Untersuchung innovativer thermischer Gebäudespeichersysteme in Kombination mit einer Kältemaschine zum Heizen und Kühlen

Die Integration regenerativer und innovativer Energiespeichertechnologien in der Gebäudetechnik ist ein zentraler Bestandteil der Strategie, um die globalen Ziele der Energiewende zu erreichen. Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, stellen geothermische Energiequellen sowie Erdspeichersysteme in Kombination mit Wärmepumpen und Kältemaschinen eine sehr effiziente Technologie dar. Da bei der Oberflächennahen Geothermie in Abhängigkeit des Standorts eine gemittelte Erdreichtemperatur von 10 °C bereitgestellt wird, kann vorallem bei Niedertemperatursystemen durch die Verwendung von Wärmepumpen eine hohe Jahresarbeitszahl erreicht werden. Wird ein Gebäude zusätzlich noch gekühlt, kann durch die Regeneration des Erdspeichersystems zudem der Effekt der saisonalen Energiespeicherung ausgenutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden drei unterschiedlichen Erdspeichersysteme für ein bestehendes Gebäude mit der Simulationssoftware Ida Ice simuliert. Die in dieser Arbeit verwendeten Erdspeichersysteme sind: Erdwärmesonden, Energiepfähle und Bodenabsorber. Die Speichersysteme werden mit einer Wärmepumpe und Kältemaschine für die Energiebereitstellung und der entsprechenden Regelungstechnik kombiniert. Neben einer energetischen Betrachtungsweise wird zusätzlich eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt, um die ökonomische Bewertung bei allen Energiespeichersystem mit zu berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewertung der Energiespeichersysteme von vielen Dimensionierungsparametern abhängig sind und jedes System seine Vor- und Nachteile aufweist. Über einen kurzfristigen Zeitraum von zwei Jahren kann durch die Erdwärmesonden die höchste Vorlauftemperatur und dadurch die beste Jahresarbeitszahl erreicht werden. Langzeitsimulationen zeigen jedoch, dass ohne genügend Regenration das Erdreich bei der Erdwärmesondenvariante auskühlt, weshalb in einer zusätzlichen Variante die Regeneration der Erdwärmesonden durch das Verwenden einer Solarthermieanlage simuliert wird. Das Auskühlen des Erdreichs kann bei den Energiepfählen durch die natürlichen Speichereffekte, die aus der Koppelung des Gebäudefundaments mit den Energiepfählen resultieren, vermieden werden, wodurch die Energiepfahlvariante über einen Zeitraum von mehreren Jahren und ohne Regeneration die effizienteste Variante ist. Die Bodenabsorbervariante kann durch die limitierende Dimensionierung aufgrund der Gebäudefundamentoberfläche den Wärmebedarf des Gebäudes nicht decken, wodurch die Heizelemente beim Pufferspeicher aktiviert werden müssen, was zu einer schlechteren Jahresarbeitszahl führt. Auch im Vergleich zu der bestehenden Luftwärmepumpen-Referenzanlage weist die Bodenabsorbervariante einer geringere Jahresarbeitszahl auf, wodurch die Variante als die am wenigste effizienteste bewertet wird. Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ist die Erdwärmesondenvariante aufgrund der hohen Investitionskosten die teuerste Variante und der Bodenabsorber die günstigste. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch, dass bei einer Energiepreissteigerung die Bodenabsorber aufgrund der Aktivierung der Heizelemente beim Pufferspeicher in Richtung teuerste Variante tendiert