Zur Dimensionierung von Erdsonden
gibt es die DIN 4640 Blatt 2.
Darin kann man
verschiedene Methoden finden,
Zwei davon habe ich mitgebracht, nämlich die beiden
vergleichsweise einfachen,
ohne große Simulationen.
Es gibt für Kleinstanlagen bis 8 kW Heizleistung
ein Verfahren (Tabelle B8), wo man nur
die Gebäudeheizlast braucht, also die Leistung,
die das Gebäude benötigt an Wärme
im Auslegungsfall bei der Normaußentemperatur,
also wenn es draußen sehr kalt ist.
Das wäre dann gleich der maximalen Heizleistung
der Wärmepumpe zu setzen.
Und man braucht die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs.
Dafür kann man sich
solcher Karten bedienen:
in Nordrhein-Westfalen gibt es
zum Beispiel Karten vom
geologischen Dienst.
Unter dieser Webadresse (blau)
kann man das abrufen.
Wenn man eine größere Anlage auslegen will
und ganz genau hinsehen will,
dann kann man auch
einen sogenannten Thermal-Response-Test machen:
Dafür wird eine Bohrung niedergebracht
und es wird tatsächlich geguckt,
wie warm kommt denn ein Fluid,
was ich in diese Bohrung reingebe,
wieder heraus,
woraus man dann
die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ablesen kann,
ganz konkret gemessen an einem Bohrloch
an der Stelle, wo Sie nachher
das Sondenfeld einbringen wollen.
Wenn die Anlagen größer werden,
gibt es auch so ein Tabellenverfahren
(wie Tabelle B8) nach Tabellen B2 bis B7.
Im Auslegungspunkt der Raumheizung
braucht man dann neben der Heizlast
noch die angestrebte niedrigste Soletemperatur,
habe ich gerade schon gesagt.
Wenn man lieber etwas großzügiger auslegt,
also diese angestrebte niedrigste Temperatur
gerne etwas höher wählt,
damit die Wirkungsgrade höher sind,
dann wird die Erdsonde etwas länger,
die aus dem Verfahren rauskommt.
Zudem muß man den
COP der Wärmepumpe kennen.
Da helfen solche (Wärmepumpen-Daten zu) Testpunkten,
wie wir sie vom Pumpenzentrum
in Buchs abrufbar haben, wo man dann
in Abhängigkeit der Solenutztemperatur,
(also des vermessenen Betriebspunktes)
den COP der Wärmepumpe kennt - im Auslegungsfall,
also wenn es draußen kalt ist.
Also bei einer Außenluftwärmepumpe
dann nicht bei 10 Grad Celsius,
sondern eher bei
-7 Grad Celsius und
bei der Solemaschine eher
bei 5 Grad Soletemperatur
oder 0 Grad Soletemperatur
und nicht bei 10 oder 15 Grad
- also niedrigsten (!) Temperaturen
bei der Quelle
und aber gleichzeitig höchsten (!) Nutztemperaturen,
(Nutztemperatur = Auslegungstemperatur des Heiznetzes)
Und je grösser der COP ist,
desto mehr Wärmequellenenergie braucht man!
(Man braucht) weniger Strom
aber weniger (MEHR!) Wärmequellenenergie
und deshalb wird die Erdsonde dann länger.
Dann muss man noch entscheiden,
ob man mit der Wärmepumpe auch
das Trinkwarmwasser erwärmen will.
Wenn man mit Trinkwarmwasser auslegt,
(also dazu nicht einen elektrischen
Durchlauferhitzer zum Beispiel nutzt,)
dann wird die Sonde auch wieder länger.
Und (als letztes) braucht man noch die Volllaststunden.
Ich habe Ihnen hier mal
einen typischen Wert angegeben,
für den Altbau sind das 1.800 Stunden pro Jahr.
Die Volllaststunden ist
die Betriebszeit der Wärmepumpe in Nennleistung,
also mit maximaler Leistung.
Wenn das eine modulierende Maschine wäre,
die 1.000 Stunden mit 50% Teillast laufen würde,
dann wären die Vollbenutzungsstunden 500 Stunden,
weil die gleiche Wärmemenge könnte
die Maschine ja mit 500 Stunden
in Volllast bereitstellen.
Also das würde man dann umrechnen.
Die Zahl braucht man auch und dann kann man
hier eine Tabelle raussuchen,
die dann zu dieser Variante,
die man auslegen will, passt und
dazu braucht es dann auch noch
eine Übereinstimmung mit den Randbedingungen,
die für diese Tabellen
zugrunde gelegt worden sind.
Bei den Berechnungen, zum Beispiel,
dass es nur maximal 5 Sonden sein dürfen,
die dürfen nur maximal 200 Meter tief sein,
die müssen mindestens 6 Meter Abstand haben.
Die Vorberechnungen, die dann
zu diesen Tabellenwerten geführt haben,
haben eine Untergrundtemperatur von 11 Grad
zugrunde gelegt im ungestörten Erdreich,
also ohne Sonde,
und ein Delta T zwischen Ein- und Austritt
des Solestroms von 3 Kelvin.
Also da stehen so ein paar Randbedingungen drin,
die aber jetzt nicht großartig gravierend sind.
Muss man aber drauf sehen,
damit das gegeben ist.
Nennenswert am Markt vertreten sind
dann wieder diese Warmwasser-Wärmepumpen.
Das war ein nennenswerter Anteil
in der Absatz-Statistik,
für diese Geräte, die einen Trinkwarmwasserspeicher
und eine kleine (direkt mit dem Speicher verbundene)
Wärmepumpe integriert haben,
und die in der Regel die Luft des Aufstellraumes
(also in der Regel Kellerluft) als Wärmequelle nutzen.
Na, solche Kleinwärmepumpen, die haben dann
vielleicht 500 Watt elektrische Anschlussleistung,
in dieser Größenordnung.
Die haben in der Regel auch noch einen Heizstab integriert,
falls diese Wärmepumpe mal nicht ausreichen sollte,
d.h. falls jede Menge Leute
hintereinander duschen wollen.
Wärmequelle ist die Kellerluft
und diese Speicher
haben dann 200 bis 450 Liter Speichervolumen.
Dann kann die Wärmepumpe
mit dieser kleinen Leistung
dieses Volumen temperieren und
mit 200 Liter Warmwasser können schon
einige Leute hintereinander duschen.
Und nicht unerwähnt bleiben sollte
natürlich die (jetzt folgende) preiswerte Option,
um ein Gebäude mit Wärmepumpen zu beheizen.
Wenn Sie sich auf YouTube umschauen,
finden Sie immer wieder Beiträge,
die dieses System favorisieren.
Das sind eigentlich Klimageräte.
Man könnte sagen, Luft/Luft-Wärmepumpen,
weil Sie wissen ja,
jede Wärmepumpe kann auch kühlen.
Es hat eine warme und eine kalte Seite.
(Unten im Bild) ist das Außengerät, (darüber) das Innenteil.
das Außenteil haben Sie mit Sicherheit schon
irgendwo gesehen, weil die hängen ja
an den Fassaden,
in der Regel dazu genutzt um Wärme abzuführen,
nämlich die Abwärme des Kälteprozesses.
Das Innenteil ist normalerweise dafür zuständig,
Luft im Innenraum zu kühlen.
Und die Abwärme wird dann hier (am Außenteil)
an die Außenluft abgeführt. Aber Sie können
den Prozess auch (umdrehen und ihn) nutzen, um zu heizen.
Dann sammeln Sie hier (aussen) die Umgebungswärme
aus der Außenluft und geben hier (innen) die Nutzwärme
auf der warmen Seite des Prozesses ab.
Und solche Geräte sind
in Summe natürlich preiswerter
wie so eine große Wärmepumpe mit Heizungsanlage,
(inklusive) aller Heizkörpern und so weiter.
Es ist eine Luftheizung.
In Amerika oder anderen Ländern finden Sie
solche Systeme sehr viel häufiger.
Deutschland hat sehr komfortable
Heizsysteme mit der Pumpwarmwasserheizung
mit unseren Heizkörpern und Flächenheizungen.
Das ist sehr behaglich,
so eine Fußbodenheizung zum Beispiel
- kostet aber auch viel Geld.
Ja, also diese (Klimageräte) sind umschaltbar,
man kann damit auch heizen.
Die Rauminnenteile mit
Raumluft-Kältemittel-Wärmeübertrager
haben einen Ventilator, der die Luft fördert,
und ggf. einen Filter,
der die Luft von Staub befreit,
vielleicht auch von anderen Substanzen,
die in der Luft drin sind.
Und die Außenteile
mit Außenluft-Kältemittel-Wärmeübertrager auch
haben auch Ventilatoren und in der Regel
dann auch mit den Komponenten,
der Wärmepumpe -
also Kompressor und Drossel.
Die letzte, prinzipielle Form,
die ich vorstellen will,
sind die Eisspeicher als Wärmequelle.
Hier Beispiel von einem großen Eisspeicher,
also das sind Zisternen,
wenn Sie so wollen,
in denen Kunststoffrohre verlegt sind,
die mit Wasser gefüllt sind und wo man
das Wasser soweit abkühlt, das es gefriert.
Und der Vorteil dieses Gefrierens,
den sehen Sie hier: wenn Sie das Wasser abkühlen,
haben Sie eine spezifische Wärmekapazität
in der Größenordnung von 4,2 Kilojoule
je Kilogramm und Kelvin,
und wenn Sie das Wasser gefrieren,
die Eisbildung, die geht einher mit einer
Kapazität hier von 333 Kilojoules je Kilogramm,
weil die Temperatur bleibt
bei der Eisbildung ja konstant.
Und wenn Sie das dann dividieren,
333 durch 4,2 entspricht das einer
Temperaturdifferenz von 80 Kelvin (bei "normalem" Wasserspeicher).
Na, und das ist natürlich interessant.
Sie müssen den Speicher dann so auslegen,
dass die Wärmequelle dann am Ende des Winters,
erschöpft ist,
also das Wasser komplett gefroren ist,
das Volumen entsprechend auslegen.
Eisspeicher haben eine vergleichsweise
konstante Wärmequellentemperatur von 0 Grad,
das ist ein Vorteil gegenüber Außenluftemperaturen,
die auch unter 0 Grad absinken können.
Sie müssen natürlich für Regeneration sorgen,
wenn das Ding einmal zugefroren ist,
dann müssen Sie es auch wieder auftauen im Sommer.
Perfekt ist es, wenn Sie dazu Energie nutzen können,
weil Sie ein Gebäude kühlen wollen,
also zum Beispiel ein Bürogebäude.
Das ist eine Win-Win-Situation.
Dann haben Sie im Sommer
diesen kalten Eisspeicher und können dort
Wärme einbringen aus dem Gebäude,
genauso wie in eine Erdsonde zum Beispiel.
Und dann ist nach dem Sommer der Eisspeicher
wieder aufgetaut und Sie können wieder Wärme
im Winter für die Wärmepumpe entnehmen.
Aber Sie können natürlich auch
andere Regeneration nutzen, z.B.
thermische Solarkollektoren,
die im Sommer Überschüsse produzieren.
Die können Sie dafür verwenden und
oder zum Beispiel einen Außenluft-Wärmeübertrager,
also einen normalen Rückkühler.
Der Aufwand ist nicht unbeträchtlich,
aber auch solche Anlagen werden gebaut.
Kein neues Prinzip -
und die letzte Folie zu diesem Abschnitt
zeigt Wärmepumpen im Megawatt-Bereich, Großwärmepumpen.
Die werden zunehmend in Deutschland gebaut,
weil sich die Fernwärmebetreiber
aufgrund der Gesetzgebung der Ampelregierung
alle auf den Weg machen,
ihre (Wärme-)Netze zu dekarbonisieren.
Es gibt ein entsprechendes Gesetz,
das Wärmeplanunggesetz
und darin enthalten ist dieser Teil
zur Dekarbonisierung der Wärmenetze.
Das wird auch unterstützt mit Fördermitteln.
Und Großwärmepumpen spielen dort
eine zentrale Rolle, die können
die Außenluft als Wärmequelle nutzen.
Sie sehen hier zum Beispiel so eine Anlage
in der Draufsicht und in der Seitenansicht,
das sind quasi Rückkühler,
wie sie sonst auf den Gebäuden stehen,
um Abwärme aus Kälteprozessen abzuführen.
Die werden hier genutzt,
um für die Wärmepumpe Wärme bereitzustellen.
Was man beachten muss,
wenn man das im bewohnten Bereich macht:
wie strömt die kalte Luft ab?
Also wenn es kalt ist draußen, z.B. knapp
über 0 Grad und Sie kühlen die Luft weiter ab,
dann entsteht da Reif
und wenn Sie das
in einem Wohngebiet verteilen,
dann eisen Sie die Nachbarschaft zu.
Ob die das dann so gut finden?
Das muss man einfach im Blick behalten.
In Heidelberg gibt es eine Anlage,
die ins Fernewärmenetz einspeist,
da sind die Außenluftwärmeübertrager
eingehaust in einem Gebäude
und es gibt Fortluftkamine,
die da aufgesetzt sind,
um das ein bisschen breiter zu verteilen
und diesen Vereisungseffekt in der Nachbarschaft
deutlich zu reduzieren, und
die betreiben die Wärmepumpe in Heidelberg auch,
ohne dass der Wärmeübertrager
auf dem Verdampfer vereist.
Das hatten wir bei den kleinen Maschinen besprochen.
Klar, wenn kalte Luft weiter abgekühlt wird
und in der Luft ist Wasserdampf enthalten,
der taut dann aus. Und wenn das unter 0 Grad ist,
dann verreisen die Wärmeübertragerflächen.
Das müssen Sie von Zeit zu Zeit abtauen,
das können die kleinen Maschinen auch.
Bei den großen ist man dann noch
ein bisschen vorsichtiger und
diese Anlage wird deshalb so betrieben,
dass man sie nur bis 5 Grad
Außenlufttemperatur betreibt.
Das Erdreich kann man natürlich
als Wärmequelle nutzen.
Große Erdsondenfelder oder auch
tiefere Erdsonden oder
längere Erdsonden,
die man nicht nur 100 Meter tief bohrt,
sondern ein paar 100 Meter tief
oder sogar 1.000, 2.000 Meter tief,
um an warmes Wasser heranzukommen.
Wenn man Sondenfelder als Wärmequelle nutzt,
dann muss man sich auch wieder
darüber Gedanken machen:
Wie regeneriert man dieses Sonnenfeld?
Eine Einzelsonde für ein
Einfamilienhaus ist kein Problem.
Das muss man auch im Kopf behalten,
dass da genügend Wärme zufließt,
aber das ist nicht das Problem,
wenn es ringsrum keine weiteren Sonden gibt.
Aber wenn Sie 100 Sonden, 200 Sonden
oder noch mehr auf einer Fläche bohren,
zwar mit einem bestimmten Abstand,
vielleicht ein Zehntel der Tiefe,
dann ist das eine andere Sache.
Dann sind die Sonden, die im Kern dieses
Sondenfeldes liegen, natürlich von Energieströmen
stärker abgeschnitten, wie die, die außen liegen.
Und deshalb muss man das mitberücksichtigen und
das kann man auch wieder machen, die Regeneration
durch sommerliche Kühlenergie aus Gebäuden,
überschüssige thermische Solarenergie,
Außenluftwärmeübertrager und das Grundwasser,
je nachdem wie schnell es strömt,
bringt natürlich auch Regeneration
ins Sondenfeld rein.
Und sowas simuliert man in der Regel
mit Softwaretools.
Das überlegt man sich nicht mehr im Kopf
oder nach einer VDi-Richtlinie,
sondern man macht eine Simulation.
Und dann gibt es weitere Wärmequellen:
ich habe es vorhin schon genannt,
Fluß-/See-/Meerwasser z.B, also
also Flusswärmepumpen werden wir mit Sicherheit
in Deutschland etliche sehen,
und tiefe Geothermie hatte ich gerade genannt,
das ist dann letztlich die Wärmequelle Erdreich,
oder auch industrielle Abwärme, zum Beispiel
aus Rechenzentren oder
aus gewerblichen industriellen Prozessen.
Soweit zu den vielfältigen Wärmequellen,
dadurch wird da Vielfalt generiert,
nicht durch die Maschinen selbst.
BVei den Maschinen haben wir nur die Unterscheidung,
ob über den Wärmeübertrager im Verdampfer
Luft, Sole oder Wasser fließt.
Vielmehr Unterscheidung gibt es nicht
bei den Maschinen.
Und als Unterscheidung auf der Nutzenseite:
Fließt da Heizungswasser oder ist da auch Luft?
Also da ist die Vielfalt recht begrenzt,
aber bei den Wärmequellen gibt es
sehr sehr viele Unterschiede und das muss man
dann im Einzelfall jeweils betrachten,
was die beste Möglichkeit ist.