geo:build - Optimierung der Regelstrategien im Kühlfall erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung

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1 Beitrag Der Geothermiekongress 2013 Essen, November 2013 geo:build - Optimierung der Regelstrategien im Kühlfall erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung Franziska Bockelmann, M. Norbert Fisch Technische Universität Braunschweig IGS Institut für Gebäude- und Solartechnik Tim Petruszek, Lars Kühl Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften - Fakultät Versorgungstechnik, Wolfenbüttel Fritz Nüßle Zent-Frenger GmbH, Heppenheim Burkhard Sanner UBeG GbR, Wetzlar Keywords: Optimierung, Monitoring, energieeffizienter Betrieb, geothermische Systeme, Bürogebäude, Kühlfall, freie Kühlung, Kältemaschinenbetrieb Zusammenfassung Der Beitrag soll einen Überblick über das Projekt geo:build und den Bearbeitungsstand geben. Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Analyse von erdgekoppelten Systemen zur Wärmeund Kältebereitstellung in Theorie und Praxis, dabei wird insbesondere auf das Monitoring und die Optimierung der Kühlfälle Kältemaschinenbetrieb und freie Kühlung - eingegangen. Die zwei wesentlichen Arbeitspunkte sind zum einen die Analyse und Abstimmung des wechselnden Betriebes zwischen freier Kühlung und Kältemaschine im Kühlbetrieb und zum anderen die Erarbeitung von energetisch sowie wirtschaftlich sinnvollen Kombinationsmöglichkeiten dieser Technologien. Im Projekt werden vier Nicht-Wohngebäude (Büro- und Hörsaalgebäude) messtechnisch untersucht, begleitet und als ganzheitliche Gebäude- und Systemsimulation abgebildet. 1. Einleitung In modernen Bürogebäuden spielen geothermische Heiz- und Kühlsysteme zunehmend eine tragende Rolle und ersetzen die klassische Kühlanlagentechnik durch reversible Wärmepumpe und freie Kühlung. In bisherigen Forschungsprojekten hat sich gezeigt, dass erdgekoppelte Systeme, im Hinblick auf ihre Effizienz nicht selten Missstände zwischen geplanter und realer Betriebsweise aufweisen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes geo:build sollen auf Basis von Simulationen, Monitoring und Bestandsdokumentationen fundierte Regelungs- und Planungsstrategien entwickelt werden, die eine optimale Ausnutzung des Erdreiches als saisonalen Speicher insbesondere für den Kühlfall ermöglichen. 2. Das Forschungsprojekt Im Forschungsprojekt werden Systeme zur erdgekoppelten Wärme- und Kältebereitstellung in Bürogebäuden vergleichend untersucht. Dabei werden vier ausgewählte Nicht-Wohngebäude (Tab. 1), die mit der entsprechenden Anlagentechnik ausgestattet sind, in Theorie und Praxis analysiert.

2 Das Projekt ist in sechs Arbeitspakete gegliedert (Abb. 1). Der Focus liegt u.a. auf der messtechnischen Erfassung, der Analyse hinsichtlich Betriebsstrategien und Anlagenfunktionen sowie der Energiebilanz im Erdreich. Ergänzend erfolgen Gebäude- und anlagentechnische Simulationen mit Rückkopplung zum Wärmeeintrag und entzug in das Erdreich und dessen thermisches Verhalten. Abb. 1: Arbeitspakete Im Forschungsprojekt sollen optimierte Betriebsstrategien und anwendungsorientierte Speicherkonzepte für den Ausbau des Speichernutzungsgrades, insbesondere mit erdgekoppelten Kältemaschinen und dem Betriebswechsel zwischen Kältemaschine und freier Kühlung weiterentwickelt und evaluiert werden. Lösungsansätze zur Regelung und Auslegung der Anlagen in Hinblick auf Betriebs- und Regelungskonzepte, die ein unmittelbares Umschalten zwischen Betrieb der Kältemaschine und freiem Kühlbetrieb ermöglichen, Auswirkungen und Möglichkeiten der Sondenfeldteilung, die Regenerationsphase zwischen Kältemaschinenbetrieb und freier Kühlung, ein gleichbleibendes Temperaturniveau im Erdreich sowie des umsetzbaren Wärmeentzugs und eintrags, der verfügbaren Leistung an das Gebäude sowie dem Verhältnis zwischen Wärmeeintrag und entzug sollen bearbeitet und soweit möglich in den Monitoringgebäuden umgesetzt werden.

3 Tab. 1: Gebäudedaten, geothermische Systeme und Heiz- und Kühlkonzepte der Monitoring-Gebäude Gelsenwasser AG, Gelsenkirchen (GEW) Gebäudedaten geothermisches System Heizlast Kühllast VGH Regionaldirektion, Lüneburg (VGH) Gebäudedaten geothermisches System Heizlast Kühllast Freundlieb am See, Dortmund (FAS) Gebäudedaten geothermisches System Heizlast Kühllast Hörsaalgebäude Ostfalia, Salzgitter (HSS) Gebäudedaten geothermisches System Heizlast Kühllast Bürogebäude NGF m² Baujahr Erdwärmesonden à 150 m Gesamtgebäude 207 kw / 43,6 W/m² NGF Wärmepumpe 326 kw Gesamtgebäude 305 kw / 9,3 W/m² NGF Freie Kühlung 200 kw rev. Wärmepumpe 320 kw Bürogebäude NGF m² Baujahr Energiepfähle à 20 m Gesamtgebäude 350 kw / 88,5 W/m² NGF Wärmepumpe 85 kw Gesamtgebäude 120 kw/ 30,3 W/m² NGF Freie Kühlung 80 kw rev. Wärmepumpe 89 kw Bürogebäude NGF m² Baujahr 2010 / Erdwärmesoden à 144 m Gesamtgebäude 125 kw / 42,7 W/m² NGF Wärmepumpe 87,6 kw Gesamtgebäude 95 kw / 32,5 W/m² NGF Freie Kühlung 60 kw rev. Wärmepumpe 68,4 kw Hörsaalgebäude NGF m² Baujahr Erdwärmesonden à 95 m Gesamtgebäude Wärmepumpe 92 kw / 28 W/m² NGF 60 kw Gesamtgebäude 152 kw / 46 W/m² NGF Freie Kühlung 60 kw rev. Wärmepumpe 45 kw 3

4 3. TRNSYS Simulation Mit Hilfe der Simulationssoftware TRNSYS werden das Hörsaalgebäude in Salzgitter sowie die VGH Lüneburg in einem ganzheitlichen Gebäude- und Anlagenmodell erstellt und mit allen gebäudespezifischen Konfigurationen abgebildet. Die Räumlichkeiten der Gebäude werden entsprechend ihrer thermischen Randbedingungen und Konditionierung in Zonen zusammengefasst (Bsp. Abb. 2 und Abb. 3) und entsprechend ihrer bauphysikalischen Eigenschaften eingepflegt. Wichtige Randbedingungen zu Heizung, Kühlung, Lüftung und inneren Lasten, etc. werden ebenfalls je Zone hinterlegt Technik 02 Büro 03 Treppe 04 Foyer/Flur 05 Hörsaal 06 Server 07 Lager Video 08 Videostudio 09 Lager EG 10 Gruppenraum 11 Gruppenraum 2 12 Sanitär 13 Bibliothek 18 Lager 29 Schacht Abb. 2: Zonierung Hörsaalgebäude Salzgitter, Erdgeschoss (insgesamt 29 Zonen) Abb. 3: Zonierung VGH, 1. Obergeschoss (Blau: Büro, zusätzlich unterteilt in Nord und Süd; Orange: Sanitär und Küche, Gelb: Flur (Lichthof))

5 Für die Gebäude mit der Anlagentechnik wird in diesem Projekt ein in der Basis universelles Simulationsmodell erstellt, das allgemeine Datenschnittstellen für Eingangsparameter, wie Wetterdaten, und auszugebende Daten, wie Lastverläufe, verwendet (Abb. 4). Die jeweils projektbezogen zu erstellenden Gebäudemodelle werden über vordefinierte Transferschnittstellen über die Lastprofile zur Heizung und Kühlung mit der Anlagentechnik verknüpft. Durch die allgemeingültige Struktur des Simulationsmodells reduziert sich der Aufwand zur Simulation der verschiedenen Gebäude und Anlagenausführungen. So wird lediglich die sich für jedes Gebäude unterschiedlich darstellende Anlagentechnik in diesem Standarddeck ergänzt und angepasst. Die Simulationsdaten werden in Ausgabedateien hinterlegt und zur Weiterverarbeitung, grafischen Aufbereitung und zum unmittelbaren Vergleich mit Messdaten aus dem realen Betrieb der Anlagen genutzt. Abb. 4: Vorläufiges universelles Deck Neben dem Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Auslegungsdaten der Planung und den Messdaten aus dem Monitoring, ist es durch die Simulation möglich, Optimierungsansätze in der Regelung im Vorfeld zu den Feldversuchen zu prüfen. Derzeit ist die Erstellung und Bearbeitung des TRNSYS-Modells einschließlich der Validierung anhand vorhandener Messdaten in abschließender Bearbeitung, so dass der aktuelle Stand und erste Ergebnisse im Vortrag präsentiert werden können. 5

6 4. Monitoring Ergebnisse Seit März 2013 ist mit dem Nutzungsbeginn des Hörsaalgebäudes in Salzgitter der vollständige Messbetrieb aller vier Gebäude aufgenommen. Nach Abschluss der Kühlperiode 2013 können erste vergleichende Aussagen vorgenommen und Rückschlüsse gezogen werden, inwieweit die in der Planung vorgegebene Betriebsweise und die kalkulierte energetische Bilanz im Feld tatsächlich umgesetzt sind. In der gegenwärtigen Bearbeitung des Projektes werden die geothermischen Anlagen und die gemessenen Eintrags- und Entzugsenergien mit der Auslegungssoftware Earth EnergieDesigner (EED) nachgebildet, um darzustellen, inwieweit die bisher noch unausgeglichenen Erdreichbilanzen einen Einfluss auf das geothermische Potential haben wird und wie groß das noch weiter nutzbare Potential ist. Für die Gebäude VGH und Gelsenwasser AG liegen bereits aus dem Forschungsprojekt WKSP (BMWi, FKZ A) Erfahrungen und ersten Optimierungen vor. Die Ergebnisse beziehen sich hier auf die Performance der Systeme, des Wärmeintrags- und -entzugs zur Erreichung einer ausgeglichenen Bilanz im Erdreich. Gelsenwasser AG, Gelsenkirchen An den Wärmeeintrags- und Wärmeentzugsmengen von 2006 bis 2013 (Abb. 5) ist zu erkennen, dass in den ersten vier Jahren deutlich mehr Wärme ins Erdreich eingetragen, als entzogen, wurde. Die eingetragene Wärme stammt u.a. aus dem Gebäude selbst (kombinierter Betrieb) als auch aus dem hohen Anteil des Kältemaschinenbetriebes. Die Folge ist eine Erwärmung des Erdreichs auf ein für den freien Kühlbetrieb ungünstiges Temperaturniveau, sodass im Kühlfall hauptsächlich die Kältemaschine in Betrieb gehen musste. Im Rahmen des bisherigen Monitorings wurden Maßnahmen und Optimierungen durchgeführt, um den Wärmeeintrag, insbesondere im kombinierten Heiz- und Kühlbetrieb zu minimieren sowie den hohen Anteil des Kältemaschinenbetriebes zu senken. Seit 2010 ist festzustellen, dass sich durch die Optimierungen langsam eine ausgeglichene Bilanz zwischen Eintrag und Entzug einstellen wird. Gemäß den Planungsunterlagen ist für die Gelsenwasser AG ein Verhältnis der bereitgestellten Kühlenergie durch die freier Kühlung (FK) und der Kältemaschinen (KM) von 68% zu 32% vorgesehen. Bisher konnte jedoch nur ein Verhältnis von 30% zu 70% umgesetzt und gemäß den vorhandenen Messdaten verhältnismäßig beibehalten werden (Abb. 6).

7 Abb. 5: Monatlicher Wärmeeintrag und -entzug sowie Außentemperatur (GEW), Abb. 6: Prozentuale Verteilung der Kältebereitstellung über FK und KM (GEW),

8 VGH Regionaldirektion, Lüneburg Anhand der Wärmeeintrags- und Wärmeentzugsmengen ist zu erkennen (Abb. 7), dass bis 2007 kein planmäßiger Heiz- oder Kühlbetrieb über das geothermische System stattgefunden hat. Um den Wärmeentzug aus dem Erdreich im Heizfall zu erhöhen sowie einen planmäßigen Heiz- als auch Kühlbetrieb herzustellen, wurden bisher im Rahmen des ersten Monitorings diverse Maßnahmen und Optimierungen umgesetzt. Nach den Optimierungsmaßnahmen ist eine deutliche Steigerung des Wärmeeintrag und somit des Kühlbetriebs zu verzeichnen. Der Heiz- als auch der Kühlbetrieb verlaufen nun größtenteils planmäßig. Eine ausgeglichene Bilanz zwischen Eintrag und Entzug konnte dennoch nicht erreicht werden. Abb. 7: Monatlicher Wärmeeintrag und -entzug sowie Außentemperatur (VGH), Durch die durchgeführten Optimierungsmaßnahmen und die Umsetzung eines planmäßigen Kühlbetriebes konnte das Verhältnis der Kältebereitstellung über Kältemaschine zur freien Kühlung im Jahre 2007 von 89% zu 11 % auf 55 % zu 45 % im Jahr 2009 reduziert werden. Bedingt durch den hohen Wärmeentzug und die damit verbundene unausgeglichene Energiebilanz im Erdreich, sollte das Temperaturniveau im Erdreich sehr gering sein. Eine weitere Reduktion des Kältemaschinenbetriebs und die Umsetzung des effizienteren freien Kühlbetriebes sollten daher möglich sein.

9 Keine Datenaufzeichnung 2010 und Fehlerhafte Datenaufzeichnung seit 2012, daher derzeit keine Auswertung möglich. Abb. 8: Prozentuale Verteilung der Kältebereitstellung über FK und KM (VGH), seit 2007 Freundlieb am See, Dortmund Das Bürogebäude Freundlieb am See ist seit 2011 in Betrieb. Messdaten stehen seit 2012 zur Auswertung zur Verfügung. In der Planung des Erdsondenfeldes wurde von einer Eintragsmenge von 40 MWh/a und einer Entzugsmenge von 100 MWh/a ausgegangen. Anhand der vorliegenden Messdaten (Abb. 9) ist zu erkennen, dass die Planungswerte sehr gut mit den bisher gemessenen Ist-Werten übereinstimmen. Abb. 9: Monatlicher Wärmeeintrag und -entzug sowie Außentemperatur (FAS),

10 Des Weiteren werden die in der Planung angesetzten Anteile der Kältebereitstellung aus Freier Kühlung (80%) und Kältemaschine (20%) im Betrieb noch übertroffen und auch 2013 konnte die Kältebereitstellung zu ~85% über die Freie Kühlung gedeckt werden. Abb. 10: Prozentuale Verteilung der Kältebereitstellung über FK und KM (FAS), Hörsaalgebäude Salzgitter Das Hörsaalgebäude ist erst seit kurzem in Betrieb und wird ab März 2013 für den Hochschulbetrieb genutzt. Erste verwertbare Daten werden seit diesem Jahr aufgezeichnet und im Laufe des Monitorings ausgewertet. In der Planung wird von ca. 33 MWh/a Wärmeentzug und 46 MWh/a Wärmeeintrag ausgegangen. Ein Vergleich dieser Werte mit den bisher vorliegenden Messwerten von 2013 zeigt, dass noch größere Abweichungen vorliegen (Abb. 11). In den Wintermonaten, Messwerte seit Februar 2013, werden bereits ~ 12 MWh mehr Energie dem Erdreich entzogen als in der Planung angenommen. Der höhere Wärmeentzug kann darauf beruhen, dass die Rohbauphase über die kalten Monate noch nicht abgeschlossen war und somit die Baufeuchte aus dem Gebäude entzogen wurde. Die Ursachen für den deutlich niedriger ausfallenden Wärmeeintrag werden derzeit analysiert.

11 Abb. 11: Monatlicher Wärmeeintrag und -entzug sowie Außentemperatur (HSS), Für das Hörsaalgebäude konnte durch Voruntersuchungen und ausführliche Simulationen ein Verhältnis von 87,5 % Kühlung über Kältemaschinen zu 12,5 % über die freie Kühlung definiert werden. Um den gesamten Gebäudebedarf und speziell in den Videolaboren und durch Server erzeugte Lastspitzen zu decken, sind zwei zusätzliche Kompressionskältemaschinen integriert. Weiterhin ergibt sich durch ganzjährige Kühlung der Serverräume gleichzeitiges Auftreten von Heiz- und Kühllasten in den Wintermonaten. Dies wird für eine interne Verschiebung der Lasten unter den Verbrauchern genutzt. Messdaten der Kälteerzeuger liegen ab Juli 2013 vor (Abb.12). Der Vergleich mit den Planungswerten zeigt eine Verschiebung der Energieerzeugung in Richtung der Kompressionskältemaschinen. Eine Freie Kühlung über das Erdreich findet im Juli nicht statt. Ein belastbarer Abgleich von Messwerten und geplanter Jahresbilanz wird sich mit Voranschreiten der Messdatenerfassung ergeben. Es wird angenommen, dass mit der Einbeziehung von Werten aus der Übergangszeit eine Verschiebung der Anteile erzielt wird. 11

12 Abb. 12: Prozentuale Verteilung der Kältebereitstellung über FK, KM und KKM (HSS), 2013 Generell befindet sich das Hörsaalgebäude in der Einregulierungsphase. Sowohl die Anlagentechnik, mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Erzeugern und Verbrauchern, als auch die Messeinrichtungen befinden sich derzeit in Überprüfung und Abstimmung. 5. Zusammenfassung Die Ergebnisse des Monitorings zeigen, dass die Überwachung des Betriebes nach Inbetriebnahme der Anlagen wichtig ist, um Missstände zu erkennen und frühzeitig beheben zu können. Mit Fertigstellung und Validierung der dargestellten Modellierung der Gebäude und Anlagentechnik wird die Grundlage geschaffen, weitere Optimierungspotentiale erkennen und für die Planung wertvolle Regelungsstrategien entwickeln zu können. Vor einer Implementierung in Feldanlagen ermöglicht eine derartige Simulation so die Erprobung neuer Regelstrategien für die Gebäudekühlung mit geothermischen Anlagen in der Theorie. Tim Petruszek Salzdahlumer Straße 46/48, Wolfenbüttel Franziska Bockelmann Mühlenpfordtstraße 23,38106 Braunschweig