Weniger mechanische Kälte

Durch den Einsatz von umschaltbaren Wärmepumpen und einer direkten Kühlung in modernen Bürogebäuden werden zunehmend geothermische Heiz- und Kühlsysteme eingesetzt und damit regenerative Energiequellen nutzbar gemacht. In vorangegangenen Forschungsprojekten hat es sich gezeigt, dass bei der Effizienz erdgekoppelter Systeme nicht selten eine Abweichung zwischen geplanter und realer Betriebsweise zu beobachten ist [1], [3].

Ursachen für den Dauerbetrieb der mechanischen Kälte

Bei der Planung und Auslegung der geothermischen Anlagen wird angenommen, dass im Sommer vorrangig die direkte Kühlung zur Kältebereitstellung in den Bürogebäuden herangezogen werden soll. In der Praxis ist bei diesen Systemen jedoch häufig ein Dauerbetrieb der mechanischen Kälte festzustellen. Dies liegt oft an der ungenügend aufeinander abgestimmten Regelung des direkten Kühlbetriebes (DK) und des mechanischen Kühlbetriebs (KM) sowie an einem zu warmen Erdreich. Eine ausgewogene Bilanz zwischen Wärmeentzug und -eintrag kann sich so nicht einstellen und die Möglichkeit einer direkten Kühlung oft nicht gewährleistet werden.

Eine Reduzierung des direkten Kühlbetriebs wirkt sich zum einen negativ auf die Wirtschaftlichkeitsbilanz aus, da ein mechanischer Kühlbetrieb einen höheren elektrischen Verbrauch und somit höhere Energiekosten mit sich bringt. Zum anderen wird das Erdreich auf einem höheren Temperaturniveau belastet, da die Eintrittstemperatur in die Erdsonden bzw. Energiepfähle und damit die Austrittstemperatur aus der umschaltbaren Wärmepumpe fast doppelt so hoch ist wie im direkten Kühlbetrieb.

Forschungsprojekt: Techniken sinnvoll kombinieren

Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes geo:build – Systemoptimierung erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung von Bürogebäuden – reversible Wärmepumpen und freie Kühlung“ war die Erarbeitung von energe-tisch sowie wirtschaftlich sinnvollen Kombinationsmöglichkeiten der beiden Techniken.

Im Forschungsprojekt wurden die Abstimmung und der wechselnde Betrieb zwischen direkter Kühlung und Kältemaschine im Kühlbetrieb auf der Basis von Simulationen, Monitoring und Bestandsdokumentation aufbereitet und fundierte Regelungs- und Planungsstrategien für den Wechsel von der direkten auf die mechanische Kühlung entwickelt.

Ein Schwerpunkt der Projektbearbeitung lag dabei u. a. auf der messtechnischen Erfassung von vier ausgewählten Nicht-Wohngebäuden (siehe Bild 1) mit umschaltbarer Wärmepumpe und direkter Kühlung und der Analyse hinsichtlich ihrer Betriebsstrategien und Anlagenfunktionen sowie der Energiebilanz im Erdreich. Ergänzend erfolgten dynamische gebäude- und anlagentechnische Simulationen mit dem Programm TRNSYS (Transient System Simulation) sowie Simulationen zum Wärmeeintrag und -entzug und zum thermischen Verhalten des Erdreichs mit der Software Earth Energy Designer (EED) und der Software FeFlow (Bild 4).

Ergebnisse der Simulationen

Unter der Voraussetzung der Einhaltung des Raumkomforts sowie einer ausgeglichenen Energiebilanz im Erdreich wurden verschiedenste Kombinationen an drei Bürogebäuden in Simulationen mittels TRNSYS 17 getestet und ausgewertet. Die Variantenstudie beruhte alleine auf dem Umschaltprozess zwischen direkter und mechanischer Kühlung.

Weitere Betriebs- und Regelparameter der untersuchten Gebäude und der Anlagentechnik, wie vorhandene Einstellungen und Definitionen für z. B. Soll-Vorlauftemperaturen (Heiz- und Kühlkurven), Betriebszeiten sowie die Freigabegrenzen für den Heiz- und Kühlfall, wurden nicht verändert. Die entsprechenden Untersuchungen und Optimierungen zu diesen Themen wurden bereits im Vorfeld in anderen Projekten durchgeführt. Hierzu gehörte auch die Überführung der Anlage in einen planmäßigen Betrieb. Da der thermische Raumkomfort bei den derzeitigen Einstellungen eingehalten und für gut befunden wurde, bestand hier kein weiterer Handlungsbedarf.

Die Auswahl an Regelparametern für die Simulationsvarianten wurde auf die folgenden Parameter beschränkt:

Tout  /  Tin = Austritts- / Eintrittstemperatur Erdreich

Tungestört  = ungestörte Erdreichtemperatur

TVLSoll  = Soll-Vorlauftemperatur in das Gebäude

TVL  /  TRL = Vorlauf- / Rücklauftemperatur Gebäude

Die Umschaltung in den mechanischen Kühlbetrieb erfolgt dann, wenn zum einen eine Kühlanforderung besteht und zum anderen die gewählten Regelbedingungen erfüllt werden. Sobald die Regelbedingung nicht mehr erfüllt ist und weiterhin Kühlanforderung vorliegt, wird die Anlage in den direkten Kühlbetrieb geschaltet.

Bild 2 zeigt die Betriebsstunden im di-rekten Kühlbetrieb und die Steigerung bzw. Reduzierung der Betriebsstunden gegenüber der Ausgangssituation, die sich aus der Simulation der angenommenen Regelstrategien ergeben. Verläuft die rote Linie im positiven Bereich, werden die Betriebsstunden für den direkten Kühlbetrieb gesteigert (gut). Liegt die rote Linie im negativen Bereich, so reduzieren sich die Betriebsstunden im direkten Kühlbetrieb (schlecht für die Anlage).

Folgende Schlussfolgerungen ergaben sich aus den ersten Simulationsergebnissen:

Bei der Parameterwahl sind Veränderungen der Rücklauftemperatur aus dem Gebäude und der Eintrittstemperatur ins Gebäude nicht zielführend. Es kann ausschließlich auf die Vorlauftemperaturen in das Gebäude sowie die Austrittstemperatur aus dem Erdreich als Ist-Wert zurückgegriffen werden.

Bei einer Sollwert-Regelung ist nicht nur ein Parameter maßgebend, sondern es sollten mindestens zwei Parameter zur Regelung herangezogen werden. Hier ist eine Aufteilung auf Erd- und Gebäudeseite sinnvoll.

Es müssen das Verhalten des Erdreichs sowie die Anforderungen des Gebäudes aufeinander abgestimmt werden.

Zeitprogramme stellen wichtige Faktoren zur Regeneration des Erdreichs dar. In Zeiten, wo z. B. nur die Betonkerntemperierung (BKT) in Betrieb ist und höhere Vorlauftemperaturen gefahren werden können, ist eine Einschränkung auf den direkten Kühlbetrieb (DK) sinnvoll. Der mechanische Kühlbetrieb sollte in dieser Zeit gesperrt werden.

Die Energiekostenermittlung in Bild 3 be-ruht auf einen Energiekostenansatz für den Strombedarf von 0,20 Euro/kWh. Es ist zu erkennen, dass durch eine optimierte Regelstrategie in der Simulation eine Kostenreduzierung von bis zu 1 000 Euro/a erzielt werden kann.

Fazit und Ausblick

Die Auswertungen zeigen, dass es möglich ist, die Energiekosten für den Betriebsstrom durch eine optimierte Nutzung des direkten Kühlbetriebes zu reduzieren. Bei der Gegenüberstellung von Kosten und Nutzen ist jedoch abzuwägen, ob eine durch Simulationsstudien erreichbare Verringerung der Energiekosten für den Betriebsstrom sowie des Wärmeeintrags durch einen effizienteren direkten Kühlbetriebs verhältnismäßig ist oder ob eine einfache Regelung mit der Möglichkeit der einfachen Überwachung und Kontrolle angebrachter wäre. Hier ist vor allem im Dialog zwischen Nutzern, Betreibern und Planern eine geeignete Vorgabe zu ermitteln.

Die Monitoring-Ergebnisse und -Erfahrungen zeigen, dass die Umsetzung und Einbindung von direkter und mechanischer Kühlung in eine geothermische Anlage sehr umfangreich und variabel sein können. Weiterhin zeigt es sich, wie wichtig es ist, diese Kombination und Abstimmung richtig umzusetzen, um Gebäude effizient und erdreichschonend betreiben zu können. In der Regel spielt der geplante Anteil der direkten Kühlung am Gesamtkühlbedarf für die Wirtschaftlichkeit sowie für die Auslegung des geothermischen Systems und der Wärmepumpe und damit bei der Entscheidungsfindung im Vorfeld eine große Rolle. Die Überwachung des Betriebs der geothermischen Anlagen in den ersten Betriebsjahren ist daher weiterhin sehr wichtig, um Probleme frühzeitig erkennen und lösen zu können.

Mit der Fertigstellung und Validierung der gezeigten Modelle für die Gebäude- und Anlagentechnik ist der Grundstein gelegt, um Optimierungspotenziale zu identifizieren und Regelstrategien für weitere Planungen zu entwickeln. Ziel der Analyse und des Vergleichs soll es sein, eine einheitliche Regelung für alle Gebäudestrukturen zu finden, die wirtschaftlich, ökologisch und effizient den Kühlbetrieb abbildet.

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www.creative-electronic.com

wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der Technischen Universität Braunschweig

Literatur:

[1] Bockelmann, F., Kipry, H., Fisch, M. N.: Forschungsbericht: WKSP – Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich energieeffizienter Bürogebäude, BMWi Fkz 032736A, November 2010

[2] Bockelmann, F., Kipry, H., Fisch, M. N.: Erdwärme für Bürogebäude nutzen, BINE-Fachbuch im BINE Informationsdienst, Frauenhofer IRB Verlag, Stuttgart (2011), ISBN 978-3-8167-8325-1

[3] Bockelmann, F., Soldaty, H., Plesser, S., et al.: Forschungsbericht: GEOTABS – Improved design and control of geothermal heat pumps combined with thermal activated building systems in office buildings, AiF KF 2628001TL0, Mai 2013