Oberflächennahe Geothermie zur Klimatisierung von Gebäuden. - Planungsgrundlagen und Ausführungsplanung -

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Henriette Baumhauer
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1 Oberflächennahe Geothermie zur Klimatisierung von Gebäuden - Planungsgrundlagen und Ausführungsplanung -

2 Geothermie oder Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme.

3 Geothermischer Wärmestrom globaler Wärmefluß durch die Erdober-fläche: ca. 4,42 x 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 W/m². In Deutschland: ca.30 bis 120 mw/m² In NRW: ca. 50 bis 80 mw/m² 3

4 Geothermie eine Quelle zwei Nutzungsmöglichkeiten 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

5 Nutzung der oberflächennahen Geothermie 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

6 Wärmepumpe eine Maschine zwei Nutzungsmöglichkeiten Quelle: Bine Fachbuch

7 Funktionsweise Wärmepumpe Leistungszahl der Wärmepumpe in Abhängigkeit zur Vorlauftemperatur und Temperaturspreizung

8 Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungssystemen Primärenergiebedarf Primärenergiefaktoren Strom f P =2,6 [EnEV 2009] Heizöl f P =1,1 Erdgas f P =1,1 ENEV 2014 Strom f P = 2,4 (-10%) EnEV 2016 Strom f P = 1,8 (-25%) Quelle BWP 8

9 Erdwärme - Nutzungsmöglichkeiten Quelle: geomatrix.bw, HS Stuttgart,

10 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 11

11 Kombinierte Wärme- und Kälteversorgung 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

12 Kältebedarf in Deutschland Quelle: Bine Informationsdienst,

13 Kältebedarf in Deutschland 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

14 Kühlbedarf in Deutschland 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] Ecofys Germany GmbH, Köln

15 Kältebedarf Prognose der globalen Entwicklung des Kältebedarfs auf Grund des Klimawandels Modell der globalen CO 2 -Emissionen aus Heizen und air contitioning im Wohnungsbereich (Quelle: Isaac/Van Vuuren, 2009) 16

16 Oberflächennahe Geothermie (bis 400 m Tiefe) Grundwasser- Wärmepumpe Erdwärmesonden + Wärmepumpe Erdwärmekollektoren + Wärmepumpe

17 Grundwasserbrunnen 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 m) wartungsintensiv

18 Erdwärmesonde 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

19 Horizontalkollektoren 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

20 Erdberührte Betonteilenergiepfähle 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

21 Erdwärmekörbe Sonderform eines Kollektors Einsatz in einer Tiefe von 1 bis 4 m Geringerer Flächenbedarf Quelle: Betatherm

22 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 23

23 Genehmigungsrecht 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

24 Kriterien der geothermischen Planung 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

25 Kriterien der geothermischen Planung 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 Schnittstelle TGA Geothermie 26

26 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 27

27 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 28

28 Auslegung Geothermieanlagen 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. 29

29 30 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

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