Heat Harvest - Ernte von urbaner solarer Abwärme von Gebäuden und Oberflächen zur Vermeidung der sommerlichen Überhitzung in Städten

Status

abgeschlossen

Ziele, Inhalte und Ergebnisse

Zur Vermeidung urbaner Hitzeinseln werden vielerorts schon Begrünungsmaßnahmen sowie Grün- und/oder Wasserflächen propagiert und eingesetzt. Der Einsatz dieser Lösungen ist allerdings nicht immer ausreichend bzw. genehmigungsfähig oder erwünscht, wie z.B. bei Altbauten, historischen oder denkmalgeschützten Gebäuden. Eine einfache, unsichtbare und saisonal betriebene Lösung ist die „Ernte" solarer urbaner Überschusswärme von Gebäudeoberflächen, Gehwegen, Straßen und Plätzen durch flach verlegte Absorberleitungen, welche danach in Erdsondenspeicher zur späteren Verwendung als Wärmequelle zur Gebäudeheizung eingebracht wird. Aufgrund des hohen Temperaturniveaus urbaner Oberflächen von bis zu 50 °C ist mit Vorlauftemperaturen in den Speicher von bis zu 40 °C zu rechnen.

Übliche Berechnungs- und Simulationsmethoden für die Auslegung von Erdsondenfeldern stoßen bei den Bedingungen, wie sie in stark aufgeheizten innerstädtischen Flächen auftreten an ihre Grenzen bzw. sind Simulationen mit höheren Temperaturen nicht ohne weiteres möglich. Die Untergrundtemperaturen einer Stadt sind durch Bebauung und Nutzung ohnehin schon gegenüber den klimatisch bedingten Temperaturen erhöht. Eine Einbringung von Abwärme zur saisonalen Speicherung und die Integration von Wärmepumpen ist daher sehr sensibel zu behandeln und muss sich unbedingt auf verlässliche und genaue Zahlen und Berechnungen stützen.

Vor einem angestrebten Pilotprojekt mussten daher noch eine Vielzahl technischer Fragen geklärt werden. Das Ziel des Projekts Heat Harvest war es, umfassende Untersuchungen des thermischen Verhaltens des Untergrunds bei Eintragung solarer urbaner Abwärme in einem Großtestfeld auf einem Freigelände und begleitenden Laborexperimenten sowie Simulationen unter verschiedenen Voraussetzungen durchzuführen. Damit konnten zielgerichtet die passenden Rahmenbedingungen für die Ernte von solarer Abwärme im urbanen Raum ausgelotet werden, um den Ansatz später in ein größeres kooperatives Forschungsvorhaben einzubetten.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei geologisch geeignetem Untergrund auch höhere Temperaturen, wie sie in urbanen Flächen auftreten, ohne negative thermische Auswirkungen in Erdsondenspeicher eingebracht werden können. Die Technologie der Gewinnung von solarer Überschusswärme in urbanen Gebieten und der thermischen Speicherung im Untergrund hat hohes Potenzial in Städten, die besonders vom Urban Heat Island-Effekt betroffen sind.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus dem Projekt können wie folgt zusammengefasst werden:

• Die Gewinnung von solarer Überschusswärme in Städten kann wesentlich zur Vermeidung bzw. Verringerung des ‚Urban Heat Island'-Effekts beitragen.
• Gleichzeitig führt das Konzept zu einer Effizienzsteigerung im Heizbetrieb und leistet somit einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Raumwärme.
• Die höhere Einspeisetemperatur (bis zu 40 °C statt der üblichen maximal 30 °C) führen zu einer deutlichen Erhöhung der Übertragungsleistung der Sonde, aber nicht zu exzessiver Erwärmung des Untergrunds.
• Der laterale Einflussradius ist bei geeigneter Geologie räumlich sehr begrenzt.
• Die entsprechende „geeignete Geologie" ist ein Ton-Schluff-dominiertes System wie es zum Beispiel für das Wiener Stadtgebiet südlich der Donau typisch ist.
• Saisonale Wärmespeicherung in Erdsondenfeldern und generell im Untergrund ist gerade für dicht verbaute Städte interessant, da es eine platzsparende und unsichtbare Technologie ist.
• Eine genaue Kenntnis des Untergrunds (Aufbau, Grundwasser, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität) ist wesentlich für eine korrekte Planung und einen effizienten Betrieb eines Erdsondenspeichers.
• Gewinnung von solarer Überschusswärme ist für (denkmalgeschützte) Bestandsgebäude auch für die Nachrüstung interessant.
• Die gefundenen Erkenntnisse gelten nicht nur für die Kombination Asphaltkollektor -Erdwärmesonde, sondern gelten für alle saisonalen Wärmequellen (auch für klassische Solarthermiekollektoren).
• Dimensionierung, Betrieb und Regelung der Anlage:
  o Durch die Beladung des Speichers steigt auf der einen Seite die JAZ der Wärmepumpe, dadurch sinkt der Stromverbrauch und die Wärmeentnahme steigt um etwa 20 %.
  o Auf der anderen Seite führt der Anstieg der Speichertemperatur zu einer verringerten Temperaturdifferenz zur Wärmequelle Asphaltkollektor: Folglich sinkt über die Jahre der Wärmeeintrag.
  o Zu Beginn muss der Wärmeeintrag deutlich größer sein als der Entzug, ist der Speicher vollgeladen entsteht ein selbstregulierendes System.
  o Bei entsprechender Dimensionierung ist daher keine aufwändige Regelungstechnik benötigt.

Die im Rahmen dieses Sondierungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in weitere Forschungsvorhaben einfließen und mittelfristig zur Durchführung eines Demonstrationsprojekts genutzt werden. Da es sich im derzeitigen Stadium um eine Sondierung handelte, wurden die erzielten Erkenntnisse vor allem in mehreren Publikationen und auf Veranstaltungen für das wissenschaftliche Forschungsumfeld präsentiert. Weiters wurden bereits während der Projektdurchführungsphase Stakeholder eingebunden, für die die Nutzung dieser neuartigen Technologie in ihrem Arbeitsumfeld von großem ökologischen wie auch ökonomischen Vorteil sein kann. Da zudem auch mehrere Bauträger bereits Interesse an der Anwendung angemeldet haben und eine Erprobung und Umsetzung in ihren Vorhaben in ernsthafte Erwägung ziehen, sieht das Konsortium ein erhebliches Marktpotenzial.

Folgende Zielgruppen können somit als relevant angesehen werden:

• Bauträger
• Gebäudebetreiber
• Kommunen
• Industrie- und Infrastrukturbetriebe mit großen Nutzungsflächen

Projektleitung

AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• TERRA Umwelttechnik GmbH
• Geologische Bundesanstalt

DI Dr. Edith Haslinger
Giefinggasse 2
A-1210 Wien
Tel.: +43 (505) 50-3608
Fax: +43 (505) 50-6390
E-Mail: edith.haslinger@ait.ac.at
Web: www.ait.ac.at