Erdwärmsonden und saisonale Speicherung

Das Dörfl braucht erneuerbares Heizen im Winter mittels Erdwärme

Die Preisentwicklung von fossilen Energieträgern wie Erdgas und der Druck aus ökologischen und politischen Gründen vom Erdgas unabhängig zu werden unterstützen begünstigen die unten dargestellten Entwicklungen. Schließlich wird das Heizen mit Erdgas 2040 verboten. Spätestens dann muss also eine Umstellung auf erneuerbare Energie erfolgen. Wenn wir die Investition in die Umstellung schon heute vorzunehmen sparen wir 18 Jahre Ausgaben für Erdgas ein.

Daher soll das Dörfl in Zukunft mit Erdwärme heizen.

Dies geschieht mittels:

Erdwärmesonden,
Wärmepumpe und
Flächenheizungen in möglichst gut thermisch sanierten Wohnhäusern.

Die Wärmeleitfähigkeit der Erde im Dörfl beträgt 2W/m/K

Erdwärmesondenfeld

Für das Dörfl bräuchte man aber ein ganzes Erdwärmesondenfeld (z.B. unter dem Pfarrgarten), denn viele Häuser können mangels Garten keine Erdsonden installieren.

Hier wäre typisch

Abstand der Sonden mindestens 7 m
Pro 5 kW Heizleistung (1500 Vollaststunden) 1 Sonde mit 70-100m
Ca. 2 Sonden pro Einfamilienhaus
An der Oberfläche ist das Sondenfeld unsichtbar

Dabei gibt es ein gravierendes Problem - die Auskühlung der Erde

Die Erde wird bei einzelnen Erdwärmesonden und stärker noch im Erdwärmesondenfeld durch den stetigen Wärmentzug über die Jahre ausgekühlt

Der saisonale thermische Speicher kühlt im Sommer heizt im Winter

Kühlung im Sommer durch Verwendung der Heizflächen kombiniert mit Wärmegewinnung für den Winter

Durch die globale Erwärmung sinkt der Wärmebedarf im Winter durch Anhebung der Minimaltemperaturen und Verkürzung der Heizperiode. Gleichzeitig werden die Maximaltemperaturen steigen und die Zahl der Hitzetage steigen. Somit wird die Effektivität der saisonalen Speicherung von Wärme aus Kühlung im Sommer für die Heizung im Winter im Laufe der nächsten 25 Jahre verbessert.

Die Wärmepumpe nimmt das kühle Wasser aus dem Erdsondenfeld über das Nahwärmenetz auf.
Das kühle Wasser durchströmt die Heizflächen, nimmt die Wärmeenergie der Räume auf und kühlt sie so.
Die Wärme wird über das Nahwärmenetz in die Erdwärmesonden gepumpt und an das Erdreich abgegeben.
Die Raumtemperatur wird so im Sommer um 3° gesenkt
der subjektive Effekt ist noch stärker
und der Erdwärmespeicher wird für effizientes Heizen im Winter aufgewärmt
[die Kühlung im Sommer braucht 3,8 mal weniger Strom als eine Klimaanlage]

[Quelle]

Die Eignung der Geophysik für eine saisonale thermische Energiespeicherung in einem Erdwärmesondenfeld (engl. Borehole thermal energy storage BTS) hängt von drei Faktoren ab:

der Wärmekapazität, die, wenn sie zu niedrig ist, das Volumen des Speichers vergrößert und damit weniger wirtschaftlich macht
der Wärmeleitfähigkeit, die wenn sie zu hoch ist, den Verlust der Wärme an der Oberfläche des thermischen Speichers begünstigt
Grundwasserströmen im Tiefenbereich von 15-70m, die zu Konvektionsverlusten der gespeicherten Wärme führt

Im Dörfl ist die Wärmeleitfähigkeit im Untergrund bis 100m Tiefe im Erdwärmepotentialkataster mit 2,05 +-0,2 W/m/K angegeben. Was eine mittlere bis gute Voraussetzung schafft.

Für die saisonale Erdspeicherung gibt es bereits Praxisbeispiele

Die Bohrtiefe wird durch Grundwasser begrenzt.
eine höhere Zahl von Sonden bedeutet eine bessere Relation von Volumen zu Oberfläche des Erdspeichers und steigert die Effizienz
Die Erde wird im Sommer z.B. auf bis zu 55°C erwärmt und im Winter bis auf bis zu 15°C mithilfe der Wärmepumpen entladen.
Praxisbeispiele
- Crailsheim: 60 Sonden 55m tief 3 m Abstand in 30m Kreis
- Braedstrup: 48 Sonden 45m tief für 1481 Einwohner 39,633 MWh

Wärmegewinnung und Kühlung im Sommer durch künstliche Beregnung der Dachflächen

Geeignete Gebäude sind vor allem die denkmalgeschützten Gebäude

Wir haben im Dörfl 11 denkmalgeschützte Gebäude mit teils sehr großen Dachflächen. Der Denkmalschutz erlaubt i.d.R. keine PV-Panels oder Solarthermischen Kollektoren.

Tabelle: denkmalgeschützte Gebäude im Dörfl
Adresse	Historie	Dachfläche sehr gut m2	Dachfläche gut m2	PV kWh/a	Solartherm kWh/a
Bloschg 1	Bürgerhaus mittelalt.	85	218	58290	254173
Bloschg 2	Pfarrhof	39	166	39469	172105
Bloschg 3	Bürgerhaus	0	134	23660	103169
Georgsplz 1	Mesnerhaus	6	103	20750	90478
Georgsplz 2	15.JH und 17. JH	12	92	20294	88492
Jungherrnsteig 2	ehem Volksschule	187	94	60691	264641
Wigand 41	Pfarrkirche	2	72	13606	59329
Zwillinggasse 1	Maria Theresia-Schlösschen	110	280	76035	331546
Wigand 25	ehem Feuerwache	0	87	15385	67088
Wigand 37	Ehem. Freihof Stifts KN	63	192	49921	217679
Wigand 39	Bürgerhaus ehem Schule	9	49	11007	47996

Nach dem Solarpotentialkataster sind insgesamt 513 m² der Dachfläche sehr gut geeignet und 1487 m² gut geeignet.

Damit wir die Wärme auf den Dächern dieser Gebäude dennoch für einen Beitrag zur Klimaneutralität nutzen können und gleichzeitig die Dachwohnungen vor der Sonnenhitze schützen können, haben wir ein innovatives, in dieser Form noch nicht veröffentlichtes Verfahren erdacht: wir wollen die sonnenbeschienen Dächer künstlich beregnen!

TECHNIK

Beispiel für Dachkühlung mit Regenwasser

In der hauseigenen Zisterne gesammelte Regenwasser wird auf das Dach gepumpt
Regenwasser ist kalkfrei und hinterlässt keine Flecken am Dach, die nicht nur unschön wären, sondern auch das Licht reflektieren würden
das Wasser wird über Tropfschläuche gezielt in die Dachziegelsenken geleitet oder bei Flachziegeln ca. alle 5cm ein Loch
dort kühlt es die Dachziegel und nimmt die Sonnenwärme auf
die Temperatur des Wassers in Regenrinne und Fallrohr wird über die Pumpleistung geregelt und optimal gehalten
so wird immer nur die im Tagesverlauf ausreichend sonnenbeschienenen Dachflächen künstlich beregnet
das gewärmte Wasser wird in den Fallrohren durch Fallrohrfilter abgezweigt und über Rohre zum Wärmetauscher geleitet
so wird die Wärme für das Haus zur Warmwasserbereitung zur Verfügung gestellt
und die meiste Wärme über das Nahwärmenetz abführt.
Nach dem Wärmetauscher fließt das Wasser zurück in die Zisterne.
Natürlicher Regen wird ebenfalls über die Rohre in die Zisterne geleitet, um Verluste durch Verdunstung auf dem Dach von bis zu 5 Litern pro Stunde auszugleichen. Der natürliche Regen wird aber über ein elektromagnetisches Ventil am Wärmetauscher vorbei in die Zisterne geleitet.

Dabei entstehen eine Reihe von Verlusten, die sich in Modellrechnungen abschätzen lassen:

33% Reflexion (Albedo von roten Dachziegeln)
68% Abstrahlungsverlust nach oben
18% Verdunstung bei 35°C mittlerer Temperatur des Wassers auf dem Dach (Temperatur dürfte von 25°C am First auf 40°C in der Dachrinne steigen)

Weitere Einschränkungen

ca. 15% Verlust entstehen im Wärmetauscher
und ca. 27-35% Speicherverluste
im Winter ist die Methode wenig nützlich

Beispiel:

Bei 110m2 südgerichtetem Dachanteil
müssen im Sommer mittags 0,6 Liter/s Wasser auf das Dach gepumpt werden und
die Zisterne muss mindestens 500 Liter fassen
Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximalen Solarstroms.
es werden 25kW-peak thermisch produziert

Kostenschätzung:

Tropfschläuche mit Montage <500€
2 Fallrohrfilter 100€
Rohrleitungen mit Verlegen 500€
elektromechanisches Ventil 100€
2 Wärmetauscher in Serie 10 kW 1000€
2 Tauchpumpen 100€
Sensoren und Regelelektronik 250€
Summe 2500€

Links zur Dachkühlung:

Ganzjährige Wärmegewinnung mit Solarthermie Kollektoren oder PVT Hybriden mit Photovoltaik

Die Verwendung von PVT-Panels nutzt die begrenzte Dachfläche im Dörfl optimal. PVT-Panels sind teurer als PV-Panels oder solartherme Kollektoren. Sie erlauben die Wärmegewinnung für Warmwasser und einen Teil der Heizenergie auch im Winter. Die restliche Wärmeenergie muss über das Nahwärmenetz auf dem Erdwärmsondenfeld entnommen werden und mittels Wärmepumpen auf das Temperaturniveau der Vorlauftemperatur gehoben werden. Dabei kann auch im Winter zum Teil der in der PV-Anlage gewonnene Sonnenstrom herangezogen werden.

Potential geeigneter Dachflächen ohne Denkmalschutz im Dörfl

Tabelle: Potential im Solarpotentialkataster für nicht denkmalgeschützte Gebäude im Dörfl
Adresse	Dachfläche sehr gut m2	Dachfläche gut m2	PV kWh/a	Solartherm kWh/a
Bloschg 5	9	124	24246	105724
Bloschg 7	21	175	37036	161492
Bloschg 9	60	189	48283	210538
Bloschg 11	35	91	24765	107987
Bloschg 13	14	114	24047	104855
Geigerin 2	0	146	26965	117580
Geigerin 4	7	121	23897	104202
Geigerin 6/1	0	20	3405	14847
Geigerin 6/2	0	28	5029	21929
Georgsplz 3	20	97	22313	97295
Georgsplz 4	13	158	31655	138030
Heiligenstädterstr 331/1	2	44	8647	37703
Heiligenstädterstr 331/2	16	87	20361	88782
Heiligenstädterstr 331/3-4	3	136	26411	115163
Heiligenstädterstr 333	0	46	8431	36761
Heiligenstädterstr 335	0	34	5757	25105
Heiligenstädterstr 337	0	16	2713	11831
Heiligenstädterstr 351	39	104	28113	122585
Heiligenstädterstr 357	0	150	28658	124962
Heiligenstädterstr 359	18	39	10875	47421
Kuchelauer Hafenstraße 2	16	502	97844	426644
Waldbachsteig 1	0	27	4440	19361
Wigand 11	0	40	6880	30001
Wigand 22	0	104	17784	77546
Wigand 23	0	32	5346	23310
Wigand 27	0	148	27064	118012
Wigand 5	0	345	62316	271727
Wigand 7	0	41	7559	32962
Wigand 9	21	129	29379	128108
Summe	294	3287	670219	2922463

Literatur:

Photovoltaik-Solarthermie Hybrid (PVT) eine Einführung auf Englisch

es gibt bereits gute kommerzielle PVT Panels

Datei:EUWID CO² neutrale Quartierloesung mit PV-ISIETherm.pdf