Geothermie - nPro

Auf dieser Seite erfahren Sie, wie Geothermie in nPro als Wärme- und Kältequelle modelliert wird – von der Abschätzung der Sondenlänge und Kollektorfläche über die gekoppelte Berechnung von Wärmepumpe und Kältemaschine bis hin zur Abbildung eines saisonalen Speicherbetriebs.

Abschätzung der Länge der Geothermiesonden

Wie viel Wärme eine Erdsonde aus dem Untergrund entziehen kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Darunter fallen die Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens, die Anzahl der Betriebsstunden (Volllaststunden) sowie gegebenenfalls die Beeinflussung durch benachbarte Sonden. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, desto mehr Wärme kann aus der Umgebung der Sonde zur Sonde strömen und desto mehr Wärme kann dem Untergrund entzogen werden. Außerdem kann das Fließen des Grundwassers die Wärmeleitung im Boden erhöhen. Als Abstand zwischen zwei benachbarten Erdwärmesonden sollten idealerweise 7 m nicht unterschritten werden (Minimum: 5 m). Das Auslegungsmodul für Sonden in nPro ist in Abbildung 1 dargestellt.

Tabelle 1: Spezifische Entzugsleistungen oberflächennaher Sedimente pro Meter Erdwärmesondenlänge nach der VDI Richtlinie 4640 [3]

Untergrund	1800 Volllaststunden	2400 Volllaststunden
Kies, Sand, trocken	< 25 W/m	< 20 W/m
Kies, Sand, wasserführend	65-80 W/m	55-65 W/m
Ton, Lehm, feucht	35-50 W/m	30-40 W/m
Geschiebemergel	45 W/m	45 W/m

Abbildung 1: Geothermie-Auslegungsmodul in nPro

Abschätzung der Fläche des Erdkollektors

Bei Erdwärmekollektoren handelt es sich um Kunststoffrohre, die direkt unter der Erdoberfläche verlegt werden und dem Erdreich in der Fläche Wärme entziehen. Die Kollektoren werden dabei unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt. Erdflächenkollektoren nutzen indirekt die solare Einstrahlung auf den Erdboden sowie Wärme aus der Umgebungsluft, welche durch Wärmeleitung oder durch Niederschlag in den Untergrund eindringt. Für eine optimale Ausnutzung sollten Flächen mit Erdwärmekollektoren nicht überbaut werden, damit möglichst viel Sonneneinstrahlung sowie Niederschlag auf die Fläche trifft. Für Wohngebäude werden zur Beheizung mit einer Wärmepumpe etwa das 1,5- bis 2-fache der zu beheizenden Wohnfläche benötigt. Pro kW Heizleistung werden so rund 15 bis 30 m² Kollektorfläche benötigt (abhängig von Erdbodenbeschaffenheit).

Tabelle 2: Spezifische Entzugsleistungen nach der VDI Richtlinie 4640 [3]

Untergrund	1800 Volllaststunden	2400 Volllaststunden
Trockener, nicht bindiger Boden	10 W/m²	8 W/m²
Bindiger Boden, feucht	20-30 W/m²	16-24 W/m²
Wassergesättigter Sand/Kies	40 W/m²	32 W/m²

Geothermie-Modell zum Heizen und Kühlen

Das Geothermie-Modell kann sowohl als Wärmequelle als auch Wärmesenke (Kältequelle) verwendet werden. Die Energieflüsse des Modells sind in Abbildung 2 dargestellt. In der oberen Abbildung sind die Energieflüsse für den Fall dargestellt, dass sowohl eine Wärmepumpe als auch eine Kältemaschine berücksichtigt wird. Dieser Fall ist beispielsweise gegeben, wenn zur Deckung des Wärmebedarfs eine Temperatur von 40 °C und zur Deckung des Kältebedarfs eine Temperatur von 2 °C notwendig ist, gleichzeitig jedoch die Temperatur der Geothermiequelle 8 °C beträgt. Die in der Auslegungsrechnung ermittelte thermische Entzugsleistung ergibt sich beim Einsatz von Wärmepumpe und Kältemaschine zu

Q_\mathrm{ground} = \max \left(\max(Q_\mathrm{HP,evap,t}), \max(Q_\mathrm{CH,cond,t})\right)

Hierbei ist $Q_\mathrm{HP,evap,t}$ das Jahresprofil der Verdampferleistung der Wärmepumpe und $Q_\mathrm{CH,cond,t}$ das Jahresprofil der Kondensatorleistung der Kältemaschine. Hierbei gilt für die Wärme am Verdampfer der Wärmepumpe

Q_\mathrm{HP,evap,t} = Q_\mathrm{HP,cond,t} \cdot (1-\frac{1}{COP_\mathrm{HP,t}})

und für die Wärme am Kondensator der Kältemaschine

Q_\mathrm{CH,cond,t} = Q_\mathrm{CH,evap,t} \cdot (1+\frac{1}{COP_\mathrm{CH,t}})

Abbildung 2: Geothermie-Modell in nPro (oben: mit Wärmepumpe und Kältemaschine, unten: nur Wärmeübertrager zum Heizen und Kühlen)

Kann ein saisonaler Speicherbetrieb im Geothermie-Modell abgebildet werden?

Im Geothermie-Modell kann eine weitere Modellrandbedingung festgelegt werden, die es erlaubt einen saisonalen Speicherbetrieb abzubilden. Dies kann beispielsweise für Aquiferspeicher genutzt werden oder auch um Eisspeicher abzubilden. Wenn Wärme- und Kältenutzung im Modell aktiviert ist, kann das Verhältnis von jährlich aus dem Boden entzogener Wärme zu jährlich in den Boden eingebrachter Wärme durch den Speicher-Zykluswirkungsgrad $\eta$ festgelegt werden:

\sum_t Q_\mathrm{HP,evap,t} = \eta \cdot \sum_t Q_\mathrm{CH,cond,t}

Für Aquiferspeicher ist $\eta$ = 70 % eine häufig genutzte Annahme.

Quellen

Planungshandbuch Wärmepumpen (Viessmann)
Leitfaden zur geothermischen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes
Richtlinie VDI 4640: Thermische Nutzung des Untergrunds