Wir haben stündliche Daten bereits implizit in einigen anderen Artikeln über hybrides Design und aktive und passive Kühlung verwendet, aber wir haben nie wirklich die Vorteile im Vergleich zu monatlichen Lastsimulationen diskutiert. In diesem Artikel erörtern wir die Erkenntnisse, die Sie bei der Arbeit mit stündlichen Lastdaten gewinnen können.
Was ist eine dynamische Simulation?
Für jede Art von geothermischer Simulation benötigen Sie ein Lastprofil entweder Ihres Gebäudes oder Ihres Bohrfelds. In unserem früheren Artikel über die Schätzung der Gebäudelast (den Sie hier finden können hier), haben wir gesagt, dass Sie entweder Schätzungen auf einer jährlichen oder monatlichen Zeitskala verwenden können, oder Sie können eine dynamische Simulation Ihres Gebäudes mit Tools wie Vabi, Linear, Energie Plus, IESVE, Vicus-Gebäude, IDA ICE ...
Da die Erstellung einer dynamischen Simulation für Ihr Gebäude die Erstellung eines vollständigen 3D-Modells des Gebäudes und die Festlegung von Annahmen für das Belegungsverhalten erfordert, ist sie recht zeitaufwändig und nicht unbedingt korrekter als eine einfache Faustregel (Mist rein = Mist raus), aber sie kann ein leistungsfähiges Instrument sein, um etwas über das Verhalten Ihres Gebäudes zu erfahren und Fragen wie diese zu beantworten:
- Besteht im Sommer die Gefahr einer Überhitzung?
- Wie hoch ist der Spitzenbedarf, den ich wirklich brauche?
- Wie würde sich ein automatischer Sonnenschutz auf den Bedarf meines Gebäudes auswirken?
Neben diesen architektonischen und haustechnischen Vorteilen liefern Ihnen diese dynamischen Simulationen auch das Bedarfsprofil des Gebäudes in einer CSV-Datei mit stündlicher Auflösung, die Sie in GHEtool verwenden können.
Vorteile der Verwendung stündlicher Daten
Wenn Sie eine Simulation mit monatlicher Auflösung durchführen, geben Sie sowohl den Spitzenbedarf als auch den monatlichen Bedarf separat ein. Um das Temperaturprofil zu simulieren, müssen Sie die Spitzendauer schätzen (siehe auch dieser Artikel). Diese Spitzendauer gibt an, wie lange die Wärmepumpe bei einem Dauerlauf mit maximaler Leistung arbeitet. Je länger diese Spitzendauer ist, desto stärker wird der Boden belastet. Wenn Sie stündliche Daten verwenden, ist diese Information bereits in den Daten selbst enthalten, was bedeutet, dass keine weiteren Schätzungen erforderlich sind: Sie können sich direkt auf die Bauphysik verlassen.
Wie bereits erwähnt, macht die Verwendung stündlicher Daten Ihre geothermische Simulation nicht unbedingt genauer (Sie können z. B. immer noch falsche Annahmen über die Gebäudebelegung treffen), aber sie wird dadurch aufschlussreicher. Dies soll im Folgenden anhand von zwei Fallstudien demonstriert werden.
Zwei Fallstudien
Um die Simulation eines Temperaturprofils unter Verwendung monatlicher und stündlicher Daten in GHEtool zu vergleichen, wurden zwei verschiedene Gebäude ausgewählt:
- Ein Mehrfamilienhaus mit einem gemeinsamen Bohrfeld. Dieses Gebäude weist aufgrund des höheren Heizungs- und Warmwasserbedarfs ein erhebliches Ungleichgewicht bei der Entnahme auf.
- Ein Auditoriumsgebäude, das einen hohen Spitzenkühlbedarf hat (da das System ausschließlich mit Luft kühlt), aber dennoch ein Gesamtungleichgewicht bei der Entnahme aufweist.
Beide Gebäude wurden dynamisch simuliert, so dass uns die stündlichen Bedarfsprofile vorliegen. Mit Hilfe einiger Nachbearbeitungen wurden diese stündlichen Daten in den jährlichen (Spitzen-)Bedarf für Heizung und Kühlung umgerechnet. Indem wir das Bohrlochfeld mit beiden Datensätzen auslegen, eliminieren wir alle anderen Unsicherheiten und können uns ausschließlich auf die Unterschiede bei der Auslegung konzentrieren, die sich aus der Verwendung der beiden Auflösungen ergeben.
Wohnbauprojekt
Als Referenz wurde zunächst die Simulation mit einer monatlichen Auflösung durchgeführt. Es wurde die monatliche Standardverteilung verwendet, wobei die maximale Leistung für Heizung und Kühlung auf 62 kW bzw. 77 kW und der jährliche Bedarf auf 120 MWh bzw. 19 MWh festgelegt wurde. Der Warmwasserbedarf lag bei 60 MWh/Jahr. Bei einer durchschnittlichen Spitzendauer von 8 Stunden ergab sich folgendes Profil mit einem 7×4 Bohrfeld und Bohrlöchern bis zu 150 m Tiefe.
Wie aus der Gebäudenachfrage selbst hervorgeht, besteht in diesem Bohrfeld ein erhebliches Ungleichgewicht bei der Entnahme von etwa 116 MWh/Jahr. Allerdings wird dieses Bohrloch eher durch den Kühlbedarf im ersten Jahr (Spitzentemperatur von 16,81 °C) begrenzt als durch den Spitzenheizbedarf im 25.
!Hinweis
Man könnte argumentieren, dass die Überschreitung der Höchsttemperatur für die Kühlung im ersten Jahr kein großes Problem darstellt, da der Boden trotzdem gekühlt wird und dieses Problem mit der Zeit verschwinden kann. Wenn man jedoch mit einem monatlichen Profil arbeitet, weiß man nicht, wie signifikant diese Überschreitung sein wird. Wird die Temperaturgrenze nur für eine Stunde oder für eine ganze Woche überschritten? Daher ist es bei der Verwendung monatlicher Daten besser, sich an das zu halten, was man weiß: ob ein bestimmter Grenzwert überschritten wird oder nicht, aber nicht für wie lange.
Wenn wir dieselbe Simulation mit den stündlichen Daten durchführen, sehen wir, dass dasselbe Bohrlochfeld tatsächlich ausreicht (unser Entwurf war also richtig), allerdings aus einem etwas anderen Grund. Hier liegt die minimale Spitzentemperatur beim Heizen bei 2,09 °C und beim Kühlen bei 16,37 °C. Während wir das Bohrlochfeld zuvor auf der Grundlage des Spitzenbedarfs für die Kühlung ausgelegt haben, ist nun klar, dass die Heizung der wirklich begrenzende Faktor ist.
Woher kommt dieser Unterschied? Die Dauer der Spitzenwerte.
Bei den stündlichen Daten zeigt sich, dass die Spitzenkühltemperatur nur für eine Stunde auftritt, wobei die zweithöchste Temperatur bereits unter 16 °C liegt. Die Annahme, dass die Spitzenleistung 8 Stunden lang anhält, war in diesem Fall eine Überschätzung. Beim Spitzenwärmebedarf verhält es sich umgekehrt: Da das Gebäude mit einer Fußbodenheizung beheizt wird, bleibt die Temperatur über einen viel längeren Zeitraum niedrig (wie in der Abbildung unten dargestellt). In diesem Fall war eine Spitzendauer von 8 Stunden für die Heizung tatsächlich eine Unterschätzung.
!Vorsicht
Man könnte meinen, dass man zur Überwindung dieses Unterschieds einfach die Spitzendauer für Heizung und Kühlung an den stündlichen Bedarf anpassen könnte. Dies würde zwar tatsächlich funktionieren, aber nur im Nachhinein, nachdem eine stündliche Simulation durchgeführt wurde. Die Spitzendauer, die das tatsächliche Verhalten des Gebäudes widerspiegelt, kann nur durch Simulation (oder Messung, wenn das Gebäude bereits existiert) ermittelt werden. Dieser Wert variiert von Gebäude zu Gebäude, und eine Feinabstimmung auf der Grundlage eines Projekts kann bei einem anderen zu erheblichen Abweichungen führen.
Auditorium
Für das Hörsaalgebäude wurde ebenfalls eine erste Simulation mit einer monatlichen Auflösung durchgeführt, mit einem Spitzenbedarf von 32 kW für Heizung und 90 kW für Kühlung und einem jährlichen Bedarf von 38 MWh bzw. 3,9 MWh. Wie in der nachstehenden Abbildung zu sehen ist, ist dieses Bohrloch durch den Spitzenkühlbedarf im ersten Jahr eindeutig begrenzt, und es sind 9×4 Bohrlöcher mit einer Tiefe von jeweils 150 m erforderlich, um den Bedarf des Gebäudes zu decken. Die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur erreicht 16,85 °C.
Wenn dieselbe Simulation mit einer stündlichen Auflösung durchgeführt wird, ergibt sich das unten stehende Profil. In diesem Fall sinkt die Höchsttemperatur auf 16,16 °C, was darauf hindeutet, dass die erforderliche Bohrlochgröße in der monatlichen Simulation überschätzt wurde. Da es sich bei dem Kühlsystem im Auditorium um ein reines Luftsystem handelt, ist die Spitzenleistung in der Regel sehr variabel.
Wenn wir die Größe des Bohrlochs deutlich auf 7×4 Bohrlöcher reduzieren (was die Investitionskosten um 22% senkt), erhalten wir ein Bohrloch, das eine durchschnittliche Spitzentemperatur der Flüssigkeit von 17,28 °C aufweist - etwas über dem zulässigen Grenzwert. Dank der stündlichen Auflösung der Daten können wir jedoch sehen (wie in der Abbildung unten dargestellt), dass diese Spitzentemperatur nur einmal während der gesamten Simulation auftritt, während die anderen Spitzentemperaturen deutlich unter 17 °C bleiben. Mit dieser stündlichen Auflösung können wir also die erforderliche Größe des Bohrlochs getrost reduzieren und eine unwirtschaftliche Überdimensionierung vermeiden.
Fazit
In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen der Planung eines Bohrlochs mit der traditionellen monatlichen Auflösung und der Planung eines Bohrlochs mit stündlichen Daten erörtert. Es liegt auf der Hand, dass die Verwendung stündlicher Daten einen weitaus besseren Einblick in das Verhalten des Gebäudes (und damit des Bohrlochs) bietet. Da es nicht notwendig ist, die Dauer der Spitzenwerte zu schätzen, lassen sich potenzielle Über- oder Unterdimensionierungen leichter erkennen. Auch wenn eine höhere Auflösung nicht unbedingt zu einer genaueren Planung führt, so ermöglicht sie doch eine Planung mit mehr Vertrauen und Einblick.
Literaturverzeichnis
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