Multivalente Wärmepumpen mit Geothermiespeichern : Höhere Effizienz durch Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch

Wärmepumpen sind eine wichtige Alternative zu Gas- und Ölheizungen mit hohem Treibhausgas-Reduktionspotenzial. Der Wärmepumpenmarkt in Österreich wächst stark und aufgrund der Preissteigerungen von Öl und Gas wird eine weitere Zunahme erwartet. Im Einfamilienhaus-Neubau ist die Wärmepumpe – meist mit Wärmequelle Außenluft – bereits das Standardheizsystem. In den größeren Leistungsbereichen ist die Marktdurchdringung noch geringer. Gerade hier ergeben sich aber durch intelligente Kombination mit z. B. geothermischen Speichern Chancen zur Systemoptimierung.

Im Rahmen des Projekts Multi-WP haben die Österreichische Energieagentur, GeoSphere Austria und Ochsner Process Energy Systems anhand von sechs Fallstudien untersucht, ob Luftwärmepumpen, die in Kombination mit Sole-Wärmepumpen und geothermischen Saisonspeichern betrieben werden, technisch und wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. Die Idee hinter diesem Konzept: Außenluft ist eine umso effizienter nutzbare Wärmequelle, je höher die Außenlufttemperatur ist. Gerade dann wird aber kaum Wärme benötigt. Gelingt es, große Teile der im Winter benötigten Wärme im Sommer zu erzeugen und in einem Saisonspeicher aus Erdsonden zu speichern, steigt die Arbeitszahl. Wird auch Kälte benötigt, so kann dort auch Abwärme gespeichert werden und die Systemeffizienz steigt nochmals. Aufwände für Speicher sowie Speicherverluste sind jedoch zu berücksichtigen. 

Aufgrund der höheren technischen Komplexität wurden im Rahmen des Projekts ausschließlich Großanlagen betrachtet; kleinere Systeme wie Einfamilienhaus-Lösungen, die typischerweise mit Luftwärmepumpen arbeiten, blieben unberücksichtigt.

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Das Projektteam hat in den letzten drei Jahren in enger Abstimmung mit den vor Ort zuständigen Akteuren sechs Fallstudien in Österreich, darunter 

• ein Museum, 
• ein Landeskrankenhaus, 
• ein Rechenzentrum,
• einen Straßenzug mit diversen Gemeindegebäuden, 
• ein Bürogebäude und 
• eine Mischung aus saniertem Gründerzeithaus und einem Wohnneubau durchgeführt. 

Dabei wurde jeweils ein Multi-WP-System ausgelegt und anschließend mit einem Referenzsystem wie etwa einer reinen Luftwärmepumpe ökonomisch verglichen.

In der obigen Abbildung ist beispielhaft die Variante mit Luftwärmepumpe (anstatt eines Luftkühlers) dargestellt: Kernstück des Multi-WP-Systems ist eine Sole/Wasser-Wärmepumpe (in der Mitte zwischen Kalt- und Warmpuffer), welche die jeweils benötigte Wärme- und Kälteenergie durch Energieverschiebung zwischen Kalt- und Warmpuffer bereitstellt. Die Luftwärmepumpe (links oben in der Abbildung) stellt je nach Anforderung Wärme- und Kälteenergie aus der Außenluft bereit. 

Je nach Anwendungsfall kann die Luftwärmepumpe durch einen Luftkühler ersetzt werden. Kälte wird in den unteren Bereich des Kaltpuffers eingespeist (Schichtung), Wärme in den oberen Bereich des Warmpuffers. Ist einer der Puffer voll, so erfolgt die weitere Speicherung im jeweiligen Saisonspeicher (unten in der Abbildung). Die PV-Anlage auf dem Dach stellt die Antriebsenergie für die Luftwärmepumpe zur Verfügung. Dadurch, dass diese aufgrund der großen Speichermassen dann arbeiten kann, wenn die Betriebsbedingungen vorteilhaft sind (d.h. Wärmegenerierung bei hohen Außenlufttemperaturen), kann auch eine höhere Eigenverbrauchsquote bei der PV-Erzeugung erreicht werden – schließlich liefert diese bei höheren Außentemperaturen mehr Strom, weil dann auch mehr Solarenergie anfällt (trotz sinkender Moduleffizienz bei Hitze).

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Beim Be- und Entladen der Saisonspeicher ist zu beachten, dass auf Grund des österreichischen Wasserrechts die Einspeisetemperaturen zwischen -3 °C und 30 °C liegen müssen. Möglich ist die Nutzung auch in Wasserschutzgebieten, aber nur mit extra Maßnahmen gegen Kältemittelaustritt. Besonders wichtig ist jedoch die ausgeglichene Wärmebilanz über viele Jahre hinweg. Sonst kommt es dazu, dass der Saisonspeicher sich so sehr erwärmt oder abkühlt, dass die Systemkomponenten nicht mehr innerhalb ihrer Einsatzgrenzen liegen. Klimatische Veränderungen bisher und in Zukunft müssen bei der Systemauslegung mitbedacht werden.

Im kostenlosen Geothermieatlas der GeoSphere Austria kann die Eignung eines Standortes für Erdsondenspeicher einfach abgeschätzt werden. Als Faustformel sollten für ein Multi-WP-System zumindest 150 m Sondentiefe möglich sein. Die Entladeleistung pro Meter Sondenlänge sollte zumindest 30W betragen, um wirtschaftlich attraktiv sein.

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Exemplarisch werden im Folgenden die Ergebnisse der Fallstudie der beiden untersuchten Wohngebäude in Wien (ein klassischer Gründerzeitbau, der saniert und mit einem Dachausbau ergänzt wird, und gegenüber mit einem Neubau ergänzt wird) dargestellt.

Planung und Herausforderungen: 

Die beengten Verhältnisse im dicht besiedelten Gebiet und das Bestandsgebäude stellen eine Herausforderung für den Einbau von Wärmepumpen und Saisonspeichern dar. In diesem Fall gab es jedoch ausreichend Platz im Innenhof des Bestandsbaus und unter dem geplanten Neubau. Bei der Planung von Wärmepumpe, Luftkühler und PV-Anlage waren Konkurrenznutzungen wie Dachterrassen zu berücksichtigen.

Untersuchte Systemvarianten:

Es wurden zwei Varianten berechnet: 

• Variante 1 mit 15 Erdwärmesonden zu 150 m Tiefe, 8 m Sondenabstand und Luftwärmepumpe, 
• Variante 2 mit 24 Erdwärmesonden zu 150 m Tiefe, 5 m Sondenabstand und Luftkühler. 

Das Auslegungsziel für Variante 1 war, den Kühlbedarf des Gebäudes vollständig (100 %) und den Heizbedarf größtenteils über Erdwärmesonden zu decken. Das Erdreich dient dabei primär als Wärmequelle. Luft-Wasser-Wärmepumpen kommen ergänzend zum Einsatz, um die Erdwärmesonden zu entlasten und die Versorgungssicherheit zu erhöhen. Variante 2 zielte darauf ab, sowohl den Heiz- als auch den Kühlbedarf vollständig über Erdwärmesonden zu decken. Das Erdreich dient dabei primär als Wärmespeicher. Um die Leistungsfähigkeit der Sonden auch bei niedrigen Außentemperaturen sicherzustellen, wird das Erdreich mittels eines Luftwärmetauschers bei hohen Außentemperaturen aktiv beladen.

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Energiebilanz:

Bei einer über 20 Jahre ausgeglichenen Energiebilanz des Erdsondenfeldes können für Variante 1 161 MWh/a des benötigten Energiebedarfs von 355 MWh/a über das Erdsondenfeld bereitgestellt werden. Für Variante 2 steigt die über das Erdreich bereitgestellte Energiemenge auf 308 MWh/a.

Wirtschaftlichkeit:

Im Vergleich zur Beheizung und Warmwasserbereitstellung mit Fernwärme und konventionellen Klima-Splitgeräten stellte sich die Alternative Multi-WP als wirtschaftlich konkurrenzfähig heraus. Im Vollkostenvergleich ergaben sich bei Systemarbeitszahlen von jeweils ca. 4,5 für Variante 1 aufgrund der niedrigeren Investitionskosten (es werden weniger Erdsonden benötigt) etwas geringere Vollkosten von 0,16–0,20 €/kWh (je nach Preisszenario) als bei Variante 2, bei fast gleichen Betriebskosten.