SolSeasStore - Saisonale Wärmespeicherung in städtischen Quartieren mit Erdwärmesonden : Schlussbericht vom 19.11.2021

Abstract

Das Projekt wurde vom BFE gefördertFür die emissionsfreie Wärmeversorgung von Wohnbauten stellen Wärmepumpen mit Erdwärmesonden eine energieeffiziente und wirtschaftliche Lösung dar. Allerdings muss mit der zunehmenden Verbreitung von Erdwärmesonden ihr Einsatz sorgfältig geplant werden. Insbesondere in Gebieten mit dichter Nutzung besteht die Gefahr einer langfristigen Unterkühlung des Erdreichs. In diesen Fällen ist eine Regeneration der Erdwärmesonden, z.B. durch solarthermische Wärme, eine mögliche Lösung. Jedoch ist die für Solarkollektoren nutzbare Dachfläche bezogen auf den Wärmebedarf der Gebäude vor allem in städtischen Gebieten verhältnismässig klein. Zudem soll auf den Dächern auch möglichst viel Strom produziert werden. In dieser Simulationsstudie wird untersucht, wie weit die Regeneration von Erdwärmesonden in urbanen und suburbanen Wohnquartieren mit Solarenergie möglich ist, wenn das gesamte Quartier von Wärmepumpen mit Erdwärmesonden versorgt werden soll. Basierend auf zwei Wohnquartieren in der Stadt Zürich werden Modellgebäude mit typischer Dachfläche, typischem Wärmebedarf und typischen Nachbargebäuden definiert. Der Wärmebedarf entspricht einem prognostizierten Wert für 2035. Mittels Systemsimulationen wird die nötige Sondenlänge und Fläche der Kollektoren für Solarthermie-Gewinnung ermittelt. Es werden unabgedeckte, ungedämmte PVT-Kollektoren, sowie solarthermische Absorber und Flachkollektoren ergänzt mit PV-Modulen, eingesetzt. Für Fälle, bei denen keine nachhaltige Regeneration durch eine PVT-Dachanlage möglich ist, wird stellvertretend ein Beispielgebäude mit herausfordernder EWS-Regeneration definiert. Anhand dieses Gebäudes erfolgt eine Potenzialabschätzung zusätzlicher Wärmequellen für die EWS Regeneration, sowie eine Abschätzung des erforderlichen Strombedarfs während 50 Jahren Betriebszeit. Flachkollektoren ermöglichen für alle Beispielgebäude auf der zur Verfügung stehenden Dachfläche deutlich mehr Regeneration als PVT-Kollektoren oder solarthermische Absorber (z.B. Schwimmbadkollektoren). Mit Flachkollektoren ist 20 bis 40 % weniger Dachfläche erforderlich als mit PVT-Kollektoren. Bei kleineren Gebäuden ist damit eine hundertprozentige Regeneration möglich. Bei grossen und sehr grossen Beispielgebäuden ist die Dachfläche auch mit Flachkollektoren nicht ausreichend. Mit PVTKollektoren lässt sich auch Strom gewinnen, was diese vorteilhaft macht. Zur groben Abschätzung der geeigneten Regenerationsmassnahme kann für vollständige Regeneration mit einem Bedarf an für Solarenergie nutzbarer Dachfläche von 1.8 m2 pro MWh erforderlicher jährlicher Nutzwärme mit PVT-Kollektoren und von 1.2 m2 /MWh mit Flachkollektoren gerechnet werden. Über das ganze Quartier hinweg betrachtet ist in suburbanen Quartieren eine nachhaltige Wärmeversorgung mit regenerierten Erdwärmesonden sowohl mit Regeneration durch PVT-Kollektoren als auch durch Flachkollektoren möglich, sofern sich die Gebäude mit grossem Wärmebedarf über das Quartier verteilen. In urbanen Quartieren sind Bereiche zu erwarten, die eine vollständige Regeneration mit PVTKollektoren oder Flachkollektoren zulassen, aber auch Bereiche, in denen sich Gebäude mit grossem Wärmebedarf und geringer Dachfläche stark konzentrieren. Dort ist eine Regeneration alleine durch solare Wärme nur mit zusätzlichen Fassadenanlagen möglich. Alternativ ermöglicht auch die ergänzende Einbindung eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers eine vollständige Regeneration. Ein zur Regeneration mittels PVT-Kollektoren paralleler Betrieb einer Gebäudekühlung ist sowohl passiv wie auch aktiv möglich Der Regenerationsnutzen hängt stark vom künftigen Kühlbedarf ab, ist in der Regel jedoch vergleichsweise gering. Mit PVT-Kollektoren kann mehr Solarstrom erzeugt werden als in der Jahresbilanz von den Heizsystemen (Wärmepumpen, Umwälzpumpen, etc.) verbraucht wird. Bei der Verwendung von ertragsstärkeren Flachkollektoren kann auch dann in der Jahresbilanz nicht genügend Eigenstrom erzeugt werden, wenn die übrigbleibende Dachfläche mit PV-Modulen belegt wird. Eine allfällige Kürzung der Erdwärmesonden infolge der Regeneration hat negative Auswirkungen auf die Systemeffizienz und verursacht eine initiale Erhöhung des Winterstrombedarfes um rund 10 % gegenüber einem nicht regenerierten System. Langfristig ist jedoch eine leichte Reduktion des Winterstrombedarfs zu beobachten. Eine gleichbleibende Sondenlänge hingegen führt, verglichen mit einem unregenerierten System, zu einer langfristigen Reduktion des Winterstrombedarfes um bis zu 10 % und des Gesamtstromverbrauch über 50 Betriebsjahre um rund 1%