P&D Renosource - Mehrquellen-Wärmepumpensysteme für den Wärmeerzeugerersatz mit Erdwärmesonden zur Spitzenlastdeckung

Das Projekt untersucht einen Wärmeerzeugerersatz in zwei Mehrfamilienhäusern, bei dem die Ölkessel durch zwei innenaufgestellten Propan-Wärmepumpen ersetzt werden, und die als Wärmequellen Luft und eine Spitzenlastdeckung über Erdwärmesonden nutzen. Durch die Auslegung der Erdreichquelle auf Spitzenlastdeckung werden bestehende Platz- und Bohrtiefeneinschränkungen überwunden und die Wärmepumpe wird ohne fossile Spitzendeckung betrieben. Das Monitoring der Wärmepumpen über zwei Heizperioden dient daher neben der Betriebsauswertung und –optimierung auch zur Verifizierung von Simulationsmodellen, mit denen  die Anlagenregelung bewertet, verschiedene Referenzsysteme verglichen sowie Aussagen zur Wirtschaftlichkeit für Mehrquellensysteme abgeleitet wurden. 

Motivation

Beim Wärmeerzeugerersatz von Heizkesseln durch Wärmepumpe können Einschränkungen der Wärmequellen auftreten, die gerade bei höheren Leistungen in grösseren Altbauten einen Wärmepumpeneinsatz beschränken oder verhindern können. Über Mehrquelleneinsatz können die Einschränkungen entschärft oder ganz umgangen und damit ein monovalenter Wärmepumpeneinsatz ermöglicht werden.

Im BFE-Projekt HP-Source [1] wurden zwei Strategien zur Mehrquellenintegration mit Simulationen untersucht: Bei der Spitzenlastdeckung mit Erdsonden und Luft als Grundlast kann das Erdsondenfeld überproportional reduziert werden (50 % Leistung → 20 % Feldgrösse, Abbildung 1). Bei der Regeneration der Erdreichquelle mit Luft oder Solarkollektoren liegt der kostenoptimale Regenerationsgrad bei 40–80 %. Für grosse Leistungen können beide Strategien kombiniert werden.

Ausgangslage Pilotanlage

Die Wohnbaugenossenschaft Lägern Wohnen besitzt in Baden zwei Mehrfamilienhäuser mit Baujahr 1972 mit insgesamt 4'190 m² Wohnfläche. Die beiden Häuser wurden aus einer gemeinsamen Zentrale mit einem Ölkessel mit einem Jahresverbrauch von 60'000 Liter beheizt.

Als Wärmeerzeugerersatz war neu eine Wärmepumpe pro Gebäude mit einem gemeinsamen Erdsondenfeld geplant. Aufgrund von Platzbeschränkungen für die Erdwärmesonden auf den Parkplatz zwischen den Gebäuden durch die abschüssige Umgebung, siehe Abbildung 2, wurde eine zusätzliche Regeneration mittels Luftwärmetauscher (LWT) vorgesehen.

Die Bohrungen der ersten beiden von 12 Erdsonden auf geplante 300 m mussten bei 130 m Teufe jedoch wegen Arteser abgebrochen werden. Daher bestand neben der Platzbeschränkung auch zusätzlich noch eine Tiefenbeschränkung bei 120 m. Es traten bei dem Projekt also genau die Einschränkungen auf, die im Projekt HP Source mittels Simulationen untersucht wurden. Als neues Konzept wurde daher ein Spitzenlastbetrieb der Erdwärmesonden mit der Grundlastquelle Aussenluft gewählt. Mittels Simulationen wurde das neue System auf 17 Sonden à 100 m und die doppelte LWT-Leistung dimensioniert, was noch einem Drittel der ursprüglichen Sondenmeter entspricht. Die LWT liefern die Grundlast, sind also bis in die kältesten Tage in Betrieb. Bei höherem Leistungsbedarf werden die EWS zugeschaltet. Im Sommer wird das Erdreich mit der Wärme aus der Luft regeneriert. 

Die Quellenintegration erfolgte über einen Sole-Zwischenkreis, was den Vorteil hat, dass mit einer Wärmepumpe auf beide Quellen zugegriffen werden kann und kein Grädigkeitsverlust bei der Regeneration entsteht. Ein Nachteil ist, dass im Zweiquellenbetrieb der wärmere Rücklauf der EWS durch den kälteren Rücklauf des Luftwärmetauschers beeinflusst wird.

Jedes der beiden Häuser hat sein eigenes System, bestehend aus einem Teil des Erdwärmesondenfeldes, einem Luftwärmetauscher und einer innenaufgestellten Propan-Wärmepumpe mit zwei Kältekreisen und Inverter. Die Dimensionierung unterscheidet sich leicht, da die beiden Gebäude nicht die gleiche Heizlast aufweisen.

Messkonzept

Das Messkonzept umfasst Wärmezähler für die einzelnen Wärmequellen und die Wärmeabgabeseite, Stromzähler sowie die Aufzeichnung von Betriebszuständen wie Kompressordrehzahl, Pumpenstatus, Ventilstellungen und Kältekreisdaten. Daraus lassen sich Jahresarbeitszahl, Quellenanteile, Abtaubetrieb und Regenerationsgrad ableiten und entsprechende Optimierungen vornehmen.

Ergebnisse

Die Auswertung der beiden Heizperioden von Oktober 2024 bis Mai 2026 zeigt, dass das System und insbesondere der Ansatz zur dynamischen Regelung der Erdwärmesonden als Spitzenlastquelle trotz der stark reduzierten Sondenlänge zuverlässig funktioniert.

Betrieb und Effizienz: ca. 20 % der Quellenwärme wurde aus den EWS bezogen, wobei spezifische Entzugsleistungen bis 100 W/m erreicht wurden. Die Regelung der Sondeneintrittstemperatur konnte zuverlässig eine Unterkühlung des Erdreichs verhindern. Die Systemnutzungsgrade liegen mit 2.9-3.0 im Bereich von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Bestandsgebäuden, wobei Effizienzeinbussen auf den noch nicht optimierten Verdampfer zurückzuführen sind.

Regeneration: 60 % der aus dem Erdreich entzogenen Wärme konnte mit dem LWT wieder zurückgeführt werden. Zusammen mit der natürlichen Regeneration wurde das Erdreich wieder ausreichend regeneriert, so dass trotz des Wärmeentzugs genügend Erdwärme für den nächsten Winter zur Verfügung steht.

Simulation: Das Simulationsmodell konnte mit den detaillierten Messdaten erfolgreich validiert werden, einschliesslich der Dynamik der Quellenbewirtschaftung. Der simulatorische Systemvergleich zeigt, dass sich die Jahresarbeitszahlen JAZ der verschiedenen Systemvarianten nur geringfügig unterscheiden (Bereich JAZ = 3.1 bis JAZ = 3.5 über 50 Jahre).

Wirtschaftlichkeit: Die Investitionskosten der Mehrquellensysteme liegen bis zu 25 % unter den Kosten eines reinen EWS-System. Die Jahreskosten als Annuität der Lebenszykluskosten aller verglichenen Varianten (Spitzenlastsonde, regeneriertes EWS-System, monovalentes EWS-System, reines Luft-System) unterscheiden sich jedoch kaum.

Fazit

Das Hauptpotenziel der Kombination von Erdwärmesonden mit Luft für den Heizungsersatz liegt nicht in der Effizienzsteigerung, sondern in der Überwindung von Quelleneinschränkungen bei vergleichbaren Kosten, so dass trotz der Einschränkungen der Quelle ein monovalenter Wärmepumpenbetrieb gewährleistet werden kann. Verschiedene Kombinationen aus Dimensionierung, Regelungsstrategie und hydraulischer Integration erlauben eine Anpassung an die jeweiligen objektspezifischen Anforderungen.