Simulieren mit modulierenden Wärmepumpen in GHEtool Cloud

Heute wurde eine brandneue Funktion in GHEtool Cloud veröffentlicht: die Simulation mit modulierenden Wärmepumpen. Anstatt mit herkömmlichen konstanten Wärmepumpen-Wirkungsgraden zu arbeiten, um die Gebäudelast in eine resultierende Bodenlast umzuwandeln, können Sie jetzt eine Maschine oder eine Reihe von Maschinen aus unserer Datenbank auswählen, und GHEtool wird den resultierenden Wirkungsgrad für Sie berechnen.

!Hinweis
Dieser Artikel baut auf der Forschung auf, die in einem früheren Artikel vorgestellt wurde, den Sie hier finden können hier.

Für eine genauere Bohrlochplanung: ein dreistufiger Prozess

Im Sommer letzten Jahres haben wir unseren dreistufigen Fahrplan vorgestellt, um die Art und Weise, wie geothermische Bohrfelder geplant werden, für immer zu verändern. Heute, mit der Implementierung von Wärmepumpen direkt in GHEtool, ist dieser Prozess abgeschlossen.

Schritt 1: Unterschiedliche Flüssigkeitseigenschaften

Der erste Schritt, der kurz vor dem Sommer 2025 veröffentlicht wurde, war die Abschaffung der konstanten Flüssigkeitseigenschaften, die traditionell bei der Bohrlochplanung verwendet werden. In GHEtool Cloud werden die Flüssigkeitseigenschaften wie Viskosität und Dichte stündlich aktualisiert, so dass Sie eine variable Reynoldszahl und einen variablen Bohrlochwiderstand erhalten. Dies war von besonderer Bedeutung für die Genauigkeit bei hohen Kühllasten. Weitere Informationen finden Sie unter unser Artikel zu diesem Thema.

Schritt 2: Variable Durchflussmengen

Die nächste Annahme, mit der wir erst letzten Monat aufgeräumt haben, war die einer konstanten Durchflussmenge. In Wirklichkeit haben die meisten Bohrfelder eine schwankende Durchflussmenge, da die Wärmepumpe die Pumpendrehzahl steuert, um eine bestimmte Temperaturdifferenz am Verdampfer zu erreichen. Obwohl sich diese Änderung nicht unbedingt auf die Auslegung Ihrer Systeme auswirkt, da die maximale Durchflussmenge unverändert bleibt, lassen sich damit die Flüssigkeitstemperaturen in der Zwischensaison besser vorhersagen, was den Weg für unseren dritten Schritt ebnet.

Sie können mehr über variable Durchflussraten lesen hier.

Schritt 3: modulierende Wärmepumpen

Bei der Planung von Bohrlöchern hat man normalerweise eine Gebäudelast die Sie auf die eine oder andere Weise in eine Erdlast umwandeln müssen (d. h. Entnahme und Zuführung von Wärme). Dazu wird üblicherweise ein SCOP-Wert verwendet, der in den technischen Datenblättern zu finden ist. Allerdings gibt es bei dieser Annahme einige Probleme.

1. Wenn Sie das SCOP verwenden, um die Spitzenleistung der Heizung in eine Entnahmespitzenleistung umzuwandeln, überschätzen Sie die Spitzenleistung, da der COP unter Spitzenbedingungen in der Regel niedriger ist als der des SCOP. Dies kann zu einem überdimensionierten Bohrlochfeld führen.

!Hinweis
Der SCOP ist ein Maß für die saisonale Effizienz einer Wärmepumpe, während der COP ein Maß für die momentane Effizienz ist. Wenn Sie mit dem Wirkungsgrad von Wärmepumpen nicht vertraut sind, lesen Sie bitte unser Artikel zu diesem Thema.

2. Wenn Sie ein SCOP an B0/W35 verwenden, um den Heizungs- und Brauchwasserbedarf in eine Bodenlast umzuwandeln, gehen Sie davon aus, dass die Bodentemperatur bei 0°C liegt. In den meisten Entwürfen tritt dies jedoch, wenn überhaupt, erst nach einigen Jahren ein, was bedeutet, dass die Durchschnittstemperatur höher ist. Daraus ergibt sich ein höherer SCOP, so dass die Verwendung eines B0/W35-Werts eine Unterschätzung des Wirkungsgrads und damit des Ungleichgewichts darstellt, was zu einer Unterdimensionierung führen kann (siehe z. B. unseren Artikel über wie man mit Ungleichgewicht umgeht).

3. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt von der Bodentemperatur ab und ändert sich daher je nach Auslegung. Da das SCOP jedoch in der Regel ein Eingang und nicht ein Ausgang einer Erdsondenanlage ist, ändert sich das SCOP nicht, wenn sich die Anlage ändert. Dies ist eher widersinnig.

Es sollte klar sein, dass es einige Herausforderungen und Unwägbarkeiten gibt, wenn man nur ein SCOP für die Bohrfeldplanung verwendet. Aus diesem Grund können Sie ab heute Ihre Maschinen direkt in GHEtool auswählen.

Wärmepumpen in GHEtool Cloud

Die Arbeit mit temperatur- und teillastabhängigen Effizienzdaten ist nicht trivial, da diese Informationen nicht in technischen Datenblättern verfügbar sind. Deshalb arbeiten wir direkt mit Wärmepumpenherstellern zusammen, um sehr detaillierte Messdaten zu erhalten und einen digitalen Zwilling ihrer Maschinen zu erstellen. Diese digitalen Zwillinge sind nun im Tool verfügbar, so dass Sie, wann immer Sie mit einer stündlichen Gebäudelast arbeiten, die Option haben, eine oder mehrere modulierende Wärmepumpen aus unserer Wärmepumpendatenbank auszuwählen.

!Hinweis
Zurzeit sind vier Maschinen der Enrad sind in dem Tool verfügbar, und weitere Maschinen und Hersteller werden in den kommenden Monaten hinzukommen.

!Hinweis
Derzeit ist die Arbeit mit modulierenden Wärmepumpen nur möglich, wenn Sie eine stündliche Last haben, da wir nur mit dieser Auflösung die Flüssigkeitstemperaturen und den Wirkungsgrad genau berechnen können. Wenn Sie jedoch nicht über diese Informationen verfügen, können Sie eine stündliche Last direkt in GHEtool generieren, wie folgt erklärt hier.

Kaskadierende Wärmepumpen

Eine zusätzliche Ebene der Komplexität ist die Art und Weise, wie Sie die Zusammenarbeit mehrerer Wärmepumpen modellieren. Anstelle einer Maschine mit 100 kW, die zwischen 30 und 100 kW modulieren kann, können Sie zum Beispiel auch mit zwei Maschinen mit 50 kW arbeiten, die zwischen 15 und 50 kW modulieren können. Mit dieser letzten Option liegt der gesamte Modulationsbereich zwischen 15 und 100 kW, was Ihnen mehr Flexibilität bietet, als wenn Sie mit einer einzelnen Maschine arbeiten.

Dies bedeutet, dass wir einige Kaskadierungsprinzipien benötigen, um zu bestimmen, wann sich jede Wärmepumpe einschaltet. Bei GHEtool besteht die Philosophie darin, dass für jede Leistungsstufe die maximale Anzahl von Wärmepumpen in Betrieb ist, um den durchschnittlichen Modulationsgrad und die WAIR so niedrig wie möglich zu halten und gleichzeitig die Genauigkeit zu verbessern.

Zur Veranschaulichung: Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Maschinen mit einer Leistung von 50 kW und es werden 30 kW benötigt. Dies könnte erreicht werden, indem man eine Maschine mit 30 kW laufen lässt oder indem man beide Maschinen mit 15 kW laufen lässt. In GHEtool wird immer die zweite Option gewählt. Bei einer Leistung von weniger als 30 kW ist nur eine Maschine aktiv.

Simulieren mit einer modulierenden Wärmepumpe

Um die zusätzlichen Erkenntnisse zu veranschaulichen, die Sie durch die direkte Arbeit mit einem digitalen Zwilling einer Wärmepumpe gewinnen können, werden in GHEtool verschiedene Szenarien simuliert.

Basislinie

Um zu verdeutlichen, wie wichtig es ist, mit modulierenden Wärmepumpen zu arbeiten, haben wir ein geothermisches System mit einem Spitzenheizbedarf von 100 kW und 200 MWh pro Jahr sowie 40 kW im Kühlbetrieb mit 40 MWh pro Jahr simuliert, wobei eine Wärmepumpe HP500 von Enrad mit einer Leistung von 111 kW zum Einsatz kam. In einem ersten Schritt haben wir den offiziellen Wert SCOP B0/W35 von 3,41 nachgeschlagen und unser Bohrlochfeld mit diesem Wert simuliert. Das Temperaturprofil, das als Basisfall dienen soll, ist unten angegeben.

Die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit beträgt -0,41 °C und liegt damit nur geringfügig unter unserer Auslegungsgrenze von 0 °C.

Einzelne Wärmepumpe

Zum Vergleich wählen wir nun die Wärmepumpe HP500 direkt aus der Liste aus und simulieren unser Bohrloch mit ihr. Das neue Temperaturprofil ist unten dargestellt.

Was sofort auffällt, ist, dass die Temperatur weiter auf -1,47 °C sinkt. Das liegt daran, dass unser berechnetes SCOP in diesem Fall nicht die offiziellen 3,41, sondern 4,62 beträgt, was einem Anstieg von 35% entspricht. Dies wirkt sich natürlich auch auf das Ungleichgewicht aus, das von 99 MWh pro Jahr auf 115 MWh pro Jahr Nettoentnahme anstieg, was letztlich zu niedrigeren Temperaturen führte. Die Auswirkung der sinkenden Temperaturentwicklung auf die Effizienz der Wärmepumpe ist auch in der nachstehenden Grafik deutlich zu erkennen.

Mit den sinkenden Temperaturen nimmt auch die Leistung der Wärmepumpe ab. In diesem Fall ist die Wärmepumpe nicht in der Lage, den Bedarf des Gebäudes im letzten Jahr vollständig zu decken, da sie bei -1,47 °C nur etwa 93 kW liefern kann. In GHEtool wird dies als “Leistungsknappheit” dargestellt.

!Hinweis
In diesem Fall ist dies nicht wirklich ein Problem, da die fehlenden 7 kW nur während einer Stunde des Simulationszeitraums auftreten. Da Sie nun aber auf die maximale Leistung einer Maschine beschränkt sind, kann es passieren, dass Sie beim ersten Versuch mit dieser Methode feststellen, dass Ihre Wärmepumpenauswahl deutlich zu klein oder vielleicht zu konservativ ist.

Zwei Wärmepumpen in Kaskade

Die obige Simulation wurde mit einer einzelnen HP500-Wärmepumpe mit einer Leistung von 111 kW durchgeführt, die ausreichend, aber vielleicht etwas zu klein erschien. In dieser zweiten Variante haben wir daher zwei kleinere HP300-Maschinen mit einer Leistung von jeweils 60 kW gewählt, was eine verfügbare Gesamtleistung von 120 kW ergibt, die etwas höher ist als in unserem vorherigen Fall. Wenn wir unser Bohrfeld mit diesen Maschinen simulieren, sieht die Effizienzkurve wie folgt aus.

Wir sehen immer noch diesen abfallenden Trend, aber der Gesamtwirkungsgrad des Systems liegt jetzt bei 4,9 statt bei 4,62 mit unserer einzelnen Wärmepumpe, was einer Steigerung des Wirkungsgrads um 6% entspricht. Allerdings sind unsere Temperaturen, wiederum aufgrund der höheren Effizienz, etwas niedriger und erreichen jetzt -2,05°C.

Tieferes Bohrfeld

Als dritte Variante werden wir unser Bohrfelddesign ändern, um über der 0°C-Mindestschwelle zu bleiben. Statt mit 20 Bohrlöchern von 150 m Länge arbeiten wir nun mit 10 Bohrlöchern von 300 m Länge, wodurch wir eine deutlich höhere ungestörte Bodentemperatur erreichen. Mit denselben zwei HP300-Maschinen ist das Temperaturprofil unten dargestellt.

Wie Sie sehen können, sind die durchschnittlichen Flüssigkeitstemperaturen jetzt viel höher, so dass das Bohrfeld mit einem Minimum von 3,16 °C tatsächlich überdimensioniert ist. Diese höhere Temperatur wirkt sich auch positiv auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe aus, die nun über den gesamten Simulationszeitraum einen durchschnittlichen SCOP von 5,39 aufweist. Durch die Änderung unserer Auslegung hat sich unser Wirkungsgrad also im Vergleich zum letzten Szenario um 10% erhöht.

Was kommt als nächstes?

Obwohl der heutige Tag das Ende unseres dreistufigen Prozesses markiert, mit dem wir die Genauigkeit von GHEtool für die Auslegung flacher geothermischer Bohrfelder anno 2026 erheblich verbessern wollen, ist dies nicht das Ende des Weges. Viele weitere Genauigkeitsverbesserungen sind allgemein geplant, aber in Bezug auf modulierende Wärmepumpen werden die folgenden Schritte bereits unternommen.

• Wie bereits erwähnt, ist die Arbeit mit modulierenden Wärmepumpen derzeit nur möglich, wenn man ein stündliches Lastprofil hat, da das Modell die Leistung zu jeder Stunde kennen muss, um die jeweilige Effizienz und die entsprechende Grundlast zu berechnen. Wir untersuchen, ob dies auf die Arbeit mit rein monatlichen Lasten ausgeweitet werden kann. In der Zwischenzeit können Sie die eingebaute Funktion von GHEtool nutzen, um ein stündliches Lastprofil erstellen selbst.

• Derzeit sind modulierende Wärmepumpen nicht mit den Methoden der Leistungs-, Energie- und Bilanzoptimierung kompatibel, da sie eine andere Strategie verfolgen. Einerseits gibt es Optimierungsmethoden, die die erforderliche Leistung Ihrer Erdwärmepumpe für Sie bestimmen, und andererseits wählen Sie bei der Arbeit mit modulierenden Wärmepumpen Ihre Maschinen direkt aus. Wir arbeiten an einer verbesserten Methode, bei der Sie eine Reihe von Maschinen auswählen können und ein Algorithmus ermittelt, welche Maschine oder welche Kombination von Maschinen Sie benötigen.

• Ein weiterer wichtiger Schlüsselaspekt ist die Kondensatortemperatur. Im Moment wird immer mit 35°C geheizt und mit 55°C Brauchwasser erwärmt, aber es gibt natürlich auch Projekte, bei denen 45°C für die Heizung benötigt werden oder bei denen diese Emissionstemperatur zeitlich variiert. Dies wird in einem weiteren Update implementiert, so dass Sie, unser Nutzer, noch genauer planen können.

Neben diesen Modellverbesserungen sind wir mit mehreren Herstellern im Gespräch, um ihre Maschinen ebenfalls in GHEtool zu implementieren. Wenn Sie selbst ein Hersteller sind, wenden Sie sich bitte an uns über info@ghetool.eu.

Fazit

In diesem Artikel haben wir die neue, bahnbrechende Funktion der Arbeit mit modulierenden Wärmepumpen direkt in GHEtool Cloud vorgestellt. Dadurch erhalten Sie nicht nur einen besseren Einblick in die tatsächliche Effizienz Ihres Systems - im obigen Beispiel wurde eine Verbesserung von 58% im Vergleich zu den offiziellen SCOP-Daten erzielt -, sondern Sie können auch die Auswirkungen von Auslegungsvariationen auf die Systemleistung sehen, z. B. die Bohrtiefe oder die Anzahl der Maschinen.

Mit dieser Implementierung ist der letzte Eckpfeiler unserer drei bahnbrechenden Funktionen - variable Flüssigkeitseigenschaften, modulierende Durchflussraten und modulierende Wärmepumpen - abgeschlossen. Dies war jedoch nur der Rahmen für weitere Innovationen. Abonnieren Sie unseren Newsletter, wenn Sie nichts verpassen wollen, oder testen Sie GHEtool noch heute.

Literaturverzeichnis

• Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
• Peere, W. (2025). Integration von temperatur- und teillastabhängigem COP im oberflächennahen geothermischen Bohrfeld Design. In Tagungsband des Deutschen Geothermiekongresses DGK 2025. Frankfurt (Deutschland), 18-20 November 2025.
• Für weitere Informationen über die modulierenden Wärmepumpen von Enrad, klicken Sie auf hier.