In diesem Abschnitt werden zwei verschiedene Möglichkeiten der Modellierung einer geothermischen Wärmepumpe vorgestellt:

  • Modellierungsmöglichkeit 1: keine Regenerierung des Bodens

  • Modellierungsmöglichkeit 2: vollständige Regenerierung des Erdreichs

- Modellierungsmöglichkeit 1: keine Regenerierung des Bodens

In diesem Fall erfolgt die Modellierung ähnlich wie bei der Grundwasser Wärmepumpe. In diesem Fall muss das Regenerationspotenzial manuell berechnet werden, indem die Menge der importierten "Erdwärme" und der exportierten "Wärme zur Erdwärme" verglichen wird.

 

 

Zusammenfassung der Konfiguration

Energieträger

Energiebedarf

Imports

Exports

Versorgungstechnologie

Bohrloch
WP 1

Bohrloch
WP 2

Bohrloch
WP 3

Elektrizität

 

X

 

Primäreingabe

Primäreingabe

 

Geothermische Wärme

 

X

 

Eingabe

 

(primär) Eingang

Geothermie zur Kühlung

 

X

 

 

Eingabe

 

Wärme zur Geothermie

 

 

 

 

Ausgabe

Ausgabe

Wärme 30-40°C

X

 

 

(primär) Ausgang

 

 

Kühlung 10-20°C

X

 

 

 

(primär) Ausgang

(primär) Ausgang

 

 

- Modellierungsmöglichkeit 2: vollständige Regenerierung des Bodens

In diesem Fall wird die geothermische Quelle als Speicher modelliert. Das bedeutet, dass nur das, was gespeichert ist, genutzt werden kann und dass 100 % der genutzten Wärme regeneriert werden muss. Eine der gebräuchlichsten Möglichkeiten zur Regeneration von Bohrungen (wie in diesem Beispiel) ist eine reversible Wärmepumpe und/oder freie Kühlung.

Betrachten wir einen Fall, bei dem sowohl ein Kühl- als auch ein Heizbedarf besteht. Eine reversible Sole-Wasser-Wärmepumpe wird installiert und verfügt über die drei folgenden Betriebsarten (die Einstellungen der Betriebsarten werden unten detailliert beschrieben):

 

  • Modus 1: Heizen mit Geothermie (Wärmepumpe)

  • Modus 2: Heizen mit Umgebungsluft (Wärmepumpe)

  • Modus 3: Kühlen (reversible Wärmepumpe)

 

Zusammenfassung der Konfiguration

Energieträger

Energiebedarf

Imports

Exports

Versorgungstechnologie

Bohrloch
WP 1

Bohrloch
WP 2

Bohrloch
WP 3

HEX-Abwärme zur Geothermie

Allgemeines Bohrloch

Elektrizität

 

X

 

Primäreingabe

(primär) Eingabe

Primäreingabe

 

 

Geothermische Wärme

 

 

 

Eingabe

 

 

(primär) Ausgang

X

Umgebungswärme

 

X

 

 

Eingabe

 

 

 

Wärme30-40°C

X

 

 

(primär) Ausgang

(primär) Ausgang

 

 

 

Aktive Kühlung

X

 

 

 

 

(primär) Ausgang

 

 

Abwärme

 

 

X

 

 

Ausgabe

(primär) Eingabe

 

 

Einrichtung des Systems

 

 

 

 

Es ist nicht selbstverständlich, dass die an die Bohrung abgegebene und aus ihr entnommene Wärmemenge über das Jahr hinweg gleich bleibt. In diesem Fall muss es eine Möglichkeit geben, die zusätzliche Abwärme aus dem System abzuführen bzw. die Wärmepumpe mit einer anderen Wärmequelle zu betreiben.

 

Daher wird der Modus 2 hinzugefügt (Wärmepumpe, die mit Umgebungsluft arbeitet). Dies ist ein Beispiel, und jede andere Technologie hätte modelliert werden können. Im Falle von Abwärme ist dies der Grund, warum ein Export von Abwärme aus dem System modelliert werden muss.

 

Zusätzlich wird ein Wärmetauscher modelliert, um die Abwärme der reversiblen Wärmepumpe zur Regenerierung des Erdreichs zu nutzen. Während der Modus 1 der Wärmepumpe Wärme aus dem Erdsondenspeicher entnimmt, ermöglicht der Modus 3 in Kombination mit dem HEX die Regeneration des Erdreichs.

 

Schließlich muss der Speicher (zur Speicherung des Energieträgers "Erdwärme") hinzugefügt werden. Die maximale Lade-/Entladerate des Speichers ist bei der Betrachtung von Erdwärmesystemen ein entscheidender Parameter, der die Kapazität des Systems beeinflusst. Sie kann durch das spezifische Entnahmepotenzial in W/m, die Bohrlochlänge und die Volllaststunden näherungsweise bestimmt werden.

Die Lade- und Entladewirkungsgrade müssen auf 100 % eingestellt werden. Da die Speichertechnologie die Möglichkeit hat, gleichzeitig zu laden und zu entladen, kann dies zu Verlusten führen. Wenn das Bohrloch voll geladen ist, kann dieses Prinzip genutzt werden, um das System zu "entladen" (indem große Energiemengen geladen und entladen werden).

 

Beispiel basierend auf Daten des Geoportal für Berlin:

Für 1 x 100m Bohrloch mit 1’800 Volllast stunden und einer Wärmespeicherkapazität des Bodens von  40 W/m:

→ 40 W/m * 100 m * 1’800 h = 7’200 kWh = 7.2 MWh

→ Entladeleistung= 4 kW / 7200 kWh = 0.00055 = 0.055 %/h

 

 

Es ist zu beachten, dass die Speicherung nicht erzwungen werden kann.

Wenn die Möglichkeit besteht, wird sie umgangen. In diesem Beispiel bedeutet dies, dass die Sole-Wasser-Wärmepumpe die Abwärme direkt nutzt, wenn zur gleichen Zeit, in der ein Heizbedarf besteht, eine Kälteerzeugung (und damit eine Abwärmeerzeugung) stattfindet.