在德国北部，研究人员建立了一个带有地下储冰罐的创新冷局部供暖网络。这提供了来自地球表面的能量——即使当地面结冰时也是如此。
“一年前，这里还是一片丘陵、杂草丛生的草地，”比约恩·奥尔森（Björn Ohlsen）谈到石勒苏益格（Schleswig）的“An den Wichelkoppeln”建筑工地时说，由联邦经济事务和气候行动部资助的ErdEis II研究项目的一部分就位于该建筑工地。与此同时，地形是平坦的，Energie PLUS Concept GmbH（简称EPC）的项目工程师知道捷径草坪下已经有什么：带有测量装置的集热器。
在石勒苏益格实施的地球冰储存系统草图：© Energie PLUS Concept GmbH
ErdEis II表明，即使是冰冻的土壤仍然可以提供热量。其基础是所谓的冷局部供暖网络。通常，供热网络的流动温度超过70摄氏度。另一方面，寒冷的局部供暖网络在温度低于 20 摄氏度的情况下也能过得去。在联合项目“ErdEis II”中，参与者实施了一种系统方法，涉及两个地球冰储存设施、两个大型集热器系统和光伏-太阳能热混合模块（PVT模块）。
这种冷的局部供热网不需要保温，因为没有损失，反而有增益，因为在抽取热量时，管道周围的地面比局部供热网中的传热流体更暖和。如果需要，还可以集成各种热耗材和热源。经典的热源是近地表地热能。
在从液态到固态的相变过程中，即在结冰期间，可以从土壤中提取特别大量的能量。研究人员谈到了释放潜热（PCM）或转化焓。例如，当水结冰时，释放的热量与将相同数量的水从零摄氏度加热到 80 摄氏度所需的热量一样多。然后，热泵可以利用这种潜热来加热公寓。地球冰库的收集器本身含有水和乙二醇的混合物，其冰点较低。
如果地面在几个收集层之间结冰，地球冰储罐会提取过程中释放的热能并将其储存起来。这就是这个名字的由来。“在之前的ErdEis项目中，我们研究了技术和经济可行性和应用场景，”纽伦堡应用科学大学节能建筑和建筑技术教授兼EPC董事总经理Volker Stockinger解释道。项目合作伙伴模拟了地球冰储罐的概念，该储冰罐在冬季用作热泵的热源，在夏季用作冷却供应商。“潮湿的土壤具有非常高的体积储热能力和结冰潜力，”Stockinger解释道。“我们利用了这一点。”
节省空间的城市地热能
收集器插入地下约一米半的深度，因此位于近地表地热能区域。这比插入探头便宜，因为探头被引导到更深的地下。在ErdEis II，建造了两个土冰储存设施，每个设施的收集面积约为1,000平方米，以及两个大型收集厂，每个收集面积约为1,250平方米。几层相互叠加的事实进一步减少了所需的空间，并使地热能能够在更密集的城市地区使用。石勒苏益格的当地冷供热网络现在为 61 个建筑地块和一个消防站提供完全可再生的供暖和制冷。
“这种收集器可以在各个方向上对大约一米的土壤进行热访问，”Stockinger描述道。第一个仪表可以从能量中大量提取。如果集热器位于彼此下方的几层中，则在具有相同表面要求的深度处会打开更多的土体，但它们会阻止下层集热层的再生。这是因为在一些地方，来自阳光和雨水等自然过程的再生热几乎无法到达低海拔地区。
这就是为什么地球冰库使用季节的原因。如果地表在冬季结冰（最大深度为80厘米），这并不意味着地球的更深层也会结冰。相反，地表在夏天会变暖，而下层则保持寒冷，从而有助于在夏季为房屋提供空调。这意味着地球冰储存系统总是在正确的时间提供所需的东西：冬天热，夏天冷。春天也有一个相变：冰液化，但此时用于此目的的能量并不直接导致温度的变化。可以这么说，蓄热系统可以充电。在进一步热量过剩的情况下，地面可以继续作为散热器，直到地球温度达到 16 摄氏度。
但是，您也可以绕过上层提供的屏蔽层，自己引入热量，例如将土冰储罐用作散热器，以容纳超市或工业厂房冷却过程中产生的废热。另一种选择是通过PVT模块再生土壤。
荣誉和成果
在 2019 年至 2022 年期间，该项目在德国可持续建筑委员会的 2020 年可持续发展挑战赛中获得了顺风：EPC 能够在初创企业类别中获胜。“我们申请这个奖项是因为专家们刚刚发现寒冷的局部供暖，但公众却没有。通过这种方式，我们希望为这个概念创造更多的关注，“Ohlsen解释道。此外，ErdEis II 还被提名为 2023 年 Ruggero Bertani 欧洲地热创新奖，是唯一一个以最接近地表的地热能为主题的项目。
去年，最终报告发布。研究人员不仅能够证明土冰储罐从根本上适用于供暖和制冷区域。该项目还表明，这种存储系统可以在不影响动植物的情况下运行，因为安装的元件足够坚固，可以无故障运行。报告还描述了在最初实施这种土冰库时出现的挑战。例如，这些措施包括在高地下水位下的复杂安装。
除EPC外，德累斯顿工业大学、埃尔朗根工业大学、亚琛工业大学三所大学以及石勒苏益格城市大学也参与了该项目，该项目由德国联邦经济事务和气候行动部资助。“石勒苏益格城市供暖是德国冷供暖领域的领导者，”Stockinger解释道。这是因为供应商已经成功实施了一些冷的局部供热网络。因此，许多参与后续项目ErdEis III的人现在正在继续研究将地球冰储存系统整合到地区中，例如最佳运营策略或可能的商业模式，这并不奇怪。
Stockinger认为，只要可用空间很小，理想情况下，加热和冷却要求同时存在：“从30到40个住宅单元，例如在城市郊区或公园等畅通无阻的绿地附近，寒冷的本地供暖网络是一种合适的气候友好型解决方案。
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