Regeneration von Erdsondenfeldern mit Solarwärme

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1 Regeneration von Erdsondenfeldern mit Solarwärme 4. Tagung Solarwärme Schweiz Oktober 2015, Messe Luzern Session 3: Praxis, Forschung, Technik

2 René Naef Lehre als Elektrozeichner El. Ing. HTL, Rapperswil 5 Jahre im Entwicklungslabor der Firma Feller, Horgen. Nachdiplom Energie an HTL Muttenz Jahre bei Basler & Hofmann, Zürich seit 1995: naef energietechnik Jupiterstrasse 26, 8032 Zürich Bürogemeinschaft u.a. mit Arthur Huber (Hetag) Diverse Energie- und Haustechnik-Planungen für Energie- Architekten (u.a. Beat Kämpfen, Karl Viridén, und weitere)

3 Ablauf / Inhalt Wieso regenerieren? Wärmequellen für Erdsonden-Regeneration selektiv beschichteter, unverglaster Solarabsorber Hydraulik Beispiele von gebauten Anlagen

4 Erdwärme Erdkruste ist nicht warm!

5 Nutzungen Erdwärme Quelle: Grafik CREGE, energie Schweiz Erdkruste ist ca. 10 bis 15 C warm!

6 Woher kommt die Erdwärme? Wärme in Erdkruste Über sehr lange Zeit gespeicherte Wärme aus dem Erdinnern und Sonnenwärme, es fliesst kaum Wärme nach Auslegung Keine Faustregel mehr: SIA 384/6 Erdsonden 50 Jahre (+0 C/-3 C) Simualtionsprogramm anwenden Quelle Grafiken:

7 Wärmefluss vom Erdinnern ist sehr gering! Wärmefluss vom Erdinnern für Sonden mit 7m Abstand ca. 27 bis 60 kwh/a Sonde von 200m mit 80kWh/m Entzug kwh/a Entspricht ca bis 0.4% Quelle: Medici, Rybach, angepasst durch Verein Geothermie Kraftwerke Aargau

8 Wieso solare Regeneration von Erdsonden? dicht besiedelte Gebiete mit vielen Erdsonden und zu wenig Platz für Sonden Objekte mit zu kurzen Sonden Gebäude-Erweiterungen Beeinflussung durch Nachbarsonden Quelle: Wärmenutzungsatlas des Kanton Zürich

9 Entwicklung der Erdsonden Beispiel Stadt Zürich: 2000W-Gesellschaft als Ziel Im Jahr 2012: Entzug aus EWS ca. 33 GWh/a EWS 900 Anlagen m Erdsonden-Bohrungen Im Jahr 2050 (Energieziel Zürich): Wärmeentzug aus EWS ca. 330 GWh/a ± EWS??? ± m ES-Bohrungen??? Quelle der Grafik: Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (Vortrag Dr. Roland Wagner: Wie viel Wärme dürfen wir dem Erdreich entziehen? Forum Energie Zürich, Download: 014/pdf/FEZ_Event_Waerme_Wagner_ pdf )

10 Beispielbetrachtung, Mettmenstetten Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG (Programm EWS:

11 Vorstudie Gramatt, Mettmenstetten: Simulation Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG (Programm EWS:

12 Wieso Regeneration? Vereisung der Sonden - Wirkungsgrad des Systems sinkt! Es wird von Jahr zu Jahr gravierender! Quelle: Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden. Simone Bassetti, Ernst Rohner, Sarah Signorelli, Bernard Matthey. Energie Schweiz, 2006

13 Regeneration vs. Saisonspeicherung Regeneration: im Sommer wird weniger Wärme in das Sondenfeld geladen, als im Winter entzogen wird Saisonspeicherung: im Sommer wird mehr Wärme in das Sondenfeld geladen, als im Winter entzogen wird (die Temperatur des Erdreiches erhöht sich über die Jahre!) Minimale Sondentemperatur [ C] Einfluss der Sondenregeneration (Sondenabstand 7 Meter, 200m Tiefe, 50a) Regeneration Saisonspeicherung Huber Energietechnik AG, Zürich aktive Regeneration (bezogen auf Entzug) 50% 75% 100% 125% 150% 3 x 20 Sonden 3 x10 Sonden 6 x 5 Sonden 2 x 2 Sonden 4 x 4 Sonden Einzelsonde Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

14 Effiziente Wärmespeicherung im ES-Feld Grösse des Sondenfeldes: Speichertemperatur: Effizienter Speicher: Temperatur des Speichers nur geringfügig über Temperatur der Umgebung Speichertemperatur für Erdreich: C keine Direktheizung, sondern Wärmepumpen nötig Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

15 Regeneration in Einzelsonde? Speicherung nicht möglich: Verluste sind zu gross im Verhältnis zum aktivierbaren Speichervolumen Regeneration ist aber möglich!!! Es gibt noch viele Fragen Verhalten der Regeneration bei wasserführenden Schichten? Was sind die optimalen Energiemengen für die Einspeisung (noch keine Erfahrungen, Messungen fehlen, Simulationen sind heute möglich)

16 Wärmequellen für Erdsonden-Regeneration Gebäude wird als Sonnenkollektor genutzt, nur geringe Regenerationsrate möglich (Temperaturniveau)

17 Einfluss von Free-Cooling auf Erdsonden Minimaltemperatur [ C] Minimaltemperatur im Sondenrücklauf Betriebsjahre mit Sondenfreecooling ohne Sondenfreecooling Vergleich bei 60 Erdsonden im Bürohaus mit / ohne Free-Cooling Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

18 Welche Erträge durch solare Regeneration? Berechnung der EWS mit Programm EWS über 50 Jahre: ohne Sondenregeneration mit solarer Sondenregeneration Anlage: Pfründmatt, 3 MFH s im Mettmenstetten Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

19 Spezifische Kollektorleistungen Quelle: Energie Solaire SA

20 Studie «RegenOpt»: Ausgangslage Studie: Minergie-saniertes MFH mit 12 Wohnungen, EBF 1 200m2 ES-WP für Heizung und Warmwasser, Wärmebedarf kWh/a simuliert wurden verschiedene Regenerationsmöglichkeiten (mit Polysun), Freecooling, LW-WT, 60m2 Kollektorfläche «unendliches ES-Feld» mit 20m Abstand zwischen den ES, alle ES werden im gleichen Mass regeneriert wie das betrachtete MFH, städtische Situation Schlussbericht «RegenOpt»: Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Mai 2015 Download unter:

21 Studie «RegenOpt»: Sondenentzug

22 Studie «RegenOpt»: Resultate ohne Berücksichtigung der Nachbarsonden bei der Auslegung wird SIA 384/6 nicht eingehalten Kostenunterschiede zwischen den Regenerationsmethoden sind gering Es gibt Fälle bei denen die Regeneration nachhaltiger ist, als das Bohren von längeren Sonden keine generelle Empfehlung für den anzustrebenden Regenerationsgrad oder die beste Regenerationstechnik viele der Regenerations-Systeme sind einfach nachrüstbar Empfehlung: standardmässige Überwachung der Soletemperatur

23 unverglaste Kollektoren als Wärmequelle unverglaster, selektiv beschichteter Solarabsorber (Hersteller: Energie Solaire SA, 3960 Sierre) als Dacheindeckung und Fassade möglich keine Überhitzungsprobleme Überdimensionierung möglich Betrieb unterhalb Aussentemperatur möglich

24 Bereits einige Anlagen gebaut MFH Zürichbergstrasse, 8044 Zürich: Anbau mit Dach mit integrierten Solarabsorbern und PV MFH Minervastrasse, 8032 Zürich: Dachausbau mit integrierten Solarabsorbern

25 Hydraulische Schaltung: mit Speicher Studentenhaus Justinus 8044 Zürich Speicher im ES-Kreislauf

26 Hydraulische Schaltung: Wärmetauscher Wärmetauscher MFH in Mettmenstetten (siehe Online-Zugriff) Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

27 kein Frostschutz in EWS dank Regeneration 3 identische MFH s in Mettmenstetten Süddächer + Ostdach mit je ca. 110m2 Solarabsorber (untersch. Ausrichtung) Heizung und Warmwasser je Gebäude Total 9 Erdsonden à 240m Sondenabstand 7m Ziel: trotz kleinem Sondenfeld sollte Saisonspeicherung möglich sein Online-Zugriff für Gast: Passwort: netlogger

28 Es gibt noch viele Fragen Wir sind erst in der Startphase von einem grossen Tätigkeitsgebiet! Themen werden sein: - Optimierung von Sondenlängen - Optimieren von hydraulischen Einbindungen - Wahl der richtigen solaren Nutzung - Investitions-Kosten für Anlagen senken - Regelstrategien entwickeln und prüfen - Vermutlich noch viele weitere Punkte Das Betätigungsfeld für Planer und Lieferanten ist gross!

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Schulanlage Hofacher, 8032 Zürich, Annahme mit Nachbarsonden (jedes 3. Gebäude 2050) Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

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