Veranstaltungsprogramm

Die Einbindung von Wärmepumpen in die Energieversorgung von Gebäuden ist eine zunehmend angewandte Technik, was sich auch in den Verkaufszahlen und der Vielfalt der am Markt angebotenen Wärmepumpen widerspiegelt. Mit der Zunahme der Wärmepumpensysteme steigt ebenfalls die Anzahl möglicher Niedertemperaturwärmequellen und Wärmeübertrager. Um die Vorplanung und Auswahl von Wärmepumpenanlagen und deren Wärmequellen sowie –übertrager zu erleichtern, ist eine übersichtliche Zusammenstellung der unterschiedlichen Technologien wünschenswert. WP_SOURCE deckt diese Lücke ab und dient als Informations- und Planungswerkzeug für die frühe Planungsphase. Die Excel-basierte Software ist ein im Planungsalltag einfach anwendbares Format und steht für jeden Anwender zur Verfügung.

WP_SOURCE bietet einen Überblick über verschiedene Wärmequellen, die resultierende energetische Effizienz der Systeme sowie deren Investitions- und Betriebskosten und deren ökologischen Auswirkungen. Planer, Energieberater und Architekten können hiermit eine bedarfsgerechte und an projektspezifische Rahmenbedingungen angepasste Vorauswahl von Wärmepumpensystem-Komponenten vornehmen, geeignete Niedertemperaturwärmequellen für Wärmepumpen identifizieren und die Wärmeübertrager überschlägig dimensionieren. Der Einsatzbereich liegt in der Grundlagenermittlung, in der Planung und in der Erstellung von Gebäudeenergiekonzepten. WP_SOURCE dient vorrangig zur Konzeptermittlung der Wärmeversorgung von Wohn- und Bürogebäuden mittels Wärmepumpe. Im Programm können zusätzlich zur Wärmepumpe auch der bivalente Betrieb, die Integration von Photovoltaik sowie die Integration von Solarthermie zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung berücksichtigt werden.

Auf Grundlage der im Programm hinterlegten Ergebnisse der vorab analysierten und simulierten Systeme und Systemvarianten werden die Niedertemperaturwärmequellen mit ihren Wärmeübertragern dimensioniert.

Im Rahmen zukünftiger Bauprojekte unterstützt WP_SOURCE Planer, Bauherren und anderen mit ähnlichen Fragestellungen befassten Personen sowohl bei der Auswahl geeigneter Niedertemperaturwärmequellen und –übertrager als auch bei deren vergleichender Gegenüberstellung und überschlägiger Dimensionierung und liefert einen Überblick zu entscheidenden Kriterien wie etwa Flächenbedarf, Anlageneffizienz und Investitionskosten.

Der Vortrag soll eine allgemeine Vorstellung des Vordimensionierungsprogrammes WP_SOURCE bieten. Innerhalb des Rundumblicks soll auch noch einmal kurz auf die Motivation, das Vorgehen bei der Umsetzung und Ausarbeitung des Tools eingegangen werden.

Zur Vermeidung urbaner Hitzeinseln werden vielerorts schon Begrünungsmaßnahmen sowie Grün- und/oder Wasserflächen propagiert und eingesetzt. Der Einsatz dieser Lösungen ist allerdings nicht immer ausreichend bzw. genehmigungsfähig oder erwünscht, wie z.B. bei Altbauten, historischen oder denkmalgeschützten Gebäuden. Eine einfache, unsichtbare und saisonal betriebene Lösung ist die „Ernte“ solarer urbaner Überschusswärme von Gebäudeoberflächen, Gehwegen, Straßen und Plätzen durch flach verlegte Absorberleitungen, welche danach in Erdsondenspeicher zur späteren Verwendung als Wärmequelle zur Gebäudeheizung eingebracht wird. Aufgrund des hohen Temperaturniveaus urbaner Oberflächen von bis zu 50 °C und dementsprechend hohen Vorlauftemperaturen in den Speicher zu rechnen.

Übliche Berechnungs- und Simulationsmethoden für die Auslegung von Erdsondenfeldern stoßen bei den Bedingungen, wie sie in stark aufgeheizten innerstädtischen Flächen auftreten an ihre Grenzen bzw. sind Simulationen mit höheren Temperaturen nicht ohne weiteres möglich. Die Untergrundtemperaturen einer Stadt sind durch Bebauung und Nutzung ohnehin schon gegenüber den klimatisch bedingten Temperaturen erhöht. Eine Einbringung von Abwärme zur saisonalen Speicherung und die Integration von Wärmepumpen ist daher sehr sensibel zu behandeln und muss sich unbedingt auf verlässliche und genaue Zahlen und Berechnungen stützen. Vor einem angestrebten Pilotprojekt mussten daher noch eine Vielzahl technischer Fragen geklärt werden.

Das Ziel des Projekts Heat Harvest war es, umfassende Untersuchungen des thermischen Verhaltens des Untergrunds bei Eintragung solarer urbaner Abwärme in einem Großtestfeld auf einem Freigelände und begleitenden Laborexperimenten sowie Simulationen unter verschiedenen Voraussetzungen durchzuführen. Damit konnten zielgerichtet die passenden Rahmenbedingungen für die Ernte von solarer Abwärme im urbanen Raum ausgelotet werden, um den Ansatz später in ein Demonstrationsprojekt einzubetten.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei geologisch geeignetem Untergrund auch höhere Temperaturen, wie sie in urbanen Flächen auftreten, ohne negative thermische Auswirkungen in Erdsondenspeicher eingebracht werden können. Die Technologie der Gewinnung von solarer Überschusswärme in urbanen Gebieten und der thermischen Speicherung im Untergrund hat hohes Potenzial in Städten, die besonders vom Urban Heat Island-Effekt betroffen sind.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus dem Projekt können wie folgt zusammengefasst werden:

• Die Gewinnung von solarer Überschusswärme in Städten kann wesentlich zur Vermeidung bzw. Verringerung des ‚Urban Heat Island‘-Effekts beitragen.
• Gleichzeitig führt das Konzept zu einer Effizienzsteigerung im Heizbetrieb und leistet somit einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Raumwärme.
• Die höhere Einspeisetemperaturen führen zu einer deutlichen Erhöhung der Übertragungsleistung der Sonde, aber nicht zu exzessiver Erwärmung des Untergrunds.
• Der laterale Einflussradius ist bei geeigneter Geologie räumlich sehr begrenzt.
• Die entsprechende „geeignete Geologie“ ist ein Ton-Schluff-dominiertes System wie es zum Beispiel für das Wiener Stadtgebiet südlich der Donau typisch ist.
• Saisonale Wärmespeicherung in Erdsondenfeldern und generell im Untergrund ist gerade für dicht verbaute Städte interessant, da es eine platzsparende und unsichtbare Technologie ist.
• Eine genaue Kenntnis des Untergrunds (Aufbau, Grundwasser, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität) ist wesentlich für eine korrekte Planung und einen effizienten Betrieb eines Erdsondenspeichers.
• Gewinnung von solarer Überschusswärme ist für (denkmalgeschützte) Bestandsgebäude auch für die Nachrüstung interessant.
• Die gefundenen Erkenntnisse gelten nicht nur für die Kombination Asphaltkollektor -Erdwärmesonde, sondern gelten für alle saisonalen Wärmequellen (auch für klassische Solarthermiekollektoren).
• Durch die Beladung des Speichers steigt auf der einen Seite die JAZ der Wärmepumpe, dadurch sinkt der Stromverbrauch und die Wärmeentnahme steigt um etwa 20 %.
• Zu Beginn muss der Wärmeeintrag deutlich größer sein als der Entzug, ist der Speicher vollgeladen entsteht ein selbstregulierendes System.

Die im Rahmen dieses Sondierungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in weitere Forschungsvorhaben einfließen und mittelfristig zur Durchführung eines Demonstrationsprojekts genutzt werden. Weiters wurden bereits während der Projektdurchführungsphase Stakeholder eingebunden, für die die Nutzung dieser neuartigen Technologie in ihrem Arbeitsumfeld von großem ökologischen wie auch ökonomischen Vorteil sein kann. Da zudem auch mehrere Bauträger bereits Interesse an der Anwendung angemeldet haben und eine Erprobung und Umsetzung in ihren Vorhaben in ernsthafte Erwägung ziehen, sieht das Konsortium ein erhebliches Marktpotenzial.

Ob Raumordnung, Bauprojekte oder Infrastrukturentwicklung – Energie wird aktuell in der Planung (noch) nicht strukturiert berücksichtigt. Das Projekt „Spatial Energy Planning for Heat Transition“ (www.waermeplanung.at) als Teil der Forschungsinitiative „Green Energy Lab“ hat die Schaffung aller Grundlagen zum Ziel, um Wärme künftig in den zentralen öffentlichen und privaten Planungsprozessen berücksichtigen zu können und gemeinsam mit Energieversorgern die Energieinfrastruktur der Zukunft umzusetzen.

Im Projekt arbeiten drei Bundesländer (Wien, Steiermark und Salzburg), ihre Hauptstädte und Vorreiter-Gemeinden aller Größenordnungen sowie die renommiertesten österreichischen Forschungseinrichtungen im Bereich der Technik zusammen. Sie wollen alle notwendigen Grundlagen für die Einführung von räumlicher Wärmeplanung bereitstellen - als Role Model für Österreich und andere europäische Staaten.

Die notwendigen Grundlagen dazu stellt der „Wärmeatlas“ als GIS-basierte Webanwendung auf waermeplanung.at bereit und ermöglicht damit, dass die Potentiale aller erneuerbaren Energieformen voll ausgeschöpft und die verfügbaren Ressourcen und Infrastrukturen bestmöglich eingesetzt werden können. Die Oberflächennahe Geothermie ist mit den Systemen Erdwärmesonden, thermische Grundwassernutzung und Flachkollektoren im „Wärmeatlas“ vertreten. Für diese Systeme wurden neue Methoden zur Ressourcenabschätzung entwickelt, dessen Ergebnisse in drei Funktionen im „Wärmeatlas“ dargestellt werden:

FUNKTION 1 – Kartenansicht im Webviewer

FUNKTION 2 – Grundstücksabfrage als PDF-Bericht

FUNKTION 3 – Gebietsabfrage als PDF-Bericht

Inhalte dieser Funktionen sind zum einen hydrogeologische und geologische Basisdaten, aus denen Leistungs- und Energieressourcen abgeleitet werden, sowie mögliche Einschränkungen. Für letztere werden geologische (z.B. Verkarstungsfähige Gesteine) und anthropogene (z.B. Schutzgebiete) Einschränkungskriterien für FUNKTION 1 zu Ampelkarten mit folgender Farbgebung zusammengefasst: Magenta - Nutzung generell nicht möglich, Gelb - Zusätzliche Informationen notwendig, Grün - Nutzung generell möglich.

Als Basisdaten für die Kartenansicht im Webviewer (FUNKTION 1) wurden für die thermische Grundwassernutzung Grundwassermächtigkeit, Flurabstand, hydraulische Durchlässigkeit sowie die minimale und maximale Grundwassertemperatur ermittelt. Für die Erdwärmesonden stehen Informationen zur Wärmeleitfähigkeit und mittlere Untergrundtemperatur für eine Tiefe bis 100 m bereit und für die Flachen Systeme die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Bodens.

Die Ressourcenkarten für FUNKTION 1 zeigen im Wesentlichen einen Standortvergleich für eine Oberflächennahe Geothermie Anlage mit festgelegten Systemparametern (Geometrie und Betriebsfunktion). Bei den Erdwärmesonden wurde für die Leistungskarte als Geometrie eine Einzelsonde mit 100 m Länge festgelegt und für die Energiekarten ein Sondenfeld mit ca. 1156 m² Größe. Bei den Anlagen zur thermischen Grundwassernutzung wurde der Brunnenabstand zwischen Entnahme und Rückgabe auf 50 m fixiert. Die Leistungs- und Energiekarte ist generell jeweils für zwei Betriebsarten berechnet: „Heizen und Kühlen mit Normbetriebsstunden“ und „Heizen und Kühlen mit ausgeglichener Bilanz“. Die Karten geben jeweils die Leistung bzw. Energie für die gewählte Geometrie (Einzelsonde, Brunnendublette mit 50 m Abstand, Sondenfeld mit 1156 m²) mit den angegebenen Betriebsweise (Normbetriebsstunden oder saisonal ausbilanziert – es wird über ein Jahr gleich viel Wärme entnommen wie zurückgegeben) am jeweiligen Standort wieder. Ein Einfluss benachbarter Systeme wird hier pauschal nicht berücksichtigt.

Für die Abfrage in FUNKTION 2 werden die Ressourcen grundstücksscharf ermittelt. Dazu wird die Freifläche bzw. der maximale Brunnenabstand einerseits, und der Kühl-/Heizbedarf mit Jahresarbeitszahl der Gebäude andererseits, berücksichtigt. Mit diesen Informationen und den hydrogeologischen und geologischen Basisdaten aus FUNKTION 1 werden die maximal am Grundstück nutzbaren Ressourcen bestimmt und dem Gebäudebedarf gegenübergestellt.

Die Gebietsanalyse (FUNKTION 3) gibt den im Untergrund gespeicherten Wärmeinhalt und dessen gewinnbaren Anteil grundstücksunabhängig und rasterbasiert an. Die ermittelten flächenspezifischen Energieinhalte können für die Berechnung der Gesamtenergiemenge eines Gebiets auf Gemeinde- oder Bezirksebene herangezogen werden.

Sämtliche Angaben sind als Erstabschätzung zu verstehen, die eine Detailplanung nicht ersetzen. Die Projektergebnisse liefern harmonisierte, umfangreiche Grundlagen um die Oberflächennahe Geothermie künftig in die räumliche Energieplanung einfließen lassen zu können. Ihre Darstellung im Wärmeatlas dient als Demonstrationsprojekt für weitere Regionen, denn die entwickelte Methodik ist auf andere Regionen in und außerhalb Österreichs übertragbar.

Der Gebäudesektor in Europa ist für 40% des gesamten Energieverbrauchs verantwortlich und verursacht etwa ein Drittel der CO₂-Emissionen. Fast die Hälfte der Gebäude ist vor dem Jahr 1992 mit Heizkesseln ausgestattet, die einen Wirkungsgrad von unter 60% vorweisen. Obwohl die energetische Sanierung bestehender Gebäude dazu beitragen könnte, die Klima und die Energieziele der EU zu erreichen, liegt der Sanierungsgrad derzeit unter 1%. Im Rahmen des H2020-Projekts GEOFIT werden an fünf Pilotstandorten in ganz Europa - ein historisches Gebäude (ITA), eine Schule (ESP), ein Hallenbad (IRL), ein Bürogebäude (FRA) und ein Einfamilienhaus (IRL) - einfach zu installierende und wirtschaftliche Erdwärmesysteme in Kombination mit Wärmepumpen zur energieeffizienten Gebäudesanierung implementiert und demonstriert.

Am AIT werden unter Anderem Wärmepumpentest sowie experimentelle Laborversuche mit oberflächennahen Erdwärmekollektortypen in Klimakammern durchgeführt. Stoffdaten von verschiedenen Erdreichtypen werden im Thermophysiklabor bestimmt. Weiters werden CFD-Simulationen der durchgeführten Experimente mit ANSYS Fluent berechnet. All dies liefert Daten und Know-How für die Entwicklung eines Design-Tools für Erdkollektorkonfigurationen wie z.B. Helices und Slinky-loops, welche vor Allem für Gebäudenachrüstungen in GEOFIT relevant sind.

Der Fokus der experimentellen Arbeit lag bei oberflächennahen spiralförmigen Erdwärmeübertrager-Konfigurationen, die in einer Tiefe von maximal fünf Metern installiert werden können. Realversuche im Originalmaßstab wurden für vertikal orientierte Spiralkollektoren (Helix) in echtem Erdreich durchgeführt. Ein Ziel war die Entwicklung eines Messkonzepts im Laborumfeld, um die Rahmenbedingungen für eine fundierte Datenbasis zu schaffen. Diese Datenbasis dient als Grundlage für die Weiterentwicklung, respektive Neuentwicklung von ingenieurmäßigen Auslegungstools. Das fertige Konzept umfasst sowohl die Steuerung, Messwerterfassung und Auswertung.

Für eine möglichst hohe Datenpunktdichte wurden einerseits örtlich verteilte Widerstandsthermometerfühler sowie ein (glas-)faseroptisches Temperaturmesssystem (DTS) eingesetzt. Der Feuchtegehalt des Erdreichs wurde mittels Bodenfeuchtesensoren erfasst. Die Konditionierung des Wärmestroms erfolgte über ein elektrisches Heizkabel, welches in Form eines spiralförmigen Erdwärmeübertragers in einem 1 m³ großen Container positioniert war. Um gleichmäßige Randbedingungen zu garantieren und vor allem reproduzierbare Resultate zu erzielen, wurden die Messungen in einer Klimakammer bei einer definierten konstanten Kammertemperatur durchgeführt. Der Feuchtegehalt innerhalb der Kammer wurde nicht geregelt, sondern resultierte aus der Umgebungsluft. Anhand von mehreren Messreihen, wurde das Versuchskonzept überprüft und validiert. Ausgehend von einer homogenen Temperaturverteilung in dem Container wird durch das Heizkabel ein konstanter Wärmestrom aufgeprägt. Die Klimakammer konditioniert dabei das Temperaturfeld zu Beginn eines Versuchs und gewährleistet eine konstante Temperaturrandbedingung von 10 °C auf der Containeroberfläche während der gesamten Versuchsdauer.

Die Auswertung des transienten Antwortverhaltens erfolgt ortsaufgelöst. Die Ergebnisse sind koordinatenbezogene Temperaturpunkte, welche Temperaturgradienten in allen Achsen des Containers über die Zeit beschreiben.

Insgesamt wurden drei verschiedene Erdreichtypen untersucht. Das Temperaturverhalten von Humuserde, Sand und eine Mischung daraus wurde in kleineren Experimenten ergänzend experimentell untersucht sowie die Stoffdaten wie Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Dichte thermophysikalisch im Labor bestimmt. Anhand dieser Datengrundlage wurde ein CFD-Modell modelliert, welches für geänderte Geometrieparameter der Helix herangezogen werden kann.

In Erdwärmesonden (EWS) gemessene Temperatur-Tiefen-Profile zeigen, wie sich die Temperatur­en in einer EWS nach Abschluss der Ringraumverfüllung entwickeln und dass die Tempera­turen in der Frühphase nach Fertigstellung der EWS zunächst überwiegend durch den Wär­meein­trag infolge der Errichtung bestimmt sind. Es ist aufgrund der Daten davon auszugehen, dass sich der Bohrlochdurchmesser auf die Temperaturentwicklung auswirkt.

Deutlich wird auch, dass das Temperatur­gleichgewicht zwischen EWS-Bohrung und Gebirge wird nicht innerhalb weniger Tage erreicht wird und dass die erhobenen Messwerte z. B. von der Messfahrt-Geschwindigkeit abhängen.

Sollen Daten aus Temperatur-Tiefen-Profilmessungen als Grundlage der Bestimmung der ungestörten (geogen­en) Untergrundtemperatur genutzt werden, z. B. bei der Dimensionierung von EWS-Anlagen, müssen diese Zusammenhänge bekannt sein und entsprechend berücksichtigt werden.