Green Building 2013 Philip Klingler Gruneko Schweiz AG

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1 1 Philip Klingler Gruneko Schweiz AG

2 Geothermie im Überblick Riehen BS St. Gallen Basel Oberflächennahe Geothermie S. Cattin, CREGE 2

3 Oberflächennahe Geothermie im Vergleich Anlagentyp Heizen Kühlen Saisonaler Speicher Energiepfähle Grundwasser (++) EWS-Feld Einzelne EWS + (+) (+) Tiefen-EWS +++ Tiefe Geothermie EWS = Erdwärmesonde ++++ Fernwärme benutzen! 3 = Einsatz von Strom bei Wärmepumpe/Kältemaschine 1/6 bis 1/3 für heizen Wirkungsgrad Kohlekraftwerk, AKW: 1/2 bis 1/3 Bsp. 1/3 Strom * 1/3 Wirkungsgrad Kohlekraftwerk = 100% Kohleheizung

4 Oberflächennahe Geothermie für grössere Bauprojekte SIA D190 Grundwasserleiter Grundwasser 30 m 220 m Erdwärmesonden Rehau 4 Jürgen Kraft, 2011 Rehau

5 Konduktiver Wärmetransport Advektiver Wärmetransport 3 C 6 C 11 C 8 C T ( C) C 8.5 C 11 C 8 C Erdwärmesonden Energiepfähle Grundwasser- Dublette 5

6 Saisonale Speicherung 6

7 Saisonale Speicherung Funktionsprinzip 7

8 Abgleich der Konzepte Gebäudetechnik - Geospeicher Konzept HLK / Gebäude Konzept Geospeicher 8

9 Auslegung und Berechnung Frühzeitige Definition : > Heizbedarf Gebäude > Kühlbedarf Gebäude > Temperaturen (Heizen / Kühlen) > Technik (insbes. Kühlung) > Vorauslegung Geospeicher z. B. > Anzahl Sonden > Bohrtiefe > Sondenabstand 9

10 Temperaturausgleich Saisonaler Speicher > vor dem Sommer abkühlen auf "Starttemperatur Kühlen" > vor dem Winter erwärmen auf "Starttemperatur Heizen" 10

11 Grundregeln Geospeicher > Möglichst kleiner Temperaturhub (Differenz T Austritt Geospeicher zu T Vorlauf Gebäude möglichst klein) > Möglichst wenig Zusatzinstallationen (Wärmetauscher) > Möglichst gute und gleichmässige Auslastung (Grundlast) > Kombinierte Heiz- und Kühlnutzung mit ausgeglichener Jahresbilanz > Möglichst viele Betriebsstunden ohne Kältemaschine (Freecooling) > Möglichst ausgeglichener und geringer pro Pfahl > Thermische Schichtung/Trennung von Kälte und Wärme > Korrekte Dimensionierung Wärmetauscher & Speicher > Betriebskontrolle 11

12 Erdwärmesonden > Bohrablauf 12

13 Bauliche Rahmenbedingungen : > kein Platz im Gebäude > kein Platz neben Gebäude Konsequenz : > Geospeicher = Footprint > therm. Entkopplung > statische Entkopplung > Standzeit Speicher = Gebäude > Qualitätssicherung Bodenplatte 13 Schutzplatte Geospeicher

14 Bau Geospeicher Erdsondenfeld mit Verrohrung 14

15 Erdwärmesonden-Geospeicher + Viel Spielraum bei Dimensionierung (Grösse) + Keine Unterhaltskosten + Standardlösungen + Weniger Untersuchungen für Bewilligung notwendig + Nur Wärmeaustausch mit Boden (Altlasten, etc.) + Hoher Speicherwirkungsgrad (Wärme bleibt am Ort) - Bohrkosten - Schnittstellen zum Bau: Verrohrung, Schutzplatte, zusätzlicher Aushub, Gebäudeeinführung Kosten - Konduktive Wärmeleitung (Trägheit) - Höherer Leistungsbezug nur bei grösserem Temperaturgefälle - Höhere Energiekosten (schlechtere Betriebstemperaturen WP) 15

16 EWS-Berechnung (Temperaturantwort auf Leistung) Erdwärmesonden-Geospeicher + Viel Spielraum Dimensionierung (Grösse) + Keine Unterhaltskosten + Standardlösungen + Weniger Untersuchungen für Bewilligung notwendig + Nur Wärmeaustausch mit Boden (Altlasten, etc.) + Hoher Speicherwirkungsgrad (Wärme bleibt am Ort) - Bohrkosten - Schnittstellen zum Bau: Verrohrung, Schutzplatte, zusätzlicher Aushub, Gebäudeeinführung Kosten - Konduktive Wärmeleitung (Trägheit) - Höherer Leistungsbezug nur bei grösserem Temperaturgefälle - Höhere Energiekosten (schlechtere Betriebstemperaturen WP) 16

17 Probebohrung und etrt (erweiterter Thermal Response Test) > geologisches Profil ermitteln > Vorabklärung von geologischen Problemzonen > Grundwasser > instabile Schichten > Gas etc.. > Physikalische Eigenschaften des Speichers ermitteln > Temperaturprofil > Leitfähigkeit > Dichte > Wärmekapazität 17

18 Energiepfahl-Geospeicher + Keine Bohrkosten "gratis" Bohrungen + Tieferes Temperaturniveau für Freecooling + Ca. 50% - 100% höhere spezifische Leistung pro Pfahlmeter als Erdwärmesonde + Kostengünstige Alternative/Ergänzung zu Erdwärmesonden - Akzeptanz bei Statikern - Schnittstellen mit Statik (Verrohrung, Armierungskörbe, etc.) - Pfahllängen decken sehr selten Leistungsbedarf für Kühlen/Heizen - Monovalenter Kühl- und Heizbetrieb sehr selten möglich 18

19 Grundwasser-Geospeicher mit starker Grundwasserströmung Sommer Grundwasserleiter Winter 19 Grundwasserleiter > Grundwasserströmungsgeschwindigkeit?! > Fliesspfade? 3D-FeFlow-Modell! Grundwasserleiter > Geschwindigkeit und Ausbreitung der Temperaturfront?

20 Grundwasser-Geospeicher ohne / mit wenig Grundwasserströmung Sommer Grundwasserleiter Winter 20 Grundwasserleiter > Grundwasserströmungsgeschwindigkeit?! > Fliesspfade? 3D-FeFlow-Modell! > Geschwindigkeit und Ausbreitung der Temperaturfront?

21 Grundwasser-Geospeicher + Geringe Investitionskosten + Weniger Schnittstellen zum Bau + Advektiver Wärmetransport + Bester COP + Tiefe Entnahmetemperatur im Sommer, hohe im Winter + Keine kurzfristige Beeinflussung von Rückgabetemperatur + Bis 100% Freecooling + Bei optimalen hydrogeol. Bedingungen Bester Wärmespeicher 21 - Keine "Standardlösungen" für Geospeicher - Unterhaltskosten - Diverse hydrogeologische Einschränkungen - Maximale Entnahmemenge, Grundwasser-Absenkung/-Erhöhung - Beeinflussung von Nachbarn - Hydrochemie (Verschmutzung, Altlasten, Kalk, Redox-Reaktionen) - Mehr Untersuchungen im Vorfeld (Bewilligung) notwendig - Grundwasser-Geospeicher nur bei grösseren Arealen möglich

22 Fragen bei Planungen von Geospeichern > Betrieb und Dimensionierung Saisonaler Ausgleich? > Freecooling mit Kühlturm, Brauchwasser oder Geospeicher? > Feldteilung, thermische Schichtung? > Optimierung Gesamtsystem? Antworten: Nur mit dynamischen und gekoppelten Simulationen möglich 22

23 Numerische Simulation Grundwasser und Erdreich Lokale Temperaturen im Boden Simulationen Gebäude- und Anlagensimulation Kühl-/Heizbedarf Gebäude Dynamische Kopplung FEFLOW-Plugin für Co-Simulation Supply Side Demand Side (von Gruner entwickelt) District Heating Pipe Pipe Pipe Zone Bypass Bypass Feflow EnergyPlus 23

24 3D-Simulation Geospeicher 24

25 Vergleich Grundwasser-Nutzung mit Erdwärmesonden&Energiepfählen 25 Stromverbrauch Einfluss Grundwasserströmung Gute Kenntnisse der Grundwasserströmung Erdwärmesonden & Energiepfähle 20-50% höher als bei Grundwassernutzung negativ: Grundwasserströmung trägt gespeicherte Wärme weg beschränkt benötigt für Auslegung Grundwassernutzung gering Gesamtkosten Bau höher günstiger Unterhaltskosten Schnittstellen zu Baumeisterarbeiten Voruntersuchungen keine höher (Verrohrung, Schutz Verrohrung, Verteiler, Einführungen) Gebäudesimulation, etrt, Simulation Geospeicher (EWS, FeFlow) Grundwasserströmung kann berücksichtigt werden benötigt für Auslegung vergleichbar mit Brunnen zur Grundwasserabsenkung gering, da ausserhalb Gebäude Gebäudesimulation, Baugrunduntersuchung, Pumpversuche, Simulation Geospeicher (FeFlow)

26 26

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