Wie lässt sich ein Ungleichgewicht vermeiden?

Das Ungleichgewicht ist ein zentraler und wichtiger Aspekt in der Welt der geothermischen Planung. Letzte Woche haben wir erörtert, wie Sie bei der Planung Ihres Bohrfelds damit umgehen können. Heute werden wir einen Schritt zurückgehen und verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung dieses Problems betrachten.

Was ist ein Ungleichgewicht?

Das Ungleichgewicht ist die jährliche Erwärmung oder Abkühlung des Bodens, die durch eine Differenz zwischen der jährlich entnommenen und der zugeführten Energie verursacht wird. In diesem Sinne wird es vollständig durch den Energiebedarf Ihres Gebäudes bestimmt und ist etwas, mit dem Sie einfach lernen müssen, umzugehen. Unten sehen Sie ein Beispiel für ein Bohrloch, das von der Entnahme dominiert wird.

Der oben dargestellte Bedarf an geothermischer Energie entspricht dem unten dargestellten, von der Entnahme dominierten Bohrfeld. Wie Sie sehen können, sinkt die Temperatur Jahr für Jahr, weil mehr Energie entnommen als eingespeist wird. Dadurch wird die Mindestschwelle am Ende des Simulationszeitraums erheblich belastet, da dies der kritische Auslegungspunkt ist. Je größer das Ungleichgewicht ist, desto mehr Bohrlochmeter (und damit Investitionen) sind erforderlich, um dieses Ungleichgewicht zu bewältigen.

!Hinweis
Nicht jedes Ungleichgewicht führt per Definition zu mehr Bohrlochmetern und damit zu höheren Investitionskosten. Wenn ein gewisses Ungleichgewicht besteht, Ihr Bohrloch aber bereits im ersten Jahr aufgrund einer hohen Spitzenleistung begrenzt ist, wird es weniger wichtig. Weitere Informationen finden Sie unter unser Artikel auf den Bohrfeldquadranten.

Vermeiden oder bewältigen?

Es ist klar, dass ein Ungleichgewicht erhebliche Herausforderungen für Ihr Bohrlochdesign mit sich bringen kann, und wie bei den meisten Herausforderungen im Leben können Sie entweder versuchen, sie zu vermeiden oder lernen, damit umzugehen.

Letzte Woche haben wir uns mit verschiedenen Möglichkeiten beschäftigt, wie man mit dem Ungleichgewicht umgehen kann, wenn es einmal da ist. (Sie finden den Artikel hier.) In dieser Woche werden wir einen Schritt zurücktreten und uns die verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten zur Vermeidung von Ungleichgewichten ansehen. Dies kann auf zwei Arten geschehen: durch Berücksichtigung der architektonischen Entscheidungen im Gebäude oder durch einen eher systembasierten Ansatz. Beide werden im Folgenden erläutert.

Grafische Darstellung der Ursache des Ungleichgewichts und der Möglichkeiten, es zu beheben.

Architektonischer Ansatz

Wie bereits erwähnt, ist das Ungleichgewicht eine Folge des Gebäudebedarfs für Heizung, Kühlung und Warmwasser, aber dieser Bedarf ist nicht in Stein gemeißelt. Natürlich sind Aspekte wie Belegung und Komfort ziemlich streng und unveränderlich, aber in der architektonischen Entwurfsphase eines Projekts gibt es mehrere Faktoren, die wir beeinflussen können und die den endgültigen Heiz- und Kühlbedarf des Gebäudes bestimmen werden. Einige dieser Faktoren werden im Folgenden erörtert.

Sonnenschutz

Eine der häufigsten Diskussionen in der architektonischen Phase eines Projekts ist die Frage, ob ein Sonnenschutz angebracht werden soll, um das Gebäude im Sommer vor Überhitzung zu schützen.

Obwohl dies aus Gründen des Komforts eine gute Idee sein könnte, wird durch die Installation eines Sonnenschutzes der Kühlbedarf des Gebäudes verringert, was bei einem Bohrloch, bei dem die Förderung im Vordergrund steht (wo die Temperatur Jahr für Jahr sinkt), nicht ideal ist. In diesem Fall ist ein höherer Kühlbedarf erforderlich, um das Bohrloch auszugleichen.

!Hinweis
Statt Sonnenschutz anzubringen, wäre es besser, nach Möglichkeiten zu suchen, das Gebäude kühl zu halten, ohne den Kühlbedarf selbst zu verringern, da dies das Ungleichgewicht beeinflusst. So könnten Sie beispielsweise Kühlventilatoren einsetzen, um den hohen Kühlbedarf im Sommer zu bewältigen. Vergewissern Sie sich jedoch immer, dass Ihr Bohrfeld auch den Spitzenkühlbedarf bewältigen kann.

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Neben dem Sonnenschutz haben auch die Größe und die Lage der Fenster einen erheblichen Einfluss auf das Ungleichgewicht. Zum einen hat die Größe der Fenster einen doppelten Effekt: Sie erhöht die solaren Gewinne im Sommer (und damit den Kühlbedarf und die Einspeiselast des Bohrlochs), zum anderen aber auch die konduktiven Wärmeverluste im Winter (und damit den Heizbedarf und die Entnahmelast des Bohrlochs).

Das relative Ausmaß dieser Auswirkungen wird durch die Position oder den Standort der Fenster bestimmt. Ein Fenster an der Nordfassade des Gebäudes erhöht die Kühllast nur geringfügig, während ein Fenster an der Südfassade einen erheblichen Anstieg des Kühlbedarfs verursacht. Die Wärmeverluste im Winter sind weniger empfindlich gegenüber der Ausrichtung.

Neben der Größe und Ausrichtung der Fenster spielen auch ihre U- und g-Werte eine Rolle. Der erste Parameter wirkt sich auf die Dämmqualität des Fensters (und damit auf den Heiz- oder Abluftbedarf) aus, der zweite auf die solaren Gewinne (die den Kühl- oder Einspritzbedarf beeinflussen).

Bodenmaterial

Ein letztes Thema, das einen erheblichen Einfluss auf das geothermische Ungleichgewicht hat, ist das Bodenmaterial. In beiden Fällen werden Fußbodenheizungen verwendet, aber in einem Fall sind Keramikfliesen verlegt, während im anderen Fall ein massiver Holzboden vorhanden ist.

Neben dem ästhetischen Unterschied ist auch das thermische Verhalten der beiden Böden sehr unterschiedlich. Der Keramikboden ist ein sehr guter Wärmeleiter, während der Holzboden eher als Isolator wirkt. Das bedeutet, dass ein keramischer Fußboden fast 50 Prozent besser funktioniert als ein Holzfußboden, wenn Sie den Fußboden kühlen wollen. Dies wirkt sich nicht nur auf den thermischen Komfort aus, sondern auch auf das Ungleichgewicht, da ein Holzboden weniger Kühlbedarf aufnimmt, was zu einer geringeren Injektionslast auf dem Bohrfeld führt.

Systemansatz

Die oben diskutierten Optionen können genutzt werden, um den Gebäudebedarf bis zu einem gewissen Grad zu verändern, aber bevor wir uns mit dem Ungleichgewicht in unserer geothermischen Planung befassen, gibt es einen anderen Ansatz, den wir wählen können, um es zu vermeiden: den Systemansatz. Im Folgenden werden die beiden Optionen der Hybridisierung und der Regeneration erörtert.

Hybridisierung

Wir planen ein HLK-System, um das Gebäude mit der erforderlichen Wärme und Kälte zu versorgen, aber je nach Konfiguration wird nur ein bestimmter Teil dieses Bedarfs durch das Bohrlochfeld gedeckt. Wenn wir uns das Diagramm über das Ungleichgewicht noch einmal ansehen, wird deutlich, dass das Gebäude einen höheren Heizbedarf als Kühlbedarf hat (erkennbar an einer höheren Wärmeentnahme als -einbringung), was das Ungleichgewicht verursacht.

Ein Ansatz, um das Borefield auszugleichen, besteht darin, einen Teil des Wärmebedarfs des Gebäudes aus dem geothermischen System herauszunehmen und ihn einer anderen Technologie zuzuweisen, z. B. einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, einem Gaskessel oder einer elektrischen Heizung. Auf diese Weise ändern wir nicht den Bedarf des Gebäudes selbst, sondern wir beseitigen das geothermische Ungleichgewicht, indem wir einen Teil der Last auf eine andere Anlage verlagern.

!Hinweis
Wie bereits in unser Artikel Auf den Bohrlochquadranten sind die Einspeise- und Entnahmelasten nicht identisch mit dem Kühl- und Heizbedarf des Gebäudes, da eine Wärmepumpe dazwischen arbeitet. Wenn mit der Erdwärmepumpe auch Brauchwarmwasser erzeugt wird, stammt ein Teil der Entnahmelast aus diesem Bereich. Für die Zwecke dieses Artikels wird hiervon jedoch abstrahiert.

Beispiel für ein Hybridsystem

Obwohl hybride Systeme (wie wir sie ausführlich in unsere Artikel zu diesem Thema) werden in der Regel in größeren Anlagen eingesetzt, können aber auch bei kleineren Wohnprojekten auftreten. Ein Beispiel ist ein Gebäude mit Fußbodenheizung und -kühlung, das mit einer Erdwärmepumpe gekoppelt ist, die im Sommer zu heiß wird. Um eine Überhitzung zu vermeiden, installieren die Eigentümer eine separate Split-Klimaanlage, um den Kühlbedarf zu decken. Dann haben wir ein Hybridsystem, bei dem sowohl eine Erdwärme- als auch eine Luftwärmepumpe vorhanden sind.

Wenn das geothermische System jedoch von der Entnahme dominiert wird, ist das oben beschriebene Hybridsystem für das Ungleichgewicht nicht von Vorteil. Das Split-Gerät kann die Raumtemperatur leicht auf 21°C abkühlen, so dass keine Kühllast für das Bodenkühlsystem übrig bleibt. Infolgedessen wird die in das Bohrloch zurückgespeiste Wärmemenge fast Null sein, was zu einem erheblichen Anstieg des Ungleichgewichts führen kann.

Wird die Split-Anlage hingegen auch zur Heizungsunterstützung im Winter eingesetzt, kann ein Teil des Wärmebedarfs des Gebäudes vom Bohrloch abgezogen werden, was sich positiv auf die Bilanz des Bohrlochs auswirken würde.

Regeneration

Ein weiterer Ansatz zur Verringerung der Unwucht auf dem Bohrlochfeld ist die Regeneration. Dabei wird nicht ein Teil des Bohrlochs entnommen, um das Ungleichgewicht auszugleichen, sondern die entgegengesetzte Last wird erhöht. In dem unten dargestellten Fall, in dem die Entnahme höher ist als die Einspeisung, können wir beispielsweise den Einspeisebedarf durch die Installation von Trockenkühlern, Solarabsorbern oder ähnlichen Systemen erhöhen. Auf diese Weise wird das Ungleichgewicht wieder kompensiert.

!Vorsicht
Wenn Sie Ihr Bohrlochfeld regenerieren, erhöhen Sie die Belastung des Bohrlochs. Es ist wichtig zu simulieren, ob Ihr Bohrloch diese zusätzliche Belastung tatsächlich bewältigen kann. Wenn Sie zum Beispiel Solarabsorber installieren, um zusätzliche Wärme in den Boden zu leiten, würde dies die Injektionsleistung und damit auch die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im Bohrloch erhöhen. Sie müssen sicherstellen, dass Sie die erforderliche Kühlleistung für Ihr Gebäude weiterhin erbringen können - mit anderen Worten, stellen Sie sicher, dass Ihre Regeneration den tatsächlichen Gebäudekomfort nicht beeinträchtigt.

!Demnächst
Nächstes Jahr werden wir Module für die Regeneration (neben der Hybridisierung) in GHEtool Cloud einführen. Bleiben Sie dran!

Fazit

Ungleichgewichte spielen bei der Arbeit eines Geothermieplaners eine wichtige Rolle, und obwohl man versuchen kann, sie in der Phase der Bohrfeldplanung zu bewältigen, ist es besser, Ungleichgewichte ganz zu vermeiden. In diesem Artikel haben wir uns auf zwei Ansätze konzentriert, um dies zu erreichen: den architektonischen Ansatz und den Systemansatz.

Die erste betonte die Bedeutung der Gebäudeplanung in Bezug auf Fenstergröße und -platzierung, Sonnenschutz und auch die Auswirkungen der Bodenart bei der Arbeit mit Fußbodenheizung und -kühlung. In der zweiten wurde die Ergänzung des HLK-Systems um eine weitere Technologie vorgestellt, um entweder ein Hybridsystem zu schaffen, bei dem ein Teil der Last vom Bohrlochfeld weggenommen wird, um es im Gleichgewicht zu halten, oder ein regeneriertes Bohrlochfeld, bei dem wir dem Ungleichgewicht entgegenwirken, indem wir ihm Wärme zuführen oder entziehen.

Literaturverzeichnis

• Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.