Geothermische Bohrungen können in vielen verschiedenen Szenarien eingesetzt werden, aber eine allgemeine Unterscheidung ist die zwischen individuellen und kollektiven geothermischen Systemen. In diesem Artikel werden wir drei verschiedene Arten von Erdwärmesystemen erörtern, von vollständig individuellen bis hin zu vollständig kollektiven Systemen, und Ihnen einige Einblicke geben, wann das eine die bessere Wahl sein könnte als das andere.
Drei Arten von geothermischen Bohrlochsystemen
Wenn Sie ein Projekt mit verschiedenen Einheiten oder Gebäuden haben, z. B. ein neu gebautes Viertel oder ein Mehrfamilienhaus, das Sie mit geothermischer Heizung und Kühlung ausstatten wollen, stehen Sie vor der Frage: Installieren wir ein kollektives oder ein individuelles System? In der nachstehenden Abbildung sind drei allgemeine Lösungstypen dargestellt.
Auf der einen Seite gibt es, wie links dargestellt, die völlig individuelle Lösung. Jede Wohnung, jedes Gebäude oder jede Einheit hat eine eigene Wärme- und Kälteerzeugung (z.B. eine Erdwärmepumpe) und ist an eine eigene Bohrung oder ein eigenes Bohrfeld angeschlossen.
Auf der anderen Seite gibt es, wie rechts dargestellt, die vollständig kollektive Lösung. Hier wird die Wärme- und Kälteerzeugung zentralisiert und die Wärme und Kälte an die verschiedenen Gebäude verteilt. Wenn dies zwischen mehreren separaten Gebäuden geschieht, wird die Lösung zu einem herkömmlichen Wärme- und Kältenetz.
Die letzte Option, die in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt hat, besteht darin, mit einzelnen Produktionseinheiten für Heizung und Kühlung zu arbeiten, die an ein zentrales Bohrfeld angeschlossen sind. Diese Lösung ähnelt der so genannten Fernwärme der fünften Generation, bei der die geothermischen Temperaturen unter verschiedenen Nutzern aufgeteilt werden, die selbst entscheiden können, wie sie sie zum Heizen oder Kühlen verwenden.
Alle drei oben genannten Optionen haben ihre eigenen Anwendungsfälle, Vor- und Nachteile. In den folgenden Abschnitten werden wir sie einzeln erörtern, wobei wir uns auf die Aspekte der geothermischen Auslegung (Spitzenleistung und Ungleichgewicht) sowie auf allgemeine Bedenken (Kosten, Wartung und gesellschaftliche Auswirkungen) konzentrieren.
!Hinweis
In diesem Artikel werden wir nicht auf die Vorteile eines geothermischen Kollektivsystems gegenüber einzelnen Luft-Wärmepumpen eingehen. Die Vorteile von Erdwärmesonden wurden bereits diskutiert in weiterer Artikel.
Individuelle Produktion, individuelles Bohrfeld
Wenn alle Ihre Gebäude oder Einheiten ihr eigenes Heiz- und Kühlsystem haben, müssen Sie sicherstellen, dass jedes einzelne Bohrloch (oder Bohrfeld, je nach Größe des Gebäudes) 100% der Spitzenlast des Gebäudes liefern kann. Darüber hinaus sollte jede geothermische Quelle auch 100% des Ungleichgewichts bewältigen. Die Kombination dieser Effekte kann einen erheblichen Druck auf die Auslegung der einzelnen Bohrlöcher ausüben.
Es könnte jedoch sein, dass in dieser Situation der durchschnittliche Abstand zwischen den einzelnen Bohrlöchern größer ist als in einem herkömmlichen Bohrfeld. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie haben ein Viertel, in dem jedes einzelne Haus seine eigene(n) geothermische(n) Bohrung(en) hat. Diese Bohrlöcher wären in der Regel weiter voneinander entfernt, als wenn sie in einem einzigen Feld zentralisiert wären. Ein größerer Abstand zwischen den Bohrlöchern könnte helfen, das potenzielle Ungleichgewicht auszugleichen, wie wir vor ein paar Wochen in dieser Artikel.
Die Tatsache, dass Ihre Sondenfelder an einzelne Anlagen angeschlossen sind, bedeutet jedoch nicht, dass sie völlig voneinander getrennt sind. Zwischen jedem Paar von Erdwärmesonden gibt es immer ein gewisses Maß an thermischer Interferenz.
Störung
Als Interferenz bezeichnet man die Wirkung, die benachbarte Bohrlöcher aufeinander haben, da die thermische Beeinflussung nicht an der Bohrloch- oder Grundstücksgrenze aufhört. Diese Interferenz wird durch das Ungleichgewicht eines bestimmten Systems verursacht, das Jahr für Jahr das benachbarte Erdreich abkühlt oder aufheizt. Je näher die einzelnen Bohrungen beieinander liegen, desto größer ist diese geothermische Störung. Es versteht sich von selbst, dass wir diesen Effekt bei der Planung der einzelnen Bohrungen berücksichtigen müssen.
!Hinweis
In GHEtool Cloud ist es möglich, diese thermische Interferenz zwischen benachbarten Systemen zu simulieren. Mehr Informationen dazu finden Sie in unserem Artikel hier.
Im folgenden Beispiel wird die Bedeutung dieser Störung deutlich. Stellen Sie sich vor, wir haben neun einzelne Häuser, jedes mit seinem eigenen geothermischen Bohrloch. Wenn wir das Bohrloch für ein einzelnes Haus auslegen würden, hätten wir ein System, das nach 20 Jahren eine durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit von 0,41 °C aufweist. Nimmt man jedoch denselben Entwurf und simuliert ihn für die gesamte Nachbarschaft, so beträgt die Endtemperatur (aufgrund von Interferenzen) -0,88°C.
Es sollte klar sein, dass die einzelnen Bohrlöcher unter Berücksichtigung von Interferenzen ausgelegt werden müssen.
!Hinweis
Im Fall unserer neun Häuser ist nicht jedes geothermische Bohrfeld gleich stark von geothermischen Störungen betroffen. Die Bohrlöcher in der Mitte des Viertels werden von den umgebenden Systemen stärker gestört als die am Rande des Projekts gelegenen. Daher würde eine einfache Vergrößerung der Auslegung aller Häuser um den gleichen Betrag bei einigen Gebäuden zu einer Überschätzung der erforderlichen Bohrlochlänge führen, während bei anderen eine leichte Unterdimensionierung auftreten könnte. Am besten simuliert man diese Situationen direkt mit dem Interferenzmodul in GHEtool Cloud, um den spezifischen Einfluss auf jedes System zu bestimmen.
Fazit
Generell kann man sagen, dass die endgültige Größe des Bohrlochs bei der Arbeit mit vollständig individuellen Systemen von zwei Hauptfaktoren bestimmt wird:
- Eine höhere resultierende Spitzenleistung (100% des Gebäudebedarfs)
- Geringerer Einfluss von Ungleichgewichten und Interferenzen, abhängig vom Bohrlochabstand
Die relative Bedeutung dieser beiden Effekte kann von Projekt zu Projekt unterschiedlich sein. In Mehrfamilienhäusern, in denen die Bohrlöcher relativ dicht beieinander liegen (wie in einem einzigen Bohrloch), werden individuelle Systeme im Allgemeinen zu einer leichten Überdimensionierung führen. Bei Quartieren, in denen die Bohrlöcher weiter auseinander liegen als in einem einzigen Bohrloch, kann die individuelle Auslegung etwas kleiner ausfallen.
Die Wartungskosten sind bei dieser Art von Lösung relativ hoch, da die Wartung mehrerer Wärmepumpen zu höheren kumulierten Kosten führt. Da jedes Gebäude über eine eigene Heiz- und Kühleinheit verfügt, führt dies außerdem zu einer höheren elektrischen Spitzenbelastung des Netzes, was eine größere Kapazität erfordert.
Individuelle Produktion, kollektives Bohrfeld
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Anlagen getrennt zu halten, sie aber an ein einziges Sondenfeld anzuschließen. Dies könnte in Fällen interessant sein, in denen die Bohrungen ohnehin nahe beieinander liegen (z. B. aus Platzgründen, wie im Falle eines Mehrfamilienhauses), oder im Rahmen eines Fernwärmenetzes der fünften Generation. Da wir nun ein kollektives Sondenfeld haben, können wir zwei große Vorteile erkennen:
- Wir können mit einem Gesamtungleichgewicht arbeiten, das immer gleich oder kleiner ist als die Summe der Einzelungleichgewichte. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass ein Gebäude mehr Wärme als Kälte benötigt, während in einem anderen der Bedarf umgekehrt ist. Das resultierende Borefield könnte dann ausgeglichener sein, während wir bei Einzellösungen das Ungleichgewicht zweimal bewältigen müssten.
- Aufgrund der Gleichzeitigkeit können wir mit einer geringeren Spitzenleistung arbeiten.
!Vorsicht
Wenn man mit einzelnen Wärmepumpen arbeitet, wird es immer schwieriger, die Gleichzeitigkeit vorherzusagen. Stellen Sie sich zum Beispiel die Warmwasserprofile in den Haushalten vor. Die meisten Menschen duschen morgens oder abends, was zu einer potenziell großen Überschneidung bei der Spitzenleistung führt. Außerdem reagieren immer mehr Wärmepumpen auf dynamische Strompreise, um zu bestimmen, wann ein Gebäude geheizt oder gekühlt werden soll. Da alle Wärmepumpen demselben Strompreisprofil folgen, könnte dies im Extremfall zu einem synchronisierten Betrieb mit voller Gleichzeitigkeit führen.
In diesem Fall liegen die Bohrlöcher potenziell näher beieinander, was zu einem stärkeren Einfluss des Ungleichgewichts führt. Die positive Seite ist, dass wir, da das Ungleichgewicht nun zentralisiert ist, auch die Regeneration (z. B. durch einen Trockenkühler, Solarabsorber und ähnliche Technologien) nutzen können, um dieses Problem zu lösen. Weitere Informationen finden Sie unter weiterer Artikel. Das zentrale Bohrfeld selbst bleibt jedoch eine passive Komponente ohne eigenes Steuerungssystem. Eine zusätzliche Regeneration würde daher eine zentrale Steuerungsstrategie erfordern, was die Komplexität des Systems erhöhen könnte.
Fazit
Wenn Sie mit einem kollektiven Bohrlochfeld arbeiten, haben Sie es potenziell mit einer geringeren Spitzenleistung und Unwucht zu tun. Da die Bohrlöcher jedoch näher beieinander liegen, kann der Einfluss des Ungleichgewichts größer sein. Die endgültige Entscheidung darüber, ob dies von Vorteil ist oder nicht, hängt letztlich vom jeweiligen Projekt ab. Bei Wohnungen, in denen die Bohrlöcher bereits recht nahe beieinander liegen, ist ein gemeinsames Bohrloch wahrscheinlich kosteneffizient. Bei Stadtteilen ist dies in der Regel nicht der Fall, es sei denn, die Sonden können weiter auseinander liegen und über ein Fernwärmenetz der fünften Generation verbunden werden.
Da es immer noch mehrere Systeme gibt, bleiben die kumulierten Wartungskosten dieser Lösung relativ hoch, ebenso wie der gesamte Spitzenstrombedarf im Stromnetz. Da die Gleichzeitigkeit nicht gewährleistet werden kann und die Regeneration in diesem Fall etwas komplexer ist, ist das Bohrfeld im Allgemeinen größer als bei der folgenden Option.
Kollektive Produktion, kollektives Bohrfeld
Unsere letzte Option kombiniert die zentralisierte Wärme- und Kälteerzeugung mit einem zentralen Bohrloch. Dies ist die traditionelle Fernwärme- und Fernkältelösung mit einem gemeinsamen Produktionssystem. Wie im vorherigen Fall, in dem wir das Bohrloch zentralisiert haben, profitieren wir von einem geringeren Gesamtungleichgewicht im Vergleich zu den einzelnen Systemen.
Im Gegensatz zu einem kollektiven Bohrloch mit individueller Produktion bedeutet ein zentralisiertes Produktionssystem jedoch, dass wir eine echte Gleichzeitigkeit berücksichtigen können. Dadurch kann die Wärmepumpe anders dimensioniert werden, was zu einem geringeren Spitzenstrombedarf führt.
Wie bei der vorherigen Option liegen die Bohrlöcher wahrscheinlich näher beieinander, was die Auswirkungen des Ungleichgewichts verstärken kann. Da wir jedoch auch über eine zentrale Produktionseinheit verfügen, ist es relativ einfach, dies durch ein Hybridsystem oder eine Regenerierung abzumildern.
Fazit
Ein vollständig kollektives System führt zu einem geringeren Spitzenleistungsbedarf des Bohrfelds und zu einem ähnlichen Gesamtgleichgewicht. Im Vergleich zu individuellen Produktionseinheiten und einem kollektiven Bohrloch führt diese Lösung daher im Allgemeinen zu kleineren geothermischen Systemen, obwohl dies immer noch von dem spezifischen Projekt und der Bohrlochgeometrie abhängt. Im Allgemeinen ist diese Lösung für Wohnungen kosteneffizienter, während sie für Wohngebiete teurer sein kann, da isolierte Verteilungsrohre für Heizung und Kühlung erforderlich sind.
Da wir jetzt nur noch ein einziges System zu warten haben, sind die kumulativen Wartungskosten geringer, und auch die erforderliche elektrische Kapazität des Netzes wird reduziert. Kollektive Systeme sind leichter zu optimieren.
Gleichzeitigkeit unter der Erde?
In den drei oben diskutierten Fällen haben wir die Gleichzeitigkeit erwähnt (mehr dazu lesen Sie hier), d. h. das Konzept, dass sich die Spitzenlasten glätten, wenn mehrere Nutzer dasselbe System nutzen. Dies erklärt, warum im Falle eines kollektiven Bohrlochs, und insbesondere bei einem vollständig kollektiven System, die resultierende Spitzenleistung auf dem Bohrlochfeld geringer ist. Bei Einzelsystemen ist dies jedoch nicht der Fall.
“Aber es gibt Interferenzen zwischen den verschiedenen Bohrlöchern. Gibt es keine Gleichzeitigkeit im Untergrund?” Die kurze Antwort lautet nein. Für die lange Antwort schauen wir uns das folgende Diagramm an.
Wie bereits erwähnt, ist die Interferenz real und für benachbarte Systeme sehr bedeutsam, aber die Zeitskala der Interferenz und die der Gleichzeitigkeit sind sehr unterschiedlich. Oben haben wir die langfristigen Auswirkungen auf die Temperatur im Bohrloch wieder aufgegriffen (weitere Informationen hier) für drei verschiedene Bohrlochabstände. Wie man sieht, stimmen alle Linien zunächst überein, aber nach ein bis zwei Monaten beginnt der Fall mit einem Bohrlochabstand von 6 m zu divergieren. Dies ist der Zeitpunkt, an dem die Wärme weit genug durch den Boden gewandert ist, um das Nachbarbohrloch zu erreichen.
Diese Zeitskala von Monaten bis Jahren (je nach Entfernung) ist viel länger als die Zeitskala, in der Gleichzeitigkeit auftritt, die unmittelbar ist. Daher ist die Interferenz für die Langfristigkeit und das kollektive Ungleichgewicht aller Systeme von Bedeutung, kann aber nicht zur Erreichung niedrigerer Spitzenleistungswerte genutzt werden.
Fazit
In diesem Artikel haben wir drei verschiedene geothermische Lösungen erörtert: das vollständig individuelle System (bei dem sowohl die Produktion als auch die Bohrungen getrennt sind), das vollständig kollektive System (mit kollektiver Produktion und einem gemeinsamen Bohrfeld) und eine kombinierte Lösung, bei der separate Produktionseinheiten für Heizung und Kühlung an eine zentrale geothermische Quelle angeschlossen sind.
Obwohl die spezifischen Kosteneinsparungen durch den Wechsel von individuellen zu kollektiven Systemen von den Merkmalen jedes einzelnen Projekts abhängen, bietet der Wechsel zu einem kollektiven Bohrlochfeld den Vorteil, dass man mit einem kombinierten Ungleichgewicht arbeiten kann, anstatt es für jedes einzelne Gebäude zu beheben. Darüber hinaus kann die Zentralisierung der Produktion dazu beitragen, die Wartungskosten zu senken, die Spitzenleistung des Bohrlochs zu begrenzen und die erforderliche elektrische Kapazität zu verringern.
Literaturverzeichnis
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