein zentraler Raum für die Installation der zentralen Wärmepumpe vorhanden ist.
Da alle Gebäude das gleiche Lastprofil aufweisen (es handelt sich ausschließlich um Wohngebäude), bietet der Anschluss an ein einziges geothermisches Bohrfeld kaum Vorteile. Daher wird sich die ESCO wahrscheinlich für gebäudespezifische Lösungen entscheiden, da die Kosten für ein horizontales Verteilungsnetz in dieser Größenordnung wirtschaftlich wahrscheinlich nicht interessant sind. Anders wäre dies beispielsweise, wenn sich in der Nähe auch ein Gebäude eines anderen Typs (z. B. ein Bürogebäude) befände, das das Ungleichgewicht zum Positiven verändern könnte.
Frage 2.1
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Warum nimmt die Interferenz ab, nachdem im ersten Fall die Bohrfeldgrößen vergrößert wurden?
Hier spielen zwei Aspekte eine Rolle:
- Da die Bohrfeldern nun größer sind, sinkt die spezifische Wärmeentzugsrate pro Bohrloch, da sich das Ungleichgewicht nun auf mehr Bohrlöcher verteilt, wodurch der Beitrag jedes einzelnen Bohrlochs zur Gesamtstörung geringfügig abnimmt.
- Da die zusätzlichen Bohrlöcher etwas weiter von den anderen Bohrfeldern entfernt sind, werden sie etwas weniger von diesen Feldern gestört, wodurch sich die Gesamtstörung dieses Bohrfeldes verringert.
Frage 2.2
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Welche Auswirkungen hätte es auf die Auslegung, wenn die drei hydraulisch getrennten Bohrlöcher aus dem ersten Fall zu einem Bohrfeld zusammengefasst würden? Sie können davon ausgehen, dass die Bohrlöcher an ihrer Stelle verbleiben, nun jedoch hydraulisch miteinander verbunden sind, wie dies bei einem Fernwärme- und Fernkältenetz der 5. Generation der Fall ist.
Wenn alle Bohrlöcher zu einem einzigen geothermischen System verbunden werden, ergibt sich bei der ursprünglichen Planung von insgesamt 76 Bohrlöchern eine minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 1,18 °C. Dies bedeutet, dass die ursprüngliche Anzahl der Bohrlöcher für das gesamte Projekt sogar zu groß ist, während sie unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zu klein war. Wie ist das möglich?
Der Grund dafür ist, dass sich der Beitrag jedes einzelnen Bohrlochs zum gesamten Wärmeaustausch ändert, wenn alle Bohrlöcher in einem einzigen geothermischen Bohrfeld miteinander verbunden sind. Bei der Berücksichtigung von Interferenzen wird jedes Bohrfeld weiterhin als eigenständiges System berechnet, wobei sich die Bohrlöcher mit dem größten Beitrag an den Grenzen des Bohrfeldes befinden. Sind alle Bohrlöcher hydraulisch miteinander verbunden, sind die Bohrlöcher mit dem größten Beitrag zwar weiterhin diejenigen an den Rändern, nun jedoch an den Rändern des gesamten Systems. Dies verändert den Energieaustausch mit dem Boden erheblich.
Frage 2.3
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Führen Sie die Interferenzberechnung für die Umgebung erneut durch, diesmal jedoch mit nur einem Bohrloch pro System, das sich im geometrischen Zentrum des Feldes befindet. Die entsprechende CSV-Datei können Sie unten herunterladen.
Die Interferenz ist in diesem Fall etwas höher als bei einer Betrachtung der beiden Bohrlöcher einzeln. So weist System 1 nun beispielsweise eine Gesamtinterferenz von -0,32 °C statt -0,31 °C auf. Dies zeigt, dass die Annahme des geometrischen Zentrums bei kleinen geothermischen Systemen recht genau ist.
Frage 2.4
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Was würde sich ändern, wenn man zur Modellierung der Interferenz statt der endlichen Linienquelle die unendliche Linienquelle verwenden würde? Führen Sie dies für den ersten und den zweiten Fall durch.
In beiden Fällen nimmt die Gesamtinterferenz deutlich zu, wenn die unendliche Linienquelle verwendet wird. Im Fall der drei Wohnhäuser steigt die Interferenz auf -1,61 °C (statt -0,74 °C). Bei den 20 Häusern ist der Unterschied geringer (-0,68 °C statt -0,48 °C für Haus 6), da hier die Bohrlöcher weiter voneinander entfernt sind.
Frage 3.1
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Wie verändert sich die erforderliche Größe des Suchfeldes, wenn man diese Gleichzeitigkeit mit der Heuristik berücksichtigt?
Bei einer Neuberechnung der erforderlichen Bohrfeldgröße und -tiefe ergeben sich 56 Bohrlöcher (in einem 14×4-Raster mit gleichen Abständen von 7 m) mit einer Bohrlochtiefe von 184,41 m. Dadurch verringert sich die insgesamt erforderliche Bohrlochlänge von 13.112 m auf 10.271 m.
Frage 3.2
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Wie verändert sich die erforderliche Bohrfeldgröße, wenn man diese Gleichzeitigkeit mit der Lastverschiebung berücksichtigt?
Wendet man dasselbe Verfahren auf das Bohrfeld mit Gleichzeitigkeit und Lastverlagerung an, erhält man dasselbe 14×4-Bohrfeld mit Abständen von 7 m, nun jedoch mit einer etwas größeren Bohrlochtiefe von 188,71 m. Damit ergibt sich eine Gesamtbohrlochlänge von 10.512 m, was mehr ist als im Fall der heuristischen Methode.
Dies steht im Einklang mit der Temperatursimulation des stündlichen Profils unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit im Vergleich zur monatlichen Simulation. Auch hier ergab die stündliche Simulation etwas niedrigere Temperaturen, was darauf hindeutet, dass ein größeres Bohrfeld erforderlich ist.
Frage 3.3
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Wie würde sich das Temperaturprofil ändern, wenn eine maximale Gleichzeitigkeit von 70% angenommen wird? Würde sich dadurch die erforderliche Bohrfeldgröße ändern?
Wenn die Gleichzeitigkeit auf 70% reduziert wird, beträgt die resultierende Heizleistung 190,04 kW und die resultierende Kühlleistung 112 kW. Dies führt zu einer um 0,47 °C niedrigeren minimalen durchschnittlichen Fluidtemperatur im Vergleich zu der mit der höheren Simultanität von 0,67 °C. Dies liegt daran, dass die Spitzenleistung am Bohrfeld nun (leicht) größer ist.
Dies führt auch zu einer anderen erforderlichen Dimensionierung, wiederum mit 14×4 Bohrlöchern im Abstand von 7 m, nun jedoch mit einer Tiefe von 192,85 m, was eine Gesamtbohrlochlänge von 10.743 m ergibt, die tatsächlich höher ist als die zuvor genannten 10.512 m.