Geothermisches Heizen und Kühlen von Gebäuden

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1 HOCHSCHULE BIBERACH BIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Geothermisches Heizen und Kühlen von Gebäuden Vortragsveranstaltung des Arbeitskreises Technische Gebäudeausrüstung des VDI Baden-Württemberg EnBW AG Stuttgart, 14. März 2005 Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff Hochschule Biberach ( Studiengang Gebäudetechnik / Gebäudeklimatik Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGES) Institut für Angewandte Forschung (IAF) Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 1 Inhalt Einführung Einteilung der Systeme für oberflächennahe geothermische Nutzungen Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Systemtechnik Geothermie Gebäude & TGA Ökologie Kosten und Wirtschaftlichkeit Bewertung: Potenziale und Herausforderungen Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 2

2 Geothermisch die Erdwärme betreffend Radius der Erde: ca km Erdkruste: Erdmantel: 35 km Dicke 2809 km Dicke Äußerer Kern: 2000 km Dicke Innerer Kern: 1482 km Dicke Abbildung: Georg-August Universität Göttingen Die Abbildung zeigt ein für den Erdmantel berechnetes Temperaturfeld (blau: kalt, rot: heiß). Deutlich sichtbar sind eng begrenzte heiße Aufströme (Hotspots), über denen auf der Erdoberfläche Vulkanismus entsteht. Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 3 Einführung - Tiefe Geothermie ab größer ca. 100 bis 400 m Tiefe bis einige km Wärmereservoir durch Temperaturgradienten 3 K / 100 m wesentliche Wärmequellen: - geothermischer Wärmefluss: 0,05 0,12 W/m² - geologische Besonderheiten (heiße Gesteine, Thermalwässer) Anwendungen: Beispiele: Wärmenutzung und Stromerzeugung aus Wärme (dauerhaft verfügbar, grundlastfähig) Geothermie Kraftwerk Offenbach (in Planung) Forschungsprojekt Bad Urach & EnBW (HDR) Geothermische Heizzentrale Prenzlau 0,6 MW Geothermie-Tiefbohrung RWTH-1 Aachen m Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 4

3 Einführung - Oberflächennahe Geothermie Tiefenbereich: 0 m bis ca. 100 bis 400 m Tiefe weltweite mittlere Temperatur der Erdoberfläche: 13 C Komponenten der thermischen Energiebilanz: - Sonneneinstrahlung: 12 W/m² (Mittelwert) bis 1000 W/m² - Wärmeaustausch der Erdoberfläche mit Luft & Weltraum - Niederschlags- und Sickerwasser - Grundwasserfluss - Wärmeleitung im Untergrund - geothermischer Wärmefluss (erst ab ca. 20 bis 100 m bedeutsam, ab >100 m wesentlicher Anteil) - neutrale Zone zwischen Oberflächen- und Tiefeneinfluss: ca. 10 bis 20 m tief Anwendungen: direkte oder indirekte Heizung, Kühlung und Wärmespeicherung Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 5 Temperaturprofil im ungestörten oberflächennahen Erdreich 0 Monat Tiefe [m] ,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 Temperatur [ C] Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 6

4 Oberflächennahe Geothermie: Erdreichtemperaturen unter und neben dem Gebäude Technikum G der Hochschule Biberach (Monat Mai) Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 7 Systeme für oberflächennahe geothermische Nutzungen Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (Heizen, Kühlen) Direkte Nutzungen (Kühlen, Vorwärmen, Heizen) Unterirdische thermische Energiespeicher Gebäude Luft-Erdwärmetauscher L-EWT Erdwärmekollektor Erdwärmesonde EWS Saug- und Schluckbrunnen Bodenabsorber Energiepfahl Wandabsorber Grundwasser Erdreich Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 8

5 Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Grundwasserbrunnen: Nutzung des Grundwassers ist genehmigungspflichtig Grundwasserqualität prüfen (Verockerung, Korrosion) Leistungsnachweis meist durch Pumpversuch (oder bzw. ergänzt durch hydrogeologisches Gutachten/Berechnung) Nenndurchfluss 0,25 0,3 m³/h je kw thermisch im Brunnen (bei 2,5 bis 3 K Spreizung Vorlauf-Rücklauf) entnommenes Grundwasser ist i. d. R. wieder einzuleiten Temperaturänderung ist i. d. R. auf ± 6 K zu begrenzen hydrologischen Kurzschluss vermeiden (Anordnung und Abstand von Saug- und Schluckbrunnen) bei Großanlagen ggf. messtechnische Überwachung Quelle: VDI 4640 Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 9 Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Erdwärmekollektoren: Auslegungstabelle aus VDI 4640, Blatt 2 (Tabelle 1): Untergrund Trockener, nichtbindiger Boden Bindiger Boden, feucht Wassergesättigter Sand/Kies spezifische Entzugsleistung 1800 Voll-Betr.-h/a 2400 Voll-Betr.-h/a 10 W/m² W/m² 40 W/m² 8 W/m² W/m² 32 W/m² gilt für einfache Anlagen (z. B. Einfamilienhäuser), reiner Heizbetrieb (Wärmeentzug) jährliche spezifische Entzugsarbeit: ca. 18 bis 75 kwh/(m²a) bei längeren Laufzeiten Auslegung auf ca. 50 bis 70 kwh/(m²a) Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 10

6 Sonderbauart eines Erdwärmekollektors: Bodenabsorber Anordnung unter EG im Technikum G der Hochschule BC Perimeterdämmung unter Bodenplatte Bodenabsorber auf Baustahlmatten verlegt Foto: Köhler Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 11 Bohren vertikaler Erdwärmesonden (EWS) Versuchssonde (1 von 2) mit Temperaturfühlern, Technikum G Foto: Köhler Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 12

7 Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Erdwärmesonden: Einfache, kleine Anlagen (Heizen): Tabelle/Nomogramm, z. B. VDI 4640 Große Anlagen, Kühlen bzw. Heizen und Kühlen: Einsatz von Auslegungs- und Simulationsprogrammen wie EED, GEOSYS, TRNSYS-Types usw., z. T. vereinfachte, aber erprobte Ansätze (Einzelsonden und Sondenfelder) wenn zusätzlich signifikanter konvektiver Einfluss (Grundwasserströme): Einsatz komplexer hydrogeologisch-thermischer Programme (FE) wie z. B. SHEMAT, FEFLOW, PLAXIS (z. T. noch in FuE) Bei großen Feldern: In-Situ-Test von Probesonden Thermal Response Test (TRT) Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 13 Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Erdwärmesonden: Auslegungstabelle aus VDI 4640, Blatt 2 (Tabelle 2, Auszug): Untergrund Schlechter Untergrund (trockenes Sediment), λ < 1,5 W(mK) Normaler Untergrund, λ = 1,5 3,0 W/(mK) Felsgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit, λ > 3,0 W(mK) spezifische Entzugsleistung 1800 Voll-Betr.-h/a 2400 Voll-Betr.-h/a 25 W/m² 60 W/m² 84 W/m² 20 W/m² 50 W/m² 70 W/m² Nur gültig für ausschließlichen Wärmeentzug und kleine Einzelanlagen Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 14

8 Dynamische Berechnung von Erdwärmesonden(feldern) Ansatz mit g-funktionen q& ϑ = 2πλ Erde g(t/t s, r/h) Quelle: A. Huber, Zürich & D. Pahud, Lausanne, 1999 Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 15 Versuchsergebnisse: Thermal Response Test (TRT) Tm [ C] Temperaturantwort einer Erdwärmesonde am Technikum G auf 8730 W Wärmezufuhr (Doppel- U-Rohr-Sonde, DN 32, 99 m tief) Zeit [s] Tm gemessen Tm berechnet Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 16

9 Versuchsergebnisse: Thermal Response Test (TRT) mittlere Fluidtemperatur in der Sonde [ C] Lineare Regression: y = 1,7693*x + 8,9849 R² = 0,9811 abflachender Verlauf Messwerte ln(versuchsdauer) [ln(s)] Ergebnisse Biberach: (Technikum G) λ 3,5 3,9 W/(mK) (starker Grundwassereinfluss) R b 0,115 mk/w Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 17 Technikum G: Bau des Luft-Erdwärmetauschers Fotos: Köhler Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 18

10 Kapazität und Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen Luft-Erdwärmetauscher L-EWT: Auslegungstabelle aus VDI 4640, Blatt 4 (Tabelle 6): Volumenstrom [m³h] Rohrdurchmesser DN [mm] Mindest-Verlegelängen LR [m] Temp.-Leitfähigkeit 0,4 / 0,9 * 10-6 m²/s Grob-Auslegung für Frostschutz Wärmerückgewinnung (Wohngebäud komplexere Fälle: Modellrechnungen unterschiedlicher Komplexität Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 19 Systemtechnik Geothermie Gebäude & TGA abgestimmte Heiz- und Kühlsysteme im Gebäude erforderlich dies bedeutet: niedrige Temperaturen für Heizen (und möglichst Warmwasser) und hohe Medientemperaturen im Kühlfall und damit: große Heizflächen, Fußbodenheizung, Bauteilaktivierung Flächenkühlung (Kühldecken, Bauteilaktivierung) Auslegung RLT-Zentralgeräte anpassen ggf. getrennte Wassernetze für versch. Temperaturnievaus durchdachtes Regelungs- und Betriebsführungskonzept last but not least: Funktion des Gesamtsystems in der Praxis konsequentes Qualitätsmanagement von Planung bis Betrieb Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 20

11 Kombinierte Heizung und Kühlung mit Bauteilaktivierung und oberflächennaher Geothermie Heizen Thermoaktive Bauteile Kühlen Thermoaktive Bauteile (Rohrschlangen im Bauteil) umschaltbare Wärmepumpe (Rohrschlangen im Bauteil) umschaltbare Wärmepumpe Bodenabsorber oder Erdwärmesonde Bodenabsorber oder Erdwärmesonde Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 21 Beispiel Gewerkeplanung: laminar oder turbulent? Strömungsform und Wärmeübergang in einer Erdwärmesonde (EWS): Ergebnisse verschiedener Thermal Response Tests mit unterschiedlichen Solemassenströmen in der Doppel-U-Rohr-Sonde: Versuch Solemassenstrom Ergebnis λ E Ergebnis R b Auswertezeitraum Strömungsform Nr. 1, 04/ kg/h 56 h 3,4 W/(mK) 0,24 mk/w laminar Nr. 2, 10/ kg/h 35 h 3,3 W/(mK) 0,16 mk/w laminar Nr. 3, 12/ kg/h 107 h 3,9 W/(mK) 0,12 mk/w turbulent Nr. 3, 12/03 dto. 56 h 3,5 W/(mK) 0,11 mk/w turbulent λ E : Wärmeleitfähigkeit Erdreich R b : Bohrlochwiderstand Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 22

12 Beispiel Gewerkeplanung: laminar oder turbulent? Strömungsform und Wärmeübergang in einer Erdwärmesonde (EWS): turbulent: 30 W/m laminar: Re 2350 Re 400 Wärmedurchgang: R b 0,12 mk/w Druckverlust: p Rohr 160 Pa/m ϑ Fluid -Erde R R b 0,24 mk/w p Rohr 15 Pa/m min. mittlere Soletemperatur: ϑ min -1,5 C ϑ min -5 C b q& Auswirkung niedrigerer Soletemperatur auf Effizienz Wärmepumpe? Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 23 Simulation Typgebäude: Sommerliche Raumtemperaturen für unterschiedliche Arten der Raumkühlung 35,00 Temperatur [ C] 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Lastverschiebung: Kühlung nachts Laden der Decke tagsüber Zeit [h] Außentemperatur Bauteilkühlung ohne Kühlung ideale Kühlung auf 25 C tagsüber Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 24

13 Forschungsprojekt GEOSYS Gegenstand: Bauteilaktivierung & oberflächennahe Geothermie: hohes Potenzial (technisch, energetisch, wirtschaftlich) Erstuntersuchungen aufwändig (Simulationen) Projektziel: vereinfachte Auslegung für die Vorplanung (Bürogebäude mit Bauteilaktivierung, Heizung & Kühlung geothermisch) Entwicklung eines einfachen Werkzeuges für die Grobauslegung für konkrete Gebäude Partner: Zent-Frenger GmbH, Heppenheim Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 25 Forschungsprojekt GEOSYS Bausteine des Projektes: Messungen: Modellierung: Versuchsanlage Technikum G Gebäudeklimatik (FH BC) Gebäude, Bauteilaktivierung, Anlagentechnik & Geothermie (Simulationswerkzeuge: TRNSYS, TRNSPILE, EED, EES..) Systemanalyse: Analyse bestehender Gebäude, Modellierung Typgebäude, systematische Simulationen Auslegungswerkzeug: Verdichtung der Systemanalyse, Implementierung in Software-Tool Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 26

14 GEOSYS-Versuchsanlage Hydraulik-Station zur flexiblen Verschaltung der Quellen & Senken Verknüpfung von: - Bauteilaktivierung - Bodenabsorber - Erdwärmesonden - Geothermie-Zentrale - Booster - RLT-Gerät Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 27 Simuliertes Typgebäude Flächenstruktur & Zoneneinteilung: b Simulation in 16 Zonen Unterteilung in: a Zellenbüros Gruppen-Großraumbüros Besprechungsräume Nebennutzräume Verkehrsflächen Funktionsflächen b a = 16 m, b = m, Höhe c = 14,45 m (4 Geschosse) bzw. 7,55 m (2 Geschosse) a Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 28

15 Screenshot der Programmoberfläche von GEOSYS Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 29 Vergleich von EED mit dem entwickelten vereinfachten Rechenverfahren GEOSYS: Fluidtemperatur im Erdsondenfeld [ C] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez EED GEOSYS Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 30

16 Vergleich der Ergebnisse von GEOSYS mit Referenzrechenverfahren: Vergleich TRNSYS - GEOSYS Vergleich EED - GEOSYS kwh QH_Geb QK_Geb QH_RLT QK_RLT Lasten m Sondenlänge TRNSYS GEOSYS EED GEOSYS Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 31 Ökologie Zentraler ökologischer Parameter: Primärenergiebilanz Heizen mit Wärmepumpen: Jahresarbeitszahl β = gelieferte Wärmenergie / aufgewendete el. Energie Primärenergieaufwand für Strom 3* Aufwand für Gas oder Öl tatsächliche Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe samt zusätzlicher, geothermischer Umwälzpumpen (Hilfsenergie) muss > 3 sein Geothermisches Kühlen: freie, direkte geothermische Kühlung grundsätzlich vorteilhaft primärenergetische Vergleichsbetrachtung mit konventionellem Konzept Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 32

17 Kosten Bereiche der Investitionskosten oberflächennaher geothermischer Systeme: System spez. Kosten bezogen auf Baugröße Leistungsbereich spez. Kosten bezogen auf Leistung [ /kw] Grundwasserbrunnen - abhängig vom Untergrund Erdwärmesonde /m Bohrung W/m Bohrung 500 (1500) Energiepfahl /m Pfahl W/ m Pfahl ca. 500 Bodenabsorber unter Gebäude 20 /m² ca. 20 W/m² Luftsystem: L- EWT < /m Länge W/m Länge 800 bis open end Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 33 Wirtschaftlichkeit Keine eindeutigen Ergebnisse, da sehr stark fallabhängig reine geothermische Wärmempumpenheizung: i. d. R. teurer als z. B. Gasheizung Ökologisch und wirtschaftlich optimal: Kombination von Heizung und Kühlung Abgestimmte Gesamtkonzepte unter Einbeziehung der Kühlung: Amortisation der Mehrinvestition innerhalb der Lebensdauer erreichbar (z. B. Gebäude mit Thermischer Bauteilaktivierung & Geothermie) Freie Kühlung (geothermisch und/oder Kühltürme) = wirtschaftlichste Art der regenerativen Kühlung Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 34

18 Geothermie Bewertung: Potenziale & Herausforderungen Kriterium Ökologie Verfügbarkeit Wirtschaftlichkeit Systemtechnik FuE-Bedarf Potenzial hoch bis sehr hoch sehr hoch (Grundlast!) mittel bis hoch bisher nur z. T. genutzt hoch Herausforderung gering bis mittel (Grundwasserschutz) gering bis mittel ( Bohrrisiko ) hoch bis sehr hoch sehr hoch hoch (Systemtechnik, Großanlagen, kommunale und regionale Konzepte, Sanierungen, Wirtschaftlichkeit) Geothermie = Die Unterschätzte unter den regenerativen Energien Gebäudeklimatik Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff, März 05, Seite 35