Heizen und Kühlen mit geothermischer Energie Tools zur Auslegung von Erdwärmesonden und Luft-Erdregistern

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1 Heizen und Kühlen mit geothermischer Energie Tools zur Auslegung von Erdwärmesonden und Luft-Erdregistern Arthur Huber Huber Energietechnik AG Jupiterstrasse 26, 8032 Zürich Auslegungstools 1

2 Arthur Huber Inhalt Warum simulieren wir? Programm EWS g-functions und Zeitkonstanten von Sonden Sondenanordnung in Sondenfeld dipl. Masch.-Ing. ETH / SIA 1995 Gründung der Firma Huber Energietechnik - Geothermische Planungen - MINERGIE Planungen HLK - Programm EWS für Erdwärmesonden - Programm WKM für Luft - Erdregister Durchschnittsentzug und taktender Betrieb Lastprofil: Wie kommt man zu den Daten Beispiel Heizen und Sondenfreecooling mit 15 Sonden Parameteridentifikation bei Responsetests Druckabfallberechnung mit EWSDRUCK Programm WKM: Luft - Erdregister Auslegungstools 2

3 Klassische Gründe für eine Simulation Auslegung und Optimierung von Komponenten einer Anlage, z. B. Anzahl und Bohrtiefe von Erdwärmesonden Variantenvergleiche in der Planung, z. B. Erdsonden oder Erdregister für Gebäudekühlung Berechnung von Garantiewerten in der Planungsphase z. B. erreichbare Kühlleistung und Temperaturen mit Erdwärmesonden im Sommer Vorhersage von Betriebskosten einer Anlage in der Planung z. B. Kühlkosten bei Einsatz von geothermischem Freecooling Auslegungstools 3

4 Versteckter Nutzen einer Simulation Simulationsprogramme zwingen den Anwender kompromisslos, alle relevanten Randbedingungen abzuklären ( Input-Zwang ) Simulationsprogramme ermöglichen intuitives Arbeiten durch iteratives Herantasten an die optimale Lösung Gute Simulationsprogramme führen den Anwender ans Ziel -> Schulung von Mitarbeitern in ein neues Arbeitsgebiet Simulationsprogramme zur Nutzung von Umgebungsenergie sind immer auch eine Wissens- und Erfahrungsbasis Gute Simulationsprogramme ermöglichen das Ausbrechen aus dem gewohnten Erfahrungsbereich ( Was wäre wenn.. ) Auslegungstools 4

5 Versteckter Nutzen einer Simulation Präsentation der Resultate 0 m Tiefe Temperaturverteilung im Radius von 2.0m um Erdwärmesonde 200m Tiefe Programm EWS, Huber Energietechnik AG, Zürich Auslegungstools 5

6 Versteckter Nutzen einer Simulation Analytische Lösungen machen weniger Eindruck beim Auftraggeber! T Quelle = T mo + ΔT Grad H 2 g(t, r1 ) 2π λ Earth + R b R a m& 2 H 2 cp 2 Sole H 2 m& cp Sole q& Analytische Erdwärmesondengleichung (aus Erdwärmesonden für Direktheizung, A. Huber, BFE, 2005) Auslegungstools 6

7 Warum simulieren wir Erdwärmesonden? Klassische Auslegung: 15 m Sondenlänge pro kw Heizleistung, 50 W/m Entzugsleistung AWP-Richtlinie T1 erlaubt Einsatz der Erdsonden nur bis h/a Klassische Empfehlung für Erdsonden-Wärmepumpen: Man nehme einen durchschnittlich gut leitenden Boden, bohre darin ein Erdwärmesonde, fülle die Sonde mit Frostschutzmittel, hänge eine mittelmässige Wärmepumpe daran und verhindere einen Betrieb von mehr als h/a.. Und was passiert in allen anderen Fällen? SIA 380/6, Anhang D: spezifische Entzugsleistung für 1-4 Sonden, monovalent, keine aktive Regeneration, mit Frostschutzfüllung, Normentzugsprofil Auslegungstools 7

8 Programm EWS Einzelsonden und Sondenfelder freie Anordnung der Sonden stationäre und instationäre Rechnung Zeitschrit 1 Minute 1 Stunde Bis 100 Jahre Simulation Taktender Lastbetrieb frei definierbare Lastprofile Sonden-Freecooling und Rückkühlung mit Temperaturbegrenzung Auslegungstools 8

9 Programm EWS r Echte Simulation (Crank-Nicholson- Verfahren) Bohrdurchmesser Db Randbedingungen mit Temperatur- Sprungantworten (g-functions) nach Eskilson Erdreich Hinterfüllung dr Sondenlaenge Bis 10 Schichten vertikal mit je eignen Stoffwerten dl Simulationsgebiet Randbedingung mit mit Trichterformel gfunctions Auslegungstools 9

10 Dimensionslose Temperatursprungantwort g ( g-function) ΔT = Temperaturabkühlung gegenüber unbeeinflussten Zustand [K] g = dimensionslose Temperaturabkühlung [-] q = spezifischer Wärmeentzug [W/m] λ = Wärmeleitfähigkeit der Erde [W/mK] ΔT(r, t) λ 2π g(r, t) = q& Eskilson, 1987: Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes ΔT(r, t) = g(r, t) λ q& 2π Auslegungstools 10

11 Zeitkonstanten t s von Erdwärmesonden H = Bohrtiefe [m] H 2 ρ cp ρ = Dichte Erde [kg/m3] cp = spezifische Wärmekapazität Erde [J/kgK] λ = Wärmeleitfähigkeit der Erde [W/mK] t s = 9 λ Eskilson, 1987: Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes Typische Werte Schweizer Molassebecken H = m ρ = 2500 kg/m3 cp = 900 J/kg K λ = 2.5 W/m K Bohrtiefe Zeitkonstante 70 m 15.5 Jahre 100 m 31.7 Jahre 150 m 71.3 Jahre 200 m Jahre 250 m Jahre 300 m Jahre Auslegungstools 11

12 Zeitkonstanten t s von 100m tiefen Erdwärmesonden Gleichgewichtszustand nach 88 Jahren nach 31.7 Jahren nach 1 Jahr Eskilson, 1987: Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes Auslegungstools 12

13 Zeitkonstanten t s von 250m tiefen Erdwärmesonden Gleichgewichtszustand nach 550 Jahren nach 198 Jahren nach 6.3 Jahren Eskilson, 1987: Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes Auslegungstools 13

14 Beispiel 50 Erdwärmesonden: Sondenanordnung 1 Architektur: Fischer & Rohner, dipl. Arch. ETH Meisterschwanden Foto: Huber Energietechnik AG Auslegungstools 14

15 Beispiel 50 Erdwärmesonden: Sondenanordnung 2 Architektur: Fischer & Rohner, dipl. Arch. ETH Meisterschwanden Foto: Huber Energietechnik AG Auslegungstools 15

16 Beispiel Sondenanordnung (50 Erdwärmesonden) Δg ΔT(r, t) = Δg(r, t) λ 2π q& Auslegungstools 16

17 Vergleich Durchschnittsentzug und taktender Betrieb Vergleich Durchschnittsentzug und taktender Betrieb Es gibt Programme, die nur mit monatlichen Mittelwerten rechnen -> Sondentemperaturen sind Mittelwerte über Stillstandszeit und Betriebszeit Berechnung realistischer Sondentemperaturen erfordert taktenden Betrieb mit Zeitschritt max. 1 h Quellentemperatur [ C] Huber Energietechnik AG, Zürich Jahresstunden Auslegungstools 17

18 Realistische Lastprofile: Woher kommen die Daten? Grundlagendaten: z. B. aus Berechnung Heizwärmebedarf SIA 380/1 nach SIA 380/1: Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Transmissionswärmeverlu [MJ/m 2 a] Lüftungswärmeverlust [MJ/m 2 a] Gesamtwärmeverlust [MJ/m 2 a] Solarer Wärmegewinn tot [MJ/m 2 a] Interne Wärmegewinne [MJ/m 2 a] Wärmegewinne total [MJ/m 2 a] Ausnutzungsgrad f. Gewinne nicht genutzte Gewinne [MJ/m 2 a] Heizwärmebedarf [MJ/m 2 a] Auslegungstools 18

19 Realistische Lastprofile: Woher kommen die Daten? Beispiel Energiebilanz (Heizenergiebedarf / Kühlenergiebedarf) für Gebäude mit 15 Sonden: Heiz- und Kühlenergiebedarf 35'000 25'000 15'000 [kwh] 5'000-5'000 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez -15'000-25'000-35'000 Heizenergiebedarf Kühlenergiebedarf Auslegungstools 19

20 Realistische Lastprofile: Woher kommen die Daten? Beispiel Sondenbilanz Entzug / Einspeisung (Sonden-Freecooling): Energieentzug und Energieeintrag in die Sonden 35'000 25'000 15'000 [kwh] 5'000-5'000 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez -15'000-25'000-35'000 Entzug Erdreich Eintrag Sondenfreecooling Auslegungstools 20

21 Realistische Lastprofile: Woher kommen die Daten? Beispiel Sondenbilanz Entzug / Einspeisung (Sonden-Freecooling): Heiz- und Kühlenergiebedarf Energieentzug und Energieeintrag in die Sonden 35'000 35'000 25'000 25'000 15'000 15'000 5'000 5'000 [kwh] -5'000 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez [kwh] -5'000 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez -15'000-15'000-25'000-25'000-35'000-35'000 Heizenergiebedarf Kühlenergiebedarf Entzug Erdreich Eintrag Sondenfreecooling Auslegungstools 21

22 Realistische Lastprofile: Was macht man mit den Daten? Beispiel Eingabe des Lastprofils in Programm EWS Auslegungstools 22

23 Resultate einer Simulation: Minimaltemperatur Rücklauf Auslegungstools 23

24 Resultate einer Simulation: Kühltemperaturen im Sommer Auslegungstools 24

25 Resultate einer Simulation: Bedarf und Bedarfsdeckung Auslegungstools 25

26 Resultate einer Simulation: Bedarf und Bedarfsdeckung Deckung Kühlbedarf 71.6% Auslegungstools 26

27 Response Test: Berechnete Sprungantwort Ziele: A) Planung Responsetest (Leistung, Durchsatz, etc.) B) Parameteridentifikation Wärmeleitfähigkeit Bohrlochwiderstände Ra und Rb Erdreichtemperaturen ungestört (Jahresmitteltemperatur Oberfläche und Temperaturgradient) Programm EWS, Auslegungstools 27

28 Response Test: Vergleich Messung - Rechnung Sprungantwort Beispiel, Doppel-U-Sonde, 32 mm, Leistung = 4.12 kw, Durchsatz 1.65 m3/h Vor- und Rücklauftemperatur [ C] : : : : : :12 Sonden-Vorlauftemperatur, Messung Sonden-Rücklauftemperatur, Messung Sonden-Vorlauftemperatur, Rechnung EWS Sonden-Rücklauftemperatur, Rechnung EWS Auslegungstools 28

29 Response Test: Anfahrverhalten simuliert Einfluss der Bohrlochwiderstände wird unterschätzt Bohrlochwiderstände Ra und Rb zeigen sich am ausgeprägtesten im Anfahrprozess Künftig: Schichtweise Identifikation der Wärmeleitfähigkeit Programm EWS, Auslegungstools 29

30 Programm EWSDRUCK Berechnungn Druckabfall Sondenkreislauf Pumpenauslegung Einfluss Zuleitung / Verteiler Einfluss Verdampfer Stoffwerte Sondenfluid Kostenlos Huber, A.; Ochs, M. (2007): Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenkreisläufen mit der Software EWSDRUCK Version 2.0. Bundesamt für Energie, Forschungsprogramm Geothermie, Bern. Auslegungstools 30

31 Programm WKM Berechnung von Luft-Erdregistern gegenseitiger Einfluss von Registern (adiabate Randbedingung) Einfluss von Gebäuden Einfluss von Grundwasser Bodeneigenschaften Einfluss von Rohrdimensionen und Verlegetiefe Beitrag von Sammelschächten Auslegungstools 31

32 Programm WKM Lüftungsfahrplan Wetterdaten aus Meteonorm einlesbar Druckabfallberechnung Auslegungstools 32

33 Heizen und Kühlen mit geothermischer Energie Tools zur Auslegung von Erdwärmesonden und Luft-Erdregistern Arthur Huber Huber Energietechnik AG Jupiterstrasse 26, 8032 Zürich Auslegungstools 33

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