oberflächennahe geothermie zur klimatisierung von … · nach §3 whg handelt es sich bei der...
TRANSCRIPT
Oberflächennahe Geothermie zur Klimatisierung von
Gebäuden
- Planungsgrundlagen und Ausführungsplanung -
Energieforum West Timm Eicker
oder
Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste
gespeicherte Wärme .
Geothermie
Energieforum West Timm Eicker
globaler Wärmefluß durch die Erdober-fläche: ca. 4,42 x 1013 W = 2,5-fache des derzeitigen Weltenergiebedarfes
Spezifische Wärmefluss q [W/m²] durch die Erdoberfläche beträgt: globales Mittel: ca. 87 mW/m². Kontinente (“alte und stabile Kruste”):
ca. 67 mW/m². Ozeane (“junge und aktive” Kruste):
ca. 101 mW/m². Im Vergleich die Strahlenleistung der Sonne: ca.
1370 W/m².
In Deutschland: ca.30 bis 120 mW/m² In NRW: ca. 50 bis 80 mW/m²
Geothermischer Wärmestrom
3
Energieforum West Timm Eicker
Erdwärme als kombinierte Wärmequelle und Wärmesenke Die ungestörte Erdreichtemperatur einer 100 m Sonde liegt im Mittel bei 10°C bis 12°C In der Heizperiode wird dem Erdreich Energie entzogen und die Erdreichtemperaturen
sinken auf Werte um die 5°C Das reduzierte Temperaturniveau des Erdreichs bietet damit ein hohes Potential für die
Rückkühlung des Gebäudes in der Kühlperiode
4
Geothermie – eine Quelle zwei Nutzungsmöglichkeiten
Energieforum West Timm Eicker
Bereitstellung von Wärme Schwerpunkt: Beheizung von Gebäuden i.d.R unter Einsatz von
Wärmepumpen untergeordnet: Eisfreihaltung von Verkehrsflächen, Landwirtschaft und
Fischzucht, Schwímmbadbeheizung
Bereitstellung von Kälte Zunehmender Bedarf: Kühlung von Gebäuden
Direkte Kühlung Aktive Kühlung unter Einsatz von Wärmepumpen/Kältemaschinen
Wärme- und Kältespeicherung
Saisonale Speicherung Einspeicherung von solarer Wärme bzw. Abwärme aus Industrie- und
Kraftwerksprozessen
Nutzung der oberflächennahen Geothermie
Energieforum West Timm Eicker
6
Wärmepumpe – eine Maschine zwei Nutzungsmöglichkeiten
Quelle: Bine Fachbuch 2010
Energieforum West Timm Eicker
Leistungszahl der Wärmepumpe in Abhängigkeit zur Vorlauftemperatur und Temperaturspreizung
Funktionsweise Wärmepumpe
Energieforum West Timm Eicker
Primärenergiebedarf
Primärenergiefaktoren Strom fP=2,6 Heizöl fP=1,1 Erdgas fP=1,1
[EnEV 2009]
ENEV 2014 Strom fP = 2,4 (-10%) EnEV 2016 Strom fP = 1,8 (-25%)
Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungssystemen
8
Quelle BWP
Energieforum West Timm Eicker 10
Erdwärme - Nutzungsmöglichkeiten
Quelle: geomatrix.bw, HS Stuttgart, 2012
Energieforum West Timm Eicker 11
Kombinierter Heiz- und Kühlbetrieb Zusammenspiel von Geothermie und Wärmepumpe
Startpunkt: Ungestörte Untergrundtemperatur von 8°C – 12°C
Winter: Untergrund dient als Wärmequelle für den Heizfall
Frühling: Untergrund dient als Kältespeicher bei ca. 4°C – 8°C
Sommer: Untergrund dient als Wärmesenke für den Kühlfall
Herbst: Untergrund dient als Wärmespeicher bei ca. 12°C – 16°C
Energieforum West Timm Eicker
Die kombinierte Wärme- und Kälteversorgung von größeren Gebäuden bietet eine Chance zur erheblichen Reduzierung von betriebs- und Verbrauchsgebunden Kosten.
Voraussetzung: Flächenheiz- und kühlsystem (geringes Temperaturniveau im Heizfall und hohes
Temperaturniveau im Kühlfall) Vorteile
Zusätzliche künstliche Regeneration des Untergrundes im Sommer (Wärmeeintrag), dadurch gesteigerte geothermische Ergiebigkeit des Untergrundes
Bei passiver Kühlung (direct cooling) ergeben sich sehr hohe Wirkungsgrade Bei aktiver Kühlung hohe Jahresnutzungsgrade der Anlagentechnik (reversible
Wärmepumpe, nur ein Gerät für Wärme- und Kälteerzeugung)
12
Kombinierte Wärme- und Kälteversorgung
Energieforum West Timm Eicker
Etwa 22% des Kältebedarfs in Deutschland wird zur Klimatisierung von Gebäuden verwendet. Die Tendenz ist deutlich ansteigen auf Grund von Architektonisch gewünschten großen Fensterflächenanteilen Anstieg der Temperaturen infolge des Klimawandels Steigende Komfortansprüche Ansteigende interne Lasten durch EDV-Anlagen Zunehmend Gebäude mit geringen Speichermassen (Leichtbauweise)
Nach einer Studie von Jones Lang LaSalle (2006) sind 47% aller Büros in Deutschland klimatisiert. Bei den gewerblichen Neubauten werden in Europa etwa 90% klimatisiert.
14
Kältebedarf in Deutschland
Energieforum West Timm Eicker 15
Kühlbedarf in Deutschland
Ecofys Germany GmbH, Köln 2011
In Anlehnung an die Ergebnisse aus [Riviere, P.; Adnot, J. et al. 2008] ist im Wohngebäudebereich in den nächsten 20 Jahren mit etwa einer Verdoppelung zu rechen. Im Nichtwohngebäudebereich ist der Anstieg geringer, allerdings mit ca. 25% immer noch erheblich. [Ecofys Germany GmbH, Köln 2011]
Energieforum West Timm Eicker
Prognose der globalen Entwicklung des Kältebedarfs auf Grund des Klimawandels
16
Kältebedarf
Modell der globalen CO2-Emissionen aus Heizen und air contitioning im Wohnungsbereich (Quelle: Isaac/Van Vuuren, 2009)
Energieforum West Timm Eicker
Erdwärmesonden + Wärmepumpe
Erdwärmekollektoren + Wärmepumpe
Grundwasser- Wärmepumpe
Oberflächennahe Geothermie (bis 400 m Tiefe)
Energieforum West Timm Eicker
Wärmequelle Grundwasser: ganzjährig mittlere Temperaturen von 8°C bis 12°C
Besonders hohe Leistungszahl im Vergleich zu anderen erdgekoppelten Wärmepumpensystemen
mindestens ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen (Dublette).
hinreichendes Grundwasserdargebot Voraussetzung, möglichst oberflächennah i. A. bis max. ca. 15 – 30 m)
wartungsintensiv
Grundwasserbrunnen
Energieforum West Timm Eicker
Tiefen: wenige m bis zu 400 m i.d.R HDPE-U-Sonden (1-, 2-, 3-fach) Einzelsonde oder Anordnung in
Sondenfeldern Abkühlung des Fluides im Winter z.T. < 0°
C Geschlossenes System mit zirkulierenden
Wärmeträgermedium wartungsfrei
Erdwärmesonde
Energieforum West Timm Eicker
• Geringe Temperaturen im Winter (geringere Leistungszahl)
• ausreichende und auch erschließungsfähige Fläche
• Nicht überbaubar • Verlegung von id.R.
HDPE-Rohr im Abstand von 0,3 – 0,7 m
• kostengünstig • wartungsfrei
Horizontalkollektoren
Energieforum West Timm Eicker
• Nur im Rahmen von Neubauvorhaben bei Gründungen mit Pfählen oder Schlitzwänden
• Bestückung der Bewehrungskörbe mit der entsprechenden Anzahl von Rohrschlaufen
• Einbringen mit der Bewehrung vor dem Betonieren
• kostengünstig • wartungsfrei
Energiepfahlgründung
Quelle: Bilfinger Berger Spezialtiefbau
Erdberührte Betonteilenergiepfähle
Energieforum West Timm Eicker
• Sonderform eines Kollektors
• Einsatz in • einer Tiefe von 1 bis 4 m • Geringerer Flächenbedarf
Quelle: Betatherm
Erdwärmekörbe
Energieforum West Timm Eicker 23
Verschiedene Nutzungssysteme der oberflächennahen Geothermie - Überblick
Offene Systeme
Grundwasserbrunnen
Geschlossene Systeme
Erdwärmesonden
Erdkollektoren
Erdwärmekörbe
Erdberührte Betonteile (aktivierte Schlitzwände und Energiepfähle)
„Heat Pipes“ / Direktverdampfersonden
Sondernutzungen
Grubenwärme
Tunnelwärme
Abwasserwärme
Energieforum West Timm Eicker
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) + Länderspezifische Wassergesetze + Verwaltungsvorschriften
Nach §3 WHG handelt es sich bei der Oberflächennahe Geothermie um einen Benutzungstatbestand:
„Maßnahme, die geeignet sind, dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biol. Beschaffenheit des Wassers herbeizuführen.“
Bundesberggesetz (BBergG)
Erdwärme gilt nach § 3 Abs. 3 Satz 2 Nr. 2 b BBergG als bergfreier Bodenschatz, auf den sich nach § 3 Abs. 2 Satz 2 BBergG das Eigentum an Grundstücken nicht erstreckt. Ausnahme: wenn Erdwärme auf einem Grundstück im Zusammenhang mit dessen baulicher Nutzung gewonnen wird
Lagerstättengesetz (LagerstG)
24
Genehmigungsrecht
Energieforum West Timm Eicker
Bei der Planung von Geothermieanlagen sind folgende Kriterien zu beachten: Geologische Verhältnisse Hydrogeologische Verhältnisse Geotechnische Verhältnisse Hydrochemische Verhältnisse Geothermische Verhältnisse Haustechnische Randbedingungen Bautechnische Randbedingungen Genehmigungsaspekte
25
Kriterien der geothermischen Planung
Energieforum West Timm Eicker
Entscheidend für die Dimensionierung von geothermischen Anlagen ist eine möglichst genaue Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse.
Voraussetzung für den technisch einwandfreien und wirtschaftlichen Betrieb einer Geothermieanlage ist die standort- und projektangepasste Auslegung.
Tiefergehende Untersuchungen und Planungen bei komplexeren Anlagen, schwierigen geologische Verhältnisse oder genehmigungsrechtlichen Auflagen erforderlich
Wahl von qualifizierten Unternehmen bei der Planung und Ausführung
Planungsaufgaben in der oberflächennahen
Geothermie mit zwei Hauptbereichen Erdwärmeanlage (z.B. Erdsondenfeld /Brunnengalerie) Technische Gebäudeausrüstung (TGA) / Haustechnik
Definition einer eindeutigen Schnittstelle
26
Kriterien der geothermischen Planung
TGA
Geothermie
Schnitt- stelle
Energieforum West Timm Eicker 27
Auslegung Geothermieanlagen
Für kleine Erdwärmesondenanlagen < 30 kW Heizleistung - nur Wärmeentzug (Heizung einschl. Warmwasser) - Länge der einzelnen Erdwärmesonden zwischen 40 und 100 m - Mindestabstand zwischen zwei Erdwärmesonden mindestens 5m bzw. 6 m - als Erdwärmesonden kommen Doppel-U-Sonden mit DN 20, DN 25 oder DN 32 mm oder Koaxialsonden mit mindestens 60 mm Durchmesser zum Einsatz - nicht anwendbar bei einer größeren Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal
Energieforum West Timm Eicker 28
Auslegung Geothermieanlagen
Dimensionierung der Erdwärmesonden mittels Auslegungssoftware zwingend erforderlich bei Anlagen: > 30 kW Heizleistung mit kombiniertem Heiz- und Kühlbetrieb mit Sondentiefe > 100 m mit bivalenter Anlagentechnik große Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal
Energieforum West Timm Eicker
Auslegung Geothermieanlagen
29
Die Auslegung von Geothermieanlagen mit Hilfe von Pauschalwerten kann zu massiven Fehleinschätzungen führen. Eine Korrektur ist in vielen Fällen nur bedingt möglich und führt in der Regel zu hohen Mehraufwendungen.