Erdwärmekollektoren und -körbe

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1 Erdwärmekollektoren und -körbe Fachgespräch Erdwärmesonden 26. August 28 Dr.-Ing. Klaus Ramming Einen Schritt voraus. Gliederung 1. Einleitung 2. Motivation und Ziele 3. Methodik Festlegung der Bewertungs- und Auslegungskriterien Vorstellung des numerischen Simulationsmodells Vorstellung des analytischen Rechenmodells 4. Ergebnisse Optimierte Auslegung von Erdwärmekollektoren Erdwärmekollektoren als Spitzenlastwärmequelle Sonderbauformen 5. Zusammenfassung 26. August 28 Folie 2 1

2 Einleitung Horizontale Erdwärmekollektoren als Wärmequellenanlage für Wärmepumpen Vorteile: -Relativ kostengünstige Erschließung -Stabiles Temperaturniveau im Winter -Monovalenter WP-Betrieb möglich Nachteil: -Großer Bedarf an unversiegelter Gartenfläche Quelle: Dimplex Wirtschaftliche Alternative zu Erdwärmesonden und Luft/Wasser-Wärmepumpen 26. August 28 Folie 3 Motivation und Ziele Stand der Technik: VDI 464 Untergrund bei 18 h/a bei 24 h/a Trockener, nichtbindiger Boden Bindiger Boden, feucht Wassergesättigter Sand/Kies 1 W/m² 8 W/m² 2-3 W/m² W/m² 4 W/m² 32 W/m² Rohrabstand zwischen,3 und,8 m Eisradien dürfen nicht zusammen wachsen -Die VDI-Richtlinie wurde auf Basis empirischer Studien und Erfahrungen erstellt. -Die letzten wissenschaftlichen Arbeiten stammen aus den 197er Jahren. J -Es wurden stets nur einzelne Aspekte untersucht und keine Optimierungen durchgeführt. Ziel: Entwicklung eines umfassenden Rechenmodells zur Bewertung und Optimierung oberflächennaher Erdwärmekollektoren 26. August 28 Folie 4 2

3 Methodik: Festlegung der Bewertungs- und Auslegungskriterien Wirtschaftlichkeit Kapitalgebundene Kosten: -Kollektorrohr -Verteiler inkl. Armaturen -Soleflüssigkeit -Installation (Erdarbeiten) Verbrauchsgebundene Kosten: -Stromverbrauch der Wärmepumpe -Stromverbrauch der Umwälzpumpe Jahresgesamtkosten 26. August 28 Folie 5 Methodik: Festlegung der Bewertungs- und Auslegungskriterien Betriebssicherheit -Erstarrung der Sole muss vermieden werden (Erstarrungstemperatur = ca. -13 C) -Beachtung der Betriebsgrenzen des Verdichters (Drücke, Temperaturen) -Einhalten der Herstellerangaben Minimale Solerücklauftemperatur von -5 C -Maximale Druckdifferenz von Standardumwälzpumpen Maximaler Druckverlust im Kollektor von 35 kpa 26. August 28 Folie 6 3

4 Methodik: Festlegung der Bewertungs- und Auslegungskriterien Umweltbeeinflussung -Vermeidungen von Hebungen und Setzungen der Erdoberfläche Maximaler Eisradius ca. 5 cm -Gewährleistung des hydraulischen Abflusses, um Matsch an der Erdoberfläche zu vermeiden. Rechtzeitiges Zurücktauen der Eisradien im Frühjahr 26. August 28 Folie 7 Methodik: Rechenmodell zur Simulation von Jahresverläufen Einflussgrößen auf Erdwärmekollektoren -Klima (Temperaturverlauf, Niederschläge, Wind) -Erdreich (Hydraulische Leitfähigkeit, Feldkapazität, Korngröße Kornmaterial, Wassergehalt, Dichte, Wärmeleitf rmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazit rmekapazität, t, latente Speicherkapazität) t) -Hydraulische Auslegung (Rohrmaterial, Temperaturspreizung, Strömungsform, Wärmetr rmeträger) -Geometrische Auslegung (Rohrdurchmesser, Verlegetiefe, Rohrabstand) Bondenkundliche Bondenkundliche,, hydrogeologische, thermische und physikalische Aspekten müssen in Kombination berücksichtigt werden. 26. August 28 Folie 8 4

5 Methodik: Rechenmodell zur Simulation von Jahresverläufen Vergleich: numerische Simulation analytisches Modell 4 35 Temperatur in C, Wassergehalt in Vol. % Umgebung Sole RL-Temperatur -5 numerisch Wassergeh. an Oberfl. Wassergeh. in Kollektortiefe -1 WP schaltet ein analytisch WP schaltet aus Aug. 1. Sep. 2. Okt. 2. Nov. 3. Dez. 3. Jan. 3. Feb. 6. Mrz. 6. Apr. 7. Mai. 7. Jun. 8. Jul. 8. Aug. Zeit in TT.Monat 26. August 28 Folie 9 Hydraulische Auslegung Volumenstrom pro Rohrstrang in m³/h 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Volumenstrom, bei dem der max. Druckverlust von 35 kpa auftritt Wechsel von laminarer zur turbulenten Strömung turbulente Strömung p V > p Vmax Vmax laminare Strömung p V < p Vmax Vmax turbulente Strömung p V < p Vmax Vmax Rohrstranglänge in m Da 2 Da 25 Da August 28 Folie 1 5

6 Wirtschaftlich optimierte hydraulische Auslegung Jahresgesamtkosten in bei einer WP-Anlage mit 8 kw max. Heizbedarf Bereich flächenoptimierter Auslegung Da 2 laminar Da 25 laminar Da 32 laminar Da 32 turbulent Rohrstranglänge = 1 m 17 Spreizung: energetisch optimiert längenspezifische Entzugsleistung in W/m 26. August 28 Folie 11 4,5 Optimierte Hydraulische Auslegung 4 3,5 optimale Spreizung in K bei 1 m Rohrlänge 3 2,5 2 1,5 1, längenspezifische Entzugsleistung in W/m Da 2 Spreizung Da 25 Spreizung Da 32 turbulent 26. August 28 Folie 12 6

7 Rohrabstand und Betriebssicherheit 2,5 Rohrlänge: 1 m Spreizung: 3 K Minimale Solerücklauftemperatur in C -2,5-5 -7,5 Da 2-15W/m² Da 25-15W/m² Da 32-15W/m² Da 2-25W/m² Da 25-25W/m² Da 32-25W/m² Da 2-35W/m² Da 25-35W/m² Da 32-35W/m² min. Temperatur -1,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Rohrabstand in m 26. August 28 Folie 13 Rohrabstand und Umweltbeeinflussung,5,45 Klimazone: 13 (Passau, Würzburg) Bodentyp: Lehm (normal bindig) Eisradius bei Vegetationsbeginn in m,4,35,3,25,2,15,1 Da 2-15W/m² Da 25-15W/m² Da 32-15W/m² Da 2-25W/m² Da 25-25W/m² Da 32-25W/m² Da 2-35W/m² Da 25-35W/m² Da 32-35W/m² Max,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Rohrabstand in m 26. August 28 Folie 14 7

8 Flächenoptimierte Auslegung Maximale flächenspezifische Entzugsleistung in W/m² 35, 3, 25, 2, 15, 1, 5, Gewährleistung der hydraulischen Leitfähigkeit im Frühjahr Da 2, Da 25: laminare Strömung Da 32: turbulente Strömung Klimazone 13: Passau Max. Eisausdehnung,,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1, Rohrabstand in m Min. Soletemperatur Sand Da 2 Sand Da 25 Sand Da 32 Lehm Da 2 Lehm Da 25 Lehm Da 32 Schluff Da 2 Schluff Da 25 Schluff Da 32 Sandiger Ton Da 2 Sandiger Ton Da 25 Sandiger Ton Da 32 Bodenart Rohrdurchmesser 26. August 28 Folie 15 Wirtschaftlichkeit der Auslegung Jahresgesamtkosten in bei einem WP-System mit 8 kw Wärmebedarf flächige Abtragung Klimazone 13: Passau,,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1, Rohrabstand in m Rohrlänge Da 2, Da 25: 1 m Rohrlänge Da 32: optimiert Rohrabstand =,5 m Grabenverlegung Sand Da 2 Sand Da 25 Sand Da 32 Lehm Da 2 Lehm Da 25 Lehm Da 32 Schluff Da 2 Schluff Da 25 Schluff Da 32 Sandiger Ton Da 2 Sandiger Ton Da 25 Sandiger Ton Da August 28 Folie 16 8

9 Unterschiede zwischen den Klimazonen nach DIN 471 Nr.: Referenzort Jahresmittel Amplitude Niederschlag in C in K in mm/a 1 Bremerhaven 9 7,9 741,4 2 Rostock-Warnemünde 8,4 8, Hamburg-Fuhlsbüttel 8,5 8,1 77,3 4 Potsdam 9,5 1,25 573,9 5 Essen 8,1 6, Bad Marienberg 6,8 8,4 1168,7 7 Kassel 8,8 8,6 698,4 8 Braunlage 6 8, ,8 9 Chemnitz 7,6 8,85 7,7 1 Hof 6,3 9, Fichtelberg 3 8, ,7 12 Mannheim 1,2 9,1 667,6 13 Passau 7,9 9,9 636,6 14 Stötten 6,8 8,9 168,5 15 Garmisch-Partenkirchen 6,8 9,4 1363,5 Quelle: DIN 471 und DWD 26. August 28 Folie 17 Max. Entzugsleistung in den unterschiedlichen Klimazonen max. flächenspez. Entzugsleistung in W/m² Bremerhaven Rostock- Warnemünde Hamburg- Fuhlsbüttel Potsdam Essen Bad Marienberg Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Passau Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Stötten Garmisch- Partenkirchen Klimazone 26. August 28 Folie 18 9

10 Erdwärmekollektoren als Spitzenlastwärmequelle Nutzung horizontaler Erdwärmekollektoren als Spitzenlastwärmequelle bivalenter Wärmepumpensysteme Idee: -Hauptwärmequelle Luft (günstig, überall verfügbar) -Spitzenlastabdeckung mittels kompaktem Erdkollektor Vorteile: -Ganzjährig hohe Wärmequellentemperatur -Kostengünstige Erschließung -Geringer Flächenbedarf Luftkühler Spitzenlastkollektor Solekreis 3-Wege Umschaltventil Solekreis 26. August 28 Folie 19 Erdwärmekollektoren als Spitzenlastwärmequelle Maximale Entzugsleistung in Abhängigkeit von der Bivalenztemperatur (Klimazone 13 Passau) Maximal mögliche flächenspezifische Entzugsleistung in W/m² deutliche Verkleinerung der Kollektorfläche erst bei niedrigen Bivalenztemperaturen Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Bivalenztemperatur in C 26. August 28 Folie 2 1

11 Sonderbauformen Auslegung von Sonderbauformen (anhand einer analytischen Näherungsrechnung) Grabenkollektor (einseitiger Wärmeeintrag) Klimazone 12 Klimazone 13 monovalent bivalent monovalent bivalent Sand Lehm Schluff Sandiger Ton ,1 m 2 m 3 m Max. längenspezifische Leistung in W/m 1,2 m Erdwärmekorb (Abstand zu Nachbarkörben 4 m) Klimazone 12 Klimazone 13 einer allein 4 Nachbarn einer allein 4 Nachbarn Sand Lehm Schluff Sandiger Ton Max. Leistung pro Erdwärmekorb in W 1,7 m,9 m 1,3 m 26. August 28 Folie 21 Sonderbauformen Unterschiede zwischen Erdwärmekorb und Kollektor (4-Nachbarkörbe mit 4 m Korbmittelspunktabstand) flächenspez. Entzugsleistung in W/m² Lehm Erdwärmekorb Lehm horizonaler Erdwärmekollektor Bremerhaven Rostock- Warnemünde Hamburg- Fuhlsbüttel Potsdam Essen Bad Marienberg Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Passau Stötten Garmisch- Partenkirchen August 28 Folie 22 11

12 Zusammenfassung Es existieren eindeutige Kriterien und Einsatzgrenzen zur Bewertung oberflächennaher Erdwärmekollektoren. Anhand von Rechenmodellen, lassen sich alle relevanten Auslegungsparameter von horizontalen Erdwärmekollektoren und Sonderbauformen energetisch und wirtschaftlich optimieren. Die Klimaregion und die hydraulische Auslegung müssen bei der Dimensionierung neben den Bodeneigenschaften mit berücksichtigt werden. Bei einer Spitzenlastnutzung eines Erdwärmekollektors kann der Flächenbedarf deutlich verringert werden. Mit Sonderbauformen kann der Flächenbedarf nur geringfügig bezüglich horizontaler Erdwärmekollektoren verringert werden. 26. August 28 Folie 23 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Klaus Ramming Einen Schritt voraus. 12

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