Short description
(German)
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Eine dichte Nutzung von geothermischen Erdwärmesonden führt zu einer Langzeitauskühlung des Untergrundes, welche durch Regeneration verhindert werden kann. Asphaltkollektoren, welche die Wärme aus der Sonneneinstrahlung nutzbar machen, stellen eine mögliche kostengünstige Wärmequelle für diese Regeneration dar. Erste Pilotprojekte haben gezeigt, dass mit im Asphalt verlegten Kollektorrohren vielversprechende Erträge erzielt werden können. Dabei ist jedoch die Rezyklierbarkeit des Asphalts nicht mehr gegeben. Aufgrund von Simulationen wird davon ausgegangen, dass auch eine Verlegung der Kollektorrohre in der darunterliegenden Sauberkeitsschicht für die Anwendung der Erdsondenregeneration möglich ist. In diesem Projekt wird zum ersten Mal ein rezyklierbarer Asphaltkollektor für die Regeneration von Erdsonden gebaut, vermessen und optimiert.
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Short description
(English)
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The use of densely drilled geothermal borehole heat exchangers leads to long-term cooling of the underground, which can be avoided by regeneration. Asphalt collectors provide a potential to act as a cheap heat source for this purpose. Promising results were generated in pilot projects with collector piping directly integrated in the asphalt layer. Recycling of the used asphalt is not possible any more, which is a disadvantage of existing constructions. Simulations have shown that an integration of the collector piping in the fundament/subbase is also promising for the use of borehole regeneration. In this project a recyclable asphalt collector for borehole regeneration is built, monitored, and optimized for the first time.
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Short description
(French)
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Une utilisation intensive de sondes géothermiques entraîne un refroidissement à long terme du sous-sol, qui peut être évité grâce à la régénération. Les collecteurs d'asphalte, qui exploitent la chaleur du rayonnement solaire, constituent une source de chaleur potentiellement économique pour cette régénération. Les premiers projets pilotes ont montré que les tuyaux collecteurs posés dans l'asphalte permettent d'obtenir des rendements prometteurs. Cependant, l'asphalte n'est alors plus recyclable. Sur la base de simulations, on suppose que la pose des tuyaux collecteurs dans la couche de propreté sous-jacente est également possible pour l'application de la régénération par sondes géothermiques. Dans le cadre de ce projet, un collecteur en asphalte recyclable pour la régénération des sondes géothermiques est construit, mesuré et optimisé pour la première fois.
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Final report
(German)
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Das Projekt AsphaltReg ist eine Begleitung zu dem Projekt «Asphaltkollektor EW Wald AG, Neubau Betriebsgebäude», durchgeführt von der Kriesi Energie GmbH, der Flückiger & Bosshard AG und der EW-Wald AG. Hierbei wurde erstmals in der Schweiz ein rezyklierbarer Asphaltkollektor erfolgreich in einer Betonschicht etwa 14 cm unterhalb der Oberfläche des Asphalts in Betrieb genommen. Durch diese Bauweise bleibt die vollständige Recyclingfähigkeit des Asphalts erhalten und die Kollektoren werden mechanisch geschützt. AsphaltReg beschäftigt sich vor allem mit der thermischen Analyse und Modellentwicklung. Projektentwicklung, Systemintegration, Kollektorbetrieb und Konstruktion sind Teil der Kriesi Energie GmbH und deren Partner. Erste Auswertungen konnte aufzeigen, dass diese Kollektoren sich sehr gut für die Regeneration von Erdwärmesonden (EWS) eignen. Dies kann einen wichtigen Beitrag zur langfristigen Stabilität und Effizienz von Wärmepumpensysteme darstellen, aber auch Einsparungen in der Erdsondenlänge bedeuten, oder geringere Abstände von Sonden ermöglichen, was vor allem in dichtbesiedelten Gebieten wichtig sein kann. Das Demonstrationsprojekt beim EW Wald umfasst 17 Kollektormodule mit insgesamt 262 m² Fläche, die an ein Erdsondenfeld mit sechs Sonden angeschlossen wurden. Die Messungen in den ersten beiden Betriebsjahren bestätigen die Funktionstüchtigkeit des Konzepts und weisen einen spezifischen Ertrag von über 200 kWh/m²·a nach, was vergleichbar mit Regenerationsleistung von PVT-Modulen oder unverglasten thermischen Kollektoren ist. Damit konnte das Erdsondenfeld im Jahr 2024 zu über 100 % regeneriert werden, wodurch die Temperatur im Erdreich stabilisiert, und die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe konstant hochgehalten wird. Eine Modellerstellung und Analyse mit Polysun haben ergeben, dass die JAZ auch über einen Zeitraum von 50 Jahren 4.5 beträgt. Thermische transiente Analysen zeigten zudem, dass insbesondere der Rohrabstand ein Optimierungspotenzial birgt, um die Leistung pro Fläche weiter zu steigern. Des Weiteren konnte aufgezeigt werden, dass die Leistung des Kollektors mit fast 30 kW/K sehr stark von dem Temperaturunterschied Erdreich – Wärmeträgerfluid abhängt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass für den effizienten Betrieb von Asphaltkollektoren niedrige Erdsondentemperaturen wichtig sind, da die Effizienz mit zunehmender Fluidtemperatur stark abfällt. Ein weiterer Aspekt des Projekts war die Kostenbewertung. Die erste Realisierung führte aufgrund der Prototypfertigung mit geschweissten Rahmen und hochwertigen Materialien noch zu relativ hohen spezifischen Kosten (≈ 415 – 511 CHF/m²). Im Vergleich mit den Benchmarks aus der RegenOpt-Studie wurde jedoch deutlich, dass der Asphaltkollektor schon heute konkurrenzfähig ist, wenn die Kosten der Asphaltierungsarbeiten selbst nicht berücksichtigt werden. Simulationen und Skaleneffekte deuten darauf hin, dass bei Serienfertigung und optimierten Bauprozessen Kostensenkungen von rund 40 % realistisch sind, wodurch Asphaltkollektoren langfristig zu den kostengünstigsten Regenerationstechnologien zählen könnten. Die Ergebnisse belegen, dass Asphaltkollektoren nicht nur eine technisch robuste, sondern auch eine wirtschaftlich attraktive Option zur Regeneration von Erdwärmesonden darstellen – insbesondere in dicht bebauten Gebieten, wo Regeneration gemäss SIA 384/6 verpflichtend ist. Durch die einfache Integration bieten sie ein grosses Multiplikationspotenzial für die Wärmewende im Gebäudebereich, vor allem wenn keine100%-ige Regenration angestrebt wird, da diese sich negativ auf Kosten und Effizienz der Regeneration auswirkt.
Related documents
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Final report
(English)
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The AsphaltReg project accompanies the project “Asphalt collector EW Wald AG, new construction of operational building,” carried out by Kriesi Energie GmbH, Flückiger & Bosshard AG, and EW-Wald AG. This is the first time in Switzerland that a recyclable asphalt collector has been successfully put into operation in a concrete layer approximately 14 cm below the surface of the asphalt. This construction method preserves the complete recyclability of the asphalt and provides mechanical protection for the collectors. AsphaltReg is primarily concerned with thermal analysis and model development. Project development, system integration, collector operation, and construction are the responsibility of Kriesi Energie GmbH and its partners. Initial evaluations have shown that these collectors are very well suited for the regeneration of geothermal probes (EWS). This can make an important contribution to the long-term stability and efficiency of heat pump systems, but also mean savings in the length of geothermal probes or enable smaller distances between probes, which can be particularly important in densely populated areas. The demonstration project at EW Wald comprises 17 collector modules with a total area of 262 m², which were connected to a geothermal probe field with six probes. Measurements taken during the first two years of operation confirm the functionality of the concept and show a specific yield of over 200 kWh/m²·a, which is comparable to the regeneration capacity of PVT modules or unglazed thermal collectors. This means that the geothermal probe field could be regenerated by over 100% in 2024, stabilizing the temperature in the ground and keeping the annual performance factor of the heat pump consistently high. Modeling and analysis with Polysun have shown that the APH is 4.5 even over a period of 50 years. Thermal transient analyses also showed that the pipe spacing in particular offers potential for optimization in order to further increase the output per area. Furthermore, it was shown that the output of the collector, at almost 30 kW/K, is highly dependent on the temperature difference between the ground and the heat transfer fluid. Conversely, this means that low ground probe temperatures are important for the efficient operation of asphalt collectors, as efficiency drops sharply with increasing fluid temperature. Another aspect of the project was cost evaluation. The first implementation resulted in relatively high specific costs (≈ 415–511 CHF/m²) due to the prototype production with welded frames and high-quality materials. However, a comparison with the benchmarks from the RegenOpt study showed that the asphalt collector is already competitive today, even without taking into account the costs of the asphalting work itself. Simulations and economies of scale suggest that cost reductions of around 40% are realistic with series production and optimized construction processes, which could make asphalt collectors one of the most cost-effective regeneration technologies in the long term. The results show that asphalt collectors are not only a technically robust but also an economically attractive option for regenerating geothermal probes – especially in densely built-up areas where regeneration is mandatory according to SIA 384/6. Thanks to their easy integration, they offer great potential for the heat transition in the building sector, especially if 100% regeneration is not the goal, as this has a negative impact on the costs and efficiency of regeneration.
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Final report
(French)
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Le projet AsphaltReg accompagne le projet « Collecteur d'asphalte EW Wald AG, construction d'un nouveau bâtiment d'exploitation », réalisé par Kriesi Energie GmbH, Flückiger & Bosshard AG et EW-Wald AG. Pour la première fois en Suisse, un collecteur d'asphalte recyclable a été mis en service avec succès dans une couche de béton à environ 14 cm sous la surface de l'asphalte. Cette méthode de construction permet de conserver la recyclabilité totale de l'asphalte et de protéger mécaniquement les collecteurs. AsphaltReg se consacre principalement à l'analyse thermique et au développement de modèles. Le développement du projet, l'intégration du système, l'exploitation des collecteurs et la construction sont assurés par Kriesi Energie GmbH et ses partenaires. Les premières évaluations ont montré que ces collecteurs sont très bien adaptés à la régénération des sondes géothermiques (EWS). Cela peut contribuer de manière importante à la stabilité et à l'efficacité à long terme des systèmes de pompes à chaleur, mais aussi permettre de réduire la longueur des sondes géothermiques ou d'espacer moins les sondes, ce qui peut être particulièrement important dans les zones densément peuplées. Le projet de démonstration mené par EW Wald comprend 17 modules de capteurs d'une superficie totale de 262 m², qui ont été raccordés à un champ de six sondes géothermiques. Les mesures effectuées au cours des deux premières années de fonctionnement confirment l'efficacité du concept et montrent un rendement spécifique supérieur à 200 kWh/m²·a, ce qui est comparable à la capacité de régénération des modules PVT ou des capteurs thermiques non vitrés. Le champ de sondes géothermiques a ainsi pu être régénéré à plus de 100 % en 2024, ce qui a permis de stabiliser la température du sol et de maintenir le coefficient de performance annuel de la pompe à chaleur à un niveau élevé constant. Une modélisation et une analyse réalisées avec Polysun ont montré que le coefficient de performance annuel (JAZ) est de 4,5 sur une période de 50 ans. Des analyses thermiques transitoires ont également montré que l'espacement des tuyaux, en particulier, offre un potentiel d'optimisation pour augmenter encore le rendement par surface. En outre, il a été démontré que la puissance du capteur, qui atteint près de 30 kW/K, dépend fortement de la différence de température entre le sol et le fluide caloporteur. Cela signifie inversement que des températures de sonde géothermique basses sont importantes pour le fonctionnement efficace des capteurs asphaltés, car l'efficacité diminue fortement lorsque la température du fluide augmente. Un autre aspect du projet était l'évaluation des coûts. La première réalisation a encore entraîné des coûts spécifiques relativement élevés (≈ 415 – 511 CHF/m²) en raison de la fabrication de prototypes avec des cadres soudés et des matériaux de haute qualité. Cependant, en comparaison avec les références de l'étude RegenOpt, il est apparu clairement que le capteur d'asphalte est déjà compétitif aujourd'hui, si l'on ne tient pas compte du coût des travaux d'asphaltage eux-mêmes. Les simulations et les économies d'échelle indiquent que des réductions de coûts d'environ 40 % sont réalistes en cas de production en série et de processus de construction optimisés, ce qui pourrait faire des collecteurs d'asphalte l'une des technologies de régénération les plus rentables à long terme. Les résultats prouvent que les collecteurs d'asphalte constituent non seulement une option techniquement robuste, mais aussi économiquement intéressante pour la régénération des sondes géothermiques, en particulier dans les zones densément construites où la régénération est obligatoire selon la norme SIA 384/6. Grâce à leur intégration facile, ils offrent un grand potentiel de multiplication pour la transition thermique dans le secteur du bâtiment, surtout si l'on ne vise pas une régénération à 100 %, car celle-ci a un impact négatif sur les coûts et l'efficacité de la régénération.
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