Kombination von Erdwärmesonden und Solarsystemen zur Vermeidung der Erdreich Auskühlung und Erfüllung neuer Energiestandards
- Titel
- Kombination von Erdwärmesonden und Solarsystemen zur Vermeidung der Erdreich Auskühlung und Erfüllung neuer Energiestandards
- Autor/in
- Datierung
- 06.06.2025
- Beschreibung
- Diese Arbeit befasst sich mit der Problematik der langfristigen Auskühlung von
Erdsondenfeldern sowie der Erfüllung verschärfter Energiestandards im Neubau. Ziel war
die Bewertung aktiver thermischer Regenerationsstrategien mittels Solarthermie, PV-T und
Photovoltaik im Hinblick auf ihre Wirkung auf die Erdreichtemperaturen und die Effizienz
von Wärmepumpensystemen. Grundlage war ein Simulationsmodell eines
Mehrfamilienhauses mit 1’600 m² Wohnfläche und einem kleinen, konstant parametrierten
Erdsondenfeld (8 Sonden à 175 m). Die gekoppelten Gebäude- und Erdreichsimulationen
wurden mit IDA ICE über einen Zeitraum von 50 Jahren durchgeführt. Analysiert wurden
mehrere Szenarien mit und ohne solare Wärmeeinspeisung unter heutigen und künftigen
Klimabedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits durch Geocooling in Kombination
mit sommerlicher Ruhephasen eine partielle thermische Regeneration erreicht werden
kann (28–41 % je nach Szenario). Die zusätzliche aktive solare Nachladung – ob durch
Solarthermie, PV-T oder elektrisch aus PV-Strom – brachte keinen relevanten
Effizienzgewinn und verursachte zugleich erheblichen technischen und wirtschaftlichen
Mehraufwand. Die daraus abgeleitete Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe verbesserte sich
nicht signifikant. Unter den untersuchten Bedingungen stellt die Kombination aus
Photovoltaik zur Erfüllung der Eigenstrompflicht und Geocooling zur passiven
Erdreichregeneration das effektivste Konzept dar. Es erfüllt die energetischen
Zielvorgaben, gewährleistet eine nachhaltige Betriebsweise der Erdwärmesonden und
vermeidet unnötige Systemkomplexität. Eine weitergehende aktive solare Regeneration ist
für kleine, nicht überbeanspruchte Sondenfelder weder energetisch noch wirtschaftlich
sinnvoll.
This study addresses the issue of long-term thermal depletion in borehole heat exchanger
(BHE) fields and the challenge of meeting increasingly stringent energy standards in new
buildings. The aim was to evaluate active thermal regeneration strategies using solar
thermal systems, photovoltaic-thermal (PV-T) collectors, and photovoltaic (PV) systems
with regard to their impact on ground temperatures and the efficiency of heat pump
systems. The analysis was based on a simulation model of a multi-family building with
1,600 m² of living space and a small, consistently parameterized borehole field (8
boreholes, each 175 m deep). Coupled building and ground simulations were conducted
using IDA ICE over a 50-year time horizon. Several scenarios were analyzed, both with
and without solar heat injection, under current and future climate conditions. The results
show that partial thermal regeneration (28–41%, depending on the scenario) can already
be achieved through geocooling combined with summer idle phases. Additional active solar
heat injection—whether via solar thermal systems, PV-T collectors, or electrically using
excess PV electricity—did not yield significant improvements in system efficiency and
entailed considerable technical and economic complexity. The derived seasonal
performance factor (SPF) of the heat pump showed no relevant gains. Under the examined
conditions, the combination of PV for compliance with self-generation requirements and
geocooling for passive ground regeneration proves to be the most effective concept. It
meets regulatory energy targets, ensures sustainable operation of the borehole system,
and avoids unnecessary system complexity. Further active solar regeneration is neither
energetically necessary nor economically justified for small, non-overloaded BHE fields.
- Diese Arbeit befasst sich mit der Problematik der langfristigen Auskühlung von
- Urheberrechtshinweis
- Seidinger David, Nussbaumer Simon, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
HSLU
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
Werk
- Titel
- Kombination von Erdwärmesonden und Solarsystemen zur Vermeidung der Erdreich Auskühlung und Erfüllung neuer Energiestandards
- Beschreibung
- Diese Arbeit befasst sich mit der Problematik der langfristigen Auskühlung von
Erdsondenfeldern sowie der Erfüllung verschärfter Energiestandards im Neubau. Ziel war
die Bewertung aktiver thermischer Regenerationsstrategien mittels Solarthermie, PV-T und
Photovoltaik im Hinblick auf ihre Wirkung auf die Erdreichtemperaturen und die Effizienz
von Wärmepumpensystemen. Grundlage war ein Simulationsmodell eines
Mehrfamilienhauses mit 1’600 m² Wohnfläche und einem kleinen, konstant parametrierten
Erdsondenfeld (8 Sonden à 175 m). Die gekoppelten Gebäude- und Erdreichsimulationen
wurden mit IDA ICE über einen Zeitraum von 50 Jahren durchgeführt. Analysiert wurden
mehrere Szenarien mit und ohne solare Wärmeeinspeisung unter heutigen und künftigen
Klimabedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits durch Geocooling in Kombination
mit sommerlicher Ruhephasen eine partielle thermische Regeneration erreicht werden
kann (28–41 % je nach Szenario). Die zusätzliche aktive solare Nachladung – ob durch
Solarthermie, PV-T oder elektrisch aus PV-Strom – brachte keinen relevanten
Effizienzgewinn und verursachte zugleich erheblichen technischen und wirtschaftlichen
Mehraufwand. Die daraus abgeleitete Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe verbesserte sich
nicht signifikant. Unter den untersuchten Bedingungen stellt die Kombination aus
Photovoltaik zur Erfüllung der Eigenstrompflicht und Geocooling zur passiven
Erdreichregeneration das effektivste Konzept dar. Es erfüllt die energetischen
Zielvorgaben, gewährleistet eine nachhaltige Betriebsweise der Erdwärmesonden und
vermeidet unnötige Systemkomplexität. Eine weitergehende aktive solare Regeneration ist
für kleine, nicht überbeanspruchte Sondenfelder weder energetisch noch wirtschaftlich
sinnvoll.
This study addresses the issue of long-term thermal depletion in borehole heat exchanger
(BHE) fields and the challenge of meeting increasingly stringent energy standards in new
buildings. The aim was to evaluate active thermal regeneration strategies using solar
thermal systems, photovoltaic-thermal (PV-T) collectors, and photovoltaic (PV) systems
with regard to their impact on ground temperatures and the efficiency of heat pump
systems. The analysis was based on a simulation model of a multi-family building with
1,600 m² of living space and a small, consistently parameterized borehole field (8
boreholes, each 175 m deep). Coupled building and ground simulations were conducted
using IDA ICE over a 50-year time horizon. Several scenarios were analyzed, both with
and without solar heat injection, under current and future climate conditions. The results
show that partial thermal regeneration (28–41%, depending on the scenario) can already
be achieved through geocooling combined with summer idle phases. Additional active solar
heat injection—whether via solar thermal systems, PV-T collectors, or electrically using
excess PV electricity—did not yield significant improvements in system efficiency and
entailed considerable technical and economic complexity. The derived seasonal
performance factor (SPF) of the heat pump showed no relevant gains. Under the examined
conditions, the combination of PV for compliance with self-generation requirements and
geocooling for passive ground regeneration proves to be the most effective concept. It
meets regulatory energy targets, ensures sustainable operation of the borehole system,
and avoids unnecessary system complexity. Further active solar regeneration is neither
energetically necessary nor economically justified for small, non-overloaded BHE fields.
- Diese Arbeit befasst sich mit der Problematik der langfristigen Auskühlung von
- Autor/in
- Datierung
- 06.06.2025
- Format
- 66 Seiten
- Ort
- Sprache
Rechte
- Urheberrecht
- Seidinger David, Nussbaumer Simon, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Hinweis zu Rechtsgrundlagen
- Lizenzierung
- Klassifikation