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SolSeasStore
Im Projekt SolSeasStore werden verschiedene Möglichkeiten für die Regeneration von Erdwärmesonden mit solarthermischer Energie in Wohnquartieren mittels Simulationen untersucht. Wenn in urbanen oder suburbanen Quartieren die Wärme in praktisch allen Gebäuden mit Erdwärmesonden-Wärmepumpen erzeugt wird, führt dies langfristig zu einer Unterkühlung des Erdreiches. Durch verschiedene Regenerationsmassnahmen kann diesem Problem entgegengewirkt werden.
Bei der Energiewende des Wärmesektors der Schweiz spielen Wärmepumpen mit Erdwärmesonden eine tragende Rolle. Dabei wird durch die immer dichter werdende Nutzung des Untergrundes eine Regeneration der Erdwärmesonden dringlich. Im Projekt SolSeasStore werden Quartiere betrachtet, welche gesamtheitlich von Wärmepumpen mit Erdwärmesonden versorgt werden. Untersucht wird das Regenerationspotenzial von Erdwärmesonden mit solarthermischer Energie, wobei die verschiedenen Regenerationsmassnahmen anhand energetischer, technischer und ökonomischer Gesichtspunkte bewertet werden. Aufgrund der – insbesondere in städtischen Quartieren mit grossen Mehrfamilienhäusern - begrenzt vorhandenen Dachflächen wird ein besonderer Fokus auf die Regeneration mit PVT-Kollektoren (Photovoltaisch-Thermische Kollektoren) gelegt, welche auf derselben Fläche gleichzeitig Wärme und Strom produzieren und somit die Dachflächen effizient nutzen.
Für die Studie werden - basierend auf den Daten zweier realer Beispielquartiere in der Stadt Zürich - je ein städtisches und ein ländliches Wohnquartier modelliert, welche beispielhaften Charakter für eine grosse Anzahl Schweizer Wohnquartiere haben sollen. Dafür werden typische Gebäude definiert, welche in unterschiedlicher Anzahl das jeweilige Quartier repräsentieren. Diese werden je nach Grösse und Standort (urban / suburban) mit U1 bis U5 oder S1 bis S5 bezeichnet.
Mittels Systemsimulationen in der Simulationssoftware Polysun wird die für die Regeneration zur Verfügung stehende solare Wärme der einzelnen Gebäude sowie der jeweilige Wärmeentzug aus dem Erdreich bestimmt. Als Regenerationsmassnahme werden unabgedeckte, ungedämmte PVT-Kollektoren, sowie solarthermische Absorber und herkömmliche Flachkollektoren ergänzt mit PV-Modulen, untersucht. Für Fälle, die durch eine PVT-Dachanlage unzureichend regeneriert werden können, wird stellvertretend ein Beispielgebäude (hoher Wärmebedarf bei verhältnismässig kleiner Dachfläche) definiert. Anhand dieses Gebäudes erfolgt eine Potenzialabschätzung zusätzlicher Wärmequellen zur Erdwärmesonden-Regeneration, sowie eine Abschätzung des erforderlichen Strombedarfs für die Regeneration während 50 Jahren Betriebszeit. Die benötigten Längen der Erdwärmesonden sowie das Langzeitverhalten der Temperaturen in den Erdwärmesonden und im Erdreich wird durch Simulationen des Projektpartners CSD Ingenieure AG ermittelt.
Aufgrund der Erkenntnisse der Untersuchung werden konkrete Lösungen für die geeignete Erdwärmesonden-Anordnung und Möglichkeiten für deren Regeneration erarbeitet. Die Kernaussagen sollen auf möglichst viele Anwendungen in der Praxis übertragbar sein und eine Grundlage für die Ableitung allgemeingültiger Planungs- und Entscheidungshilfen darstellen.
Take-home messages
- Bei Regeneration der Erdwärmesonden mit PVT-Kollektoren kann in suburbanen Quartieren in Summe genügend Wärme für die Regeneration des gesamten Quartiers zur Verfügung gestellt werden. In urbanen Quartieren mit einer Häufung von grossen Gebäuden ist eine vollständige Regeneration mit PVT-Kollektoren hingegen schwierig.
- Insbesondere bei grossen Gebäuden sind zusätzliche Wärmequellen zur Regeneration der Erdwärmesonden erforderlich. PVT-Kollektoren an den südlichen Fassaden oder Luft/Wasser-Wärmeübertrager können die zusätzlich erforderliche Wärme bereitstellen.
- In urbanen Quartieren sind Bereiche zu erwarten, in denen sich Gebäude mit grossem Wärmebedarf und relativ kleiner Dachfläche konzentrieren. In solchen Bereichen ist eine vollständige Regeneration der Erdwärmesonden nur mit den erwähnten zusätzlichen Wärmequellen möglich.
- Eine aktive oder passive Gebäudekühlung kann parallel zu den getroffenen Regenerationsmassnahmen umgesetzt werden. Der Beitrag zur Regeneration ist stark vom Kühlbedarf abhängig und meist vergleichsweise gering.
- Die Nutzung von Flachkollektoren erfordert für die Regeneration rund 20 bis 40 % weniger Dachfläche als bei Nutzung von PVT-Kollektoren. Allerdings bleibt bei Nutzung von Flachkollektoren so wenig Dachfläche für PV-Module übrig, dass damit der eigenproduzierte Strom in der Jahresbilanz den Strombedarf der Heizungssysteme nicht decken kann. Werden hingegen vollflächig PVT-Kollektoren verwendet, ist in der Jahresbilanz ein Stromüberschuss zu erwarten.
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 Beispielgebäuden (U4 und U5) ist die Dachfläche jedoch auch mit Flachkollektoren nicht ausreichend.
Zur groben Abschätzung der geeigneten Regenerationsmassnahme für eine vollständige Regeneration kann bei PVT-Kollektoren mit einem Bedarf von 1.8 m2 nutzbarer Dachfläche pro MWh erforderlicher jährlicher Nutzwärme und bei Flachkollektoren mit 1.2 m2/MWh gerechnet werden. Der spezifische thermische Ertrag liegt bei den untersuchten PVT-Kollektoren je nach Gebäudetyp zwischen 380 und 650 kWh/m2 und bei den Flachkollektoren zwischen 750 und 840 kWh/m2.
Die Örtliche Verteilung des Wärmebedarfs und der für Solarenergie nutzbaren Dachfläche pro Wärmebedarf der beiden Beispielquartiere im Falle einer Regeneration mit PVT-Kollektoren ist in Abbildung 1 dargestellt.
Über das ganze Quartier hinweg betrachtet ist in suburbanen Quartieren eine nachhaltige Wärmeversorgung mit regenerierten Erdwärmesonden sowohl mit PVT-Kollektoren als auch mit Flachkollektoren möglich, sofern sich die Gebäude mit grossem Wärmebedarf über das Quartier verteilen. In urbanen Quartieren hingegen sind Bereiche zu erwarten, in denen sich Gebäude mit grossem Wärmebedarf und geringer Dachfläche (U4 und U5) stark konzentrieren und eine Regeneration alleine durch solare Wärme nur mit zusätzlichen Fassadenanlagen möglich ist. Abbildung 2 zeigt für das urbane Quartier die Anzahl der jeweiligen Beispielgebäude multipliziert mit dem jeweiligen Netto-Wärmeentzug pro Beispielgebäude, womit eine Abschätzung des Defizits/Überschusses auf Quartier-Ebene gemacht werden kann. Eine grosse Diagramm-Fläche über der Nulllinie bedeutet einen grossen positiven Netto-Wärmeentzug und somit ein grosses Wärmedefizit. Man kann sehen, dass im urbanen Fall für die Gebäude U1 bis U3 mehr als 100 % Regeneration möglich sind. Allerding sind die Defizite bei den Gebäuden U4 und U5 so gross, dass in der Summe ein deutliches Defizit resultiert. Die Beiträge von U4 und U5 zum Wärmedefizit sind ungefähr gleich gross, da es von Gebäude U4 eine viel grössere Anzahl gibt als von U5.
Alternativ zu einer zusätzlichen Fassadenanlage ermöglicht auch die ergänzende Einbindung eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers eine ausreichende Regeneration. Ein zur Regeneration mittels PVT-Kollektoren paralleler Betrieb einer Gebäudekühlung ist sowohl passiv wie auch aktiv möglich. Der Regenerationsnutzen hängt dabei stark vom künftigen Kühlbedarf ab, ist in der Regel jedoch vergleichsweise gering.
Die Länge der Erdwärmesonden beeinflusst die Installationskosten und den Installationsaufwand massgeblich. Eine allfällige Kürzung der Erdwärmesonden infolge der Regeneration hat jedoch negative Auswirkungen auf die Systemeffizienz und verursacht eine Erhöhung des Winterstrombedarfes in den ersten Betriebsjahren um rund 10 % gegenüber einem nicht regenerierten System mit ungekürzten Erdwärmesonden. Eine gleiche Erdwärmesondenlänge hingegen führt, verglichen mit einem nicht regenerierten System, zu einer langfristigen Reduktion des Winterstrombedarfes um bis zu 10 % (siehe Kapitel 3.10.5 im Abschlussbericht).
Das Projekt wird durch die ZHAW-Forschungsgruppe «Erneuerbare Energien», die ZHAW-Kompetenzgruppe «Immobilienmanagement» sowie die CSD Ingenieure AG durchgeführt.
Die Forschungsgruppe «Erneuerbare Energien» am Institut für Umwelt und natürliche Ressourcen (IUNR) der ZHAW in Wädenswil leitet das Projekt und trägt hauptsächlich durch Gebäudeenergie-Simulationen mit der Software Polysun zum Projekt bei.
Die Kompetenzgruppe «Immobilienmanagement» am Institut für Facility Management (IFM) der ZHAW in Wädenswil beteiligt sich am Projekt hauptsächlich vom Gesichtspunkt des Gebäudeenergiemanagements und der HLK-Planung.
Die Rolle der CSD Ingenieure AG umfasst hauptsächlich die Berechnung der Temperaturverhältnisse in den Erdwärmesonden und im Erdreich.
Gefördert wird das Projekt SolSeasStore vom Bundesamt für Energie, BFE. Mit diesem Projekt nimmt die Forschungsgruppe «Erneuerbare Energien» zudem am IEA Task 60 PVT-Systeme teil.