Ziel des IEA Annex 52 war es, eine große Anzahl von erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen in verschiedenen Ländern (Schweden, Niederlande, Großbritannien, Finnland, Deutschland, Norwegen und USA) unter dem Gesichtspunkt der Langzeitperformance zu monitoren, zu analysieren und zu bewerten. Die bis zu 40 untersuchten Beispielanlagen decken eine Reihe von Gebäudetypen, Systemanwendungen und Erdwärmequellen ab. Mit all diesen unterschiedlichen Systemanwendungen, internationaler Erfahrungen und Informationen als Grundlage konnten Leitlinien für die Messtechnik und das Monitoring, zur Unsicherheitsanalyse, zur Daten- und Performanceanalyse und geeignete Performanceindizes erarbeitet und zur Verfügung gestellt werden.

Die SPFs der Systeme sind von System zu System sehr unterschiedlich, wobei bisher größtenteils keine klaren Beziehungen zwischen SPF und anderen Faktoren besteht. Im Annex wurden die Ergebnisse zur Systematisierung von Feldmessungen herangezogen, indem neue Grenzschemata für die Bewertung der Arbeitszahl eingeführt wurden (Basis SEPEMO), sodass eine breite Palette an Systemmerkmalen Berücksichtigung finden, die über typische Haussysteme hinausgehen.

Der Vortrag soll einen Überblick über den IEA HPT Annex 52 – „Longterm performance measurement of GSHP systems serving commercial, institutional and multi-family buildings“ geben, einschließlich der Monitoringprojekte und deren Ergebnisse. Der Fokus liegt dabei auf der Darstellung der Monitoring Ergebnisse und Performance der untersuchten Wärmepumpenanlagen.

Steigende Preise für fossile Energieträger beschleunigen den Einsatz einer sicheren, wirtschaftlichen und umweltschonenden Energieversorgung im Gebäudesektor. Im Bereich der Niedertemperaturwärmeversorgung (Raumheizung, Warmwasserbereitung) ist der Einsatz von Wärmepumpen (WP) in Kombination mit Erdwärmesonden (EWS) insbesondere für größere Gebäude eine etablierte Technologie. Voraussetzung für einen nachhaltigen Betrieb der EWS-Anlagen ist allerdings, dass das im Winter infolge des Wärmeentzugs abgekühlte Erdreich über den Sommer wieder regeneriert. In dieser Studie werden zuerst die Betriebsweise und das thermische Verhalten von zwei EWS-Feldern für die Wärme- und Kälteversorgung eines Bürogebäudes anhand von mehrjährigen Messdaten untersucht. Es zeigt sich, dass die gemessene Kälteleistung der EWS-Felder von den Planungswerten deutlich abweicht und bei einer andauernden, unausgeglichenen Wärmebilanz das Erdreich im Laufe der Jahre erwärmt bzw. abgekühlt wird. Die Temperaturentwicklungen des Wärmeträgermediums und im Untergrund werden mit numerischen Berechnungsansätzen in TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation tool) und FEFLOW (Finite Element sub-surface FLOW system) abgebildet und über die gesamte Nutzungsdauer der EWS-Felder von 50 Jahren extrapoliert. Die mit beiden Simulationsprogrammen simulierte Temperatur des Wärmeträgermediums stimmt gut mit den Messdaten aus über 10 Jahren überein. Basierend auf den Ergebnissen der Temperaturprognose wird die Betriebsweise der EWS-Felder durch den Einsatz unterschiedlicher Regerationsoptionen, beispielsweise mit Hilfe der Einspeisung von Solar-, Umwelt- und Abwärme in das Erdreich, optimiert. Neben der Energiebilanzzahl und des Netto-Wärmeentzugs spielt beim nachhaltigen Betrieb der EWS-Felder auch die zeitliche Verfügbarkeit der Regenerationswärme eine wichtige Rolle. Der Einfluss der aktiven Regeneration wird verringert, wenn ein starker Grundwasserfluss bereits für eine natürliche Regeneration sorgt.

Die Dimensionierungstabellen für Erdwärmekollektoren in der Richtlinie VDI 4640 Blatt 2 basieren auf Simulationen mit fest definierten Randbedingungen und je Klimazone vorgegebenen Lastverläufen. Entsprechend der Zielrichtung eines Tabellenverfahrens sind die resultierenden Entzugsleistungen und Entzugsenergien tendenziell konservativ, um Unterdimensionierungen von Anlagen zu vermeiden. Bei günstigeren Randbedingungen und Lastverläufen (z. B. Wärmerückspeisung im Sommer) als in der Richtlinie angegeben, können demzufolge u. U. höhere Leistungswerte erzielt werden. Dies zu quantifizieren erfordert i. d. R. Simulationen, die naturgemäß zu anderen Ergebnissen führen, was mitunter kritisiert wird.

Demgegenüber existieren für Erdwärmesonden dynamische und flexible Rechenverfahren und Auslegungsprogramme wie EED u. a. m., die einen leistungsfähigen Zwischenweg zwischen Tabellen und aufwändigen numerischen Simulationen darstellen. So können die Dimensionierungstabellen für Erdwärmesonden in VDI 4640 Blatt 2 z. B. mit der Web-Anwendung GEO-HAND^light for BWP auf anderen Randbedingungen umgerechnet werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens QEWSplus „Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (FKZ: 03EE4020A-H, www.qewsplus.de) wird ein Energie- und Leistungsbilanzverfahren für Erdwärmekollektoren entwickelt, mit dem Erdwärmekollektoren einfach für von der VDI 4640 Blatt 2 abweichende Randbedingungen dimensioniert werden können. Dieses Rechenverfahren und seine Anwendung werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt.

Im Zuge der Verdichtung oberflächennaher geothermischer Anlagen wird die Bedeutung potentieller gegenseitiger Beeinflussung von Erdwärmesonden (EWS) in Zukunft zunehmen. Bislang werden die thermischen Auswirkungen einzelner Erdwärmesondenanlagen mit geringer Leistung (< 30 KW) im Allgemeinen jedoch nicht explizit numerisch simuliert. In dieser Studie wurde ein für das Norddeutsche Becken typisches vereinfachtes 3-Schichtenmodell quartärer und tertiärer Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer in Verbindung mit einer Vielzahl von EWS-Einzelanlagen und EWS-Feldern in COMSOL Multiphysics sowie in FEFLOW erstellt. Das Ziel der thermisch-hydraulischen 3D-Simulationen liegt zum einen in der Quantifizierung der Temperatur- und Druckänderungen unter verschiedenen thermischen und hydrodynamischen Lastzuständen und zum anderen in der Abgrenzung des thermisch-hydraulisch beeinflussten Bereiches der EWS-Gesamtanordnung. Darüber hinaus werden Kurz- und Langzeitperformance unter verschiedenen hydrogeologischen Charakteristika (Fließgeschwindigkeit, hydraulische Durchlässigkeit) von Lockergesteinsgrundwasserleitern untersucht. Zur Entwicklung der statischen und dynamischen Modelle wird ein effizienter Workflow präsentiert, der unter anderem die optimale räumliche Diskretisierung sowie die Erarbeitung des Geschwindigkeitsfeldes in den Doppel-U-Rohren beinhaltet. Besondere Beachtung erfahren vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Betriebsweise die thermischen Interaktionen. In dieser Studie präsentieren wir die letzten Modell- und Simulationsergebnisse.

Im Verbundvorhaben QEWSplus (FKZ: 03EE4020A-H) werden Methoden zur Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme untersucht. Ein Teilprojekt befasst sich mit der Entwicklung innovativer geophysikalischer Messsonden. Hierbei wird unter anderem eine Ultraschallsonde zur Überprüfung der Verfüllqualität von Erdwärmesonden entwickelt.

Sedimentation, Penetration und Filtration können in Verfüllungen von Erdwärmesonden Fehlstellen verursachen, die sich nachteilig auf den Grundwasserschutz, die Effizienz der Geothermieanlage auswirken sowie zu Hebungen und Setzungen des Untergrunds führen können. Um diese Defekte in der Verfüllung gezielt detektieren zu können wurde eine Ultraschallsonde entwickelt. Hierbei beeinflussen die Defekte in der Verfüllung die Reflektion und Transmission des Signals und können so durch Veränderungen des Empfängersignals erkannt werden.

In Laborversuchen konnten wassergefüllte simulierte Fehlstellen mit etwa 4 cm Durchmesser detektiert werden. Dabei wurden verschiedene Verfüllmaterialien und Defektpositionen in der Verfüllung gemessen. Experimente wurden mit Puls-Echo-Anordnung, bei der das reflektierte Signal vom Sender gemessen wird, sowie mit Sender-Empfänger-Anordnung, bei der das transmittierte Signal von einem baugleichen Empfänger gemessen wird, durchgeführt. Es wurden unterschiedliche Reflektoren für gerichtete und ungerichtete Messungen verwendet. Mit dem Sender-Empfänger-Verfahren sind auch Messungen mit Sender und Empfänger in unterschiedlichen Rohren möglich um Erdwärmesonden mit komplizierterem Querschnitt zu untersuchen. Diese Verfahren wurden unter realitätsnahen Bedingungen in einer Erdwärmesonde getestet.