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RegenOpt – Optionen zur Vermeidung nachbarschaftlicher Beeinflussung von Erdwärmesonden: energetische und ökonomische Analysen
Einen wichtigen Beitrag zur Nutzung erneuerbarer Energien für die Gebäudeheizung können Wärmepumpen leisten, welche Umgebungswärme aus Luft, Wasser oder Boden als Wärmequelle verwenden. In den letzten Jahren wurde vermehrt darauf hingewiesen, dass eine Erhöhung der Wärmeentzugsdichte aus dem Untergrund eine übermässige Abkühlung des Erdreichs zur Folge haben könnte. In diesem Falle könnte ein Ausbau der Nutzung oberflächennaher Geothermie ab einem gewissen Punkt nur noch bei gleichzeitiger Regeneration des Untergrundes erfolgen. Die Stadt Zürich hat deshalb diese Simulationsstudie in Auftrag gegeben, welche verschiedene Möglichkeiten zur aktiven Regeneration von Erdwärmesonden untersucht, und deren Kosten miteinander vergleicht. In dieser Studie ist mit Regeneration immer eine aktive Regeneration durch technische Massnahmen gemeint.
Die Studie betrachtet exemplarisch ein nach Minergie saniertes Mehrfamilienhaus mit 12 Wohneinheiten, dessen Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwasser durch eine Erdwärmesonden-Wärmepumpenanlage gedeckt wird. Die Langzeitauskühlung des Erdwärmesondenfeldes wurde über g-Funktionen berechnet, welche den Einfluss von Nachbar-Erdwärmesonden auf die Temperaturentwicklung im Erdreich mit einem neu entwickelten Ansatz berücksichtigen. Für die mittlere grossräumige Erdreich-Entzugsenergie wurde mit einem Zukunfts-Szenario von 35 kWh pro m² Bodenfläche und Jahr gerechnet, das als repräsentativ für eine zukünftige lokale dicht besiedelte Situation betrachtet wurde. Mit der Simulationsplatform Polysun wurden verschiedene Varianten zur Regeneration über einen Zeitraum von 50 Jahren simuliert und miteinander verglichen. Vier dieser Varianten beziehen die Regenerationswärme aus solarthermischen Komponenten (abgedeckte Kollektoren, selektive und nicht selektive unverglaste Absorber, PVT-Kollektoren). In zwei weiteren Varianten wurde ein Luft-Wärmetauscher und die Entwärmung des Gebäudes („Geocooling“) als Wärmequelle für die Regeneration simuliert.
Unter Voraussetzung der in dieser Studie gemachten Annahmen können folgende Aussagen zur Regeneration von EWS-Feldern gemacht werden:
- Unter dem Einfluss der benachbarten EWS folgt eine massiv stärkere EWS-Auskühlung über einen Zeitraum von 50 Jahren von zusätzlich ca. 7 Kelvin.
- Schon durch eine Teil-Regeneration kann der Langzeitauskühlung bei dichter Erdwärmenutzung signifikant entgegen gewirkt werden.
- Die Kostenunterschiede zwischen den Regenerationsmethoden sind gering. Die Regenerationsmethode kann somit in Abhängigkeit der konkreten Anwendungssituation gewählt werden.
- Die Option, die Erdwärmesonden bei der Auslegung länger zu dimensionieren, um über einen Zeitraum von 50 Jahren Frostfreiheit des Erdwärmesonden-Nahbereichs zu garantieren, ist sowohl ökonomisch (Wärmegestehungskosten) als auch aus Sicht der Nachhaltigkeit (fortschreitende Auskühlung nach 50 Jahren) nicht zu empfehlen. Eine aktive Regeneration ist günstiger und nachhaltiger.
Aus technischer Sicht ist es möglich, eine aktive Regeneration auch erst beim Erreichen einer kritischen Nutzungsdichte nachzurüsten. Somit könnten die Erdwärmesonden wie gewohnt ausgelegt werden. Ist jedoch in der Nachbarschaft eine kritische Nutzungsdichte vorhanden, sollte grossflächig eine Regeneration eingeplant werden. Für bestehende Anlagen bedeutet dies, dass beim Erreichen einer kritischen Nutzungsdichte eine Regeneration nachgerüstet werden muss.