Planung und Dimensionierung von Erdwärmesonden-Anlagen nach der SIA-Norm 384/6 Erdwärmesonden Ergänzungskurs 1 Übungsbeispiel mit Programm SIA 384/6

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1 Planung und Dimensionierung von Erdwärmesonden-Anlagen nach der SIA-Norm 384/6 Erdwärmesonden Ergänzungskurs 1 Übungsbeispiel mit Programm SIA 384/6 EWS Halbtageskurs St. Gallen Ernst Rohner, Geowatt AG Zürich rohner@geowatt.ch Berechnung einer einfachen Anlage nach SIA 384/6 Randbedingungen: Berechnung auf 50 Jahre Betrieb Die mittlere Temperatur des Sondenfluids darf nicht unter -1.5 C fallen Basis SIA 384/6 Programm: Eine korrekte Dimensionierung der Erdwärmesonde sichert einen problemlosen Betrieb über die ganze Betriebsdauer. Ein einfaches Berechnungsprogramm erleichtert die Planung und erhöht die Sicherheit einer korrekten Dimensionierung FWS, Hälg und Geowatt haben die SIA 384/6 in ein einfaches EXCEL Programm umgesetzt. berücksichtigt die effektiven lokalen Verhältnisse lokale Geologie wie z.b. Wärmeleitfähigkeit lokale Klimaverhältnisse wie z.b. Temperatur Betriebsverhältnisse wie z.b. Heizen, Warmwasser, Laufzeit, Energieentzug, Wärmepumpe. berücksichtigt die effektiven Geometrie-Verhältnisse der Sonden Durchmesser z.b. 32er, 40er Abstand, Tiefe Anzahl EWS 1 bis 4 in Linie oder Quadrat Auslegetemperatur EWS

2 Lösung: Schritt 1: Schritt 2: Schritt 3: Bodenoberflächentemperatur aus Standortdaten oder Höhenangaben berechnen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bestimmen anhand einer Eingabetabelle Heiz- und Warmwasserbedarf, ev. Zusatzbedarf, sowie Wärmepumpendaten eingeben. Schritt 4: Sondenanordnung, Dimension bestimmen Schritt 5: Sondenlänge wird berechnet Schritt 6: Schritt 7: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Resultate ausdrucken Übungsbeispiel Gegeben: Haus in Appenzell 780 m ü.m. Jahresaussentemperatur 8 C Geologie 40 m sandig kiesige Moräne; 80 m Obere Meeresmolasse (Feinsandstein, Konglomerat) Temperaturgradient 0.03 K/m Einschränkung Bewilligung max. Bohrtiefe 120 m, da tiefer Gas angetroffen werden könnte EVU Bewilligung 2 h Sperrzeit Platzangebot 12 x 5 m Norm-Heizlast nach SIA kw Warmwasserbedarf 140 l/d ø Wärmepumpe Heizleistung 10.8 kw Kälteleistung 8.4 kw (im Auslegepunkt B0W35) Wärmeträger 20% Ethylenglykol Randbedingungen: Minimalabstand von 5 m zwischen den Sonden ist einzuhalten. Gesucht: Tiefe und Anzahl der Erdwärmesonden

3 Excel Programm SIA 384/6 Programm liegt als Excel Vorlage XLT auf der CD vor Nach dem Laden soll die Excel Tabelle als XLS Datei auf einem lokalen Datenträger abgespeichert werden. Unter Office 2007 oder neuer muss die Excel Tabelle als XLMS (Excel mit Makros) abgespeichert werden Die Programmversion ist oben rechts vermerkt Es existiert auch eine Version mit WP Daten, weitere sind geplant Eingabebildschirm Blaue Felder für die Eingabe Auswahllisten für die Eingabe Berechnungen über Druckknöpfe Zwischenresultate Auswahlknöpfe für die Eingabe Resultate drucken

4 Schritt 1.1: Bodenoberflächentemperatur aus Standortdaten oder Höhenangaben berechnen Standortdaten Sperrzeiten EVU Es sind 385 Stationen zum Auswählen vorhanden, die vom Benutzer ergänzt werden können. Der Standort kann genauer bezeichnet werden. die Temperatur wird aufgrund der Höhe über Meer angepasst. Schritt 1.2: Standortdaten auswählen, eventuell ergänzen Nach der Eingabe alphabetisch sortieren Es sind 385 Stationen zum Auswählen vorhanden, die vom Benutzer ergänzt werden können. Zum Ergänzen das Tabellenblatt Jahrestemperaturen öffnen, Zusätzliche Station am Schluss anfügen, Datenherkunft bezeichnen

5 Schritt 1.3: Bodenoberflächentemperatur aus Standortdaten oder Höhenangaben berechnen Bei der Standort Höhe über Meer sind Eingaben von 150 bis 2000m zulässig. Abweichung zu sollte nicht mehr als +/- 100 m zur Station betragen. Zusätzlich kann aber auch nur die Seite der Alpen (Nord/Süd) und die Höhe ausgewählt werden. (Station - SIA C.2.2., Gl.1 wählen) Dann wird die Jahresmitteltemperatur anhand der Formel C.2.2 Gl.1 berechnet. Schritt 2: Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bestimmen anhand einer Eingabetabelle C.3 Tabelle 6 Boden- und Stoffkennwerte Die Reihenfolge der Gesteinsschichten wird bei der Berechnung nicht beachtet Vol.bezogene Vorgegeben sind als Beispiel typische Geologiedaten im Flachland der Ost-CH. Wärmeleitfähigkeikapazität Dichte Nähe des Objektes bereits gebohrt Wärme- Das Geologieprofil ist vor der Berechung einzuholen. (Bohrfirma anfragen, ob in der Gesteinstyp wurde. äre Festgesteine Obere Süsswassermolasse Obere Meeresmolasse Süssmolasse Knopf für die Eingabe der W/mK MJ/m3K 10 3 kg/m 3 Anzahl m W/mK MJ/m3K W/K2. Druckverlustberechnung Druckverlustberechnung Ton trocken Druckverlustbe Ton wassergesätigt Geologiedaten Lockermaterial, tonig-siltig, erdfeucht Sand, trocken Sand, wassergesättig t Lockermaterial, siltig sandig, erdfeucht Kies, Steine trocken Kies, Steine wassergesättig t Lockermaterial, sandig - kiesig, erdfeucht Lockermaterial, lehmig - kiesig, erdfeucht Moräne fest gelagert m m Torf Ton - Siltstein Siltstein Feinsandstein Mächtigkeit Mittelsandstein Grobsandstein und Koglomerat (Nagelfluh) der Ton - Siltstein Siltstein Schichten Feinsandstein m m Mittelsandstein eingeben Grobsandstein und Koglomerat (Nagelfluh) m m Ton - Siltstein Siltstein F i d t i Tabelle 7 Gesteinsschicht(en) in Tab6_C3 um ca. -10m! Gemittelter Wert über die EWS Länge wird berechnet

6 Schritt 3.1: Heiz- und Warmwasserbedarf, ev. Zusatzbedarf eingeben. Drop-Down Felder und blau hinterlegte Felder sind für die Eingabe Verteilverlust eingeben Wärmepumpe Minimalgrösse wird bestimmt. Geringe Unterdeckung zulässig Wärme- und Warmwasserbedarf eingeben Schritt 3.2: Wärmepumpendaten eingeben. Wärmepumpe Minimalgrösse wird bestimmt. Geringe Unterdeckung zulässig 50 C als mittlerer Wert für die WW Aufbereitung und JAZ Bestimmung. Energiemenge auf 50 C rechnen Wärmepumpendaten bei B0W35 und B0W50 eingeben Ist ein anderer Betriebspunkt als B0W35 und B0W50 vorgesehen oder fehlt der Betriebspunkt B0W50, kann durch den Knopf Betriebspunkt vorschlagen ein extrapolierte Betriebspunkt berechnet werden.

7 Schritt 3.2: Wärmepumpendaten eingeben. Vorlauftemperatur unter 35 C unbedingt anpassen Über 35 C für die EWS Dimensionierung vorzugsweise auch mit 35 C rechnen. Alternativ kann auch die EWS Temperatur erhöht werden, damit wird die JAZ korrekt berechnet Ist ein anderer Betriebspunkt als B0W35 und B0W50 vorgesehen oder fehlt der Betriebspunkt B0W50, kann durch den Knopf Betriebspunkt vorschlagen oder durch die Wahl des Auswahlknopfs ein extrapolierte Betriebspunkt berechnet werden.. Schritt 3.2: Wärmepumpendaten eingeben. Durch die Wahl des Auswahlknopfs können auch direkt Betriebspunkte ab Herstellerangaben eingegeben werden..

8 Schritt 4: Schritt 5: Sondenanordnung, Dimension bestimmen Sondenlänge wird berechnet EWS Dimension und Anordnung, sowie Frostschutz eingeben Variante A: mit 3 EWS und 5m Abstand Die EWS Länge wird berechnet. Kippt die Strömung ins Laminare, wird dies eingerechnet. Schritt 4: Schritt 5: Sondenanordnung, Dimension bestimmen Sondenlänge wird berechnet EWS Dimension und Anordnung, sowie Frostschutz eingeben Variante B: mit 2 EWS und 5m Abstand Die EWS Länge wird berechnet

9 Schritt 4: Schritt 5: Sondenanordnung, Dimension bestimmen Sondenlänge wird berechnet EWS Dimension und Anordnung eingeben Variante C: mit 2 EWS und 10m Abstand Änderungen haben direkte Auswirkung auf die EWS Länge Die EWS Länge wird neu berechnet Unter Umständen müssen die Geologiedaten angepasst werden Schritt 4: Schritt 5: Sondenanordnung, Dimension bestimmen Sondenlänge wird berechnet EWS Dimension und Anordnung eingeben Variante D: mit ø 40mm EWS Änderungen haben direkte Auswirkung auf die EWS Länge Die EWS Länge wird neu berechnet. Kippt die Strömung ins Laminare, wird dies eingerechnet. Unter Umständen muss die Hydraulikberechnung angepasst werden

10 Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Knopf für die Hydraulikberechnung EWS Länge kann auf eigene Verantwortung überschrieben werden (aufrunden) Zuleitungslängen anpassen. Ob Drosselorgane empfohlen sind wird angegeben. Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Knopf für die Hydraulikberechnung Wärmepumpe Muster-WP Typ 1 QWP bzw. QK bei B0.0W35: Anzahl Wärmepumpen 1 Durchflussmenge Verdampfer Soll 2700 Liter/h Druckverlust bei Normd Pa Inhalt Wärmepumpe Verdampfer 3.00 Liter Korrektur Durchfluss vom Soll (max 20%) 0% Durchflussmenge Verdampfer Ist 2700 Liter/h neuer Druckverlust 9000 Pa Wärmeträger Ethylenglykol 20% Wärmeträger Dichte kg/m3 kinematische Zähigkeit 3.49 mm2/sec 8400 Gegenüber den Herstellerangaben kann der Durchfluss verändert werden EWS Zuleitung Durchflussmenge je Leitung (Kreis) 675 Liter/h 1350 Liter/h Durchflussgeschwindigkeit 0.22 m/s 0.29 m/s Reynoldszahl Strömungsart Laminar Turbulent glatt Druckverlust 6029 Pa 1643 Pa Druckverlust EWS & Zuleitung 7672 Pa Druckverlust Wärmepumpe 9000 Pa Strömungsart in der EWS. Sie sollte turbulent sein (Reynoldszahl > 2340) Mit laminarer Strömung wären bei ø 40mm EWS 2 x 122m notwendig gewesen

11 Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Knopf für die Hydraulikberechnung Wärmepumpe Muster-WP Typ 1 QWP bzw. QK bei B0.0W35: Anzahl Wärmepumpen 1 Durchflussmenge Verdampfer Soll 2700 Liter/h Druckverlust bei Normd Pa Inhalt Wärmepumpe Verdampfer 3.00 Liter Korrektur Durchfluss vom Soll (max 20%) 12% Durchflussmenge Verdampfer Ist 3024 Liter/h neuer Druckverlust Pa Wärmeträger Ethylenglykol 20% Wärmeträger Dichte kg/m3 kinematische Zähigkeit 3.49 mm2/sec 8400 Gegenüber den Herstellerangaben kann der Durchfluss verändert werden EWS Zuleitung Durchflussmenge je Leitung (Kreis) 756 Liter/h 1512 Liter/h Durchflussgeschwindigkeit 0.25 m/s 0.32 m/s Reynoldszahl Strömungsart Turbulent glatt Turbulent glatt Druckverlust Pa 2008 Pa Druckverlust EWS & Zuleitung Pa Druckverlust Wärmepumpe Pa Mit turbulenter Strömung sind bei ø 40mm EWS 2 x 109m notwendig, der Durchfluss muss mindestens 12% grösser sein als der Nominaldurchfluss Druckverlust wird neu berechnet Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen (Variante C) EWS Zuleitung Durchflussmenge je Leitung (Kreis) 675 Liter/h 1350 Liter/h Durchflussgeschwindigkeit 0.35 m/s 0.45 m/s Reynoldszahl Strömungsart Turbulent glatt Turbulent glatt Druckverlust Pa 4603 Pa Druckverlust EWS & Zuleitung Pa Druckverlust Wärmepumpe 9000 Pa Druckverlustberechnung Verteilung Totale Rohrlänge im Haus Innen-Durchmesser PE 100 S5/PN 16/SDR mm Volumen pro m Rohr Durchflussmenge Wärmeträger Wärmeträger Dichte kinematische Zähigkeit Berechnung Durchflussgeschwindigkeit Reynoldszahl dk = d/rohrrauhigkeit Strömungsart Lambda dynamischer Druck (1/2*roh*w^2) Druckverlust Gesamtersatzwiderstände Zusatzdruckverluste Druckverlust Total 5.0 m mm Min. øi 25 mm 1.29 Liter 2700 Liter/h Ethylenglykol 20% kg/m mm2/sec 0.58 m/s Turbulent glatt Schätzwert Übergangsbereich Pa 748 Pa 5 0 Pa 1618 Pa Resultate der Hydraulikberechnung bei 2 x 113m EWS ø 32mm Verrohrung ab Verteiler bis WP. Der minimale Innendurchmesser wird vorgeschlagen. Ersatzwiderstände durch Rohreinbauten. Zusatzdruckverluste können über KVS Werte definiert oder direkt eingegeben werden.

12 Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Förderhöhe 4.1 mws Fördervolumen 2700 Liter/h Soleumwälzpumpe Typ, Leistungsaufnahme Stratos 25/ W Wärmepumpe Muster-WP Typ 1 QWP bzw. QK bei B0.0W35: W 8400 W B0.0W35: COP, W/m W/m Temperaturspreizung EWS 2.78 K Inhalt Anlage total Liter Resultate der Hydraulikberechnung bei 2 x 113m EWS ø 32mm für die Pumpendimensionie rung Eine Zusammenfassung von Auslegepunkt und Anlagedaten wird berechnet Pumpe mit Katalog oder einschlägigem Programm auslegen und die Daten eintragen. Als Leistung ist die Aufnahmeleistung der Umwälzpumpe einzutragen Schritt 6: Hydraulik und Expansiongefäss berechnen Ausdruck der Ergebnisse Expansionsgefäss Inhalt Anlage ohne Ex.Gef. 531 Frostschutz Ethylenglykol 20% Frostschutz min. Ex. Gefäss Liter gewählte Grösse 18 Liter Frostschutzkonzentrat 20% Dichte bei 20 C kg/m3 Volumen Liter Menge in kg kg Druckverlustberechnung Pumpe / Expansion Drucken Die minimale Expansionsgefässgrösse wird angegeben (bei 1.0 bar Vordruck, 3 bar Sicherheitsventil) Expansionsgefäss auf die nächste Standardgrösse aufrunden Normgrössen: 12,18,25,35,50,80,140,200, 300,400 Liter Konzentrat 100% Frostschutz

13 Schritt 7: Resultate ausdrucken 3a) SIA Berechnung Drucken 3b) SIA + dp Berechnung Drucken Es sind verschiedene Ausdrucke möglich 3c) SIA Berechnung + Zwischenresultate Drucken 3c) Zwischenresultate Drucken Schritt 7: Resultate Ausdrucken Beispielsweise 3a) SIA Berechnung drucken Direkt ab Bildschirm drucken ergibt eine Fehlermeldung

14 Erweiterte Möglichkeiten Variation der Auslegetemperatur Auslegetemperatur EWS (Standard -3 C / 0 C => -1.5 C): T EWSu T EWSo T EWS -3.0 C 0.0 C -1.5 C Auslegetemperatur EWS (Standard -3 C / 0 C => -1.5 C): T EWSu T EWSo T EWS 3.0 C 6.0 C 4.5 C Freie Wahl des Betriebspunktes Ausgewählte Wärmepumpe Fabr./Typ: Wärmepumpe Betriebspunkt B0 W35 Wärmepumpe Betriebspunkt B0 W50 Mit Standardauslegung +0 C/- 3 C sind 2 x 113m bei 10m Abstand notwendig Wird die EWS Temperatur auf +6/+3 C erhöht, so sind 2 x 192m notwendig. Dabei ist aber die erhöhte Kälteleistung nicht angepasst. Muster-WP Typ 1 Verdampfer kw 8.40 kw 3.00 kw 2700 l/h 9000 Pa kw 6.95 kw 4.41 kw 2.8 K 3.00 Liter Betriebspunkte Steuerung Betriebspunkte Leistung WP bei B6.0 / W35: QWP bzw. QK bei B6.0 / W50: Betriebspunkte B0W35; WW B0W50 verwenden, sofern Auslegung darauf basiert extrapolierte Daten verwenden bei anderen Betriebspunkten Handeingabe von Betriebspunkten Qh: kw Qk: kw exptrapolierte Daten Qh: kw Qk: 8.59 kw exptrapolierte Daten Wird die Kälteleistung angepasst, so zeigt sich, dass 2 x 220m notwendig wären Erweiterte Möglichkeiten Variation der Auslegetemperatur Auslegetemperatur EWS (Standard -3 C / 0 C => -1.5 C): T EWSu T EWSo T EWS -3.0 C 0.0 C -1.5 C Auslegetemperatur EWS (Standard -3 C / 0 C => -1.5 C): T EWSu T EWSo T EWS 3.0 C 6.0 C 4.5 C Freie Wahl des Betriebspunktes Ausgewählte Wärmepumpe Fabr./Typ: Wärmepumpe Betriebspunkt B0 W35 Wärmepumpe Betriebspunkt B0 W50 Betriebspunkte Leistung WP bei B6.0 / W35: QWP bzw. QK bei B6.0 / W50: Mit Standardauslegung +0 C/- 3 C sind 2 x 113m bei 10m Abstand notwendig Wird die EWS Temperatur auf +6/+3 C erhöht, so sind 2 x 192m notwendig. Dabei ist aber die erhöhte Kälteleistung nicht angepasst. Muster-WP Typ 1 Verdampfer kw 8.40 kw 3.00 kw 2700 l/h 9000 Pa kw 6.95 kw 4.41 kw 2.8 K 3.00 Liter Betriebspunkte Steuerung Betriebspunkte B0W35; WW B0W50 verwenden, sofern Auslegung darauf basiert extrapolierte Daten verwenden bei anderen Betriebspunkten Handeingabe von Betriebspunkten Qh: kw Qk: kw exptrapolierte Daten Qh: kw Qk: 8.59 kw exptrapolierte Daten Wird die Kälteleistung angepasst, so zeigt sich, dass 2 x 220m notwendig wären

15 Erweiterte Möglichkeiten Freie Wahl des Betriebspunktes über die Handeingabe. Betriebspunkte Steuerung Betriebspunkte Handeingabe Leistung WP bei B6.0 / W35: QWP bzw. QK bei B6.0 / W50: Betriebspunkte B0W35; WW B0W50 verwenden, sofern Auslegung darauf basiert extrapolierte Daten verwenden bei anderen Betriebspunkten Handeingabe von Betriebspunkten Qh: 9.90 kw Qk: 8.00 kw Für Heizbetrieb (Qh,Qk) Qh: 9.20 kw Qk: 6.70 kw Für Warmwasserbetrieb (Qh,Qk) Länge von 2 EWS in Reihe je 192 m Tot.Inhalt= 816L Die WP erbringt aber die minimale Leistung von kw nicht. Mit Einwilligung des Bauherrn kann aber eine bis zu 20% kleinere WP eingesetzt werden, ohne dass in der Praxis Auswirkungen zu befürchten sind Wird die nächst kleinere WP verwendet und die Kälteleistung über die Handeingabe angepasst, so zeigt sich, dass 2 x 192m notwendig wären. Übungsbeispiel 2 Die EWS Temperatur fällt so weit ab, dass der nähere Umkreis um die EWS und deren Zuleitung gefriert. Notwendig wäre eine EWS von mindestens 157m