In den vorangegangenen Kapiteln wurden drei verschiedene Methoden zur Optimierung hybrider geothermischer Systeme vorgestellt, bei denen es sich ausschließlich um ‘Borefield-First’-Methoden handelte. In diesem Kapitel liegt der Schwerpunkt auf einer „Hybrid-First“-Methode und darauf, wie man ein hybrides System mit GHEtool simulieren kann.
Unterschied zwischen Optimierung und Simulation
In den vorangegangenen drei Kapiteln ging es ausschließlich um die Optimierung Ihrer hybriden geothermischen Anlagen, d. h., bei einer bestimmten stündlichen Gebäudelast und einer festen Bohrfeldgröße wurde das Lastprofil des Bohrfeldes entweder auf Leistung, Energie oder Ausgleich optimiert, um den geothermischen Anteil zu maximieren. Bei allen drei Methoden bestand das Ziel darin, die Last vorrangig auf das Bohrfeld zu verlagern und den verbleibenden Anteil an eine andere Hybridtechnologie weiterzuleiten.
Bei der Simulation von Hybridsystemen ist der Ansatz etwas anders. Anstatt standardmäßig die gesamte Last auf das Bohrfeld zu verlagern, lautet die Frage nun: ‘Wann ist es vorteilhaft, das Hybridsystem zusätzlich zu belasten?’ Dies führt nicht unbedingt zum gleichen Ergebnis.
Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir das folgende Beispiel. Stellen Sie sich ein hybrides geothermisches System vor, das aus einer Erdwärmepumpe (GSHP) und einer Luftwärmepumpe (ASHP) besteht. Mit den Optimierungsstrategien wird die Last so weit wie möglich auf das Bohrfeld verlagert, wobei die ASHP nur dann zum Einsatz kommt, wenn es notwendig ist. Es kann jedoch vorkommen, dass in den Übergangszeiten, wenn die Außentemperatur bereits recht hoch und der Heizbedarf bereits geringer ist, der Wirkungsgrad der Luftwärmepumpe höher ist als der der Erdwärmepumpe. In diesem Fall könnte es aus wirtschaftlichen Gründen interessant sein, die Last zunächst der Luftwärmepumpe zuzuweisen und erst den Rest der Erdwärmepumpe zu nutzen, d. h. einen „Hybrid-First“-Ansatz zu verfolgen.
Verfahren zur Simulation von Hybridsystemen
Konzeptionell lässt sich die Simulation von Hybridsystemen in GHEtool auf zwei verschiedene Arten durchführen:
- Sie arbeiten mit Temperaturschwellenwerten, oberhalb bzw. unterhalb derer eine bestimmte Hybridtechnologie aktiviert wird.
- Sie begrenzen die maximale geothermische Leistung
Beides wird im Folgenden kurz erörtert.
Temperaturschwellenwerte und Hybridsysteme
Die Simulation von Hybridsystemen in GHEtool Cloud erfolgt auf der Grundlage von Temperaturschwellenwerten für die Außentemperatur. Je nachdem, ob die Außentemperatur über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, kann es vorteilhaft sein, zunächst das Hybridsystem anstelle des geothermischen Systems zu nutzen.
Im oben erläuterten Beispiel mit der Erdwärme- und der Luftwärmepumpe, bei dem die Luftwärmepumpe in der Regel oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle effizienter ist, lässt sich dies in GHEtool modellieren, indem die Luftwärmepumpe als hybride Heiztechnologie definiert wird. das oberhalb einer Schwellenwerttemperatur funktioniert.
Ein weiteres Beispiel lässt sich im Zusammenhang mit einer Sanierung anführen. Stellen Sie sich ein (nicht besonders gut gedämmtes) Schulgebäude vor, dessen Heizkörper an einen Gaskessel angeschlossen sind. Um das Heizsystem nachhaltiger zu gestalten, werden eine Erdwärmepumpe und ein Erdwärmefeld parallel installiert, um ein hybrides Erdwärmesystem zu schaffen. Im Herbst und Frühjahr kann die Erdwärmepumpe dieses Gebäude problemlos beheizen, doch wenn es draußen zu kalt wird, schaltet sich der Gaskessel ein, um die erforderlichen höheren Temperaturen bereitzustellen. Dies lässt sich mithilfe eines Hybrid-Heizsystem, das unterhalb einer Temperaturschwelle arbeitet.
Ein letztes Beispiel könnte ein Bürogebäude sein, in dem die Lüftungsanlage (AHU) Schwierigkeiten hat, die Luft mithilfe der passiven Temperaturen aus dem Bohrfeld zu kühlen, wenn es draußen zu warm ist. Eine Lösung könnte darin bestehen, die Lüftungsanlage mit einer aktiven Komponente auszustatten, die zuschaltet, um hybride Kühlung ab einer bestimmten Temperaturschwelle.
Während die oben beschriebene Methodik einen festen Temperaturschwellenwert verwendet, ist es auch möglich, diesen Ansatz bei einer variablen Flüssigkeitstemperatur anzuwenden, beispielsweise indem auf eine Luft-Wasser-Wärmepumpe umgeschaltet wird, wenn die Flüssigkeitstemperatur (anstelle eines festen Schwellenwerts) kälter ist als die Außentemperatur.
Dieser Ansatz wird derzeit untersucht und soll in Zukunft veröffentlicht werden. Konzeptionell liegt er irgendwo zwischen den reinen Simulationsmethoden und den Optimierungsstrategien.
Begrenzung der geothermischen Energie
Anstatt die verschiedenen Hybridsysteme und ihre jeweiligen Temperaturschwellenwerte zu definieren, kann man auch einfach die Erdwärmeleistung begrenzen. Wenn das Gebäude beispielsweise einen Heizbedarf von 100 kW hat, können Sie die Erdwärmeleistung einfach auf 60 kW begrenzen und sehen, wie das daraus resultierende Temperaturprofil aussieht. Die Leistung, die von der Erdwärmepumpe nicht bereitgestellt werden kann, wird in den Ergebnissen als ‘externe Leistung’ ausgewiesen.
Beispiel in GHEtool
Um zu veranschaulichen, wie die Simulation von Hybridsystemen in GHEtool Cloud funktioniert, betrachten wir ein letztes Mal das Wohnhaus aus den vorangegangenen drei Kapiteln. Im Folgenden ist das Temperaturprofil des 5×5-Bohrfeldes ohne Hybridsystem dargestellt.
Wie zu sehen ist, werden sowohl die maximale als auch die minimale Flüssigkeitstemperaturgrenze überschritten, sodass eine Hybridlösung für Heizung und Kühlung erforderlich ist. Betrachten wir als erste Simulation eine Hybrid-Kühltechnologie (zum Beispiel eine Luft-Wasser-Wärmepumpe) mit einer Leistung von 25 kW, die sich einschaltet, wenn die Außentemperatur über 20 °C liegt, d. h. wenn es draußen wirklich warm ist. Das daraus resultierende Temperaturprofil ist unten dargestellt.
Aus dem obigen Temperaturprofil geht klar hervor, dass diese 25 kW Kühlleistung bei einem Schwellenwert von 20 °C ausreichen, um die maximale Flüssigkeitstemperatur unter 17 °C zu halten. Aus der untenstehenden monatlichen Energiebilanz geht klar hervor, dass ein erheblicher Teil der Kühlung nun vom Hybridsystem übernommen wird.
Die nächste Herausforderung besteht darin, das Problem der Mindesttemperaturgrenze für die Flüssigkeit zu lösen. Eine Möglichkeit wäre, diese 25 kW auch als Hybridtechnologie für die Heizung zu nutzen, wo sie beispielsweise einen Teil des Heizbedarfs decken kann, wenn die Außentemperatur über 8 °C liegt. Die sich daraus ergebende Mindestflüssigkeitstemperatur beträgt nun nur noch -1,79 °C statt -2,72 °C, und die Hybridlösung für die Heizung deckt 16,51 TP21T des gesamten Heizbedarfs ab. Die monatliche Verteilung ist wiederum unten dargestellt.
Um über dem Mindestschwellenwert zu bleiben, könnte es sinnvoll sein, das gesamte System unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts um eine Hybridtechnologie zu ergänzen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Elektroheizung handeln, die die Spitzenlasten abdeckt. Wenn ein solches Hybridsystem mit einer Leistung von 20 kW hinzugefügt wird, das bei Temperaturen unter 1 °C anspringt, ergibt sich das folgende Temperaturprofil, bei dem die Flüssigkeit nun problemlos innerhalb der Grenzwerte bleibt.
In der nachstehenden Kreisdiagrammdarstellung sind die verschiedenen Anteile am gesamten Hybridsystem dargestellt. Wie zu sehen ist, wird ein Drittel des gesamten Heizbedarfs durch das Hybridsystem gedeckt, und mehr als 50% des Kühlbedarfs des Gebäudes wird durch das Hybridsystem bereitgestellt.
In den obigen Simulationen wurden die Hybridsysteme zusammen mit ihren jeweiligen Temperaturschwellenwerten ausgewählt. Ein anderer Ansatz besteht darin, einfach die maximal zulässige geothermische Heiz- und Kühlleistung festzulegen. Wenn die maximal zulässige geothermische Heizleistung 25 kW und die maximale geothermische Kühlleistung 50 kW beträgt, ergibt sich das folgende Temperaturprofil.
Aus der nachstehenden Grafik zum Energiebeitrag geht deutlich hervor, dass das Hybridsystem nur 4% der Kühllast und 11% der Heizlast übernehmen sollte, um ein System zu erhalten, das innerhalb der Grenzwerte liegt. Dies weicht erheblich von den vorherigen Ergebnissen ab und verdeutlicht, wie flexibel (und von Natur aus komplex) die Auslegung von hybriden geothermischen Systemen ist.
Wie aus den verschiedenen obigen Simulationen hervorgeht, ist die Simulation eines hybriden geothermischen Systems im Grunde eine Frage von Versuch und Irrtum, wobei es (per Definition) keine Garantie dafür gibt, dass tatsächlich die optimale Lösung gefunden wird. Aus diesem Grund ist dieses Simulationsmodul kein eigenständiges Werkzeug, sondern sollte als ein weiteres Werkzeug in Ihrem Werkzeugkasten betrachtet werden, um das ideale hybride geothermische System für Ihr konkretes Projekt zu entwerfen.
Fazit
In diesem Kapitel wurde die Methodik zur Simulation hybrider geothermischer Systeme erörtert und mit den Optimierungsmethoden verglichen. Auf der Grundlage der Außenlufttemperatur lassen sich vier verschiedene Hybridsysteme (Heizen und Kühlen, sowohl unterhalb als auch oberhalb der Temperaturschwelle) definieren, um das Verhalten des Systems nachzubilden. Neben der Leistungsregelung anhand von Temperaturschwellenwerten ist es auch möglich, die Leistung der Erdwärmepumpe und des passiven Wärmetauschers zu begrenzen.
Anhand eines Beispiels wurde gezeigt, dass es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, ein hybrides geothermisches System so auszuwählen und zu konzipieren, dass die Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegen. Dies verdeutlicht, dass die Simulation hybrider Systeme im Gegensatz zu den Optimierungsmethoden mit einem recht hohen Maß an Versuch und Irrtum verbunden ist.
Zusammen mit den Optimierungsmethoden für Leistung, Energie und Bilanz vervollständigt die Möglichkeit, hybride geothermische Systeme zu simulieren, das gesamte Instrumentarium, um Einblicke in Ihre Hybridsysteme zu gewinnen und diese optimal auszulegen.