Hybride Systeme, und insbesondere hybride geothermische Systeme, sind eine bewährte und effiziente Methode, um Gebäude nachhaltig zu heizen und zu kühlen. Durch die Kombination eines intelligenten Bohrfelddesigns mit anderen Technologien (wie einer Luft-Wasser-Wärmepumpe oder Solarkollektoren) können Sie eine optimale Leistung für Ihr gesamtes HLK-System erzielen. In diesem Artikel werden wir die Konzepte der Hybridsysteme und des geothermischen Potenzials weiter ausbauen und im Detail untersuchen, wie Sie GHEtool Cloud für Ihr nächstes geothermisches Projekt nutzen können.
!Hinweis
Dieser Artikel baut auf den Themen auf, die in Teil 1 und Teil 2 dieser Serie vorgestellt wurden, wo verschiedene wichtige Konzepte erörtert wurden. Wenn Sie diese Artikel noch nicht gelesen haben, können Sie sie hier finden: Artikel 1 und Artikel 2.
Die Fallstudie: ein Mehrzweckgebäude
Geothermische Hybridsysteme sind besonders vorteilhaft für große Gebäude (oder Gebäudekomplexe) mit hohem Heiz- oder Kühlbedarf. Die in diesem Artikel behandelte Fallstudie basiert auf einem realen Projekt mit einem Heizbedarf von 536 kW und einem Kühlbedarf von 676 kW, was einem jährlichen Energiebedarf von 643 MWh bzw. 267 MWh entspricht. Wenn wir für dieses Gebäude eine geothermische Lösung 100% verwenden würden, bräuchten wir ein Bohrfeld mit 130 Bohrungen; aus Platzgründen sind jedoch nur 90 Bohrungen möglich. Folglich ist ein Hybridsystem erforderlich.
Wenn Sie das Hybridsystem selbst entwerfen möchten, finden Sie nachstehend die Entwurfsparameter. Alle nicht ausdrücklich genannten Werte werden als Standardwerte in GHEtool Cloud angenommen:
- Stündliche Gebäudelast (Download hier)
!Vorsicht
Diese Methode erfordert ein stündliches Lastprofil für den Bedarf Ihres Gebäudes. Zurzeit ist es noch nicht möglich, die gleiche Analyse mit monatlichen Lastprofilen durchzuführen.
- Allgemeines:
- Simulationszeitraum: 40 Jahre
- Boden:
- Wärmeleitfähigkeit: 1,9 W/(mK)
- Standort: ‘BEL-Antwerpen’.’
- Borefield:
- Abstände: 6 m (in Länge und Breite)
- Vergrabene Tiefe: 0,7 m
- Bohrlochtiefe (in Bezug auf die vergrabene Tiefe): 150 m
- Thermischer Bedarf:
- SCOP: 5 / SEER: 20 (passive/freie Kühlung)
!Vorsicht
Dieser Artikel verwendet die Funktion ‘Lastprofil optimieren’, die nur für Nutzer mit einer Optimierungslizenz verfügbar ist. Wenn Sie diese Methode verwenden möchten, können Sie entweder ein bestimmtes Projekt auf dieses Bundle aktualisieren oder Ihre gesamte Lizenz im Admin-Dashboard Ihres Kontos aktualisieren. Weitere Informationen finden Sie in unserer Preisseite.
Design Ihr Hybridsystem
1TP5Die Entwicklung eines geothermischen Hybridsystems ist immer ein iterativer Prozess. Sie müssen Ihre Planung kontinuierlich anpassen, bis Sie ein optimales System für Ihre Situation erreichen, sei es aufgrund wirtschaftlicher Parameter oder der Notwendigkeit einer Backup-Anlage. Für dieses Projekt wurden die folgenden Szenarien mit GHEtool Cloud berechnet und werden im Folgenden kurz erläutert.
Leistung optimieren - 10×9 Bohrfeld
Zunächst wurden alle Informationen in GHEtool Cloud eingegeben, um das Hybridsystem auf maximale Leistung auszulegen. Dieser Ansatz wird empfohlen, weil:
- Dies ist die schnellste Methode.
- Sie liefert eine erste Schätzung des geothermischen Energiepotenzials, ohne die installierte Gesamtleistung zu überbewerten.
Das daraus resultierende System erreichte einen geothermischen Energieanteil von 78% sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbedarf, mit einer installierten Leistung von 178 kW und 247 kW, was 46% der gesamten Heizleistung und 26% des Kühlspitzenbedarfs entspricht.
Leistung optimieren - 9×9 Bohrfeld
Der nächste Schritt besteht in der Regel darin, das Bohrfeld zu verkleinern (um Investitionskosten zu sparen) und die Auswirkungen auf den geothermischen Anteil zu bewerten. Bei diesem Projekt haben wir die Größe um 9 Bohrungen reduziert, um ein Bohrfeld mit den Abmessungen 9×9 zu schaffen. Auch hier führte die Leistungsoptimierung zu einem Hybridsystem mit einem Geothermieanteil von 74% und 73% bei 160 kW bzw. 224 kW installierter Leistung. Der daraus resultierende Anteil ist nur geringfügig niedriger als in unserem vorherigen Szenario (wir verlieren nur etwa 4%), während sich die Größe des Bohrfelds um 10% verringert hat! Aus wirtschaftlicher Sicht stellt dies einen interessanten Kompromiss dar.
Leistung optimieren - 9×8 Bohrfeld
Wenn wir unser Bohrfeld noch weiter verkleinern, beobachten wir einen weiteren Rückgang des Anteils der geothermischen Energie - 68% und 70% für Heizung bzw. Kühlung. Obwohl wir jetzt nur 9 Bohrungen entfernt haben (im Vergleich zu 10 im vorherigen Szenario), sinkt unser Anteil an geothermischer Energie für dieses Projekt erheblich. Dies lässt sich durch die unten dargestellte Last-Dauer-Kurve erklären.
Wie Sie sehen können, hat unsere installierte Heizleistung von 202 kW bereits eine beträchtliche Anzahl von Volllaststunden. Daher wirkt sich eine Verkleinerung des Bohrfelds (die zu einer Verringerung der geothermischen Heizleistung führt) unmittelbar auf den Anteil der geothermischen Energie aus.
Fazit Leistung optimieren
Für dieses Projekt - obwohl dies stark von Ihrem spezifischen Fall abhängt - scheint das Hybridsystem mit einem Bohrfeld von 9×9 für unsere Situation ideal zu sein, da es ein gutes Gleichgewicht zwischen Bohrfeldgröße und geothermischem Energieanteil bietet. Wie Sie jedoch aus dem resultierenden Temperaturprofil für dieses Szenario ersehen können, gibt es noch ein beträchtliches ungenutztes Energiepotenzial sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen. Wir können dieses Potenzial in unseren zukünftigen Szenarien weiter ausschöpfen.
Energie optimieren - 9×9 Bohrfeld
Nachdem Sie verschiedene Hybridsysteme mit der Option ‘Lastprofil optimieren - Leistung’ untersucht haben, können Sie Ihr Profil weiter verfeinern, indem Sie es für die Energie optimieren. Dabei installiert der Algorithmus (wie in unserem früheren Artikel hier erläutert) zusätzliche Heiz- und Kühlkapazitäten, um den Geothermieanteil über den gesamten Simulationszeitraum zu maximieren. Das Ergebnis ist ein geothermischer Energieanteil von 84% und 92% für Heizung bzw. Kühlung mit einer installierten Leistung von 509 kW und 342 kW.
Wie Sie aus dem Temperaturprofil unten ersehen können, wird mit dieser zusätzlich installierten Leistung das verbleibende geothermische Energiepotenzial voll ausgeschöpft und sichergestellt, dass das Bohrfeld in jedem Jahr seiner Betriebszeit seine Temperaturgrenzen erreicht. Allerdings ist bei diesem Hybridsystem die installierte Gesamtleistung deutlich überdimensioniert, da wir nun 790 kW für die Heizung (statt der erforderlichen 536 kW) und 845 kW für die Kühlung (statt der erforderlichen 676 kW) installiert haben. Es wird daher als gute Praxis erachtet, zu untersuchen, ob eine Begrenzung der installierten geothermischen Leistung einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems hätte.
Energie optimieren - 9×9 Bohrfeld (350 kW)
Wenn wir die installierte geothermische Leistung für die Heizung auf 350 kW reduzieren (unter der Annahme einer passiven Kühlung für das Kühlsystem, bei der eine Überdimensionierung des passiven Wärmetauschers kein großes Problem darstellt), zeigt unser Temperaturprofil unten, dass in den ersten vier Betriebsjahren immer noch ein gewisses geothermisches Energiepotenzial vorhanden ist. Dies ist auch aus dem Diagramm des geothermischen Beitrags ersichtlich.
Wie die folgende Abbildung zeigt, bleibt die vom Bohrloch bereitgestellte geothermische Heizleistung in den ersten vier Jahren des Simulationszeitraums konstant, danach sinkt sie aufgrund des Systemungleichgewichts. Wie immer nimmt die Leistung schneller ab als die Grundlast, da die höchsten Lastspitzen nur einen kleinen Prozentsatz des gesamten Energiebedarfs ausmachen, wie aus den Lastdauer-Kurven deutlich ersichtlich ist.
Betrachtet man schließlich den Anteil der Erdwärme über den gesamten Simulationszeitraum, so ergibt sich fast derselbe Anteil an geothermischer Energie wie zuvor (d.h. 83,4% statt 83,6% beim Heizen und 92,2% statt 92,3% beim Kühlen), allerdings mit 150 kW weniger installierter geothermischer Leistung beim Heizen. Daher wird dieses System immer kostengünstiger zu installieren sein, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Energie optimieren - 9×9 Bohrfeld (250 kW)
Als letzten Schritt im Optimierungsprozess haben wir untersucht, ob eine weitere Reduzierung der installierten Leistung der Erdwärmepumpe auf 250 kW von Vorteil wäre. Ein Blick auf das Temperaturprofil unten zeigt, dass das verbleibende Energiepotenzial nun relativ hoch ist. Dies ist insofern zu erwarten, als der Algorithmus ursprünglich 509 kW vorschlug, um den maximalen Energieanteil zu erreichen, während wir jetzt mit nur 250 kW arbeiten.
Betrachtet man das Diagramm für den geothermischen Beitrag, so fällt etwas sehr Interessantes auf. Es scheint, dass die installierte Leistung von 250 kW während des gesamten Simulationszeitraums konstant geliefert werden kann, genau wie bei der oben erwähnten Optimierung für die Leistung. Bei der Leistungsoptimierung konnten wir jedoch nur 224 kW erreichen, während wir jetzt 250 kW haben. Dieser Unterschied ist auf das geringere Ungleichgewicht zurückzuführen, da wir durch den höheren Kühlungsanteil (90% gegenüber 74%) deutlich mehr Wärme in den Boden einbringen. Dadurch verringert sich das durchschnittliche Ungleichgewicht im Boden von -166 MWh/Jahr auf -148 MWh/Jahr, was mehr Möglichkeiten zum Heizen schafft.
Betrachtet man schließlich den Anteil der Geothermie, so kommt man auf 78% bei der Heizung und 90% bei der Kühlung, ohne dass die installierte Heizleistung überdimensioniert wird. Dies ist ein sehr interessantes Ergebnis, da wir durch die Installation von mehr passiver Kühlung - die relativ geringe Kosten verursacht - den Anteil der Geothermie beim Heizen von 73% auf 78% und beim Kühlen von 74% auf 90% erhöhen können, alle unter Verwendung desselben Bohrlochs.
Fazit
Es gibt keine endgültige Antwort auf die Frage, welches geothermische Hybridsystem das beste ist, da dies weitgehend von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Daher ist es immer von Vorteil, verschiedene Szenarien nebeneinander zu vergleichen. Im obigen Artikel haben wir ein Beispiel beschrieben, bei dem wir zunächst die Leistung optimierten und die Größe des Bohrfelds schrittweise verringerten, bis wir ein optimales Gleichgewicht zwischen Bohrfeldgröße und Geothermieanteil gefunden hatten. Durch die anschließende Optimierung im Hinblick auf die Energie haben wir unser ursprüngliches Hybridsystem weiter verbessert und den Anteil der Geothermie erhöht. GHEtool Cloud ist perfekt geeignet, um Sie bei der Planung solch komplexer Projekte zu unterstützen.
Im nächsten Abschnitt werden wir die wirtschaftlichen Aspekte dieser verschiedenen Konzepte bewerten und Ihnen zeigen, wie Sie die für Ihr spezifisches Projekt am besten geeignete Option ermitteln können.