Eine Fallstudie über das thermische Ungleichgewicht und die wirtschaftliche Optimierung von GSHP- und solar-gekoppelten GSHP-Systemen: Abstände der unterirdischen Rohre

Erdwärmepumpen (GSHP) Systeme sind bekannt für ihre Effizienz als erneuerbare Energiequellen, können jedoch während längerer Nutzung Probleme mit dem thermischen Gleichgewicht des Bodens erfahren. Solar-gekoppelte Erdwärmepumpensysteme (SGSHP) wurden eingeführt, um diese Ungleichgewichte zu mindern, indem sie Solarenergie integrieren, um die Gesamtleistung des Systems zu verbessern. Allerdings stehen SGSHP-Systeme häufig wirtschaftlichen Herausforderungen gegenüber, aufgrund ihrer hohen Anfangs- und Betriebskosten, was sie für den Einsatz in großflächigen Heizungsanwendungen weniger geeignet macht. Um diese Herausforderungen anzugehen, untersucht diese Studie, wie der Abstand der unterirdischen Rohre die thermische Leistung und die wirtschaftliche Tragfähigkeit sowohl von GSHP- als auch von SGSHP-Systemen beeinflusst. Numerische Simulationen wurden mit Rohrabständen von 4 m, 4,6 m und 5,2 m durchgeführt. Eine umfassende jahreszeitliche Simulation wurde durchgeführt, um die thermischen Eigenschaften im Untergrund und auf Höhe der Erdoberfläche zu bewerten. Während der sekundären Heizphase wurden die räumlichen Temperaturvariationen in 49,5 m Tiefe systematisch im Zusammenhang mit den Oberflächenthermormustern mittels Cloud-Visualisierung und Streudiagrammanalyse untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung des Abstands der unterirdischen Rohre die Wärmeakkumulation im Boden reduziert, das thermische Gleichgewicht verbessert und die Effizienz des Wärmeübertragung für beide Systeme erhöht. Wirtschaftlich gesehen sind Rohrabstände von bis zu 4,6 m für GSHP-Systeme kosteneffektiv, jedoch führen größere Abstände zu einem verringerten wirtschaftlichen Nutzen und verlängerten Amortisationszeiten. Diese Studie bietet umsetzbare Erkenntnisse zur Optimierung des Rohrabstands bei der Planung von GSHP- und SGSHP-Systemen und bietet einen praktikablen Weg zu verbesserter thermischer Effizienz und wirtschaftlicher Machbarkeit.