Simulation des Temperaturverlaufs des Wärmeträgermediums in Erdwärmesonden unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Wärmepumpe
Marc Sauer
Bei der Simulation von Erdwärmesonden wird die Heiz- und Entzugsleistung sowie die weiteren Zustandsgrößen der Wärmepumpe Stromaufnahme und Arbeitszahl üblicherweise als konstant angenommen. Diese Parameter sind jedoch abhängig von der Temperatur der Wärmequelle (Wärmeträgermedium) und der angestrebten Temperatur im Heizkreis.
Die Wärmequellentemperatur erfährt im Anlagenbetrieb fortlaufend Änderungen, ebenso wie die Zieltemperatur im Heizkreis, die in Abhängigkeit von der Außentemperatur variiert. Somit ändern sich auch die Zustandsgrößen der Wärmepumpe permanent.
Die gängigen Berechnungsverfahren und Simulationsprogramme berücksichtigen dieses dynamische Verhalten nicht oder nur teilweise. Für den normalen Planungsablauf hat sich der statische Ansatz bewährt, da hier meist von einem vergleichsweise ungünstigen Betriebspunkt mit minimaler Quellentemperatur (z.B. 0°C) und einer maximalen Vorlauftemperatur im Heizkreis (z.B. 35°C bei Flächenheizsystemen) ausgegangen wird. Bei entsprechend den gültigen Regelwerken (VDI 4640-2, Anforderungen der Bundesländer und der jeweiligen Genehmigungsbehörden) ausgelegten Anlagen sind die Bedingungen während einer Heizperiode meist besser, so dass der statische Ansatz als konservativ angesehen werden kann.
Die damit sehr häufig verbundene Überdimensionierung der Erdwärmesondenanlage kann vermieden werden, wenn die Simulationsrechnung realitätsnäher, unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Wärmepumpe ausgeführt wird. Hierzu wurde für die erweiterungsfähige Simulationssoftware FeFlow, in Zusammenarbeit mit dem Hersteller der Software (DHI WASY GmbH, Berlin) ein IFM-Modul (Plug-In) entwickelt, das es ermöglicht, die Entzugsleistung für jeden Zeitschritt der Simulation auf der Basis der jeweils benötigten Vorlauftemperatur des Heizkreises und der jeweiligen Quellentemperatur anzupassen.
Für die Erstellung der benötigten Eingabedatei und die Auswertung der berechneten Daten wurde eine Prä- und Postprozessingsoftware programmiert.
Das Plug-In steuert auch die jeweilige Wärmepumpenlaufzeit, da aufgrund der Variation der WP-Leistung sich die jeweilige Dauer des Wärmepumpenbetriebes erst im Zuge der Simulation ergibt und für jeden Wärmepumpenzyklus unterschiedlich sein kann. Weiterhin kann der Einsatz eines zweiten (bivalent alternativen) Wärmeerzeugers simuliert werden, der die Wärmeerzeugung übernimmt, falls das Wärmeträgermedium eine vorgegebene Temperaturgrenze unterschreitet. Damit kann z.B. untersucht werden, ob eine moderate Unterdimensionierung der Erdwärmesondenanlage akzeptabel ist, im Hinblick auf die dann etwas höheren Verbrauchskosten gegenüber der Einsparung bei den Investitionskosten.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Bearbeitung der Frage nach dem Unterschied in Bezug auf die Verbrauchskosten beim Vergleich von Soll- und Ist-Ausführung. Die hierbei in Frage stehenden Randbedingungen können sich auf die Planung beziehen (Falscher Ansatz oder falsche Ermittlung der erdseitigen Parameter Wärmeleitfähigkeit und Temperatur durch z.B. Messfehler bei Thermal Response Tests) oder auch auf die Ausführung (falsche Tiefe und Konfiguration des Erdwärmesondenfeldes bzw. der einzelnen EWS, fehlende Bohrlochverfüllung etc.).
