SI/502359

Schlussbericht

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.