Einer der wichtigsten Eingabeparameter für jede geothermische Simulation ist der Heiz-, Kühl- und Warmwasserbedarf des Gebäudes. Während diese Werte manchmal auf der Grundlage detaillierter Simulationen oder Messungen bekannt sind, müssen sie in den meisten Fällen, insbesondere in der Anfangsphase, geschätzt werden. In diesem Kapitel wird dieses Thema beleuchtet und es werden verschiedene Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderung untersucht.
Bevor wir mit diesem Kapitel beginnen, möchten wir einige wichtige Begrifflichkeiten klären. Wenn wir über den Baunachfrage, die Begriffe ‘Heizung’, ‘Kühlen’ und ‘Haushaltswarmwasser’ verwendet werden. In Anbetracht der Effizienz der Wärmepumpe (auf die wir im Abschnitt nächstes Kapitel), wird diese in die ‘Extraktion’ und ‘Injektion’.’ Last, die die Grundlast.
Thermischer Gebäudebedarf
Innerhalb von GHEtool können verschiedene Arten von Lastprofilen verwendet werden. Zunächst wird unterschieden zwischen stündlich und monatlich Auflösungen, mit 8.760 bzw. 12 Zeitschritten pro Jahr. Zusätzlich zur Auflösung wird die Last in der Regel für ein ganzes Jahr angegeben, wobei davon ausgegangen wird, dass jedes Jahr des Simulationszeitraums identisch ist. Wenn dies jedoch nicht der Fall ist - zum Beispiel, wenn Ihr Projekt in mehreren Phasen abläuft - können Sie eine mehrjährige Eingabe verwenden.
In den nächsten Abschnitten werden sowohl die monatlichen als auch die stündlichen Entschließungen behandelt.
Monatliche Entschließung
Wenn keine stündlichen Daten verfügbar sind, kann eine monatliche Simulation durchgeführt werden. Hierfür sind vier Schlüsseleingaben erforderlich: die Spitzenleistung für Heizung und Kühlung sowie der jährliche Energiebedarf für Heizung und Kühlung. Wenn der Warmwasserbedarf einbezogen wird, ist eine fünfte Eingabe erforderlich. Jede dieser Eingaben wird im Folgenden ausführlicher behandelt.
Spitzenleistung für die Heizung
Die Heizungsspitze entspricht der maximalen Leistung der Wärmepumpe des Gebäudes. Wenn die Wärmepumpe eine Leistung von 10 kW hat, kann das Gebäude nicht mehr als diese Leistung aufnehmen, daher sollte dieser Wert als Heizungsspitze festgelegt werden. Je nach regionalen Baunormen wird die Leistung der Wärmepumpe in der Regel durch eine statische Wärmeverlustberechnung auf der Grundlage einer Referenzaußentemperatur (z. B. -8 °C in Belgien) ermittelt.
Die Situation unterscheidet sich geringfügig, wenn modulierende Wärmepumpen verwendet werden. Nehmen wir an, der berechnete statische Wärmeverlust eines Gebäudes beträgt 7 kW. Ein Installateur könnte sich dafür entscheiden, eine 8-kW-Wärmepumpe zu installieren, um eine gewisse Überdimensionierung zu ermöglichen. Dies würde jedoch zu einem überdimensionierten Bohrloch führen, da das Bohrloch in der Lage sein muss, den Spitzenbedarf zu decken. Wenn das System eine modulierende Wärmepumpe verwendet, können Sie im Wärmepumpenregler oft eine niedrigere Spitzenleistung einstellen - z. B. die 8-kW-Wärmepumpe auf einen Betrieb mit maximal 7 kW begrenzen - und so eine unnötige Überdimensionierung des Bohrlochs vermeiden. Das Gleiche gilt, wenn das Emissionssystem (z. B. Heizkörper oder Fußbodenheizung) nicht die volle Leistung der Wärmepumpe nutzen kann.
Frühes Stadium
Wenn die Spezifikationen der Wärmepumpe noch nicht bekannt sind, kann der Spitzenwärmebedarf mit Hilfe etablierter Faustregeln geschätzt werden. Diese beruhen entweder auf der Kapazität des Emissionssystems oder auf allgemeinen Anhaltspunkten, die sich auf die Art und das Alter des Gebäudes beziehen. Im Folgenden finden Sie eine Beispieltabelle mit typischen Werten. Beachten Sie jedoch, dass diese Zahlen regionsspezifisch sind und an Ihre örtlichen Gegebenheiten angepasst werden müssen.
| Typ | Emissionsleistung beim Heizen | Emissionsleistung bei Kühlung |
|---|---|---|
| Fußbodenheizung | 40-80 W/m² | 15-25 W/m² |
| Klima-Obergrenze | 30-55 W/m² | 25-50 W/m² |
| Wandheizung | 30-70 W/m² | 25-60 W/m² |
| Gebläsekonvektor (nicht kondensierend) | 200-2000 W | 250-500 W |
| Gebläsekonvektor (Verflüssigungssatz) | 200-2000 W | 1000-2000 W |
(Die Daten stammen aus dem Projekt Cooling 2.0)
| Typ | Wärmebedarf |
|---|---|
| Wohngebäude (nach 2002) | 45 W/m² |
| Bürogebäude (alt) | 89 W/m² |
| Bürogebäude (neu) | 59 W/m² |
| Schule (alt) | 109 W/m² |
| Schule (neu) | 60 W/m² |
| Einzelhandel (alt) | 56 W/m² |
| Einzelhandel (neu) | 54 W/m² |
(Daten entnommen aus nPro, Werte für das Klima von Berlin)
Gleichzeitigkeit
Wenn mehrere Wärmepumpen an ein zentrales, gemeinsames Sondenfeld angeschlossen sind, ist die resultierende Spitzenleistung nicht einfach die Summe der einzelnen Einheiten. Stattdessen muss ein Gleichzeitigkeitsfaktor angewendet werden. Das Problem der Gleichzeitigkeit und seine Lösungen werden später in diesem Kurs behandelt.
Neben der Spitzenleistung selbst ist auch die Dauer dieser Spitze wichtig. Bei einem stündlichen Lastprofil ist diese in das Profil selbst eingebettet. Im Falle eines monatlichen Lastprofils muss sie jedoch explizit angegeben werden. Die Seite Spitzendauer kann definiert werden als die längster Zeitraum, in dem die Wärmepumpe mit maximaler Leistung arbeitet. Wenn sich die Wärmepumpe beispielsweise einschaltet und acht Stunden lang mit maximaler Leistung läuft, beträgt die Spitzendauer acht Stunden.
Spitzenleistung für die Kühlung
Der Ansatz zur Bestimmung der Spitzenkühlleistung hängt davon ab, ob das Bohrloch aktiv für die Kühlung ausgelegt ist oder ob die Kühlung als sekundärer Nutzen betrachtet wird, als ‘nice to have’.
Design zur Kühlung
In wärmeren Klimazonen, in denen die Kühlung eine wichtigere Rolle spielt als die Heizung, wird das Bohrfeld in der Regel durch die Spitzeneinblastemperatur begrenzt. In solchen Fällen wird der Kühlbedarf in der Regel in Übereinstimmung mit den örtlichen Bauvorschriften ermittelt, wobei Faktoren wie die Fläche der Verglasung, der g-Wert und der U-Wert berücksichtigt werden. Der Kühlbedarf des Gebäudes wird dann in ähnlicher Weise wie der Heizbedarf auf der Grundlage dieser Berechnungen abgeleitet.
Schön zu haben
In Regionen, in denen die Kühlung nicht im Vordergrund steht, ist das Emissionssystem in der Regel nicht darauf ausgelegt, den Wärmekomfort im Sommer zu gewährleisten. Hier wird die Kühlung oft als ‘nice to have’-Funktion behandelt - ein zusätzlicher Vorteil der Installation eines geothermischen Bohrlochs. In solchen Fällen basiert die Spitzenkühlleistung in der Regel auf der Kapazität des Emissionssystems, das ursprünglich für die Heizung ausgelegt war. Siehe die Tabelle mit den typischen Kapazitäten von Emissionssystemen, die weiter oben aufgeführt ist.
Frühes Stadium
In der Anfangsphase eines Projekts kann der Spitzenkältebedarf ebenso wie der Heizbedarf anhand von Faustregeln geschätzt werden. Dazu kann man entweder die Kapazität des Emissionssystems heranziehen oder Werte von ähnlichen Referenzgebäuden verwenden.
Energiebedarf für Heizung
Während die Spitzenleistung ein wichtiger Aspekt des Energieprofils eines Gebäudes ist, ist der andere Schlüsselparameter für die Auslegung des Bohrlochs der jährliche Energiebedarf für die Heizung. Dieser kann auf verschiedene Weise geschätzt werden, z. B. anhand von Volllaststunden, Faustformeln oder Heizgradtagen.
Volllaststunden
Die Verwendung von Volllaststunden ist eine einfache Methode zur Schätzung des jährlichen Energiebedarfs auf der Grundlage der bekannten (oder geschätzten) Spitzenleistung. Wenn ein System x Stunden pro Jahr mit Spitzenlast betrieben wird, ergibt sich der Gesamtenergiebedarf aus der folgenden Formel: $$energy = peak \cdot FLH$$Die folgende Tabelle enthält Richtwerte für Volllaststunden für verschiedene Gebäudetypen.
| Typ | Volllaststunden |
|---|---|
| Pflegeheim | 1300-1900 |
| Krankenhäuser | 1500-2000 |
| Ämter | 900-1600 |
| Schulen | 800-1300 |
| Wohnen | 1200-1500 |
| Andere | 1000-2000 |
(Die Daten stammen von SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)
Faustformel
Wie bei der Spitzenleistung kann der jährliche Wärmebedarf anhand von Erfahrungswerten auf der Grundlage der Geschossfläche geschätzt werden. Die folgende Tabelle enthält typische Wärmebedarfswerte für Gebäude in der Berliner Klimaregion.
| Typ | Wärmebedarf |
|---|---|
| Wohngebäude (nach 2002) | 72 kWh/m² |
| Bürogebäude (alt) | 125 kWh/m² |
| Bürogebäude (neu) | 65 kWh/m² |
| Schule (alt) | 120 kWh/m² |
| Schule (neu) | 60 kWh/m² |
| Einzelhandel (alt) | 95 kWh/m² |
| Einzelhandel (neu) | 65 kWh/m² |
(Die Daten stammen von nPro)
Heizgradtage
Eine andere Methode zur Schätzung des Heizbedarfs ist die Verwendung von Heizgradtagen (HDDs). HDDs quantifizieren das Ausmaß, in dem und für wie lange die Außenlufttemperatur unter einer bestimmten Basistemperatur liegt, die als Bilanzpunkttemperatur bezeichnet wird. Unterhalb dieser Temperatur muss das Gebäude beheizt werden. Der Gesamt-HDD ist die Summe der Differenzen zwischen der Basistemperatur und der tatsächlichen Außentemperatur an jedem Tag der Heizperiode.
Im Vergleich zu FLH bieten HDD-basierte Methoden eine präzisere Schätzung, da sie die Gebäudeeigenschaften (z. B. Isolierung und Sonneneinstrahlung) und die Klimabedingungen separat berücksichtigen.
Energiebedarf für Kühlung
Die gleichen Grundsätze wie für die Heizung gelten auch für die Kühlung. Wenn keine detaillierten stündlichen Daten verfügbar sind, kann der Kühlbedarf entweder anhand von Volllaststunden (FLH) oder einer Faustregel geschätzt werden.
Volllaststunden
Für das belgische Klima liegt der typische FLH-Wert für die Kühlung zwischen 500 und 1.000 Stunden. Sobald die Spitzenkühlleistung ermittelt wurde, kann der Energiebedarf wie folgt berechnet werden:
$1TP11Energie = Spitze \cdot FLH$$
Faustformel
Alternativ können Sie auch den Richtwert für den jährlichen Kühlbedarf pro Quadratmeter verwenden. Die folgende Tabelle enthält diese Werte.
| Typ | Dienstleistungssektor | Wohnbereich | Durchschnitt |
|---|---|---|---|
| Österreich | 83 kWh/m² | 38 kWh/m² | 49 kWh/m² |
| Belgien | 50 kWh/m² | 23 kWh/m² | 28 kWh/m² |
| Deutschland | 74 kWh/m² | 33 kWh/m² | 46 kWh/m² |
| Die Niederlande | 37 kWh/m² | 16 kWh/m² | 22 kWh/m² |
| Spanien | 130 kWh/m² | 59 kWh/m² | 69 kWh/m² |
(Die Daten stammen von der Wärmefahrplan Europa)
Abkühlungsgradtage
Genauso wie die Heizgradtage (HDD) zur Schätzung des Heizbedarfs verwendet werden können, können die Kühlgradtage (CDD) zur Schätzung des Kühlbedarfs verwendet werden. Die CDD werden auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Bilanzpunkttemperatur (in der Regel 18 °C) und der tatsächlichen Außentemperatur berechnet, wenn letztere höher ist.
Zwei empirische Formeln, die von der Europäischen Kommission entwickelt wurden (ENER/C1/2018-493, doi: 10.2833/158083) sind
Für die Raumkühlung im Wohnbereich:
$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$
Für die Raumkühlung im tertiären Sektor:
$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$
Energiebedarf für Warmwasser
Ein zunehmend wichtiger Parameter bei der Planung von Bohrlöchern ist der Bedarf an Warmwasser. In den meisten Wohngebäuden liegt der typische Wert bei etwa 1000 kWh pro Person und Jahr. In Gebäuden wie Hotels und Krankenhäusern kann dieser Wert jedoch deutlich höher liegen.
Stündliche Auflösung
1TP8Die Messung eines Bohrlochs mit einer stündlichen Auflösung liefert die genauesten Ergebnisse, da die Leistungsspitzen (und ihre Dauer) nicht mehr geschätzt werden müssen. Dies hat den Vorteil, dass komplexe Probleme wie die Kombination von aktiver und passiver Kühlung und die Gleichzeitigkeit (beides wird später in diesem Kurs behandelt) automatisch gelöst werden. Typischerweise werden die stündlichen Daten aus dynamischen Gebäudesimulationen (mit Software wie IESVE, DesignBuilder, VICUS Buildings, IDA ICE usw.) generiert oder können im Falle einer Renovierung auf Messdaten beruhen.
Erstellen von stündlichen Lastprofilen in GHEtool
Da stündliche Lastdaten einen erheblichen Mehrwert für die Auslegung von Bohrfeldern darstellen (dies wird später im Kurs deutlich), aber oft nicht verfügbar sind, wurde GHEtool mit einer Methode zur Erstellung eines stündlichen Lastprofils ausgestattet. In Anlehnung an die Gradtagsmethode kann diese Methode verwendet werden, um Ihre geschätzten Spitzenheiz- und -kühlleistungen sowie Ihren jährlichen Energiebedarf auf ein stündliches Profil auf der Grundlage der Außentemperaturen hochzurechnen. Die Methode umfasst drei aufeinanderfolgende Schritte.
- Ausgehend von einer Wetterdatei und einer anfänglichen Schwellentemperatur, bei deren Überschreitung die Heizung einsetzt, erhält man ein stündliches Profil. Die höheren Werte treten in den Stunden auf, in denen die Temperatur niedriger ist und somit die Differenz zwischen der Temperatur und dem Schwellenwert am größten ist. Zu diesen Zeitpunkten ist auch der höchste Spitzenbedarf zu erwarten. Die gleichen Überlegungen lassen sich auch auf den Kühlbedarf anwenden.
- Anschließend wird dieses stündliche Profil mit dem jährlichen Energiebedarf (der ein Input ist) skaliert, um eine stündliche Last zu erstellen, die den gleichen jährlichen Bedarf wie das Gebäude hat.
- Schließlich sollte die Spitzenleistung überprüft werden. Weicht die Spitzenleistung des Profils vom Spitzenbedarf des Gebäudes ab, wird die Temperaturschwelle so angepasst, dass die Heizung früher oder später einsetzt, und der zweite Schritt wird wiederholt.
Fazit
In diesem Kapitel haben wir den Gebäudebedarf erörtert und wie er in der Anfangsphase anhand von Heizgradtagen oder Faustregeln geschätzt werden kann. Es wurde zwischen einer monatlichen und einer stündlichen Last unterschieden und eine Methodik zur Erstellung einer stündlichen Last vorgestellt. Da es sich bisher bei allen Anforderungen um Gebäudeanforderungen handelte, ist eine Effizienz bei der Übersetzung in Bodenbelastungen erforderlich. Dies ist das Thema der nächstes Kapitel.
Fragen
Literaturverzeichnis
-
- https://www.duurzamekoeling.be/publicaties.html [letzter Zugriff am 22/01/2026]
- https://www.npro.energy/main/en/load-profiles [letzter Zugriff am 22/01/2026]