Im Zuge des Klimawandels verlagert sich unser Gebäudebedarf immer mehr in Richtung Kühlung. Mit Bohrlöchern kann man passiv kühlen (auch freie Kühlung genannt), aber die Dimensionierung eines Bohrlochs auf diese Weise ist ziemlich teuer. Daher wird manchmal die Option der aktiven Kühlung vorgeschlagen, um die Investitionskosten zu senken. Dies erhöht jedoch den Stromverbrauch im Vergleich zur passiven Kühlung. In diesem Artikel wird untersucht, ob und wie es möglich ist, ein Bohrlochfeld für eine aktive Kühlung auszulegen und gleichzeitig die Nutzung der passiven Kühlung zu maximieren.
Die gestalterische Herausforderung
Geothermische Systeme sind im Rahmen der Energiewende von großem Interesse, da sie den Nutzern eine passive Kühlung bieten können. Das bedeutet, dass keine Wärmepumpe zur Kühlung des Gebäudes erforderlich ist, da wir die im Boden gespeicherte Kälte direkt nutzen (daher der alternative Begriff ‘freie Kühlung’). Um diese Kälte direkt nutzen zu können, muss sichergestellt werden, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur eine bestimmte Grenze nicht überschreitet, die in der Regel zwischen 16 und 18 °C liegt. Bei der Dimensionierung von Bohrlöchern für die passive Kühlung müssen daher sehr strenge Temperaturgrenzwerte eingehalten werden, was die erforderliche Bohrlochgröße für Gebäude mit einem hohen Kühlbedarf erhöht.
Die andere traditionelle Option besteht darin, auf die passive Kühlung zu verzichten und stattdessen das Bohrlochfeld so zu dimensionieren, dass es mit aktiver Kühlung betrieben werden kann, wobei eine Wärmepumpe zur Kühlung des Gebäudes eingesetzt wird. Dadurch wird zwar mehr Strom verbraucht, aber die Einschränkung, dass der Temperaturbereich von 16-18°C für die passive Kühlung eingehalten werden muss, entfällt. Die aktive Kühlung führt also zu einem kleineren Bohrloch, aber zu höheren Betriebskosten.
Um diesen Unterschied zu verdeutlichen, wollen wir ein typisches Beispiel betrachten.
Beispielgebäude: Auditorium
Ein Auditorium im belgischen Klima hat in der Regel einen höheren jährlichen Heizbedarf als Kühlbedarf, weist aber oft eine höhere Kühlspitze als Heizspitze auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Heizung oft über ein langsam emittierendes System wie eine Fußbodenheizung erfolgt, während die Kühlung über ein reines Luftsystem bereitgestellt wird. Unten sehen Sie die Last-Dauer-Kurve dieses Gebäudes.
Wie gezeigt, hat das Auditorium eine Heizspitze von 32 kW und eine Kühlspitze von 90 kW. Der Energiebedarf für Heizung und Kühlung beträgt jedoch 38,3 MWh/Jahr bzw. 3,86 MWh/Jahr. Lassen Sie uns nun dieses Bohrlochfeld sowohl für passive als auch für aktive Kühlung dimensionieren.
Für passive Kühlung ausgelegt
Wenn wir unser Bohrloch für eine passive Kühlung auslegen, müssen wir sicherstellen, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur unter 17 °C bleibt, da unser Emissionssystem sonst den Kühlbedarf nicht decken kann. Daraus ergibt sich eine erforderliche Gesamtbohrlochlänge von 2310 m und ein Stromverbrauch von 193 kWh/Jahr (bei einem SEER von 20). Nachfolgend ist das stündliche Temperaturprofil dargestellt.
!Hinweis
Obwohl die passive Kühlung oft als ‘kostenlos’ bezeichnet wird, läuft immer eine Umwälzpumpe für das Bohrfeld. Daher ist unsere Kühleffizienz (SEER) endlich, typischerweise etwa 20-25.
!Hinweis
Wenn Sie nicht wissen, wie man solche Temperaturprofile interpretiert, können Sie unseren Artikel zu diesem Thema lesen hier.
Für aktive Kühlung ausgelegt
Durch die Aufhebung der passiven Kühlungsbeschränkung können wir unsere maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur auf z.B. 25°C erhöhen. Dadurch verringert sich die Größe des Bohrlochs erheblich auf 990 m Gesamtlänge, bei einem jährlichen Stromverbrauch von 772 kWh/Jahr (unter der Annahme eines SEER von 5 bei aktiver Kühlung).
!Vorsicht
Obwohl es keine technische Beschränkung für die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur gibt, ist es ratsam, diese unter Kontrolle zu halten, um Umweltschäden zu vermeiden. Bitte informieren Sie sich über die örtliche Gesetzgebung bezüglich eventueller Einschränkungen der Flüssigkeitstemperaturen.
Wie gezeigt, besteht ein erheblicher Unterschied in der erforderlichen Gesamtlänge des Bohrlochs (2310 m für passive Kühlung gegenüber nur 990 m für aktive Kühlung) und im Stromverbrauch (193 kWh/Jahr gegenüber 772 kWh/Jahr). Dies wirft die Frage auf: Ist es möglich, die Auslegung für aktive Kühlung beizubehalten und gleichzeitig die Effizienz der passiven Kühlung zu erreichen? Können wir das Beste aus beiden Welten kombinieren?
Design-Methodik
Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem anzugehen: entweder wird in bestimmten Monaten standardmäßig auf aktive Kühlung umgestellt oder es wird auf aktive Kühlung umgeschaltet, wenn eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten wird, unabhängig von der Jahreszeit. Beide Methoden sind in GHEtool Cloud implementiert und werden im Folgenden erörtert.
Feste Monate
Eine Möglichkeit, aktive und passive Kühlung zu kombinieren, besteht darin, die aktive Kühlung ausschließlich während bestimmter Monate zu nutzen. Dieser Ansatz ähnelt einem zentralen Umschaltsystem, bei dem je nach Kühlbedarf auf Emissionssysteme zurückgegriffen werden muss, die ein niedrigeres Flüssigkeitsregime erfordern, das das Bohrfeld nicht bieten kann. Bei dieser Methode wird der Wirkungsgrad sowohl für die aktive als auch für die passive Kühlung festgelegt und die Monate bestimmt, in denen die aktive Kühlung genutzt wird. Auf der Grundlage dieser Informationen berechnet der Algorithmus die sich ergebende Bodenbelastung, erstellt das entsprechende Temperaturprofil und liefert einen durchschnittlichen SEER.
Wendet man diese Methode auf den Fall des Hörsaals an und verwendet die gleichen SEER-Werte wie zuvor für die aktive und passive Kühlung und die aktive Kühlung von Juni bis September, erhält man einen durchschnittlichen SEER-Wert von 5,24 und einen jährlichen Stromverbrauch von 737 kWh/Jahr (was nahezu identisch mit dem Fall der aktiven Kühlung von 100% ist).
Dieses Ergebnis wird verständlich, wenn man die obigen Diagramme analysiert. Da im Sommer standardmäßig auf aktive Kühlung umgestellt wird, wird fast der gesamte Kühlbedarf aktiv gedeckt und nur ein vernachlässigbarer Teil passiv, mit Ausnahme einer passiven Kühlspitze Ende Mai. In diesem Fall müssen wir 32 kW für passive Kühlung und 90 kW für aktive Kühlung installieren.
Temperaturschwelle
Ein anderer Ansatz für die Kombination von aktiver und passiver Kühlung basiert auf dem Prinzip “Passiv, wenn möglich, aktiv, wenn nötig” und zielt darauf ab, die passive Kühlung zu maximieren. Bei dieser Methode wird ein Temperaturschwellenwert festgelegt: Bleibt die Flüssigkeitstemperatur unter diesem Schwellenwert, wird passiv gekühlt; überschreitet sie den Schwellenwert, wird aktiv gekühlt.
Diese Methode funktioniert wie folgt:
- Einstellen der Effizienz bei aktiver und passiver Kühlung
- Legen Sie die Temperaturschwelle fest, ab der eine aktive Kühlung erfolgt.
- Berechnen Sie die resultierende Bodenbelastung unter der Annahme, dass nur passiv gekühlt wird.
- Berechnen Sie das Temperaturprofil
- Prüfen, ob die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur über dem passiven Schwellenwert liegt
- Wenn ja, dann wird die resultierende Bodenbelastung neu berechnet, wobei jede Stunde, in der die Temperatur über dem Schwellenwert liegt, als aktive Kühlung gilt.
- Wenn nein, dann weiter mit (7)
- Neuberechnung des Temperaturprofils/der Größe des Bohrlochs
- Durchschnittlicher Ertrag SEER
Mit dieser Methode erreichen wir ein geothermisches System mit einem durchschnittlichen SEER von 13,06 und einem jährlichen Stromverbrauch von 296 kWh, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem vorherigen Fall darstellt.
!Hinweis
Bei Verwendung der Temperaturschwellenmethode wird der durchschnittliche SEER über den gesamten Simulationszeitraum berechnet. Die Energie in MWh im Diagramm für den Anteil der passiven Kühlung stellt auch die durchschnittliche jährliche Energie für passive Kühlung dar. Dies liegt daran, dass sich die Bodenbedingungen aufgrund des thermischen Ungleichgewichts im Laufe der Zeit ändern können, wodurch der Anteil der passiven Kühlung jährlich steigen oder sinken kann.
Der Hauptgrund für diese Verbesserung ist in der obigen Abbildung zu sehen, in der die passive Kühlung im Sommer immer noch erheblich ist. Dies hängt stark vom Profil des Kühlbedarfs ab. Bei Bohrfeldern, die im dritten oder vierten Quadranten thermisch begrenzt sind, macht eine aktive Kühlung möglicherweise keinen Unterschied.
!Hinweis
Wenn Sie unseren Artikel über Bohrlochquadranten noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier.
Die Analyse des Kühlbedarfsprofils über den gesamten Simulationszeitraum zeigt, dass die passive Kühlung von Jahr zu Jahr zunimmt. Dies ist auf das negative thermische Ungleichgewicht des Auditoriums zurückzuführen (es sei daran erinnert, dass sein Heizbedarf fast zehnmal höher ist als sein Kühlbedarf). Infolgedessen kühlt sich der Boden im Laufe des Simulationszeitraums ab, wodurch der Anteil der passiven Kühlung jährlich zunimmt und folglich das durchschnittliche SEER im Laufe der Zeit steigt.
Fazit
Aktive und passive Kühlung haben jeweils ihre Vor- und Nachteile. Aktive Kühlung führt zu deutlich niedrigeren Investitionskosten, aber höherem Stromverbrauch, während passive Kühlung den gegenteiligen Effekt hat. Dieser Artikel hat gezeigt, dass Sie einen durchschnittlichen Wert von SEER von 13 erreichen können, wenn Sie Ihr Bohrloch für aktive Kühlung auslegen, aber sicherstellen, dass die passive Kühlung so oft wie möglich genutzt wird! Die Integration von aktiver und passiver Kühlung birgt ein beträchtliches Potenzial. Im nächsten Artikel werden wir Ihnen zeigen, wie Sie dies anhand von GHEtool Cloud berechnen können. Bleiben Sie dran!
Literaturverzeichnis
- Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
- Weitere Informationen über aktive und passive Kühlung finden Sie in (Coninx et al., 2024).