Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie

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1 Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie Dipl.Ing. Jan Wrobel Institut für Thermofluiddynamik Technische Thermodynamik Dipl.Ing. Xiaolong Ma Institut für Geotechnik und Baubetrieb 1

2 Bauschild zum Projekt Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung oberflächennaher Geothermie 2

3 Standort der Pilotanlage in der HafenCity Hamburg 1 Standort 3

4 Standort der Pilotanlage in der HafenCity Hamburg 2 Konzept Klimaanlagen 4

5 Fernwärme Wärmespeicher Solarkollektoren Wärmepumpe 2 Konzept Klimaanlagen PCSSpeicher Flächenkühlung 5

6 Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Randbedingungen: V = 2000 m³/h (ZL) t AL = 35 C x AL = 14 g/kg t ZL = 20 C x ZL = 8 g/kg Lufttemperatur [ C] Zuluft Wassergehalt [g/kg] Außenluft Abluft Relative Feuchte [%] 6

7 Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen konventionell: Kühlerleistung: 25,3 kw Heizleistung: 5,3 kw Gesamt: 30,6 kw Lufttemperatur [ C] Nacherwärmer Wassergehalt [g/kg] Konventionell Kühler Relative Feuchte [%] 7

8 Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen konventionell: Kühlerleistung: 25,3 kw Heizleistung: 5,3 kw Gesamt: 30,6 kw Sorption: Kühlerleistung: 8,8 kw Heizleistung: 9,6 kw Gesamtleistung: 18,4 kw Lufttemperatur [ C] Kühler Nacherwärmer Wassergehalt [g/kg] Sorption Relative Feuchte [%] 8

9 9

10 Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Erdsonden / Energiepfähle 10

11 Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Erdsonden / Energiepfähle 11

12 Konzept Erdwärmeanlage 3 Konzept Erdwärmeanlage Einbringverfahren: Energiepfähle: Rammen Erdwärmesonden: Bohren 12

13 Energiepfähle 3 Konzept Erdwärmeanlage Wenn Pfähle statisch erforderlich sind, können sie mit geringem Aufwand geothermisch aktiviert werden (Energiepfähle): + Kein zusätzlicher Flächenbedarf + Niedrige Herstellungskosten Die Anordnung ist nicht beliebig 13

14 Randbedingungen für Erdwärmenutzung in der Hafencity 3 Konzept Erdwärmeanlage Untergrundtemperatur: ab 5 Meter Tiefe 911 C Grundwasser keine nennenswerte Grundwasserströmung Untergrundaufbau nicht tragfähige Auffüllung und Schlick/Kleischichten Thermodynamische Bodeneigenschaften abgeschätzt nach Erfahrungswerten 14

15 Geplante Erdwärme und Messanlage 3 Konzept Erdwärmeanlage Erdwärmeanlage: 5 Energiepfähle à 14 m 3 Erdwärmesonden à 100 m 15

16 3 Konzept Erdwärmeanlage Messanlage im Erdreich: 4 Grundwassermessstellen 11 Temperaturmessstellen mit insgesamt 26 Temperaturgeber, bis 29 unter GOK 16 Temperaturgeber in 4 Pfählen 24 Temperaturgeber in 3 Erdwärmesonden 16

17 Schnitt AA: Temperaturmessgeber 3 Konzept Erdwärmeanlage 17

18 Schnitt AA: Temperaturmessgeber 3 Konzept Erdwärmeanlage 18

19 Hydraulikplan 3 Konzept Erdwärmeanlage 19

20 Hydraulikplan und Steuerungssystem 3 Konzept Erdwärmeanlage 20

21 4 Numerische Untersuchungen 3D Simulation eines Energiepfahls Pfahllänge: 15 m Querschnitt des Pfahls: cm Durchmesser der Wärmetauschrohre: 4 cm Wärmetauschmittel: Wasser 21

22 4 Numerische Untersuchungen Berechnete Temperaturverteilung im Untergrund über einen Monat Ohne Grundwasserströmung Mit GWStrömung (Grundwasserfließgeschwindigkeit: V a = 2,5 m/d) 22

23 4 Numerische Untersuchungen Simulation der geplanten Energiepfahlanlage Bodenschichten: 3 1: Auffüllung 2: Hafenschlick 3: Mittelsand Pfahllänge: 18m Modelltiefe: 19 m 23

24 4 Numerische Untersuchungen Berechnetes Temperaturfeld nach einem Monat GWStrömung Abstandgeschwindigkeit des Grundwassers in der Schicht 3: va = 1 m/d 24

25 4 Numerische Untersuchungen Ergebnisse der Simulationen Durchschnittliche Kälteleistung für einen kontinuierlichen Betrieb über einen Monat 40 W/m Pfahl Nach VDI 4640: 2070 W/m Erdwärmesonde, gewählt: 30 W/m Erdwärmesonde Kälteleistung der gesamten Erdwärmeanlage beträgt: 5 Energiepfähle à 18 m: 5 12 m 40 W/m = 2400 W 3 Erdwärmesonden à 75 m: 3 73 m 30 W/m = 6500 W P = 2400 W W = 9900 W 25

26 TUHH Bauphase Pfhalherstellung 5 26

27 TUHH Bauphase 5 27

28 5 Bauphase 28

29 5 Bauphase 29

30 Einrammen der Energiepfähle Auflockerungsbohrung bis 8 unter GOK Abstimmen der Vorgänge mit Nachbarn Rammarbeit begleitende Schwingungsmessungen Beweissicherung 5 Bauphase 30

31 5 Bauphase 31

32 Erste Messergebnisse 0 2 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14, Tiefe unter GOK [m] Bauphase 14 Tem peratur [ C] 32

33 Erste Messergebnisse 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14, Tiefe unter GOK [m] ,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 6 Bauphase Tiefe unter GOK [m] Temperatur [ C] Tiefe unter GOK [m] Temperatur [ C] 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 Temperatur [ C] 33

34 Zeitplan Pfahlrammung 6. KW 2009 Erdwärmesondenbohrung, Messbrunnen 9. KW 2009 Einbringen der Temperaturgeber KW 2009 Horizontale Verbindung, Sauberkeitsschicht 6 Bauphase 12. KW 2009 ab 13. KW 2009 Aufstellung der Technikund Bürocontainer Testphase der Anlage 34

35 Validierung und Ertüchtigung von Simulationsmodellen Validierung der geologischen / thermodynamischen Modellkomponenten Gekoppelte Modellierung des Gesamtsystems (Erdwärmeanlage / Feldsimulation und Klimaanlage / Systemsimulation) 7 Forschungsziele Optimierung von Erdwärmeanlagen Optimierungsziel Energiepfähle/Erdwärmesondenanlage Optimierung von thermischen Eigenschaften des Untergrundes Untersuchungen zu Änderungen im Untergrund Kurz und langfristiger Einfluss der Temperaturänderung auf Methangasbildung Langfristige Änderung der Temperatur des Untergrundes inkl. Grundwasser 35

36 Erarbeitung von Bemessungsverfahren Nutzungsorientierte Bemessungsverfahren für erdberührte Betonbauteile Spitzenleistung / durchschnittliche Leistung Wärmeleistung / Kälteleistung 7 Forschungsziele Überprüfung von Wirtschaftlichkeit Prognose der Effizienz von Erdwärmesonden und Energiepfahlsystemen aus technischen und ökonomischen Gesichtspunkten (auch für größere Gebäude) Überprüfung der Wirtschaftlichkeit der Nutzung oberflächennaher Geothermie (Kühl und Heizbetrieb) 36