Die Erdwärmegewinnung aus Bohrpfählen, Schlitzwänden und Tunnelbauten

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1 Die Erdwärmegewinnung aus Bohrpfählen, Schlitzwänden und Tunnelbauten PLANUNG UND UMSETZUNG DI Dr.techn. Wolfgang Unterberger DI Hans Hofinger ic consulenten ZT GmbH, Zollhausweg 1, 5101 Bergheim, Austria 2011 ic group. Wärme aus der Erde, Lannach, 30. Juni 2011

2 Nutzungsarten Generell: Heiz und Kühlsysteme für Niedertemperatur geeignet Heizanwendung Einsatz von Wärmepumpen mit etwa 20 25% Stromanteil an der Nutzwärme bei COP (Coefficient Of Performance) = 4,0 5,0 Free Heating, z.b. Vorwärmung von Zuluft oder (beschränkt) bei Eisfreihaltung mit wenigen % Pumpstromanteil an der Nutzwärme Kühlanwendung Einsatz von Kältemaschinen mit etwa 25 40% Stromanteil an der Nutzkälte bei EER (Energy Efficiency Ratio) = 2,5 4,0 Free Cooling, z.b. Vorkühlung von Zuluft oder bei Direktkühlung mit wenigen % Pumpstromanteil an der Nutzkälte 2

3 Systemverhalten Konventionelle Energieträger virtuell unbegrenzte Energiemenge bei gleichbleibender Leistung nur von Brennstoffzufuhr abhängig Erdwärmesystem Dynamisches Systemverhalten durch begrenzte Wärmeträgertemperaturen im Erdspeicher bzw. Absorbersystem Max. Leistung Max. Leistung Zeit Zeit 3

4 Verbrauchscharakteristika Reiner Heiz oder Kühlbetrieb Unausgeglichene Energiebilanz Natürliche Regeneration erforderlich Heiz und Kühlbetrieb Ausgeglichene Energiebilanz Regeneration durch den Anlagenbetrieb 4

5 Systemeinflüsse 5

6 Untergrund und Grundwasserverhältnisse Einfluss auf die Nutzungsart Offenes System Wärmeträger = Grundwasser Wenn ausreichend hydraulische Kapazitäten im Untergrund Wenn keine wasserrechtliche Beschränkung Wärmespeicherung schwierig Höhere Pumpkosten Geschlossenes System Trennung von Wärmeträger und Grundwasser Zusätzlich thermische Aktivierung von Gründungsbauteilen Wärmespeicherung möglich 6

7 Technische, rechtliche und wirtschaftliche Anforderungen Technische Grenzen Wärmeträgertemperaturen Wärmeträger (Wasser mit/ohne Frostschutz) Hydraulik Druckverlust Betriebskosten Rechtliche Anforderungen/Beschränkungen Wasserrechtsgesetz und 32 Emissionsminderung am Standort Wirtschaftliche Anforderungen Amortisationszeit (Wirtschaftlichkeit z.b. nach VDI 2067) Berücksichtigung von Förderungen 7

8 Planung Geschlossene Systeme Analytische Lösungen nur für sehr einfache Verhältnisse Fertige Softwarepakete für standardisierte Systeme wie EWS Feldern oder Pfahlgruppen (z.b. EED oder PileSim) Numerische Simulationen für komplexere Geometrien und Randbedingungen (z.b. Comsol Multiphysics) Zusätzlich Prüfung der hydraulischen Verhältnisse im Absorbersystem (Druckverluste) 8

9 Thermal Response Test als Grundlage der Planung Mobiles Messgerät, Messdauer h Ausführung an einer fertigen Erdwärmesonde Ermittlung folgender Parameter Ungestörte Bodentemperatur Thermischer Bohrlochwiderstand r b Effektive Wärmeleitfähigkeit λ eff des Bodens Grundlage der Anlagendimensionierung Überprüfung der Herstellungsqualität und Fehleranalyse 9

10 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Schacht Taborstraße Schacht Novaragasse Stationstunnel Stationstunnel m 2 Schlitzwand, m 2 Bodenplatte, 900 m 2 Stationsröhrensohle je ca. 74 kw Heiz und Kühlleistung 10

11 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Anschlussstelle Belegung der Körbe bereits ab Werk Druckprüfung auf der Baustelle 11

12 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Zweiteilige Bewehrungskörbe Absorber in beiden Körben werden verbunden, druckgeprüft Unter 2 bar oder drucklos eingebaut Prüfleitungen bis zur Schlitzwandoberkante 12

13 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Freilegen der Anschlussstellen Neuerliche Druckprüfung Sauberkeitsschicht auf Bodenplattenniveau 13

14 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Belegung des Sohlbereiches der Stationsröhren 14

15 Anwendung bei der U Bahn Linie U2 Zustand Jänner 2005 Verteilerbalken sammeln Leitungen und werden mit HT Anlagen verbunden 15

16 Anwendung beim Hauptbahnhof Wien ÖBB ic group. 16

17 Anwendung beim Hauptbahnhof Wien ÖBB 17

18 Anwendung beim Hauptbahnhof Wien Eine der größten Absorberanlagen Österreichs ca m² Bodenplattenbelegung ca m² Energiepfähle (aktive Oberfläche) Deckung der Grundlasten von Heiz und Kühlbedarf Ca MWh/a Heizenergie Ca. 500 MWh/a Kühlenergie aus der Erdwärmenutzung 18

19 Anwendung beim Hauptbahnhof Wien 19

20 Anwendung beim Hauptbahnhof Wien Gegenseitige Beeinflussung von Anlagen Anlage Hauptbahnhof Wien Anlage Südtiroler Platz Anlage Erste Campus Anlage ÖBB Zentrale Anlage Sonnwend Center 20

21 Anwendung beim Hbf Salzburg ÖBB PL Salzburg 21

22 Anwendung beim Hbf Salzburg Verwendung von duktilen Rammpfählen 440 Stahlrohr Rammpfähle als Energiepfähle, thermische Nutztiefe 15m Zusätzlich 21 Erdwärmesonden mit je 135m Tiefe Ca MWh/a Heizenergie (60%) Ca. 800 MWh/a Kühlenergie (90%) Auszeichnung der ÖBB mit dem EUREM Award für vorbildliche Energieeffizienz Projekte 22

23 Anwendung beim Hbf Salzburg ÖBB PL Salzburg 23

24 Anwendung beim Hbf Salzburg ÖBB PL Salzburg 24

25 Anwendung beim Hbf Salzburg 25

26 Zusammenfassung und Ausblick Umweltfreundlich und ressourcenschonend, Beitrag zum Klimaschutz meist sinnvoll bei Eigenenergiebedarf und großen Fundierungselementen bzw. geeigneter Geologie Bereits bei aktuellem Energiepreisniveau wirtschaftlich Weitere Effizienzsteigerungen durch bessere Simulationswerkzeuge unter Berücksichtigung der Betriebsdaten 26