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Free Cooling und Solare Regeneration
FREE COOLING & SOLARE REGENERATION IM ERDWÄRMESONDENFELD – EIN WIDERSPRUCH?
Fachartikel
Autor: Markus Widmer, EK Energiekonzepte AG, einem Mitglied der Allianz 2SOL
Free Cooling, darunter versteht man die direkte Gebäudekühlung ohne Einsatz einer Kältemaschine, wird bei Erdwärmesondenanlagen oft als gratis nutzbarer Komfortgewinn angepriesen. Doch bei grossen Anlagen mit solarer Regeneration kann sich ein Zielkonflikt durch die auftretenden hohen Regenerationsleistungen im Sommer ergeben. Warum sich eine Optimierung des Gesamtsystems auf den Heizfall lohnt, und wie die Gratiskälte aus der Brauchwarmwasserbereitung genutzt werden kann, zeigt der folgende Artikel auf.
Ausgangslage: Kühlung erwünscht!
Sogenanntes Free Cooling - direkte Kühlung ohne Einsatz einer Kältemaschine – wird bei Erdwärmesondenanlagen oft als gratis nutzbarer Komfortgewinn und als Effizienzsteigerung angepriesen. Einerseits würden die Räume im Sommer angenehm gekühlt und gleichzeitig der Erdwärmespeicher für den kommenden Winterbetrieb regeneriert. Entsprechend wünschen sich viele Bauherrschaften eine solche sanfte Gebäudekühlung, wenn grossflächige Abgabesysteme wie Fussbodenheizungen oder thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) geplant oder schon vorhanden sind.
Bei der Auslegung und Optimierung von regenerierten Erdwärmesondenfeldern in Kombination mit Free Cooling stossen wir aber auf Effekte, welche diese Versprechungen in Frage stellen. Im Folgenden sollen diese Effekte und die wichtigsten Einflussgrössen diskutiert, sowie Nutzen und Abhängigkeiten beim Free Cooling in regenerierten Erdwärmesondenanlagen erläutert werden.
Lesen Sie weiter im ausführlichen Fachartikel Free Cooling & Regeneration (PDF)
Fazit und Planungsempfehlungen
- Jede Anlage ist ein Einzelfall und sollte mittels thermischer Simulationen über 50 Jahre fachgerecht ausgelegt werden. Die aufgeführten Schlussfolgerungen gelten für die im Artikel erwähnten Randbedingungen und können nicht ohne weiteres auf alle regenerierten Erdwärmesondensysteme und Anlagegrössen übertragen werden.
- Die Gleichzeitigkeit hoher solarer Regeneration und der typischen Kühllast aus der Gebäudekühlung führt in der intensivsten Kühlperiode zu erhöhten Sondenaustrittstemperaturen, welche die Nutzung von Free Cooling einschränken können.
- Der Heizfall dominiert bei einem hohen Anteil an Wohnnutzung typischerweise die Betriebskosten. Eine Auslegung des solar regenerierten Erdwärmesondenfelds auf eine maximale Nutzung von Free Cooling ist langfristig sowohl energetisch als auch ökonomisch nicht sinnvoll. Eine Optimierung des Erdwärmesondenfelds auf den Heizfall gemäss den Prinzipien von 2SOL spart trotz teils mechanischer Kälteerzeugung insgesamt Exergie und Kosten.
- Während der Brauchwarmwassererwärmung über die Wärmepumpe ist der Sondeneintritt einige Kelvin kälter als der Sondenaustritt. Die Nutzung dieser „Gratis-Kälte“ kann bereits einen relevanten Teil des Kältebedarfs decken. Modulierende Wärmepumpen eigenen sich gut, um die Brauchwarmwasserbereitung in der Kühlperiode entsprechend dem Kältebedarf über den Tag zu verteilen. Dieser Betriebszustand sollte im Kühlfall als erste Priorität geregelt werden. Bei wassergefüllten Sonden kann der Wärmetauscher für das Free Cooling resp. die Nutzung der „Gratis-kälte“ aus der BWW-Bereitung direkt nach dem Verdampfer der Wärmepumpe platziert werden.
- Falls der Kältebedarf kompromisslos gedeckt werden soll, muss eine mechanische Kälteerzeugung integriert werden. Es sind Wärmepumpen mit interner Umschaltung zur Kältemaschine verfügbar. Dadurch kann der hydraulische Mehraufwand zur Einbindung der mechanischen Kühlung reduziert werden.
- Der Stromverbrauch der mechanischen Kälteerzeugung in der Kühlperiode kann mit typisch dimensionierten PVT-Anlagen zur Regeneration der Erdwärmesonden weitgehend über Eigenverbrauch gedeckt werden.
Den ausführlichen Fachartikel Free Cooling & Regeneration downloaden (PDF)
Der Autor:
Markus Widmer, Dipl. Umw. Natw. ETH und MAS Energieingenieur Gebäude HSLU/FHZ, ist seit 2011 bei EK Energiekonzepte AG verantwortlich für die Begleitung von 2SOL-Projekten. Die EK Energiekonzepte AG ist ein langjähriges Mitglied der Allianz 2SOL.
Kontakt:
EK Energiekonzepte AG, Sihlquai 55, 8005 Zürich; T +41 44 3 555 000; T +41 44 3 555 003 (direkt); m.widmer@energiekonzepte.ch, www.energiekonzepte.ch