Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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In Obfelden wird eine emissionsfreie Wärmeversorgung von Gebäuden mit neuen Technologien realisiert. Die Kombination einer Niederhub-Wärmepumpe mit einer tiefen Membran-Erdwärmesonde und Flächenheizungen ermöglicht ein effizientes Heizen im Winter und Kühlen im Sommer bei tiefstem Exergieverbrauch. Neben dem Nachweis der exergetischen und wirtschaftlichen Vorteile des 2SOL-Energiesystemes, sollen auch die Vorteile des dezentralen 2SOL-Ansatzes, d.h. 1 Niederhub-Wärmepumpe pro Membran-Erdwärmesonde, aufgezeigt werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine optimalen Abstimmung zwischen Quelle, Transformation und Senke sowie erhebliche Vorteile in der Bauphase, durch weniger horizontale Leitungen sowie Aktoren. Um dies Aufzuzeigen werden in dieser Siedlung zwei dezentrale Systeme (20 Wohnungen) und ein zentrales System (99 Wohnungen) installiert.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The innovative building project Obfelden stands for an emission-free heat generation in buildings. The combination of a low temperature-lift heat pump with a deep membrane borehole heat exchanger and floor heating allows for efficient heating in winter and cooling in summer, while ensuring lowest exergy consumption rates. Besides showing the exergetic and economic advantages of the 2SOL building energy system, a special focus is put on decentrallzed building Systems, i.e. one heat pump per borehole. The decentralized approach allows for an optimal dimensioning of source, heat transfonnation and sink. Also the installation phase is simplified due to a reduced amount of horizontal tubing and components. To validate these statements two decentralized Systems (supplying 20 apartments) and a centralized system (supplying 99 apartments) are installed.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Im Pilot- und Demonstrationsprojekt (P&D) Sentmatt wurde eine Wärmeversorgung mit dem Ziel eines CO2-emissionsarmen Betriebes umgesetzt. Dazu wurden zwei Anlagen, jeweils bestehend aus einer Niederhub-Wärmepumpe, einer neuartigen, tiefen Koaxial-Erdwärmesonde und einer Kombi-Solaranlage, zusammengesetzt aus einem Solarhybridkollektor-Feld und einem Feld mit unabgedeckten selektiven Solarkollektoren, realisiert. Diese dezentralen P&D-Anlagen versorgen jeweils fünf Wohnungen einer grösseren Überbauung mit insgesamt 119 Wohnungen und einer Energiebezugsfläche von 12'900 m2 auf drei Häuser verteilt. Die Wohnungen, die nicht zum P&D-Projekt gehören, werden von einem zentralen Heizungssystem versorgt, welches zusätzlich ein Bestandsgebäude mit höheren Vorlauftemperaturen versorgt. Die Neubauten wurden 2017 fertiggestellt und weisen einen berechneten Heizwärmebedarf von 28 kWh/m2 auf (SIA 380/1:2009). Die Auswertung des witterungsbereinigten Heizwärmeverbrauchs der Pilotanlage A zeigt mit 29.8 kWh/m2 eine gute Übereinstimmung mit der Berechnung. Pilotanlage B hat eine grössere Abweichung von plus 24% gegenüber der Normberechnung mit einem Heizwärmeverbrauch von 34.4 kWh/m2. Neben der innovativen Wärme- und Kälteerzeugung wurde im P&D-Teil auch eine neuartige Wärmeverteilung realisiert. So wurde hierbei, zusätzlich zu den in allen Gebäuden installierten thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS), eine aktive Heizkreisverteilung realisiert. Bei der aktiven Heizkreisverteilung kommen im Heizkreisverteiler keine Regelventile zum Einsatz, sondern kleine Pumpen mit einer geringen Leistungsaufnahme, welche die einzelnen Heizkreise mit den benötigten Volumenströmen versorgen. Eine Hauptpumpe im Technikraum ist weiterhin vorhanden. Diese überbrückt den Druckverlust bis zu den Heizkreisverteilern. Das Monitoring und alle Komponenten der dezentralen Anlagen sind Ende 2019 in Betrieb genommen worden. Die Auswertung des Monitorings von Heiz- und Kühlbetrieb haben einerseits aufgezeigt, dass das Konzept funktioniert und die Niederhub-Wärmepumpe in Kombination mit der tiefen Erdwärmesonde mit einer Jahresarbeitszahl von 5.4 (Warmwasser & Heizung, Pilotanlage A) eine hohe Effizienz aufweist. Anderseits wurde auch Optimierungspotenzial aufgedeckt, welches teilweise im Rahmen des P&D-Projekts umgesetzt wurde. Auch musste festgestellt werden, dass trotz gleicher Komponenten die Systemeffizienz der beiden Teilhäuser sehr unterschiedlich ausfällt. Ein wichtiger Meilenstein im Projekt war die Installation der neuartigen Koaxial-Erdwärmesonden. Diese funktioniert einwandfrei und liefert durchschnittlich 5-6 K höhere Quellentemperaturen im Vergleich zu einer Standard Erdwärmesonde. Die Regeneration des Erdreiches über die parallel installierten Hybridkollektoren (PVT) und unabgedeckten selektiven Kollektoren funktioniert in der Pilotanlage A zufrieden stellend, jedoch ist die thermische Leistung der Hybridkollektoren in der Pilotanlage B zu gering. Sehr wahrscheinlich ist dies auf ein technisches Problem zurückzuführen. Die aktive Kühlung konnte nur begrenzt zur Regeneration beitragen, da ein technisches Problem mit dem Umschaltventil in der Wärmepumpe die aktive Kühlung teilweise verunmöglichte. Die Auswertung der ersten beiden Jahre zeigt, dass ein Regenerationsgrad von durchschnittlich 72% für Pilotanlage A und 69% für Pilotanlage B erreicht wird. Dies liegt tiefer als die angestrebte Regeneration von 100%. Ein Grund dafür ist, dass durch die höhere Fluidtemperatur aus den tiefen Erdwärmesonden ein geringerer Solarertrag resultiert. Die Auswertung der aktiven Heizkreisverteilung hat sich im Rahmen dieses Projektes als schwierig erwiesen. Dennoch konnten einige wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden. Aus Sicht der Autoren ist der Einsatz einer aktiven Heizkreisverteilung kritisch zu beurteilen. Denn der damit erzielbare Nutzen erweist sich als zu gering, gegenüber den möglichen Fehlern, die bei der Umsetzung auftreten können. Abschliessend kann festgehalten werden, dass der Einsatz von tiefen Erdwärmesonden mit einer solaren Regeneration einen wesentlichen Beitrag leisten kann, um den Strombedarf im Winter zu reduzieren. Der Vergleich mit zwei Standardsystemen zeigt, dass der Stromverbrauch gegenüber einer Luft-Wasser-Wärmepumpe um 60% reduziert werden kann und gegenüber einer Sole-Wasser-Wärmepumpe um etwa 31%. Damit kann ein wesentlicher Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung im Winter geleistet werden (Stichwort «Winterenergielücke»).
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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In the Sentmatt pilot and demonstration project (P&D), a heat supply system was implemented with the goal of low CO2 emission operation. For this purpose, two systems, each consisting of a low-lift heat pump, a novel, deep coaxial geothermal probe and a combi-solar system, composed of a solar hybrid collector field and a field with uncovered selective solar collectors, were realized. These decentralized P&D systems each supply five apartments of a larger development with a total of 119 apartments and an energy reference area of 12’900 m2 distributed over three buildings. The apartments that are not part of the P&D project are supplied by a central heating system, which additionally supplies an existing building with higher flow temperatures. The new buildings were completed in 2017 and have a calculated heating demand of 28 kWh/m2 (SIA 380/1:2009). The evaluation of the weather-corrected heating consumption of pilot plant A shows a good agreement with the calculation with 29.8 kWh/m2. Pilot plant B has a larger deviation of plus 24% compared to the standard calculation with a heating consumption of 34.4 kWh/m2. In addition to the innovative heat and cold generation, a new type of heat distribution was also implemented in the P&D section. In addition to the thermoactive component systems (TABS) installed in all buildings, an active heating circuit distribution system was implemented. With active heating circuit distribution, no control valves are used in the heating circuit distributor, but small pumps with low power consumption, which supply the individual heating circuits with the required volume flows. A main pump is still present in the equipment room. This bridges the pressure loss up to the heating circuit distributors. The monitoring and all components of the decentralized systems were commissioned at the end of 2019. The evaluation of the monitoring of heating and cooling operation have shown on the one hand that the concept works and the low-lift heat pump in combination with the deep geothermal probe has a high efficiency with a seasonal performance factor of 5.7 (hot water & heating, pilot plant A). On the other hand, optimization potential was also uncovered, which was partially implemented as part of the P&D project. It also had to be noted that despite the same components, the system efficiency of the two sub-houses is very different. An important milestone in the project was the installation of the new type of coaxial geothermal probe. This works perfectly and delivers on average 5-6 K higher source temperatures compared to a standard geothermal probe. The regeneration of the ground via the parallel installed hybrid collectors (PVT) and uncovered selective collectors works satisfactorily in pilot plant A, but the thermal output of the hybrid collectors in pilot plant B is too low. Most likely, this is due to a technical problem. The active cooling could only contribute to the regeneration to a limited extent, because a technical problem with the switching valve in the heat pump made active cooling impossible. The evaluation of the first two years shows that a regeneration degree of 72% on average for pilot plant A and 69% for pilot plant B is achieved. This is lower than the target regeneration of 100%. One reason for this is that the higher fluid temperature from the deep borehole heat exchangers results in a lower solar yield. The evaluation of the active heating circuit distribution has proven to be difficult within the scope of this project. Nevertheless, some valuable insights could be gained. From the authors' point of view, the use of an active heating circuit distribution has to be judged critically. This is because the benefit that can be achieved with it proves to be too small compared to the possible errors that can occur during implementation. Finally, it can be stated that the use of deep geothermal probes with solar regeneration can make a significant contribution to reducing the electricity demand in winter. The comparison with two standard systems shows that the electricity consumption can be reduced by 60% compared to an air-water heat pump and by about 31% compared to a brine-water heat pump. This can make a significant contribution to securing the energy supply in winter (keyword "winter electricity gap").
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Schlussbericht
(Französisch)
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Dans le cadre du projet pilote et de démonstration (P&D) de Sentmatt, un système d'approvisionnement en chaleur a été mis en place dans le but de fonctionner à faible émission de CO2. À cette fin, deux systèmes ont été réalisés, chacun composé d'une pompe à chaleur avec un faible pincement de température, d'un nouveau type de sonde géothermique coaxiale profonde et d'un système solaire combiné composé d'un champ de capteurs solaires hybrides et d'un champ de capteurs solaires sélectifs non couverts. Ces systèmes décentralisés de P&D alimentent chacun cinq appartements d'un ensemble plus vaste de 119 appartements et d'un EBF de 12’900 m2 répartis sur trois bâtiments. Les appartements qui ne font pas partie du projet P&D sont alimentés par un système de chauffage central, qui alimente également un bâtiment existant avec des températures de départ plus élevées. Les nouveaux bâtiments ont été achevés en 2017 et ont un besoin de chauffage calculé de 28 kWh/m2 (SIA 380/1:2009). L'évaluation de la consommation de chauffage ajustée aux conditions météorologiques montre une bonne concordance avec le calcul pour la maison partielle A avec 29,8 kWh/m2. La maison partielle B présente un écart plus important de plus 24% par rapport au calcul standard avec une consommation de chauffage de 34,4 kWh/m2. Outre la génération innovante de chauffage et de refroidissement, un nouveau type de distribution de la chaleur a également été mis en oeuvre dans la section P&D. En plus des systèmes d'activation thermoactifs (TABS) installés dans tous les bâtiments, un système de distribution de circuit de chauffage actif a été mis en oeuvre dans la section P&D. Avec ce système, aucune vanne de régulation n'est utilisée dans le distributeur du circuit de chauffage, mais de petites pompes à faible consommation d'énergie, qui alimentent les circuits de chauffage individuels avec les débits volumiques requis. Une pompe principale est toujours présente dans la salle des machines. Elle pallie la perte de pression jusqu'aux distributeurs de circuits de chauffage. La surveillance et tous les composants des systèmes décentralisés ont été mis en service à la fin de l'année 2019. L'évaluation de la surveillance des opérations de chauffage et de refroidissement a montré d'une part que le concept fonctionne et que la pompe à chaleur avec un faible pincement de température combinée à la sonde géothermique profonde a un rendement élevé avec un facteur de performance annuel de 5,7 (ECS & chauffage, maison A). D'autre part, un potentiel d'optimisation a également été découvert, dont une partie a été mise en oeuvre dans le cadre du projet P&D. Il a également fallu déterminer que, malgré les mêmes composants, l'efficacité du système des deux maisons secondaires est très différente. Une étape importante du projet a été l'installation des nouvelles sondes géothermiques coaxiales. Celles-ci fonctionnent parfaitement et permettent d'obtenir des températures de source supérieures de 5 à 6 K en moyenne par rapport à un échangeur de chaleur de forage standard. La régénération du sol via les capteurs PVT installés en parallèle et les capteurs sélectifs non couverts fonctionne de manière satisfaisante dans la maison A, mais la performance des capteurs PVT dans la maison B est trop faible. Cela est très probablement dû à un problème technique, car le contact entre le module PV et le module thermique est mauvais. Le refroidissement actif n'a pu contribuer à la régénération que dans une mesure limitée, car un problème technique avec la vanne de commutation de la pompe à chaleur a rendu le refroidissement actif impossible. L'évaluation des deux premières années montre qu'un degré de régénération de 72% en moyenne est atteint pour la maison A et de 69% pour la maison B. Cela ne correspond pas à l'objectif du projet d'un degré de régénération. Cela ne correspond pas à l'objectif du projet, à savoir une régénération de 100%. Cela s'explique notamment par le fait que la température plus élevée de la sonde géothermique (plus grande profondeur) entraîne un rendement solaire plus faible. L'évaluation de système de distribution de circuit de chauffage actif s'est avérée difficile dans le cadre de ce projet. Néanmoins, des résultats intéressants ont été obtenus. Du point de vue des auteurs, l'utilisation de ce système doit être évaluée de manière critique. En effet, le bénéfice réalisable s'avère être trop faible par rapport aux erreurs possibles qui peuvent survenir lors de la mise en oeuvre. En conclusion, on peut affirmer que l'utilisation de sondes géothermiques profondes avec régénération solaire peut contribuer de manière significative à la réduction de la demande en électricité en hiver. Une comparaison avec deux systèmes standard montre que la consommation d'électricité peut être réduite de 60% par rapport à une pompe à chaleur air-eau et d'environ 31% par rapport à une pompe à chaleur eau glycolée-eau. Cela peut contribuer de manière significative à la sécurisation de l'approvisionnement en énergie en hiver (mot-clé "pénurie d’électricité ").
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