Beschreibung

Die thermische Nutzung des Untergrundes zum Kühlen und Heizen von Gebäuden rückt zunehmend in den Fokus - durch höhere Kosten für Energie und den politischen Willen, konventionelle Systeme für die Wärme- und Kältebereitstellung im Gebäudesektor durch ökologisch wie ökonomisch sinnvolle Alternativen zu ersetzen. Durch den Einsatz von Flächenheizsystemen in neuen Gebäuden und - nach der Sanierung - in Gebäuden im Bestand können diese Liegenschaften mit Niedertemperaturheizsystemen geheizt und falls notwendig gekühlt werden. Die relativ geringen Vorlauftemperaturen solcher Heizsysteme von ca. 35 °C ermöglichen die Nutzung von kostengünstiger Umweltwärme in Verbindung mit elektrischen oder thermischen Wärmepumpen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erschließung von Erdwärme mittels geschlossener vertikaler Erdreichwärmetauscher.

Gerade im kombinierten Betrieb solcher Erdwärmesonden ist die Nutzung des Untergrundes aufgrund des ganzjährig konstanten Temperaturniveaus der Sole von etwa 10 °C höchst interessant. Für den Heizfall wirkt sich die Spreizung zwischen Wärmequelle (Umweltwärme) und Vorlauftemperatur maßgeblich auf die Effizienz der Wärmepumpe aus. Das Temperaturniveau der Sole liegt im Winter verglichen mit anderen Wärmequellen wie z.B. Umgebungsluft deutlich höher, sodass höhere Arbeitszahlen der Wärmepumpe erzielt werden. Gleichzeitig sind die ganzjährig erreichten Rücklauftemperaturen der Sonden niedrig genug, um im Sommer z.B. ein Bürogebäude frei zu kühlen oder wie in der Lebensmittelbranche üblich, eine effiziente Rückkühlung der Kompressionskälteaggregate sicherzustellen.

Aufgrund dieser vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Geothermie im Gebäudebereich ist es zweckdienlich ein Simulationswerkzeug zu entwickeln, das eine große Bandbreite von Anwendungsfällen abdeckt und sowohl die Ermittlung energetischer Kennwerte für den Anlagenplaner zulässt als auch die Temperaturverteilung im Erdreich und/oder Grundwasser für den Bodenökologen liefert.

Ein Projektverbund, bestehend aus der Universität Tübingen (ZAG) bzw. nachfolgend dem KIT Karlsruhe, der Universität Stuttgart (VEGAS) und der Hochschule für Technik Stuttgart (zafh.net), wurde gebildet, um die Kernkompetenzen der Projektpartner für die Weiterentwicklung bestehender Simulationsmodelle (zafh.net) und die Kalibrierung kommerzieller Simulationstools (ZAG) anhand räumlich und zeitlich hochaufgelöster Messdaten (VEGAS) zusammenzubringen. Darüber hinaus wurden von allen Projektteilnehmern spezielle Fragestellungen bearbeitet, die in Eigenregie der Projektpartner vorangetrieben wurden. Für das zafh.net war dies die experimentelle Untersuchung einer Pilotanlage (Diffusions-Absorption-Kältemaschine DAKM) in Stuttgart-Vaihingen, die messtechnische Erfassung eines Lebensmittelmarktes in Norddeutschland und die Erstellung einer Dimensionsrichtlinie, aufbauend auf den Simulationsdaten und Messwerten aus untersuchten Geothermieanlagen.