Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Es wird ein neues Heiz- und Kühlkonzept für Wohngebäude und -areale untersucht, welches PVT-Kollektoren und einen gedämmten, nach unten offenen Erdspeicher als Puffer- und Langzeitspeicher nutzt. Neben der Wärme aus den PVT-Kollektoren und dem Erdreich wird auch überschüssige Raumwärme im Erdspeicher gepuffert und falls erforderlich während der Nacht über die PVT-Kollektoren rückgekühlt. Neben dem Einsatz in Einzelgebäuden lässt das System auch eine Vernetzung zu einem Wärme- und Kälteverbund, wie auch eine nachträgliche Erweiterung mit zusätzlichen Gebäuden zu. Bezüglich Gesamtenergieeffizienz und einer netzdienlichen Anbindung (z.B. Demand-Side-Management) kann so ein grosses Potenzial erschlossen werden. Dieses System könnte eine Alternative zu marktüblichen Systemen sein, weil es in der Lage ist, ohne Nachrüstungen sowohl die heute benötigte Heizwärme als auch die künftig erforderliche Klimakälte bereit zu stellen.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
A new heating and cooling concept for residential buildings and areas is being investigated, which uses PVT collectors and an insulated ground storage tank open at the bottom as a buffer and long-term storage. In addition to the heat from the PVT collectors and the ground, excess space heat is also buffered in the ground storage tank and, if necessary, recooled during the night via the PVT collectors. In addition to use in individual buildings, the system can also be connected to form a heating and cooling network, as well as retrofitted with additional buildings. In terms of overall energy efficiency and a grid-serving connection (e.g. demand-side management), a great deal of potential can be tapped in this way. This system could be an alternative to commercially available systems because it is able to provide both the heating required today and the air-conditioning required in the future without retro-fitting.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Un nouveau concept de chauffage et de refroidissement pour les bâtiments et les zones résidentiels est à l'étude. Il utilise des capteurs PVT et un réservoir souterrain isolé et ouvert vers le bas comme réservoir tampon et de stockage à long terme. En plus de la chaleur provenant des capteurs PVT et de la terre, l'excédent de chaleur ambiante est stocké dans le réservoir de terre et, si nécessaire, refroidi pendant la nuit par les capteurs PVT. Outre l'utilisation dans des bâtiments individuels, le système permet également de créer un réseau de chaleur et de froid, ainsi qu'une extension ultérieure avec des bâtiments supplémentaires. Un grand potentiel peut ainsi être exploité en termes d'efficacité énergétique globale et de connexion au réseau (par ex. gestion de la demande). Ce système pourrait constituer une alternative aux systèmes disponibles sur le marché, car il est en mesure de fournir aussi bien la chaleur de chauffage nécessaire aujourd'hui que le froid de climatisation requis à l'avenir, sans nécessiter d'équipement ultérieur.
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Ziel des Projekts ExSolStore ist es, die Einsatzgrenzen eines Heizungs-/Kühlsystems zu bestimmen, das gedämmte, nach unten offene Erdspeicher, eine Wärmepumpe sowie ungedämmte PVT-Kollekt-oren oder Flachkollektoren als primäre Wärmequellen kombiniert. Hierzu wurden eine Versuchsanlage gebaut, ein Simulationsmodell für den Erdspeicher entwickelt und eine Parameterstudie für ein Mehrfa-milienhaus an den Standorten Zürich, Davos und Lugano durchgeführt. Eine Plausibilitätskontrolle des thermischen Verhaltens des Simulationsmodells erfolgte mittels FEM-Simulation (Finite-Elemente-Me-thode) und Vergleich mit ersten Messwerten der Versuchsanlage. Beim Einsatz von PVT-Kollektoren (in alpinen Regionen aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatu-ren nicht geeignet) zeigt sich, dass das System weder ökologische noch ökonomische Vorteile gegen-über einer alleinigen Nutzung der PVT-Kollektoren ohne Erdspeicher bietet. Die Jahresarbeitszahl (JAZ+: Verhältnis von abgegebener Wärme zu zugeführtem Strom für Wärmepumpe und Pumpe im Quellenkreislauf) bei PVT-Kollektoren mit Erdspeichern liegt zwischen 4,1 und 4,5, wobei die Speicher-grundfläche kaum Einfluss auf die JAZ+ hat. Statt dem Einsatz eines Speichers können die PVT-Kolle-ktoren auch ausschliesslich direkt als Wärmequelle genutzt werden. Das System mit Flachkollektoren eignet sich besonders für Gebäude mit niedrigem Wärmebedarf in Regionen mit hoher und regelmässiger solarer Einstrahlung im Winter, wie in alpinen Gebieten oberhalb der Nebelgrenze oder der Südschweiz. Für das Schweizer Mittelland ist die Eignung im Einzelfall zu prüfen. Benötigt werden eine ausreichend nach Süden ausgerichtete Kollektorfläche von ca. 2 m²/MWh Wärmebedarf (max. ± 45° Südabweichung) mit einer Neigung von über 35° sowie eine Erdspeicher-grundfläche von 6 - 7 m²/MWh (5 – 7 m² in alpinen Regionen und 4 – 5 m² in der Südschweiz). Die Jah-resarbeitszahl (JAZ+) liegt im Bereich von 4,5 und 4,8 und ist damit vergleichbar mit Erdwärmesonden ohne Regeneration und deutlich effizienter als Luft/Wasser-Wärmepumpen. Die geschätzten Kosten pro kWh über 20 Jahre liegen bei 29–31 Rp./kWh, was das System als kosten-intensiv erscheinen lässt. Die Kosten sind vergleichbar mit Systemen mit regenerierten Erdwärmeson-den, liegen bei einem Strompreis von 25/13 Rp./kWh (Hoch-/Niedertarif) jedoch rund 20 % höher als bei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Erhebliche Unsicherheit besteht jedoch bei den Kosten für die erfor-derlichen Erdarbeiten (z.B. Scherfestigkeit des Bodens, Skelettanteil am Gesamtboden oder Zufahrts-bedingungen). Reduktionspotenzial besteht bei hoher Einstrahlung oder wärmeren Klimabedingungen. Trotz seines relativ einfachen Aufbaus kann das entwickelte Kompaktmodell das Verhalten der Ver-suchsanlage plausibel nachbilden. Faktoren wie Niederschlag und Bodeneigenschaften haben einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften des Erdreichs als Wärmequelle, -senke und -speicher. Der Vergleich von Simulation und Messdaten verdeutlicht die Notwendigkeit, wetterbedingte Einflüsse auf den Temperaturverlauf im Boden in künftigen Simulationen stärker zu berücksichtigen. Auch Wärme-ströme durch die Dämmschicht im Erdspeicher, sollten in künftigen Modellen berücksichtigt werden.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
The aim of the ExSolStore project is to determine the application limits of a heating/cooling system that combines insulated, open-bottomed ground storage tanks, a heat pump and uninsulated PVT collectors or flat-plate collectors as primary heat sources. For this purpose, a test system was built, a simulation model for the ground storage system was developed and a parameter study was carried out for an apartment building in Zurich, Davos and Lugano. A plausibility check of the thermal behavior of the simulation model was carried out using FEM simulation (finite element method) and comparison with initial measured values from the test system. The use of PVT collectors (not suitable in alpine regions due to the low ambient temperatures) shows that the system offers neither ecological nor economic advantages over the sole use of PVT collectors without ground storage. The annual coefficient of performance (SPF 2: ratio of heat output to electricity input for heat pump and pump in the source circuit, no back-up heater used) for PVT collectors with ground storage is between 4,1 and 4,5, whereby the storage base area has hardly any influence on the SPF 2. Instead of using a storage tank, the PVT collectors can also be used as a direct heat source. The system with flat-plate collectors is particularly suitable for buildings with low heating requirements in regions with high and regular solar radiation in winter, such as in alpine areas above the fog line or in southern Switzerland. For the Swiss Plateau, suitability must be checked on a case-by-case basis. A sufficiently south-facing collector area (max. ± 45° south deviation) of approx. 2 m²/MWh heat require-ment with an inclination of over 35° and a ground storage base area of 6 - 7 m²/MWh (5 - 7 m² in alpine regions and 4 - 5 m² in southern Switzerland) are required. The annual coefficient of performance (SPF 2) is in the range of 4,5 and 4,8 and is therefore comparable to geothermal probes without regen-eration and significantly more efficient than air/water heat pumps. The estimated costs per kWh over 20 years are 29-31 Rp./kWh, which makes the system appear cost-intensive. The costs are comparable to systems with regenerated geothermal probes, but at an electric-ity price of 25/13 Rp./kWh (high/low tariff) they are around 20 % higher than for air/water heat pumps. However, there is considerable uncertainty regarding the costs for the necessary earthworks (e.g. shear strength of the soil, proportion of skeleton in the total soil or access conditions). Reduction potential exists with high irradiation or warmer climatic conditions.
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
L'objectif du projet ExSolStore est de déterminer les limites d'utilisation d'un système de chauffage/re-froidissement combinant des accumulateurs terrestres isolés et ouverts vers le bas, une pompe à cha-leur et des capteurs PVT non isolés ou des capteurs plats comme sources de chaleur primaires. Pour ce faire, une installation expérimentale a été construite, un modèle de simulation a été développé pour l'accumulateur terrestre et une étude de paramètres a été réalisée pour un immeuble d'habitation sur les sites de Zurich, Davos et Lugano. Un contrôle de plausibilité du comportement thermique du modèle de simulation a été effectué au moyen d'une simulation FEM (méthode des éléments finis) et d'une comparaison avec les premières valeurs de mesure de l'installation expérimentale. En utilisant des capteurs PVT (non appropriés dans les régions alpines en raison des basses tempéra-tures ambiantes), il s'avère que le système n'offre aucun avantage écologique ou économique par rap-port à une utilisation exclusive des capteurs PVT sans stockage souterrain. Le coefficient de perfor-mance annuel (CPA+ : rapport entre la chaleur dégagée et l'électricité fournie pour la pompe à chaleur et la pompe du circuit source) des capteurs PVT avec accumulateur terrestre se situe entre 4,1 et 4,5, la surface de base de l'accumulateur n'ayant pratiquement aucune influence sur le CPA+. Au lieu d'uti-liser un accumulateur, les capteurs PVT peuvent aussi être utilisés exclusivement et directement comme source de chaleur. Le système avec capteurs plats est particulièrement adapté aux bâtiments ayant de faibles besoins en chaleur dans les régions où le rayonnement solaire est élevé et régulier en hiver, comme dans les régions alpines au-dessus de la limite du brouillard ou dans le sud de la Suisse. Pour le Plateau suisse, l'adéquation doit être vérifiée au cas par cas. Il faut une surface de capteurs suffisamment orientée vers le sud (écart maximal de ± 45° par rapport au sud) d'environ 2 m²/MWh de besoins en chaleur avec une inclinaison de plus de 35° ainsi qu'une surface de base d'accumulateur terrestre de 6 à 7 m²/MWh (5 à 7 m² dans les régions alpines et 4 à 5 m² dans le sud de la Suisse). Le coefficient de performance annuel (COP+) se situe dans une fourchette de 4,5 et 4,8, ce qui est comparable aux sondes géother-miques sans régénération et nettement plus efficace que les pompes à chaleur air/eau. Le coût estimé du kWh sur 20 ans est de 29-31 centimes/kWh, ce qui fait apparaître le système comme coûteux. Les coûts sont comparables à ceux des systèmes avec sondes géothermiques régénérées, mais, avec un prix de l'électricité de 25/13 centimes/kWh (haut/bas tarif), ils sont environ 20 % plus élevés que ceux des pompes à chaleur air/eau. Il existe toutefois une incertitude considérable quant aux coûts des travaux de terrassement nécessaires (p. ex. résistance au cisaillement du sol, part du squelette dans le sol total ou conditions d'accès). Il existe un potentiel de réduction en cas de rayonne-ment élevé ou de conditions climatiques plus chaudes.
|
