Thermische Arealvernetzung am Beispiel des Areals Suurstoffi (Simulation und Monitoring) Philipp Kräuchi und Nadège Vetterli

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1 Thermische Arealvernetzung am Beispiel des Areals Suurstoffi (Simulation und Monitoring) Forschung & Entwicklung Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Philipp Kräuchi Senior Wissenschaftlicher Mitarbeiter Philipp Kräuchi und Nadège Vetterli T direkt Horw Quelle: Zug Estates

2 Inhalt 1. Niedertemperatur-Wärmeverbundsysteme (Philipp) 2. Simulationstool (Philipp) 3. Projekt Suurstoffi (Nadège) 4. Simulationsergebnisse Suurstoffi-Areal (Philipp) 5. Monitoring Suurstoffi (Nadège) 6. Schlussfolgerungen (Nadège und Philipp) 2,

3 Niedertemperatur-Wärmeverbund (Anergienetz) Wärmebezüger Wärmelieferanten Erdwärmespeicher zum saisonalen Ausgleich 3, Quelle der Graphik: Amstein+Walthert AG, 2014

4 Netztopologie (typisch) typische Wintersituation Wärmebezüger, Wärmelieferant und Erdwärmespeicher mehrfach möglich typische Sommersituation 4, 25/03/2015

5 Modellierung: vom einfachen zum detaillierten Netz einfaches Netz: 1 Knoten pro Hauptleiter; Wärmebezüger, Wärmelieferanten, Erdwärmespeicher wechselnde Fliessrichtung 5, 25/03/2015

6 Modellierung: vom einfachen zum detaillierten Netz detailliertes Netz: segmentierte Hauptleiter Kaltleiter (Ring) Wärmebezüger Warmleiter (Ring) Erdwärmespeicher Wärmelieferant 6, 25/03/2015

7 Modellierung: von einfachen Komponenten zu detaillierten Komponenten identische Schnittstellen -> Komponenten auswechselbar einfacher Speicher Einzelsonde Sondenfeld 7, 25/03/2015 EQUA Modelle

8 Simulationstool: Funktionsweise Input Output Von bis Von bis Von bis Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez , 25/03/2015 Modell (Gleichungssystem) aufgelöst durch IDA Solver Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez und mehr... Massenstrom Wärmeströme Leistungszahl (COP) - Druck - Temperatur - Mechanische und elektrische Leistung

9 Simulationstool: Komponenten Wärmebezüger mit Pumpe Wärmelieferant mit Pumpe Einheit, kombiniert Rohr (bidirektional) Verzweigung (bidirektional) Erdwärmespeicher (bidirektional) 9, 25/03/2015

10 Simulationstool: Anwendungsbeispiel 1 Wärmebezüger Warmleiter Kaltleiter Erdwärmespeicher Wärmelieferanten 10, 25/03/2015

11 Simulationergebnisse (Anwendungsbeispiel 1) Massenstrom in den Abgängen 11, 25/03/2015

12 Simulationergebnisse (Anwendungsbeispiel 1) Massenstrom im Warmleiter zu Wärmebezüger zu Wärmebezüger zu/von Erdwärmespeicher von Wärmelieferant von Wärmelieferant 12, 25/03/2015

13 Simulationergebnisse (Anwendungsbeispiel 1) Massenstrom im Kaltleiter von Wärmebezüger von Wärmebezüger zu/von Erdwärmespeicher zu Wärmelieferant zu Wärmelieferant 13, 25/03/2015

14 Fazit Simulationstool - Modulare Komponenten -> jedes thermische Netzwerk abbildbar auch solche mit: - bidirektionalen Flüssen - Flussaufteilungen und parallelen Flüssen - Simulation liefert Daten wie Massenstrom, Druck, Temperatur, COP,... -> ermöglicht energetische Gesamtoptimierung 14, 25/03/2015

15 Vision «Zero-Zero» Vision «Zero-Zero»: Energieneutraler und CO 2 - freier Betrieb des gesamten Gebäudeportfolios der Zug Estates Kernelement bei der Umsetzung dieser Vision: Suurstoffi-Areal Suurstoffi: Quelle: Zug Estates - Arealüberbauung (Wohnen, Büro, Gewerbe, ) im Sinne der Watt-Gesellschaft - Heute teilweise realisiert, teilweise noch in Planung, Erstbezug Oktober Energieversorgung basiert auf einem Anergienetz mit Erdsondenfeld (215 bestehenden Sonden à 150m, 531 neue à 200m) 15,

16 Das Suurstoffi-Areal: Ist-Zustand BF1 BF4 Quelle: Hans Abicht 16,

17 Bestehendes Netz - Wärmebezüger: Wärmepumpen - Wämelieferanten: Freecooling, Pelletheizung (provisorisch) 17,

18 Rolle der Simulation im Projekt «Suurstoffi» Überprüfung der Berechnungsgrundlage für die Dimensionierung der neuen Anlagen Überprüfung der Berechnungsmethode und der Ergebnisse aus der Planung Beratung bei der Auswahl der möglichen Technologien (Solaranlagen, Wärmepumpen, Kühlmaschinen, usw.) Validierung der Entscheidungen 18,

19 Simulation in zwei Etappen 1. Simulationsresultate des bestehenden Areals (Baufelder 2 und 5): Monitoring als Grundlage für dynamische Simulation Die Simulationsperiode fängt bei der Inbetriebnahme des Baufeldes 5 an (Mai 2013) und dauert bis Ende September 2014 Validierung des Modells durch Vergleich der Ergebnisse mit den Messungen 2. Erweiterung des Simulationsmodells auf das ganze Area (Endausbau): Extrapolieren der Monitoring-Daten Simulation 2 identischer Jahre Der thermische Solarertrag aus den Hybrid-Kollektoren wurde im Polysun simuliert 19,

20 Simulationstool: Anwendungsbeispiel 2 (Vernetzung Suurstoffi ) 20, 25/03/2015

21 Simulationstool: Anwendungsbeispiel 2 (Vernetzung Suurstoffi ) 21, 25/03/2015

22 Simulationsergebnisse Bestand (BF2 + BF5) Leistungen Gebäudezentralen W Von bis Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep QDiff_Kue_GZ1, W QDiff_Pellet_GZ1, W QHU_GZ1, W QHANU_GZ1, W Raumkühlung, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig Pelletheizung, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig Raumheizung und Warmwasser, Nutzenergie Raumheizung und Warmwasser, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig 22,

23 Simulationsergebnisse Bestand (BF2 + BF5) Temperatur Erdwärmespeicher C Von bis Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep TBD_y Erdwärmespeicher-Temperatur Jahresabnahme seit Simulationsbeginn Abnahme über die gesamte Simulationsperiode 23,

24 Simulationsergebnisse Gesamtareal Leistungen Gebäudezentralen W Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez QDiff_Kue_GZ, W QDiff_Sol_GZ, W QHU_GZ, W QHANU_GZ, W Raumkühlung, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig Solarthermie, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig Raumheizung und Warmwasser, Nutzenergie Raumheizung und Warmwasser, Leistung Wärmeübertrager anergieseitig 24,

25 Simulationsergebnisse Gesamtareal Temperatur Erdwärmespeicher C Von bis Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez TGNDD, Deg-C Erdwärmespeicher-Temperatur Jahreszunahme seit Simulationsbeginn Zunahme über die gesamte Simulationsperiode 25,

26 Monitoring Auswertungen während 5 Jahren (Auftrag Zug Estates + BFE): 400 Datenpunkte: - Jede 15 Minuten - Wärme- und Stromflüsse sowie Temperaturfühler Ziele: Überwachung Verhalten thermisches Netz und Erdspeicher Reale Effizienz der Wärmeversorgung (JAZ) berechnen Quantifizierung Optimierungsmassnahmen Einfluss des Nutzerverhaltens Allgemein: Fehler erkennen, Erfahrungen sammeln 26,

27 Wärmebilanz der thermischen Vernetzung über das letzte Jahr Wärmeabgabe (Freecooling) Wärmeentzug (Heizung + BWW + Rampenheizung) Wärmebilanz (Okt Sept. 2014): Entzug Heizung + Brauchwarmwasser BF2+BF5-1.6 [GWh] Einspeisung Freecooling BF2+BF [GWh] Einspeisung Pelletheizung (temporär) [GWh] Entzug Bauaustrocknung BF3 + S41 (keine Messung = unbekannt) -? [GWh] Bilanz ? [GWh] 27,

28 Temperatur Erdsondenfeld Die Temperatur nimmt trotz einer negativen Bilanz zu, warum? 28,

29 Temperatur Erdsondenfeld Messung der Wassertemperatur im Verteilerraum 1, Freecooling 550 MWh [ C] Pelletheizung 650 MWh 7 Oct.13 Nov.13 Dec.13 Jan.14 Feb.14 Mar.14 Apr.14 May.14 Jun.14 Jul.14 Aug.14 Sep.14 Oct.14 Zeit Inbetriebnahme Pelletheizung Start Freecooling > Wärmeentzug Zunahme durch Pelletheizung (temporäre Installation) Zunahme durch Pelletheizung und Freecooling 29,

30 Vergleich Berechnungen Gebäudesimulationen - Messungen Um den Mehrverbrauch gegenüber der Berechnung gemäss SIA 380/1 zu verifizieren, wurden Simulationen mit IDA ICE für ein typisches Wohnhaus (Haus 2.4) durchgeführt Der Mehrverbrauch ist primär auf höheren Raumtemperaturen und auf einen höheren, thermisch wirksamen Aussenluftwechsel zurückzuführen 30,

31 Fazit Monitoring Dank dem Monitoring und dessen Auswertung konnte(n): Die effektive Effizienz der thermischen Vernetzung gerechnet werden Planungsfehler erkannt werden Optimierungsmassnahmen identifiziert werden und deren Einfluss auf dem Energieverbrauch geprüft werden Erfahrungswerte für die Weiterentwicklung des Ostareals gewonnen werden Die Genauigkeit eines Monitorings wahrgenommen werden Der Einfluss des Nutzerverhaltens auf die Energieeffizienz quantifiziert werden. 31,

32 Fazit Simulationen - Monitoring sehr wertvoll für realitätsnahe Randbedingungen - Fallbeispiel Suurstoffi gut im Simulationstool abbildbar - Modellvalidierung erfolgreich (Simulation Bestand): -> d.h. gute Übereinstimung von Messung und Simulationresultaten - Planungsbestätigung erfolgreich (Simulation Gesamtareal) : -> ausgeglichene Wärmebilanz -> Dimensionierung der Hybridkollektorfläche ist korrekt 32,

33 33, 25/03/2015 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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