In dieser Übung werden wir untersuchen, wie Sie ein Bohrloch für ein Einfamilienhaus auslegen können. Ziel ist es, den Unterschied zwischen der Auslegung für den Heiz- oder Kühlbedarf zu erkennen und den Unterschied in der erforderlichen Bohrlochlänge bei aktiver oder passiver Kühlung zu sehen. Außerdem werden wir den Unterschied zwischen der Auslegung für eine modulierende oder eine an/aus-Wärmepumpe und die Bedeutung der Durchflussmenge hervorheben.
Die Übung
Der Fall für diese Übung basiert auf einem realen Einfamilienhaus in der Stadt Antwerpen (Belgien). Um ein geeignetes Sondenfeld für dieses Gebäude zu entwerfen, müssen Sie auf das Wissen aus einer Reihe von früheren Artikeln zurückgreifen (auf die wir bei Bedarf verweisen). In dieser Übung werden Sie die verschiedenen Fragen untersuchen, die sich bei der Planung eines Bohrlochs für ein kleineres Projekt stellen. Üblicherweise wurden Erdwärmesondenfelder für den Heizbedarf des Gebäudes ausgelegt, während die Kühlung als ‘nice to have’ angesehen wurde. Heutzutage, mit der steigenden Nachfrage nach Sommerkomfort, wird dies jedoch immer wichtiger. In dieser Übung machen Sie sich mit diesen Planungsfragen für ein Einfamilienhaus vertraut.
!Hinweis
Um den größtmöglichen Nutzen aus dieser Übung zu ziehen, empfehlen wir dringend, die unten stehenden Fragen zur Konstruktion zu beantworten, bevor Sie die Lösung lesen. Die Konstruktion von Bohrfeldern ist alles andere als einfach, und der beste Weg, ihre Komplexität zu beherrschen, ist die praktische Erfahrung.
Eingabeparameter
Allgemeine Eingabeparameter
- Mindestschwelle für die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 2°C
- Maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 17°C (passive Kühlung) | 25°C (aktive Kühlung)
!Hinweis
Diese Temperaturen wurden gewählt, um sicherzustellen, dass die Kühlung im passiven oder freien Modus arbeiten kann (daher die Obergrenze von 17 °C). Der untere Grenzwert von 2°C wurde festgelegt, um negative Temperaturen innerhalb des Bohrlochs zu vermeiden. Eine durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 2°C entspricht typischerweise einer Vorlauftemperatur von 0°C und einer Rücklauftemperatur von 4°C, wobei eine Temperaturdifferenz ($\Delta T$) von 4°C angenommen wird.
- Simulationszeitraum: 40 Jahre
- Erster Monat der Simulation: Januar
Bodeneingangsparameter
- 1,9 W/(mK) von 50 - 200 m
- Volumetrische Wärmekapazität: 2,4 MJ/(m³K)
- Standort: ‘Bel-Antwerpen’
Borefield Eingabeparameter
Alle Bohrfelder in dieser Übung liegen auf einer Linie, mit einem gleichen Bohrlochabstand in Länge und Breite von 6 m. Die Verlegetiefe beträgt 1 m und die Ausgangskonfiguration ist 1 x 3 Bohrlöcher mit einer Bohrlochtiefe von 90 m.
Eingabeparameter für den Bohrlochwiderstand
Die Parameter für das Rohr sind:
- Doppeltes DN32 PN16-Rohr (d.h. mit einer Wandstärke von 3mm und einem Außendurchmesser von 32mm)
- Bohrlochdurchmesser: 140 mm
- Abstand vom Rohr zur Bohrlochmitte: 35 mm
- Mörtel: 1,8 W/(mK)
Die Flüssigkeit ist 25 v/v% MPG mit einer Durchflussrate von 0,7 l/s für das gesamte Bohrfeld.
!Hinweis
In einem späteren Artikel werden wir ausführlich darauf eingehen, wie Sie die Durchflussmenge in Ihrem System berechnen können. Eine Möglichkeit besteht darin, in den technischen Unterlagen Ihrer Wärmepumpe nachzusehen, wie hoch der Nenndurchfluss ist.
Eingabeparameter für die thermische Belastung
- Spitzenwärmebedarf des Gebäudes: 9,2 kW
- Modulierende Wärmepumpe mit 12 kW
- Jährlicher Wärmebedarf: 12 MWh
- Kühlbedarf des Gebäudes: 8,7 kW
- Jährlicher Kühlbedarf: 6,1 MWh
- Jährlicher Bedarf an Warmwasser im Haushalt: 2,1 MWh
- SCOP: 4.87 (Heizung)
- SCOP: 3.13 (DHW)
- SEER: 20 (passive Kühlung)
- SEER: 6 (aktive Kühlung)
Design-Fragen
Für diese Übung werden Sie gebeten, die folgenden Konstruktionsfragen zu beantworten und dabei die Gesamtlänge des Bohrlochs für jeden Schritt zu verfolgen. Dies wird Ihnen helfen, die Auswirkungen verschiedener Konstruktionsänderungen auf die Kosten und die Leistung zu beurteilen.
!Hinweis
Um Ihre Arbeit übersichtlich zu halten, empfiehlt es sich, für jede Gestaltungsfrage ein eigenes Szenario zu verwenden.
- Kann der Wärme- und Kältebedarf bei der ursprünglichen Auslegung des Bohrfeldes mit 1 × 3 Bohrungen à 90 m gedeckt werden?
- Wie groß ist die erforderliche Gesamtlänge des Bohrlochs, wenn wir das Bohrfeld so auslegen, dass der Kühlbedarf durch passive Kühlung gedeckt werden kann?
- Wie können wir die Gesamtlänge des Bohrlochs reduzieren?
- Wie verändert sich die Konstruktion, wenn statt passiver Kühlung aktive geothermische Kühlung eingesetzt wird?
- Wenn wir eine Ein/Aus-Wärmepumpe anstelle einer modulierenden Wärmepumpe verwenden, würde das unsere Planung ändern?
Lösung
Nachfolgend finden Sie die Antworten auf die oben genannten Gestaltungsfragen. Es ist wichtig zu betonen, dass es keine einzig richtige Antwort gibt. Der Wert dieser Übung liegt darin, die Gründe für jede Entscheidung zu verstehen, anstatt jeder Annahme strikt zuzustimmen.
Jedes geothermische Projekt ist einzigartig, und die Entscheidungen, die Sie in Bezug auf Parameter, Konfigurationen und Grenzwerte treffen, hängen in hohem Maße von projektspezifischen Einschränkungen, Planungsprioritäten und praktischen Überlegungen ab. Nutzen Sie diese Antworten als Leitfaden, aber zögern Sie nicht, die Annahmen in Frage zu stellen und Alternativen zu prüfen.
Frage 1
Mit einer Gesamtbohrlochlänge von 267 m handelt es sich bei diesem ersten Entwurf um einen traditionellen Entwurf für flache geothermische Bohrfelder für ein Wohngebäude. Es basiert auf dem Heizbedarf und wird immer über dem Mindestwert von 2°C bleiben (das tatsächliche Minimum scheint bei 2,22°C zu liegen).
!Hinweis
Man könnte erwarten, dass 3 Bohrungen von 90 m eine Gesamtlänge von 270 m ergeben würden und nicht 267 m. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen Bohrlochlänge und Bohrlochtiefe. Da es eine Verschüttungstiefe von 1 m gibt, beträgt die aktive Bohrlochlänge tatsächlich 89 m statt 90 m, was die Differenz erklärt.
Anhand der Eingabeparameter, die wir hatten, sehen wir, dass das Bohrloch sowohl während der Erwärmung als auch während der Abkühlung eine laminare Strömung aufweist, so dass der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs mehr oder weniger gleich ist (weitere Informationen hierzu finden Sie unter hier). Mit diesem Entwurf können wir den geforderten sommerlichen Komfort nicht gewährleisten, da die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 20,42 °C unseren Grenzwert von 17 °C für die passive Kühlung deutlich überschreitet.
!Hinweis
Heutzutage werden mehr und mehr Bohrlöcher mit einer Mindesttemperatur von 0°C ausgelegt. Ein solches System mag zwar angemessen funktionieren, berücksichtigt aber nicht die thermischen Interferenzen zwischen verschiedenen Bohrlöchern. Außerdem wäre bei weniger Bohrlochmetern die Spitzentemperatur während der Abkühlung noch höher (weitere Informationen hier). Für eine robuste, sichere und hocheffiziente Konstruktion empfehlen wir daher, mit einer Mindesttemperatur von 2 °C zu planen.
Frage 2
Um die erforderliche Größe des Bohrlochs zu ermitteln, das auch unser Gebäude kühlen kann, kann man in GHEtool für dieselben 3 Bohrlöcher das Ziel ‘Berechnung der erforderlichen Tiefe’ verwenden. Wenn wir dies tun, werden wir auf einen Gradientenfehler stoßen (weitere Informationen dazu finden Sie in unserem separater Artikel). Da 90 m nicht ausreichen, um den Kühlbedarf zu decken, sind tiefere Bohrungen erforderlich. Da dadurch aber auch die Bodentemperatur ansteigt, kann es sein, dass es mit nur 3 Bohrungen keine praktikable Lösung gibt.
Wenn wir 4 statt 3 Bohrlöcher verwenden, kann die erforderliche Bohrlochtiefe berechnet werden und liegt bei knapp 150 m. Jetzt bleibt die Flüssigkeitstemperatur unter der Höchstgrenze von 17°C, aber wir benötigen eine Gesamtbohrlochlänge von 590 m statt der 267 m von vorher.
Es gibt zwei Hauptgründe, warum der Unterschied zwischen unserem ersten Entwurf und diesem passiven Entwurf so signifikant ist. Erstens ist die Bodentemperatur, da wir nun tiefer bohren, um etwa 1 °C höher, was die passive Kühlung erschwert (und eine noch größere Bohrlochlänge erfordert). Zweitens hat sich der effektive Bohrlochwiderstand von 0,1308 mK/W auf 0,1630 mK/W erhöht, da die Durchflussmenge nun auf vier statt drei Bohrlöcher aufgeteilt wird, was den Energieaustausch des Bohrfelds mit dem Boden erschwert.
!Vorsicht
Wenn man mit einer Durchflussmenge pro Bohrung arbeitet, würde ein Wechsel von drei zu vier Bohrungen eine Erhöhung der Gesamtdurchflussmenge durch das System um 33% bedeuten. Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall, da die Durchflussmenge durch den Bedarf des Gebäudes bestimmt wird. Daher ist es bei einer Änderung der Anzahl der Bohrungen (und generell) besser, mit einer Durchflussmenge für das gesamte Bohrlochfeld zu arbeiten. In einem späteren Artikel werden wir die Berechnung der Durchflussmenge genauer behandeln.
Frage 3
Eine Möglichkeit, die Gesamtlänge des Bohrlochs zu verringern, besteht darin, die Durchflussmenge anzupassen. Da die Gesamtdurchflussmenge jedoch festgelegt ist, besteht die einzige Möglichkeit darin, die Bohrungen paarweise in Reihe zu schalten. In dieser Konfiguration wird der Gesamtdurchfluss durch zwei statt durch vier geteilt, wie es der Fall ist, wenn alle Bohrlöcher parallel geschaltet sind (siehe dieser Artikel für weitere Informationen).
In diesem Fall beträgt die Reynoldszahl während der Abkühlung (d. h. der Injektion) nun 3016, was zu einem deutlich besseren effektiven thermischen Bohrlochwiderstand von 0,0846 mK/W führt und die erforderliche Bohrlochtiefe auf knapp 90 m reduziert. Damit beträgt die Gesamtlänge des Bohrlochs 354 m, also mehr als in unserem ersten Szenario, aber deutlich weniger als im vorherigen.
Frage 4
Eine andere Möglichkeit zur Bewältigung des hohen Kühlbedarfs ist die aktive Kühlung. In diesem Fall ähnelt unsere Auslegung sehr stark dem ersten Szenario, da beide Bohrfelder effektiv für den Wärmebedarf ausgelegt sind (da die Temperaturgrenze von 25 °C nicht erreicht wird).
!Hinweis
Wie wir bereits mehrfach erörtert haben (siehe z. B. dieser Artikel), ist es auch möglich, aktive und passive Kühlung zu kombinieren. Bei Wohnbauprojekten wird dies jedoch wegen der höheren Investitionskosten in der Regel nicht gemacht.!Hinweis
Die Umstellung von aktiver auf passive Kühlung ist nicht ganz einfach, da sie unterschiedliche Emissionssysteme erfordern kann. So ist es beispielsweise nicht ratsam, Wasser mit einer Temperatur von 12°C durch ein Bodenkühlsystem zirkulieren zu lassen. Bitte besprechen Sie die Möglichkeiten Ihres Emissionssystems mit Ihrem Installateur und gehen Sie davon aus.
Frage 5
Bislang haben wir mit einer modulierenden Wärmepumpe von 12 kW gearbeitet, was den Vorteil hatte, dass wir für einen Spitzenwärmebedarf von 9,2 kW auslegen konnten - was dem tatsächlichen Bedarf des Gebäudes entspricht. Wenn Sie jedoch eine on/off-Wärmepumpe mit 12 kW verwenden, kann die Wärmepumpe nur 12 kW liefern, so dass Ihr geothermisches Bohrfeld für diese volle Leistung ausgelegt werden muss.
Wenn wir unsere ursprüngliche Auslegung nehmen und die maximale Leistung auf 12 kW einstellen, sehen wir, dass die Temperatur während des Heizens nun auf 0,29 °C sinkt - weit unter unseren 2 °C-Grenzwert. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, zu wissen, welche Art von Wärmepumpe installiert wird, und, falls es sich um eine modulierende Wärmepumpe handelt, sicherzustellen, dass der Installateur die Nennleistung so begrenzt, dass sie dem tatsächlichen Bedarf des Gebäudes entspricht.
Generell gilt, dass eine Überdimensionierung der Erdwärmepumpe zu einem überdimensionierten Bohrfeld führt - und damit zu deutlich höheren Investitionskosten.
Fazit
In dieser Übung wurden die verschiedenen Auslegungsfragen diskutiert, die sich bei der Auslegung eines Sondenfeldes für ein Einfamilienhaus ergeben. Während früher die Sondenfelder nur für den Heizbedarf ausgelegt wurden, kann die Berücksichtigung des ständig steigenden Kühlbedarfs zu deutlich mehr Sondenmetern (und damit zu höheren Investitionskosten) führen. Wenn die Kunden jedoch ein hohes Maß an Sommerkomfort erwarten, könnte dies der bevorzugte Ansatz sein. Bei geringeren Budgets kann man sich auch für eine aktive geothermische Kühlung entscheiden - vorausgesetzt, das Emissionssystem lässt dies zu.
Literaturverzeichnis
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