Anlagen überwachen und Kosten senken

Monitoring von Erdwärmeanlagen zur Optimierung und Effizienzsteigerung

Die stetig steigende Anzahl von installierten Erdwärmeanlagen kann einen positiven Beitrag zur Energieversorgung im Wärmemarkt leisten. Dabei spielen die Betriebsbedingungen aber eine wesentliche Rolle für die Anlageneffizienz – leider sind sich viele Betreiber nicht im Klaren, wie effizient ihr Erdwärmesystem tatsächlich arbeitet. Die Quittung erhalten sie am Jahresende, wenn die Betriebskostenabrechnungen eingehen. Durch eine kontinuierliche Messdatenerfassung kann das Anlagenverhalten analysiert und optimiert werden.

Bei der Errichtung eines Erdwärmesystems wird besonderes Augenmerk auf die Ausführungsqualität gelegt – eine Bauüberwachung soll dabei die korrekte Umsetzung der Bohr- und Installationsarbeiten nach den Planungsvorgaben und so die zukünftige Effizienz des Systems sicherstellen. Ist die Anlage jedoch einmal installiert, rückt die Überwachung und damit die Sicherstellung der Effizienz des Erdwärmesystems im laufenden Betrieb in den Hintergrund. Zumindest solang bis erste Mängel auftreten oder die Betriebskostenabrechnung nicht die vorhergesagte Einsparung erbringt.
Nun beginnt die Fehlersuche nach der Ursache für den nicht zufriedenstellenden Anlagenbetrieb. Bringen die Erdwärmesonden ihre geplante Leistung? Wurde eine zu kleine Wärmepumpe installiert oder weist das Wärmeverteilsystem Schwächen auf? Dies sind Fragen, die dann im Raum stehen und denen mit geeigneten Methoden und richtiger Messtechnik nachgegangen werden muss. Kurzum: Ein Monitoring muss her.

Welcher Monitoringtyp eignet sich für die Anlagenanalyse?

Abb. 1 - Ablauf eines Monitoringprozesses

Je nach Art und Umfang der zu bestimmenden Anlagenkennwerte kann zwischen zwei Arten des Monitorings unterschieden werden. Während Kurzzeitmessungen (Kurzzeitmonitoring) einen Rahmen von einem Tag bis zu mehreren Wochen umfassen, sind beim Langzeitmonitoring mindestens zwei Jahre kontinuierliche Messaufzeichnungen notwendig (zwei Heiz- und Kühlperioden).
Das Kurzzeitmonitoring dient vor allem der Funktionsfähigkeitsprüfung der Erdwärmesondenanlage auf der Wärmequellenseite (Erdreich) und der Wärmepumpe. Aber auch die Erfassung des Ist-Zustandes sowie die Identifizierung und Behebung von Schwachstellen des Gesamtsystems zählen zu den Aufgabenschwerpunkten. Bei der Durchführung dieser Kurzzeitmessungen kommt überwiegend mobile Messtechnik zum Einsatz, mit der nicht in den aktiven Anlagenbetrieb eingegriffen werden muss. Die Sensoren besitzen eine eigene, unabhängige Stromversorgung und Messdatenablage (Datenlogger). Nach dem Erfassen der Messdaten werden diese analysiert und ausgewertet.
Langzeitmonitorings überwachen das Anlagenverhalten hingegen kontinuierlich und ermitteln so die Effizienz des Systems (Arbeitszahl = erzeugte Wärmemenge/aufgewendete Elektroenergie) im Jahresverlauf. Anhand der Auswertungen der Messdaten können Optimierungsansätze identifiziert und umgesetzt werden. Den Auflagen mancher Genehmigungsbehörden zum Betrieb und Überwachung der geothermischen Anlage dient das Langzeitmonitoring ebenso, wie der Einhaltung von Fördermittelkriterien. Der Umfang der zu installierenden Messtechnik ist dabei anlagenspezifisch und muss von Anlage zu Anlage neu entschieden werden. Während bei Einfamilienhäusern oftmals schon ein Wärmemengenzähler, ein separater Stromzähler für die Wärmepumpe sowie ein Wasserzähler für die Erfassung der Warmwasserbereitung ausreichen, erhöht sich der messtechnische Aufwand mit der Komplexität und der Größe des Wärme- bzw. Kälteversorgungssystems einer geothermischen Anlage. Aufgrund des größeren Zeitraums der Messungen wird in der Regel ein fest installiertes Messwerterfassungssystem mit einer automatisierten Fernübertragung der Messwerte eingesetzt. Separate Datenlogger sind zwar oftmals die günstigere Alternative, jedoch ist der Anlagenbetreiber in der Verantwortung diese in regelmäßigen Abständen auszulesen und die Daten für die Evaluierung weiterzuleiten. Bei Großanlagen kann häufig auf die Messstellen einer bestehenden Gebäudeleittechnik zur Regelung der Gesamtanlage zurückgegriffen werden. Dadurch können die Kosten für die Installation zusätzlicher Messtechnik reduziert oder gar vermieden werden.

Planung vs. realer Anlagenbetrieb

Abb. 2 - Vergleich des Wärmebedarfs zwischen Planungs- und tatsächlichen Werten
Abb. 3 - Anteile für Heiz- und Trinkwarmwasserbereitstellung in Ein- und Mehrfamilienhäusern
Abb. 4 - Betriebsstunden von Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern
Abb. 5 - Jahreszeitlicher Verlauf der Außen- und Sondenvorlauftemperatur einer Erdsondenanlage bei korrekter Dimensionierung
Abb. 6 - Hydraulisches Anlagenschema eines Mehrfamilienhauses

Für die Dimensionierung der Erdwärmesonden und der Wärmepumpe ist es nötig, den Wärmebedarf des Gebäudes so genau wie möglich zu definieren. In der Regel erfolgt die Berechnung des Wärmebedarfs nach DIN 4701. Jedoch wird in der Praxis der Wärmebedarf für Heizung- und Warmwasserbereitstellung oft nur überschlagen. Bei Sanierungsvorhaben ohne Änderungen an der Gebäudehülle können dazu die bisherigen jährlichen Verbräuche zugrunde gelegt werden. Das tatsächliche Nutzerverhalten kann aber zum Teil deutlich von den Planungswerten abweichen. Um dies zu verdeutlichen, wurde an ausgewählten Objekten der tatsächliche Wärmebedarf einzelner Gebäude den Planungswerten gegenübergestellt (siehe Abbildung). So beträgt bei dem Einfamilienhaus 0665 die Abweichung des realen Wärmebedarfs zum geplanten Wert ca. 43 % und bei dem Gebäude 0583 ca. 30 %. Diese beiden Objekte liegen in der Praxis deutlich unterhalb des erwarteten Wärmebedarfs. Folglich ist davon auszugehen, dass die installierte Wärmepumpe überdimensioniert ist und negative Auswirkungen auf den effizienten Betrieb hat. Dem gegenüber steht die Anlage 0948 deren tatsächlicher Wärmebedarf ca. 27 % höher liegt als angenommen. Bei dieser Anlage stellt sich nun die Frage, ob die Dimensionierung der Erdwärmesonden und der Wärmepumpe ausreichend ist, um den gegenüber der Planung zusätzlichen Wärmebedarf effizient abzudecken.

Für die Effizienz einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage ist es von Bedeutung, auf welchem Temperaturniveau die Wärme bereitgestellt werden muss. Während Heizwärme, vor allem bei Flächenheizsystemen, überwiegend mit Vorlauftemperaturen von etwa 35 bis 40 °C zur Verfügung gestellt wird, benötigt die Warmwasserbereitstellung Vorlauftemperaturen von bis zu 60 °C. Unter diesem Gesichtspunkt spielen die Anteile für Heizwärme- und Trinkwarmwasserbereitstellung eine entscheidende Rolle für die Gesamteffizienz. Da diese Anteile auf das jeweilige Nutzerverhalten der Bewohner zurückzuführen sind, fallen sie von Anlage zu Anlage unterschiedlich aus. In der Grafik sind die Anteile für Heiz- und Trinkwarmwasserbereitstellung ausgewählter Projekte (Ein- und Mehrfamilienhäuser) dargestellt. Man erkennt, dass der Anteil für die Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern im Vergleich zu Einfamilienhäusern höher ausfällt. Die Wärmepumpe arbeitet somit wesentlich mehr in einem ungünstigen Temperaturniveau, was sich letztendlich auch auf die Arbeitszahl auswirken wird.

In großen Gewerbebauten, die mit Erdwärme versorgt werden, spielt die Warmwasserbereitung oftmals eine untergeordnete Rolle. Bei diesen Anlagen steht vielmehr das Verhältnis von Heizwärmebereitstellung und Kühlung im Vordergrund. Eine unausgeglichene Bilanz kann sich negativ auf die Effizienz auswirken, da im Untergrund ungünstige Temperaturverhältnisse für den Anlagenbetrieb entstehen können. Mit Hilfe geeigneter Messtechnik können die Energiemengen und Temperaturen für den Heiz- und Kühlfall kontinuierlich erfasst und ggf. in den Regelungsalgorithmus der Gesamtanlage mit aufgenommen werden. Dadurch kann ein versorgungssicherer und effizienter Anlagenbetrieb gewährleistet werden.

In der VDI 4640 Blatt 2 werden für den Betrieb von erdgekoppelten Wärmepumpen mit einer installierten Leistung bis zu 30 kW zwischen 1.800 (nur Heizung) und 2.400 (Heizung und Warmwasser) Jahresbetriebsstunden angegeben. Wie aus der Grafik hervorgeht, weichen die jährlichen Betriebsstunden in der Realität zum Teil deutlich ab. Diese Abweichungen können meist auf eine Überdimensionierung der Wärmepumpe zurückgeführt werden. Bei genauer Betrachtung der Betriebszustände kommt es vor allem bei einer Überdimensionierung der Wärmepumpe zum sogenannten „Takten“ der Wärmepumpe – dabei wechseln sich die Betriebszustände „an“ und „aus“ in kurzen Zeitabständen ab. Dabei sinkt gleichzeitig die Anlageneffizienz, da die Startphase einer Wärmepumpe mit höheren Anlaufströmen behaftet ist. Eine Unterdimensionierung der Wärmepumpenanlage ist hingegen oftmals an deutlich höheren Jahresbetriebsstunden zu erkennen.

Ein weiterer wichtiger Anlagenparameter für den Betrieb einer erdgekoppelten Wärmepumpe ist die Temperatur des Sondenfluids aus dem Erdreich. Aufgrund der unterschiedlichen jahreszeitlichen Anforderungen an den Untergrund sind die Temperaturen Schwankungen unterworfen (siehe Grafik). Während zum Ende der Heizperiode (April) die geringsten Temperaturen zu verzeichnen sind, erhöhen sich diese über die Sommermonate bis zur neuen Heizperiode (September) – der Untergrund regeneriert sich auf natürliche Weise. Erfolgt, aufgrund von Fehlern während der Planung oder eines veränderten Nutzerverhaltens, keine vollständige Regeneration des Untergrunds und damit der Sondentemperatur, so wird die Wärmepumpenanlage im Laufe der Jahre kontinuierlich ineffizienter – das Erdreich wird überstrapaziert. Mit Hilfe von zwei Temperatursensoren im Solekreis können solche Effekte frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Zusammenfassung

Die Effizienz von erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen ist von zahlreichen Anlagenparametern, wie z. B. Temperaturen, dem Nutzerverhalten und der Betriebsweise der Wärmepumpe abhängig. Diese Anlagenparameter sollten gezielt messtechnisch erfasst und ausgewertet werden. Aus den bisher betreuten Geothermieanlagen geht hervor, dass vor allem in den ersten Betriebsjahren Optimierungspotenzial vorhanden ist und die Anlageneffizienz gesteigert werden kann. Für die Durchführung von Kurzzeit- und Langzeitmonitorings stehen unterschiedliche Messsysteme zur Verfügung, sodass individuelle Konzepte für die Analyse von Erdsondenanlagen erstellt werden können.

Kreation: 599media GmbH