ServicenavigationHauptnavigationTrailKarteikarten


Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501950
Projekttitel
SolSeasStore – Saisonale Wärmespeicherung in städtischen Quartieren mit Erdwärmesonden

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Kurzbeschreibung
Anzeigen
-
-
Anzeigen
Schlussbericht
Anzeigen
-
Anzeigen
Anzeigen

Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

In der Energiewende des Wärmesektors der Schweiz spielen Erdwärmesonden eine tragende Rolle. Durch die immer dichter werdende Nutzung des Untergrundes wird eine Regeneration der Sonden dringlich. Mit einer Simulationsstudie wird die saisonale Speicherung über Erdwärmesonden untersucht, wobei ein besonderer Fokus auf der flächeneffizienten Nutzung von PVT-Kollektoren zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme liegt. Aus der Analyse dieser Quartiere und der Simulation von verschiedenen Ausbauszenarien werden übertragbare Kernaussagen erarbeitet.

Kurzbeschreibung
(Englisch)

Geothermal borehole heat exchangers (BHE) play an important role in the energy turnaround of the Swiss heating sector. Due to the increasingly dense utilisation of the ground, regeneration of the BHEs is becoming more urgent. With a simulation study, seasonal storage of solar thermal energy via geothermal BHE will be investigated, with a special focus on the area-efficient use of PVT collectors for the simultaneous generation of electricity and heat. From the analysis of these quarters and the simulation of different expansion scenarios, transferable key statements will be developed.

Schlussbericht
(Deutsch)
Für die emissionsfreie Wärmeversorgung von Wohnbauten stellen Wärmepumpen mit Erdwärmesonden eine energieeffiziente und wirtschaftliche Lösung dar. Allerdings muss mit der zunehmenden Verbreitung von Erdwärmesonden ihr Einsatz sorgfältig geplant werden. Insbesondere in Gebieten mit dichter Nutzung besteht die Gefahr einer langfristigen Unterkühlung des Erdreichs. In diesen Fällen ist eine Regeneration der Erdwärmesonden, z.B. durch solarthermische Wärme, eine mögliche Lösung. Jedoch ist die für Solarkollektoren nutzbare Dachfläche bezogen auf den Wärmebedarf der Gebäude vor allem in städtischen Gebieten verhältnismässig klein. Zudem soll auf den Dächern auch möglichst viel Strom produziert werden.

In dieser Simulationsstudie wird untersucht, wie weit die Regeneration von Erdwärmesonden in urbanen und suburbanen Wohnquartieren mit Solarenergie möglich ist, wenn das gesamte Quartier von Wärme-pumpen mit Erdwärmesonden versorgt werden soll. Basierend auf zwei Wohnquartieren in der Stadt Zürich werden Modellgebäude mit typischer Dachfläche, typischem Wärmebedarf und typischen Nachbargebäuden definiert. Der Wärmebedarf entspricht einem prognostizierten Wert für 2035. Mittels Systemsimulationen wird die nötige Sondenlänge und Fläche der Kollektoren für Solarthermie-Gewinnung ermittelt. Es werden unabgedeckte, ungedämmte PVT-Kollektoren, sowie solarthermische Absorber und Flachkollektoren ergänzt mit PV-Modulen, eingesetzt. Für Fälle, bei denen keine nachhaltige Regeneration durch eine PVT-Dachanlage möglich ist, wird stellvertretend ein Beispielgebäude mit her-ausfordernder EWS-Regeneration definiert. Anhand dieses Gebäudes erfolgt eine Potenzialabschätzung zusätzlicher Wärmequellen für die EWS-Regeneration, sowie eine Abschätzung des erforderlichen Strombedarfs während 50 Jahren Betriebszeit.

Flachkollektoren ermöglichen für alle Beispielgebäude auf der zur Verfügung stehenden Dachfläche deutlich mehr Regeneration als PVT-Kollektoren oder solarthermische Absorber (z.B. Schwimmbadkollektoren). Mit Flachkollektoren ist 20 bis 40 % weniger Dachfläche erforderlich als mit PVT-Kollektoren. Bei kleineren Gebäuden ist damit eine hundertprozentige Regeneration möglich. Bei grossen und sehr grossen Beispielgebäuden ist die Dachfläche auch mit Flachkollektoren nicht ausreichend. Mit PVT-Kollektoren lässt sich auch Strom gewinnen, was diese vorteilhaft macht.

Zur groben Abschätzung der geeigneten Regenerationsmassnahme kann für vollständige Regeneration mit einem Bedarf an für Solarenergie nutzbarer Dachfläche von 1.8 m2 pro MWh erforderlicher jährlicher Nutzwärme mit PVT-Kollektoren und von 1.2 m2/MWh mit Flachkollektoren gerechnet werden.

Über das ganze Quartier hinweg betrachtet ist in suburbanen Quartieren eine nachhaltige Wärmeversorgung mit regenerierten Erdwärmesonden sowohl mit Regeneration durch PVT-Kollektoren als auch durch Flachkollektoren möglich, sofern sich die Gebäude mit grossem Wärmebedarf über das Quartier verteilen. In urbanen Quartieren sind Bereiche zu erwarten, die eine vollständige Regeneration mit PVT-Kollektoren oder Flachkollektoren zulassen, aber auch Bereiche, in denen sich Gebäude mit grossem Wärmebedarf und geringer Dachfläche stark konzentrieren. Dort ist eine Regeneration alleine durch solare Wärme nur mit zusätzlichen Fassadenanlagen möglich. Alternativ ermöglicht auch die ergänzende Einbindung eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers eine vollständige Regeneration. Ein zur Regeneration mittels PVT-Kollektoren paralleler Betrieb einer Gebäudekühlung ist sowohl passiv wie auch aktiv möglich Der Regenerationsnutzen hängt stark vom künftigen Kühlbedarf ab, ist in der Regel jedoch vergleichsweise gering.

Mit PVT-Kollektoren kann mehr Solarstrom erzeugt werden als in der Jahresbilanz von den Heizsystemen (Wärmepumpen, Umwälzpumpen, etc.) verbraucht wird. Bei der Verwendung von ertragsstärkeren Flachkollektoren kann auch dann in der Jahresbilanz nicht genügend Eigenstrom erzeugt werden, wenn die übrigbleibende Dachfläche mit PV-Modulen belegt wird.

Eine allfällige Kürzung der Erdwärmesonden infolge der Regeneration hat negative Auswirkungen auf die Systemeffizienz und verursacht eine initiale Erhöhung des Winterstrombedarfes um rund 10 % gegenüber einem nicht regenerierten System. Langfristig ist jedoch eine leichte Reduktion des Winter-strombedarfs zu beobachten. Eine gleichbleibende Sondenlänge hingegen führt, verglichen mit einem unregenerierten System, zu einer langfristigen Reduktion des Winterstrombedarfes um bis zu 10 % und des Gesamtstromverbrauch über 50 Betriebsjahre um rund 1 %.
Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Englisch)
Ground source heat pump systems are an energy-efficient and economical way of supplying heat for residential buildings. However, with their increasing popularity, the deployment of borehole heat ex-changers must be carefully planned. Especially in areas with dense usage, a risk of long-term under-cooling of the ground is present. In these cases, regeneration is a possible solution, e.g. through solar thermal heat. But in urban areas, the roof area available for solar thermal collectors is often relatively small compared to the heat demand of the buildings. Moreover, there should also be as much electricity production as possible on these roof areas.

A simulation study is performed to examine how much regeneration of borehole heat exchangers is possible with solar thermal heat in urban and suburban residential districts in case the entire district uses ground source heat pumps. Based on two residential districts in the city of Zurich, model buildings with typical roof areas, typical heat demand, and typical neighbor buildings are defined. The heat de-mand corresponds to forecasted values for 2035. The necessary borehole dimensioning and size of the solar thermal collectors are determined by system simulations. Different collector types are investigated: Uncovered, uninsulated PVT collectors, solar thermal absorbers and flat-plate collectors as well as their combination with PV modules. For cases where no sustainable regeneration by a PVT roof system is possible, an example building with challenging regeneration of borehole heat exchangers is defined. Based on this building, the potential of additional heat sources for the regeneration of the borehole heat exchangers is estimated, as well as the required electricity demand during 50 years of operation.

For all model buildings, flat-plate collectors offer more regeneration on the available roof areas than PVT collectors or solar thermal absorbers (“swimming pool absorbers”). With flat-plate collectors, 20 to 40 % less roof area is required than with PVT collectors. For smaller buildings, 100 % regeneration is possible this way. However, for large and very large buildings, even flat-plate collectors are not sufficient for complete regeneration.

To roughly estimate appropriate regeneration methods for complete regeneration, a rule of thumb can be applied: With PVT, 1.8 m2 roof area are needed per MWh of annual heat demand. With flat-plate collectors, the required roof area per MWh is 1.2 m2.

On a district level, sustainable heat supply by regenerated borehole heat exchangers is possible in suburban districts with PVT as well as with flat-plate collectors, as long as the buildings with a large heat demand are evenly distributed over the district. In urban districts, areas are to be expected that allow for the complete regeneration by PVT or flat-plate collectors. But also areas in which buildings with large heat demand and small roof areas are heavily concentrated will most likely exist. There, regeneration by solar heat alone is only possible with additional facade systems. Alternatively, the supplementary integration of an air-water heat exchanger also enables complete regeneration. Parallel operation of a building cooling system to the regeneration with PVT collectors is possible both passively and actively. The regeneration benefit depends strongly on the future cooling demand but is usually comparatively low.

By using PVT collectors, more electricity can be produced over the course of a year than is consumed by the heating system. When flat-plate collectors are used, there is not enough electricity in the annual balance even when the remaining roof areas are covered with PV modules.

Any shortening of the borehole heat exchangers as a result of regeneration has a negative impact on system efficiency and causes an initial increase in winter electricity demand of around 10 % compared to a non-regenerated system. In the long term, however, a slight reduction in the winter electricity de-mand can be observed. A constant probe length, on the other hand, leads to a long-term reduction in winter electricity demand of up to 10 % and total electricity consumption of around 1 % over 50 years of operation compared to an unregenerated system.
Schlussbericht
(Italienisch)
Le pompe di calore con sonde geotermiche rappresentano una soluzione economica ed efficiente per la fornitura di calore per edifici residenziali evitando emissioni. Data la crescente diffusione delle sonde geotermiche, il loro utilizzo va attentamente pianificato; sussiste infatti a lungo termine, specialmente nelle zone ad alta densità di utilizzo il rischio di surraffreddamento del terreno. Una possibile soluzione in questi casi è la rigenerazione delle sonde geotermiche, utilizzando ad esempio il calore solare ter-mico. Nelle aree urbane la superficie dei tetti disponibile per l’istallazione di collettori solari termici è spesso relativamente piccola e limitata rispetto alla richiesta di calore degli edifici presenti. Va inoltre considerato che sui tetti disponibili andrebbe preferibilmente prodotta la maggior quantità di elettricità possibile.

Questo studio presenta una simulazione il cui scopo è esaminare quale porzione di rigenerazione delle sonde geotermiche è possibile soddisfare con il calore solare termico nei quartieri residenziali urbani e suburbani nel caso in cui l’intero quartiere utilizzi pompe di calore a terra. Edifici modello rappresentanti le tipiche superfici di tetto, la tipica richiesta di calore e i tipici edifici limitrofi sono stati definiti sulla base di due quartieri residenziali della città di Zurigo. Il fabbisogno di calore è rappresentato dal valore previ-sto per il 2035. Le simulazioni di sistema realizzate sono state utilizzate con lo scopo di determinare la lunghezza necessaria delle sonde e l’area dei collettori necessari per la generazione di energia solare termica. Sono stati considerati nello studio collettori PVT non coperti e non isolati, assorbitori solari termici e collettori piani come anche la loro integrazione con moduli fotovoltaici. Nei casi in cui non fosse possibile una rigenerazione sostenibile attraverso un sistema PVT sul tetto, è stato definito un esempio rappresentativo di edificio con una rigenerazione delle sonde geotermiche più complessa. Sulla base di questo edificio rappresentativo, viene stimato il potenziale delle fonti di calore aggiuntive per la rigenerazione delle sonde geotermiche, così come anche la domanda di elettricità richiesta du-rante 50 anni di funzionamento.

In tutti gli edifici modello considerati i collettori piani permettono una rigenerazione significativamente maggiore a parità di superficie di tetto disponibile se confrontati con collettori PVT scoperti o assorbitori solari termici. I collettori piani richiedono 20-40 % in meno della superficie del tetto rispetto ai collettori PVT o collettori solari. Per edifici più piccoli una rigenerazione del 100 % è in questo modo possibile, ciò non è invece possibile per gli edifici di dimensioni maggiori, dove neppure i collettori piani sono sufficienti per una rigenerazione completa.

Per ottenere una stima riguardante il metodo di rigenerazione appropriato per la rigenerazione completa è stata applicata la seguente approssimazione: per ogni MWh annuale di calore è necessario coprire 1,8 m² del tetto con collettori PVT, mentre l’aria richiesta per quanto riguarda i collettori piani è di 1,2 m².

Da un punto di vista di quartiere, un approvvigionamento sostenibile di calore tramite sonde geotermiche rigenerate è possibile nei quartieri periferici, sia per mezzo di rigenerazione con PVT sia grazie a collet-tori piani, a condizione che gli edifici con un elevato fabbisogno di calore siano distribuiti uniformemente sul quartiere. Nei quartieri urbani invece, ci si aspetta che ci siano aree dove la completa rigenerazione con PVT o con collettori piani sia possibile ma che esistano anche aree in cui gli edifici con un elevato fabbisogno di calore e con una bassa superficie del tetto siano fortemente concentrati. In questo caso la rigenerazione utilizzando unicamente il calore solare è possibile solamente con sistemi aggiuntivi sulle facciate. L’integrazione aggiuntiva di uno scambiatore di calore aria-acqua rappresenta anche un’alternativa per la rigenerazione completa. Il funzionamento di un sistema di raffreddamento dell’edi-ficio parallelo alla rigenerazione con collettori PVT è possibile sia passivamente che attivamente. Il be-neficio ricavato dal raffreddamento dipende fortemente dalla domanda futura di raffreddamento degli edifici, solitamente è però relativamente basso.

Utilizzando collettori PVT può essere generata più elettricità rispetto a quello consumata dai sistemi di riscaldamento nel corso dell’anno. Utilizzando invece collettori piani non viene generata elettricità suffi-ciente a coprire il bilancio annuale, anche nel caso in cui la superficie rimanente del tetto venga coperta con moduli fotovoltaici.

Qualsiasi accorciamento della lunghezza degli scambiatori di calore delle pompe di calore risultante dalla rigenerazione ha un impatto negativo sull’efficienza del sistema e causa un aumento iniziale di circa 10 % della domanda di elettricità durante l’inverno se comparata con la domanda di elettricità di un sistema non rigenerato. Tuttavia, a lungo termine, è possibile osservare una leggera riduzione della domanda di elettricità in inverno. Una lunghezza costante della sonda porta d’altra parte, in confronto ad un sistema non rigenerato, ad una riduzione nel lungo termine fino al 10 % della domanda di elettricità e ad una riduzione del consumo totale di elettricità di circa l’1 % in 50 anni di funzionamento.