Luft-Erdwärmetauscher L-EWT. Planungsleitfaden Teil 2. Testanlagen im Verbundprojekt Version 0.9 Juni AG Klimaforschung

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1 Solar-Institut Jülich..SIJ Testanlagen im Verbundprojekt Version0.9Juni2005 AGKlimaforschung Luft-Erdwärmetauscher L-EWT Planungsleitfaden Teil 2 DeutschesZentrum fürluft-undraumfahrt InstitutfürTechnische Thermodynamik, Solarforschung

2 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Der zweite Teil des Planungsleitfadens für Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) befasst sich vorwiegendmitderauslegungvongroßenl-ewtfürnichtwohngebäude. DerPlanungsleitfaden2bestehtausmehrerenModulen. Das Anwendungsziel der einzelnen Module ist in der Datei LEWT_PLF2_EINLEITUNG_09.pdf detailliertbeschrieben.insgesamtexistierenfolgendemodule: 0 LEWT_PLF2_LIESMICH_09.pdf Übersicht 1 LEWT_PLF2_EINLEITUNG_09.pdf Einleitung 2 LEWT_PLF2_SIMULATION_09.pdf sieheauchhttp:// Numerisches Simulationsprogramm 3 LEWT_PLF2_BENCHMARK_09.pdf Überschlägiges Abschätzverfahren 4 LEWT_PLF2_KENNZAHL_09.pdf Qualitätsbewertung 5 LEWT_PLF2_DATENBLATT_09.pdf 6 LEWT_PLF2_TECHNISCHEDETAILS_09.pdf Standardisierte Datenblätter Planungshinweise, Mathematik und Details 7 LEWT_PLF2_PROJEKTE_09.pdf Testanlagen/Projektberichte 8 LEWT_PLF2_ANHANG_09.pdf Anhang, Tabellen, Einzeldetails Jedes Modul kann unter als PDF-Version einzeln geladen werden. darüber hinaus werden die Module auf der AG-Solar CD-ROM zu finden sein. Der erste Teil des Planungsleitfadens, der die Basisinformationen und Auslegungshinweise für einfache Kleinsysteme bei Wohngebäuden enthält, ist erhältlich über und www2.dlr.de/et/sonnenofen/nesa sowiealsdruckversionvomdlr,köln. HauptautorendiesesModuls: Dr.-Ing.GerdDibowski Projekt DLR DLR gerd.dibowski@dlr.de Dipl.-Ing.KarstenGabrysch Projekt SIJ FHAachen/Solar-InstitutJülich gabrysch@sij.fh-aachen.de Dipl.-Ing.RalphWortmann Projekt Fernuni Hagen Fa.Wortmann&Scheerer,Bochum r.wortmann@wortmann-scheerer.de 1

3 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 INHALTSVERZEICHNIS 1 VersuchsanlageSolar-InstitutJülich ZuordnungderVersuchsanlagen Auditorium(L-EWTimGewerbebau) Anlagenparameter RegelungdesLuft-/Erdwärmetauscher RegelstrategiefürdieBetriebszeiten RegelstrategiefürdieHeizfunktion RegelstrategiefürdieKühlfunktion BewertungderRegelungdesL-EWTAuditorium VermessungdesL-EWTAuditorium SensorenimEWT SensorenimErdreich AuswirkungendesL-EWTaufdieErdreichtemperaturen BilanzierungdesL-EWTAuditorium EnergetischeAuswertung End-undPrimärenergiebezogeneArbeitszahlen L-EWT-Wirkungsgrad ÜberprüfungderAuslegungsdaten BaumängeldesL-EWT Auditorium Studentenwohnheime(L-EWTimWohnungsbau) RegelungderLüftungsanlagenderStudentenwohnheimemitL-EWT RegelstrategiefürWinterbetrieb RegelungfürSommerbetrieb BilanzierungdesL-EWTStudentenwohnheim EnergetischeAuswertung End-undPrimärenergiebezogeneArbeitszahlen ÜberprüfungderAuslegungsdaten BaumängeldesL-EWTStudentenwohnheime Zusammenfassung Literaturverzeichnis VersuchsanlageDLRKöln AufbauderL-EWT-VersuchsanlageKöln MesstechnischesGesamtkonzept AufbauderWetterstation KonfigurationundMessaufbauderL-EWT-Versuchsanlage ErgebnissederBodenuntersuchungen BodenmechanischeKennwerte SchematischerAufbauundSensorpositionendesL-EWT WeiteremesstechnischeDetails BeschreibungdesDatenloggersystems KalibrierungderMesswertgeber KalibrierungderAlbedo-Messung ZweitesBodengutachten DiespezielleApproximationsmethodeSAM AngabenzurWetterstation PlausibilitätsprüfungenderSignale Ventilatordaten WeitereBaubilder KonstruktiveRandbedingungen MessergebnissederL-EWT-Testanlage TemperaturverläufedesErdreichs SchwankungsbreitenderErdtemperaturen BeispielefürgrundsätzlichesSystemverhalten TheoretischesLeistungspotentialinnerhalbderHeizperiode AnfangundEndederKühlphase VergleichRegisterzuEinzelrohr ErgebnisselufthygienischerMessungenundAspektederBewertung DefinitionderBelastungsarten ErgebnissederlufthygienischenUntersuchungderVersuchsanlage Empfehlungen Aussenluftansaugung Rohre Filter Zusammenfassung Literatur VersuchsanlageFernuniversitätHagen

4 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Einleitung EintypischesMerkmaleinesL-EWTistdieNotwendigkeitderAnpassungandiegegebenenbau- undlüftungstechnischenrandbedingungeneinesprojektes,ausdemfolgt,dasssichdiebisher gebautenl-ewtimvergleichuntereinanderdeutlichunterscheiden. EineeinfacheStandardisierungdesPlanungsverfahrensbeigroßenL-EWTerscheintausheutiger Sichtnicht,odernursehreingeschränktmöglich.DieeigentlichePlanungsleistungliegtinder AnpassungundOptimierungandieindividuellenGegebenheitenamBauort. DieimL-EWT-VerbundprojektzuentwickelndenPlanungswerkzeuge(Planungsleitfaden)sollten diesemumstandrechnungtragen. Daher wurden drei grundsätzlich verschiedene L-EWT gebaut und vermessen, um die wesentlichenexistierendenunterschiedeherausarbeitenzukönnen.einl-ewtkanndabeiaus einemlangeneinzelrohrmitgroßemdurchmesser(jülichundhagen)oderauchausmehreren Registerrohren mit kleinem Durchmesser (Köln) bestehen, wobei sich daraus eine erhebliche Variationsvielfaltergebenkann. Des weiteren wurden in Jülich zwei Häuser der Studentenwohnungen mit einer zentralen Zu- undabluftanlagemitwärmerückgewinnung(wrg),nachheizregisterundl-ewtausgestattet, dieursprünglichnichtzumverbundprojektgehörtenaberderenergebnissehiermitdargestellt werden. BesondersdasdritteSystemdesL-EWT-Verbundprojektes,derBibliotheks-Erweiterungsbauder Fernuniversität Hagen, gibt ein Beispiel für die Notwendigkeit einer individuellen AnlagenplanungaufgrunddervorgefundenenSituation. Alle Systeme wurden über mehrere Jahre aufwändig vermessen und lieferten grundlegende InformationenzurPlanung,Berechnung,SimulationundkonstruktivenUmsetzungvonL-EWT. Wesentliche Ergebnisse über das thermische Verhalten von L-EWT und den bautechnischen Erfahrungen, sowie Ergebnisse der lufthygienischen Messungen von Umweltlabors sind nachfolgend(auszugsweise)dargestellt. Hier sind das prinzipielle Leistungs- und Ertragsverhalten in Abhängigkeit von der Jahreszeit (Verhalten zu Beginn und Ende einer Heiz- oderkühlperiode), das"ermüdungsverhalten", die Variabilität als Funktion der Verlegetiefe und Bodenstoffwerte sowie der Betriebscharakteristik vongrundsätzlicheminteresse. KonstruktiveVerbesserungshinweise,abgeleitetauseigenenErfahrungenmitSchadensbildern, rundendiesezusammenfassendedokumentationab. 3

5 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 1 Versuchsanlage Solar-Institut Jülich 1.1 Zuordnung der Versuchsanlagen Für die Untersuchung von L-EWT Anlagen wurden im Rahmen der Neubauten der Studentenwohnungen sowie dem Erweiterungsbau der Fachhochschule Aachen zwei L-EWT für unterschiedlicheanwendungsbereicheaufdemsolar-campusjülich(bild1.1)realisiert: L-EWTimGewerbebau Die Auslegung von L-EWT für Gewerbegebäude erfolgt für den Kühlfall. Die internen Lasten durch die hohe Belegungsdichte von max. 200 Personen pro Seminarraum und die Anforderung,einenkonstantenLuftwechselauchanheißenTagenzugewährleisten,könnenzu einerüberhitzungderbeidenseminarräumedesauditoriumführen.daherwardieinstallation eines Systems zur Gebäudekühlung unumgänglich. Alternativ zu einem konventionellen Kältegerätwurde ein L-EWT zur Kühlung der Frischluft installiert. Ein 138m langes Betonrohr von1mdurchmesserwurdeinca.2mtiefeverlegt(bild1.2).derimansaugschachtinstallierte Ventilator fördert die angesaugte Frischluft mit leichtem Überdruck durch das Erdrohr (max. Druckverlust 300 Pa bei V & =12000 m³/h). Nach dem Eintritt in das Gebäude wird der Luftstrom auf die zwei zentralen Lüftungsanlagen der Seminarräume verteilt. Mit Hilfe eines T- max Stückes in der Rohrleitung sowie eingebauten Steuerklappen kann wahlweise die Außenluft direktoderüberdenl-ewtangesaugtwerden. L-EWTimWohnungsbau BeidiesemAnwendungsfallerfolgtdieAuslegungfürdenHeizfall.Dasbedeutet,dassimWinter durch Vorwärmung der Außenluft der Bedarf an Heizenergie und somit auch die Heizkosten gesenkt werden sollen. Dazu wurden zwei baugleiche L-EWT aus je einem 40 m langen Kunststoffrohr von 0,25 m Durchmesser, unter der Bodenplatte in 2 m Tiefe verlegt (keine Unterkellerung). Sie temperieren die Frischluft für je ein Reihenhaus der Zeile 2 der Studentenwohnheime. Die Auslegung erfolgte für einen maximalen Volumenstrom von 360 m3/h.dieansaugungderfrischlufterfolgtdurcheinengemeinsamenansaugstutzennachdem DurchströmendesErdrohreswirdderLuftstromderLüftungsanlagezugeführt.MitHilfeeinesT- Stückes in der Rohrleitung sowie eingebauten Steuerklappen kann wahlweise die Außenluft direktoderüberdenl-ewtangesaugtwerden.dernotwendigeunterdruckwirddurcheinen VentilatorderjeweiligenzentralenLüftungsanlageerzeugt. 4

6 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Bild1.1LageskizzeSolar-CampusmitL-EWT 1.2 Auditorium (L-EWT im Gewerbebau) DieinternenLastendurchdiehoheBelegungsdichtevonmax.200PersonenproSeminarraum und die Anforderung, einen konstanten Luftwechsel auch an heißen Tagen zu gewährleisten, könnenzueinerüberhitzungderbeidenseminarräumedesauditoriumführen.daherwardie InstallationeinesSystemszurGebäudekühlungunumgänglich. Alternativ zu einem konventionellen Kältegerät wurde ein L-EWT zur Kühlung der Frischluft konzipiert. Die Außenluft sollte wahlweise direkt oder über den L-EWT angesaugt werden können(bild1.3).nachdemeintrittindasgebäudesollderluftstromaufdiezweizentralen Lüftungsanlagen der Seminarräume verteilt werden können. Um die nach DIN vorgegebenen Extremwerte einzuhalten (bei 32 C Außenlufttemperatur darf die Raumtemperatur26 Cnichtüberschreiten),erfolgtedieDimensionierungfürdieseExtremwerteundvoller BelegungbeiderHörsäle(je200Personen)[KRELL1996].Zudemwargefordert,dassderdemL- EWT nachgeschaltete Luft/Wasser-Wärmetauscher für die Wärmerückgewinnung im Winter auchbeiextremtemperaturenfrostfreigehaltenwird. AufdemSolar-CampussollteeinEinzelrohr-Systemaufgebautwerden,umimRahmendesvon der AG Solar NRW geförderten Verbundprojekts Erdwärmetauscher angesichts des Rohrregister-Systems am DLR in Köln eine möglichst große Vielfalt verschiedener Systeme zu untersuchen. 5

7 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Bild 1.2 Luft-ErdwärmetauscherAuditoriumimBau Bild 1.3 AnsaugturmdesLuft-ErdwärmetauschersAuditorium 6

8 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Tabelle 1.1MitdynamischenAnsatzberechneteVarianten Variante Rohre Temperaturen Leistung Anzahl Länge Durchmesser Rohreintritt Rohraustritt 7 Ventilator Pel therm. Qth 1.3 Anlagenparameter AufgrunddesZeitplansfürdasBauvorhabenmusstedieAuslegungundPlanungfürdieL-EWT amsolar-campusvorderentwicklungundimplementierungeinesnumerischen,dynamischenl- EWT-Mehrknotenmodellserfolgen.AlleBerechnungenundPlanungsschritteerfolgteninenger AbsprachemitdemStaatlichenBauamtDüren,dasfürdengroßenL-EWTAuditoriumzuständig ist,sowiedemingenieurbüroinco,aachen,dassichfürdenbauunddieplanungdesl-ewt derstudentenwohnungenverantwortlichzeigt. LiteraturrecherchensowieeineUntersuchungbereitsrealisierterL-EWT-Anlagenzeigte,dassdas bislangbeiallenprojektenverwendetemodellvonalbers[albers1991]diedynamikdesl-ewt nichtausreichendbeschreibt,daesnurdieberechnungdesstationärenbetriebsermöglichtund die latente Kühlung unterbewertet. Da die Lüftungsanlagen sowohl im Sommer- als auch im Winter nur für wenige Stunden mit dem maximalen Frischluftvolumenstrom von m 3 /h versorgtwerden,wurdeeinersterversucheinesdynamischenmodellsinms-excelumgesetzt, um einen instationären Kurzzeitbetrieb berechnen zu können. Zwar bietet dieses Modell auch keine als wirklich dynamisch zu bezeichnende Berechnungsweise, bildet aber einen KurzzeitbetriebwesentlichgenauerabalsdasursprünglicheAlbers-Modell. InTabelle1.1sinddieberechnetenVariantendargestellt,dieindienähereAuswahlgenommen wurden. Aus Kostengründen (Erdaushub, Rohrmaterial, Sammel- und Verteilerrohre u.s.w.) wurdendieanlagenmit2parallelenrohren,hierdurchvariantei&iibezeichnet,verworfen. Die geringfügigen Unterschiede der Temperaturdifferenzen und den thermischen Leistungen zwischen den Varianten III und IV liegen im Bereich der Rechengenauigkeit. Die Entscheidung fiel auf Variante IV, da sie bei geringfügig höheren Baukosten aufgrund des größeren Rohrdurchmessersnur1/3derVentilatorleistungbenötigt. Nutzenergiebezogene Leistungszahl LZth (LZth = Qth / Pel) m m C C kw kw I 0, ,1 0,9 59,2 66 II 0, ,1 0,68 51,3 75 III 0, ,5 3,6 49,4 14 IV 1, ,8 1,2 48,3 40 AufgrundderimHandelerhältlichenStücklängenfürDN1000Rohremit2,5mergabsicheine GesamtrohrlängederBetonrohreinklusivederRevisionsschächtevon134m.FürdieFortsetzung deserdrohresindenkellerderlüftungszentraledesauditoriumwurdewährendderbauphase einwanddurchbruchfüreindn800rohrzurnachträglichenrohranbindungvorgesehen.der Übergang auf den kleineren Rohrdurchmesser des Wanddurchbruches erfolgt im letzten Revisionsschacht.InihmmündetdasDN1000Rohr.

9 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 FürdieWeiterführungbiszumGebäudeverlängertesichdasErdrohrdurchdieStücklängendes DN800Rohrmit4mzueinerLängevon138m.DieDatendergebautenAnlagesindinTabelle 1.2zusammengefasst. InihrsindauchdiemitdemnachdemstatischenModellvonAlbers[ALBERS1991]undderam SIJ entwickelten dynamischen Erweiterung für den Kurzzeitbetrieb ermittelten Leistungen und Leistungszahleneingetragen. Tabelle 1.2TechnischeDatendesL-EWTamAuditorium Typ Material Verlegetiefe (Rohrmittelpunkt) Länge Durchmesser max. Durchsatz L-EWT Auditorium Einrohr-Erdreichwärmetauscher Faserzement (Kanalrohr) 2 m (unter freiem Gelände) 138 m 1 m m³/h Leistung im Kühlbetrieb instationär 1) ca. 50 kw Leistungszahl 25 stationär 2) ca. 10 kw Leistungszahl 5 Leistung im Heizbetrieb instationär 1) ca. 55 kw Leistungszahl 27,5 max. Antriebsleistung max. Druckverlust stationär 2) ca. 9,5 kw Leistungszahl 5 1)miterweitertenAlbersmodell(dynamischerKurzeitbetrieb)berechnet 2) reinstatischeberechnungnachalbers 2 kw (über Schubventilator) 300 Pa 1.4 Regelung des Luft-/Erdwärmetauscher Die Ansaugung der Außenluft kann wahlweise direkt oder über den L-EWT erfolgen. Die UmschaltungzwischendenbeidenAnsaugmöglichkeitenfürdieAußenluftgeschiehtüberzwei regelbaresteuerklappen.zurunterstützungdeszusätzlichendruckverlustesbeizugeschaltetem L-EWTstehteinSchubventilatorimAnsaugschachtdesL-EWTzurVerfügung.DieRegelungdes stufenlosregelbaren Schubventilators erfolgt über je einen Drucksensor in den Zuluftsträngen der Lüftungsanlagen (siehe Bild 1.4). Liegt der Unterdruck an einer der beiden Druckmesspunkte unter 30 Pa(Druckdifferenz Zuluftstrang-Atmosphäre), wird der Schubventilator, falls derl-ewtinbetriebist,hochgefahren.istderwertdesunterdruckkleiner30paverringertsich dessen Drehzahl wieder. Die Beheizung der Seminarräume erfolgt ausschließlich über die Lüftungsanlage.UmdenEnergieverlustzuminimierenunddieHeizfunktionmiteinemMinimum an Frischluft zu gewährleisten, besteht zwischen Abluft- und Zuluftstrang ein Bypass. Über diesen kann bis zu 60% der warmen Abluft ohne Wärmeverlust wieder direkt dem Seminarraumzugeführtwerden. 8

10 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Bild 1.4SchemaderLüftungsanlageimAuditorium DiestufenloseRegelungdesBypassvolumenstromserfolgtüberdreiSteuerklappen(Bild1.4),als Regelgröße dient die CO2-Konzentration in den Seminarräumen. Zur weiteren Wärmerückgewinnung (WRG) der nicht über den Bypass geleiteten Abluft wurden im Abluft und im Zuluftstrang ein Luft-Wasser Wärmetauscher (WT) installiert und mit einem geschlossenen Wasserkreislauf verbunden. Zur Vorwärmung der Zuluft wird die Wärme von der Abluft über den WT an den Wasserkreislauf übertragen. Mit Hilfe einer geregelten Pumpe zirkuliert das erwärmte Wasser zum WT im Zuluftstrang und erwärmt, über einen weiteren WT, die einströmende Zuluft. Reichen Bypass und WRG nicht aus um den Frischluftstrom auf die erforderliche Temperatur zu bringen, kann zusätzliche Wärme über das Nachheizregister zugeführtwerden.dienachheizungerfolgtübereinenandasnahwärmenetzdessolar-campus angeschlossenen Luft-Wasser WT (das Nahwärmenetz des Solar-Campus beheizt das Auditorium,dasGebäudeNaturwissenschaftenunddieReihenhäuserderStudentenwohnungen mitwärme). Um die gewünschten Raumtemperaturen (21 C<Traum<26 C ) zu erreichen kann die FrischluftjenachBedarfmiteinerTemperaturimBereichvon18 C(kühlen)und40 C(heizen) den Seminarräumen zugeführt werden. Der Regelung stehen für die Temperierung der SeminarräumefolgendeTemperatursensoren(Bild1.4)zurVerfügung: ErfassungderAußenluft(T außen ),andernordseitedesgebäudes. AustrittdesL-EWTErdrohres(T aus ). EndedesZuluftstrangs(T frisch ),kurzvoreintrittindenseminarraum. BeginndesAbluftstrangs(T Abluft ),kurznachdemaustrittausdemseminarraum. Seminarraum:ErfassungderRaumlufttemperatur(T Raum ). 9

11 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Um die Raumluftqualitätzu gewährleisten erfasst die Regelung die CO2-Konzentration in den Seminarräumen. Der Grenzwert wurde auf eine CO2-Konzentration<750ppm festgelegt um den Grenzwert nach DIN (CO2-Konzentration<1000ppm) auch bei Umluftbetrieb (BypassAbluft-Zuluftstrang)nichtzuüberschreiten.DieRegelgrößenundihreSollwertefürdie RegelungsindinTabelle1.3zusammengefasst Regelstrategie für die Betriebszeiten DieRegelungfürdieLüftungsanlagewurdeseitderInbetriebnahmezweimalgeändert.Dieerste ÄnderungerfolgteAnfangDezember2000,diezweiteimAugust2001. Diese erste Änderung wurde erforderlich, weil der L-EWT in Ermangelung eines Abschaltkriteriums außerhalb der vorgesehenen Außenlufttemperaturen betrieben wurde. Hatte die Regelung den L-EWT z.b. im Sommer eingeschaltet und sank die Außentemperatur unter das Einschaltkriteriumvon18 C,liefdieAnlageauchbeideutlicherUnterschreitungdieserTemperaturweiter.AnalogeswarauchimWinterbetriebzubeobachten.DieserMangelwurdedurch dieimplementationeines T-Kriteriumsbehoben.DasT-KriteriumüberprüftobdieTemperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Außenluft und der Temperatur am Rohraustritt größer alsvierkelvinist.istdiesebedingungnichterfüllt,wirdderl-ewtabgeschaltet. In der zweiten Änderung der Regelstrategie wurden die Laufzeiten der Lüftungsanlagen reduziert, indem der bereits in den Seminarräumen vorhandene CO2 Sensor besser in die Regelungintegriertwurde.DurchdieDefinitionneuerEin-undAusschaltbedingungenwerden dielüftungsanlagenjetztnurnochbetrieben,wenndieco2-konzentrationunddietemperatur indenseminarräumen,währendihrernutzungszeiten(indervorlesungszeit2000:mo.6:00 16:00;Di.&Mi.6:30 16:00;Do.&Fr.6:30 15:00),außerhalbderGrenzwerteliegen(vorher konstanter Betrieb der Lüftungsanlage auf Stufe 1 während der Nutzungszeit der Seminarräume).DurchzusätzlicheÄnderungderEinschaltprioritätenzugunstendesL-EWTwird dieser,fallsdiebetriebsbedingungenerfülltsind,nunöftersinbetriebgenommen. ImfolgendenwirddieaktuelleRegelstrategienachderÄnderungimAugust2001beschrieben. Die Lüftungsanlagen werden nur innerhalb vorgegebener Zeitfenster (Lüftungsbedarf nach Vorlesungsplan)betrieben.AußerhalbdieserZeitfenstererfolgenkeineMaßnahmenzurKonditionierungderRaumluft.ZuBeginneinesZeitfenstersfährtdieLüftungsanlagehochundläuft für30minuten.sindnachdieserperiodedieregelgrößenraumtemperaturundco2-konzentrationinnerhalbihrersollwerte(siehetabelle1.3),schaltetsichdielüftungsanlageab.sinddie Raumkonditionen nicht erfüllt, läuft die Lüftungsanlage weiter, bis die Regelgrößen ihre Sollwerte erreicht haben. Hat sich die Lüftungsanlage durch Erreichen der Sollwerte abgeschaltet,gehtsieerstwiederinbetrieb,fallsmindestenseinederregelgrößenihrengrenzwert über-bzw.unterschreitetundentsprechenddemzeitfensterslüftungsbedarfbesteht. Liegt die Außenlufttemperatur beim Einschalten der Lüftungsanlage im Betriebsbereich des L- EWTwirddieAußenluftüberdasErdrohrangesaugt.IstdasT-Kriterium(sieheTabelle1.3)am Endeder30MinutenPeriodenichterfülltunddieLüftungsanlageweiterhininBetrieb,wirddie LuftdirektausderUmweltanstattdurchdasErdrohrangesaugt. 10

12 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Der L-EWT bleibt dann solange außer Betrieb, bis die Lüftungsanlage nach einem Stillstand erneutanläuft,auchwenndieaußenlufttemperaturimbetriebsbereichliegt. IstderL-EWTbereitsinBetriebunddieAußenlufttemperaturverlässtdenBetriebsbereich,wird derl-ewtsolangeweiterbetriebenwiedas T-Kriteriumerfülltist. Um den Einfluss kurzzeitiger Schwankungen der Außenlufttemperatur auf die Regelung zu verhindern,wurdeeinehysteresevoneinemkelvinindieregelungimplementiert. Tabelle 1.3RegelgrößenundSollwertefürdieRegelungderLüftungsanlageAuditoriumunddesL-EWT Regelgrößen Sollwerte Seminarräume TemperaturimSeminarraum CO2-KonzentrationimSeminarraum 21 C<TRaum<26 C <750ppm Lüftungsanlagen Auditorium TemperaturZuluft AbweichungderSollwertefürdieZuluft (Hysterese) 18 C<Tzu<40 C ±1K L-EWT Sommer Winter TemperaturAußenluft(Betriebsbereich) >18 C <4 C ToleranzfürdieAußenlufttemperatur (Hysterese) Mindesttemperaturdifferenzzwischen AußenlufttemperaturundTemperaturamEnde deserdrohrs(t-kriterium) -1K -4K +1K +4K Regelstrategie für die Heizfunktion Die Lüftungsanlage übernimmt die gesamte Beheizung der Seminarräume. Eine zusätzliche Raumheizungwurdenichtinstalliert.DieBeschreibungderRegelstrategiefürdenHeizfallerfolgt unterderannahme,dassdielüftungsanlageinbetriebist. Die Temperierung der Seminarräume im Winter erfolgt durch eine Kombination verschiedener Maßnahmen.AufgeführtnachihrerPrioritätsinddies(sieheBild1.4): DieLuftvorwärmung(L-EWT) DerUmluftbetriebdurcheinenBypasszwischenAbluftundZuluftstrang DieWärmerückgewinnung(WRG) DasNachheizregister 11

13 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 DerL-EWTwird,unabhängigvonderübrigenRegelungderLüftungsanlage,betrieben,fallsdie Außenlufttemperaturenunter4 C(EinschaltbedingungL-EWT)liegenunddasT-Kriterium(Ausschaltkriterium) erfüllt ist. Ansonsten stehen die Steuerklappen auf direkter Außenluftansaugung. Tabelle 1.4ÜbersichtderAnlagenkomponentenundihrePrioritätenindieRegelstrategiewährenddes HeizbetriebsderLüftungsanlagendesAuditoriums Anlage in Betrieb: Durch Zeitfenster vorgegebene Lüftungsbedarf; C02-Wert oder Raumtemperatur außerhalb der Sollwerte Priorität Anlagenkomponente Stellglied Bedingungen 1a L-EWT Steuerklappen Außenlufttemperatur<4 Cund T-Kriterium>4K 1b Umluftbetriebdurch Bypass Steuerklappen 2 WRG Pumpe Wasserkreislauf 3 Heizregister PumpeWarmwasserkreislauf 12 Heizbetrieb,max.60% VolumenstromsolangeCO2-Wertim Seminarraum<750ppm T frisch <T soll =f(t außen,traum) WRGinBetriebundT frisch <T soll Um den Energieeinsatz im Winter und in der Übergangszeit möglichst gering zu halten, hat, voml-ewtabgesehen,derumluftbetriebfürdiewärmerückgewinnungoberstepriorität(siehe Tabelle1.4).SolangederCO2-WertindenSeminarräumenunterhalbdesSollwertes(750ppm) bleibt,wirdbiszu60%derabluftdesseminarraumesderzuluftüberdenbypasszugeführt. Reicht das nicht aus um den Seminarraum zu erwärmen, wird über den Luft-Wasser Wärmetauscher (WT) der Abluft, weitere Wärme entzogen, an den geschlossenen Wasserkreislauf abgegeben und über den zuluftseitigen Luft-Wasser WT der einströmenden Außenluft zugeführt.reichtdiesozurückgewonnenewärme(umluft&wrg)nochnichtaus,wirddiezuluft über das dem WT nachgeschaltete Nachheizregister auf die gewünschte Temperatur angehoben Regelstrategie für die Kühlfunktion FürdieKühlungderbeidenSeminarräumeimSommerwurdeaufeinKälteaggregatverzichtet. DieKühlfunktionübernimmtausschließlichtderL-EWT. Besteht in einem der beiden Seminarräume Kühlbedarf bzw. beträgt die Außenlufttemperatur über18 C,wirddiedirekteAußenluftansaugungderLüftungsanlagemittelsderSteuerklappen aufl-ewt-betriebumgestellt.

14 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 BeträgtdieTemperaturdifferenzzwischenderAußenluftundderausdemErdrohrströmenden LuftnacheinemZeitintervallvon30Minutenmindestes-4K,bleibtderL-EWTaktiviertbisdas T-Kriteriumnichtmehrerfülltist.WurdedasT-KriteriumamEndeder30Minutennichteingehalten,wirddieAußenluftwiederdirektangesaugt. Dieses Konzept hat im Frühjahr bei kurzen Hitzeperioden und noch kühlem Erdreich eine Schwachstelle. BeträgtzumBeispieldieAußenlufttemperatur20 CunddieTemperaturamEndedesErdrohres 15 C,istsowohldasEinschalt-alsauchdas T-Kriteriumerfüllt.DerTemperatursensorinder ZuluftkurzvordemEintrittindenHörsaalwürdedann,dadieEintrittstemperaturunterdem Mindestwertvon 18 C liegt, den Umluftbetriebaktivieren. Falls dieser diefrischlufttemperatur nichtüberdensollwertanhebenkann,würdewieimwinterbetriebdiewrgundimextremfall sogardasnachheizregistereingeschaltetwerden,wasenergetischnichtsinnvollist. DemgeradebeschriebenenSzenariostehtjedochderEffektentgegen,dassdurchAktivierung des Umluftbetriebes der Volumenstrom für die Außenluft, durch die Koppelung der Steuerklappen des Zu- und Abluftstranges mit der Steuerklappe im Bypass (siehe Bild 1.4), deutlich reduziert wird. Durch den niedrigeren Zuluftvolumenstrom sinkt zwar die Austrittstemperatur des L-EWT geringfügig, sie wird jedoch dafür mit dem warmen Volumenstrom des Bypass vermischt, was die Frischlufttemperatur erhöht. Nach Zuschaltung der WRG würde sich die Frischluft weiter erwärmen, so dass nur an sehr wenigen Betriebstunden im Jahr die Gefahr bestehtdassinderbeschriebenenkonstellationenergievomnachheizregisterangefordertwird. Eine Überprüfung ob und wie oft dieser Zustand mit der neuen, im August 2001 implementierten Regelung tatsächlich eintreten wird kann erst in der Kühlperiode 2002 festgestellt werden. Da die Ventilatoren vor August 2001 innerhalb des Zeitfensters mindestens auf Stufe 1 betrieben wurden, kam es zu Anforderungen an das Nachheizregister während der L-EWT kühlte. Damit nicht Kühlung und Nachheizung parallel betrieben wurden, wurde im Sommer 2000 und im Sommer 2001 der Warmluftstrang des Nachheizregisters über ein Absperrventil manuellgeschlossen Bewertung der Regelung des L-EWT Auditorium Anhand der L-EWT-Betriebszeiten soll überprüft werden, ob die Regelung den L-EWT sinnvoll einsetzt.derl-ewtkannüberdieregelungnurdannbetriebenwerden,wennmindestenseine der Lüftungsanlagen in Betrieb ist. Um eine Aussage über die richtige Nutzung des L-EWT in diesem Zeitraum zu bekommen(in dem mindestens eine der Lüftungsanlagen in Betrieb war) wurde die rechnerisch maximal möglichen L-EWT Betriebszeit ermittelt und mit den realen Laufzeitenverglichen.FürdenL-EWTwurdenalsmaximaleBetriebszeitdieZeitenaufsummiert, in denen Betriebsbedingungen für den L-EWT (Winter: T außen <4 C; Sommer: T außen >18 C) erfülltwaren.dieermitteltenwertesindfürdieheizperioden99/00und00/01inbild1.5und fürdiekühlperioden2000und2001inbild1.6aufgetragen.diemonate,indenendiel-ewt RegelungzeitweisedeaktiviertundzuForschungszweckenmittelsHandbetriebgefahrenwurde, sindmitdemkürzelhb(=handbetrieb)gekennzeichnet. 13

15 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Vergleich der max. möglichen mit der realen Betriebszeit des L-EWT für zwei Heizperioden während der Laufzeit mind. einer Lüftungsanlage Tatsächliche Betriebszeit L-EWT Rechnerische Betriebszeit L-EWT Lüftung SR 1 und /oder SR 2 an Heizfunktion 99 / 00 Heizfunktion 00 / 01 Betriebszeiten [h] HB kein Betrieb Dez. 99 Jan. 00 Feb. 00 Mrz. 00 Okt. 00 Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb.01 Mrz. 01 kein Betrieb T-Kriterien implementiert kein Betrieb 146 Bild 1.5 Vergleichdermax.möglichenmitderrealenBetriebszeitdesL-EWTfürdieHeizperioden99/00 und00/01(mindestenseinelüftungsanlageinbetrieb;t außen <4 CoderT außen >18 C). Vergleich der max. möglichen mit der realen Betriebszeit des L-EWT für zwei Kühlperioden während der Laufzeit mind. einer Lüftungsanlage Tatsächliche Betriebszeit L-EWT Rechnerische Betriebszeit L-EWT Lüftung SR 1 und /oder SR 2 an 590 Kühlfunktion 2000 Kühlfunktion 2001 Betriebszeiten [h] HB 290 HB Regelung mit T-Kriterien Apr. 00 Mai 00 Jun. 00 Jul. 00 Aug. 00 Sep. 00 Apr. 01 Mai 01 Jun. 01 Jul. 01 Aug. 01 kein Betrieb HB 102 HB Bild 1.6 Vergleichdermax.möglichenmitderrealenBetriebszeitdesL-EWTfürdieKühlperioden2000 und2001(mindestenseinelüftungsanlageinbetrieb;t außen <4 CoderT außen >18 C). 14

16 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Es ist zu erkennen, dass die realen Betriebszeiten in den Sommermonaten, vor der Implementierung der neuen L-EWT Regelung im Dezember 2000, länger waren als es theoretisch sinnvoll gewesen wäre.die zu kurzen Laufzeiten des L-EWT nach Implementierung der neuen Regelstrategie sind, außer auf das T-Kriterium, das nur energetisch sinnvolle Betriebszustände zulässt, auf einen Messfehler des Außenlufttemperatursensors der Lüftungsanlage zurückzuführen. Beim Vergleich der Messwerte des Außenlufttemperatursensors der Lüftungsanlage mitdenmesswertendestemperatursensorsamwettermastsowiedemtemperatursensorsam Rohranfang des L-EWT (während der L-EWT Laufzeit) ergab, dass der AußenlufttemperatursensorderLüftungsanlageeineumca.3KhöhereTemperaturmisst.DieshattezurFolge, dass der L-EWT im Winter erst bei Temperaturen unter 1 C anstelle der in der Regelung vorgegebenen4 CinBetriebging(Bild1.7undBild1.8). Im Sommer wurde der L-EWT durch den Messfehler des Temperatursensors bereits bei 15 C anstattbeidergewünschtentemperaturvon18 Ceingeschaltet,durchdas T-Kriterium(T außen - T EWT,Ende > 4K ) wurde dieser Fehler jedoch nach kurzer Laufzeit abgefangen. Die ursprüngliche Regelung (bis Dez. 2000), in der das T-Kriterium nicht vorgesehen war, ließ den L-EWT weiterlaufen,wassichindenzulangenbetriebszeitenindensommermonaten(siehebild1.6) wiederspiegelt. BerücksichtigtmandieseAbweichungdesAußenluftsensors,funktioniertdieneueRegelungin der vorgesehenen Weise. In Bild 1.7 und Bild 1.8 sind, für die Zeiträume in denen die Außenlufttemperaturen im Winter 2001 im Betriebsbereich (<4 C) lagen, die Luftgeschwindigkeiten im L-EWT und in der Lüftungsanlage(=Laufzeit der Anlagen), die Temperaturen am Erdrohraustritt und der Zuluft zwischen WT und Nachheizregister sowie die Raum- und Außenlufttemperatur aufgetragen. Die vorgesehene Einschalttemperatur des L-EWT ist durch einerotelinie,dievonderregelungdurchdieabweichungdessensorsbedingtedurcheine grüneliniedargestellt.diebeidendiagrammesindfürdenseminarraum1erstelltworden.ist wiez.b.am (siehebild1.8)nurderl-ewtinbetrieb,wurdeervonderlüftungsanlagedesseminarraumes2eingeschaltet. Der Messfehler des Außenlufttemperatursensors der Lüftungsanlage wurde mit der zweiten Verbesserung der Regelstrategie Anfang August 2001 durch einen Korrekturfaktor (Offset) behoben. Dass der L-EWT im Kühlbetrieb nun bei der gewünschten Außentemperatur eingeschaltetwird,erkenntmaninbild1.7deutlich. InBild1.7sindu.a.dieGeschwindigkeiten(=Betriebszeiten)derLüftungsanlage(grün)unddes L-EWT (türkis) sowie der Verlauf der Außenlufttemperatur (violett) aufgetragen. Am zweiten BetriebstagschaltetsichdieLüftungsanlageum5:00Uhrein,alsdieAußenlufttemperaturnoch unterhalbdereinschaltschwellevon18 Cliegt.Um7:00UhrerreichtsiedenEinschaltwertfür denl-ewtvon18 CunddiesergehtinBetrieb. 15

17 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Überprüfung der Regelung für den L-EWT Auditorium - Seminarraum 1 - ( ) Temperaturen [ C] T_raum T_außen T_frisch T_EWT_Aus Geschw. Lüftung Geschw.L-EWT von Regelung interpretierte Einschalttemperatur vorgegebene L-EWT Einschalttemperatur 10. Jan. 11. Jan. 12. Jan. 13. Jan. 14. Jan. 15. Jan. Zeit [d] Luftgeschwindigkeit [m/s] Temperatur [ C] Bild 1.7 ÜberprüfungderRegelungdesL-EWTAuditoriumundderLüftungsanlage desseminarraumes1(stundenmittelwerte) Überprüfung der Regelung für den L-EWT Auditorium - Seminarraum 1 - ( ) T_raum T_außen T_frisch T_EWT_Aus Geschw. Lüftung Geschw.L-EWT von Regelung interpretierte Einschalttemperatur vorgegebene L-EWT Einschalttemperatur 25. Jan. 26. Jan. 27. Jan. 28. Jan. 29. Jan. 30. Jan. Zeit [d] Bild 1.8 ÜberprüfungderRegelungdesL-EWTAuditoriumundderLüftungsanlage desseminarraumes1(stundenmittelwerte) Luftgeschwindigkeit [m/s] 16

18 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 1.5 Vermessung des L-EWT Auditorium Der Luft-Erdwärmetauscher des Auditoriums wurde im Rahmen des L-EWT Verbundprojektes mit einem umfangreichen Messsystem ausgestattet, um wichtige Daten über das BetriebsverhaltenunddieVorgängeimErdreichzuerhalten.Eswurdeninsgesamt306Sensorenamund iml-ewtinstalliert. Für die Datenauswertung ist der Typ, die genaue Position und Kennzeichnung eines jeden Sensors wichtig. Nachfolgend wird daher der Aufbau, die verwendeten Sensoren und die genauenpositionenimmeßsystemkurzerläutert Sensoren im EWT FürdieLeistungsmessung(Input-/Output)wurdenfolgendeSensorenimL-EWTinstalliert: Tabelle 1.5 SensorendesL-EWTAuditorium L-EWT- Eingang L-EWT- Ausgang Messgröße Sensortyp Messgröße Sensortyp Lufttemperatur Glas-Pt1001/3DIN Lufttemperatur Glas-Pt1001/3DIN Rel.Feuchte KapazitiverSensor Rel.Feuchte KapazitiverSensor CO 2 IR-Absorbtion P el_schubventilator Energiemengenzähler Ström-Geschw. Flügelradanemometer LO RO LU RU Bild 1.9 MesskreuzimL-EWT (AnsichtinStrömungsrichtung)

19 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Bild1.9zeigtdenAufbaudesKreuzesunddieBezeichnungdereinzelnenFühler.DieAnsicht desmesskreuzesistinströmungsrichtung.imübersichtsplan(bild1.12)istdiegenaueposition nochmalsersichtlich.eswurdenausschließlichglas-pt1001/3dinverwendet.weiterhinwurde an der Messebene A (siehe dort und Bild 1.12) ein Messkreuz mit Temperaturfühlern in der Luftströmung eingebaut. Mit Hilfe dieses Kreuzes wird das Temperaturprofil in der Strömung unddierohrwandoberflächentemperaturgemessen Sensoren im Erdreich Um den Wärmetransport und das sich ausbildende Temperaturfeld im Erdreich erfassen zu können, wurden insgesamt fünf Messebenen am EWT installiert (siehe Bild 1.12). Jede Messebene besteht aus senkrecht ins Erdreich eingebrachten Kunststofflanzen mit aufgesetzten Temperaturfühlern.Bild1.10zeigtdenprinzipiellenAufbaueinerMessebene. 0,75 m 2,00 m 1,50 m 1,50 m 1,50 m 2,00 m 2,00 m Bild 1.10 PrinzipiellerAufbau einermessebene EWT Lanze mit Temperaturfühlern (Pt100 Kl.A) 2,00 m Bild 1.11 Ansichtder MessebenenvonOben 18

20 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 10,0 m ME-B ME-C EWT-ROHR 40,0 m 45,0 m Eintritt zur Lüftungszentrale Seminarräume MK Lufttemp. rel. Feuchte ME-A ME-D ME-E 14,5 m 39,0 m ME = Meßebene MK = Meßkreuz Ansaugstutzen mit Schubventilator Lufttemp. / rel. Feuchte / CO2 / Ström.-Geschw. / P_el_Schubventilator Bild 1.12Übersichtsplan 19

21 L-EWTPlanungsleitfadenTeil Auswirkungen des L-EWT auf die Erdreichtemperaturen IndernachfolgendenwerdendieÄnderungenderErdreichtemperatureninverschiedenenTiefenundAbständenvomErdrohrdesL-EWTAuditoriumwährendeiner9-tägigenBetriebszeitab dem26.juli2001dargestellt.diedatenwurdenwährendeinerhitzeperiodemitdermessebene A aufgezeichnet. Die Einzelbilder zeigen die Temperaturänderungen im Erdreich nach 2, 3, 6, und9tagenbetriebszeit. Bild 1.13ÄnderungderIsothermenimErdreichumdasL-EWT-RohrwährenddesBetriebesüber9Tage DiestärkstenTemperaturänderungenimErdreichzeigensichbiszueinemradialenAbstandvon 1,5mumdasErdrohr.DieErdreichtemperaturenineinemhorizontalenAbstandvon25cmvom Erdrohrhabensichinden9Betriebstagenum3Kelvingeändert. 20

22 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 1.6 Bilanzierung des L-EWT Auditorium ZurBilanzierungderthermischenEnergiewurdendieWerteherausgefiltert,diedurchmangelhafteRegelungundwährendZeitendesmanuellenBetriebsaußerhalbdessinnvollenEinsatzbereiches lagen. War der L-EWT in Betrieb, und unterschritt im Sommer die einströmende Außenluft die Erdreichtemperaturen, übernahm der L-EWT eine nicht gewollte Heizfunktion. AnalogkameninderWinterperiodeBetriebszuständevor,indenendieeinströmendeAußenluft wärmerwaralsdieerdreichtemperaturinrohrumgebung,unddiedurchströmendeluftwurde dann ungewollt gekühlt. Die Auswertung für Energiebilanzen erfolgte mit den bereinigten Werten Energetische Auswertung FürdieenergetischeBilanzierungdesL-EWTAuditoriumwurdendiethermischeEnergiemengen ausdenmesswertenwiefolgtberechnet.. Eth = m ( haus hein )dt (Gl.1) mit:.. h ( r + c T ) i = c p, L, tr Ti + xi 0 p, D i (Gl.2).. ( T ) m = V ρ (Gl.3). V = c A q ein (Gl.3) Eth [kwh] durchdenl-ewtgewonnenethermischeenergiemenge m [kg/h] [m³/h] Massenstrom Volumenstrom V hi [kj/kg] [kj/kg]spezifischeenthalpie T [ C] GemesseneAus-bzw.EintrittstemperaturderLuft i / o xi [g/kg] gemesseneabsolutefeuchte(amrohraus-bzw. Rohreintritt) cp,l, tr = 1,007 [kj/kgk] spezifischewärmekapazitätdertrockenenluftbei1bar c p, D = 1, 86 [kj/kgk] spezifischewärmekapazitätvonwasserdampfbei1bar r = [kj/kg] Verdampfungsenthalpiebei1bar c [m/s] gemesseneluftgeschwindigkeitimerdrohrinrohrmitte Aq [m²] innererquerschnittdeserdrohres ρ( T ein ) [kg/m³] TemperaturabhängigeDichte Der Geschwindigkeitssensor zur Bestimmung des Luftdurchsatzes durch das Erdrohr ist nach einerlauflängevonsechsmeterninstalliert.fürdieberechnungdesmassenstromsmitderentsprechendentemperaturabhängigendichtewurdedeshalbdieeintrittstemperatureingesetzt. 21

23 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Energiebilanz des L-EWT Auditorium für zwei Heiz- und zwei Kühlperioden thermische Energie elektr. Endenergie Primärenergie Energie [kwh] kontinuierliche Messdatenerfassung ab Nov Datenlücke für Dez., Jan. & Mrz Datenlücke für Nov Heizperiode 1999/00 Kühlperiode 2000 Heizperiode 2001/02 Kühlperiode 2001 Bild 1.14EnergiebilanzendesL-EWTAuditoriumfürdieHeizperioden99/00und00/01sowiefürdie Kühlperioden2000und2001(thermischeLeistungaus5minMittelwertenberechnet). Für die Heizperioden 99/00 und 00/01 und für die Kühlperioden 2000 und 2001 sind in Bild 1.14diethermischenNutzenergien,dieelektrischenEndenergienunddiePrimärenergienaufgetragen.DieelektrischeNutzenergiefürdenVentilatorwurdemittelseinesImpulszählersermittelt.DiePrimärenergieistdiemitFaktor3multiplizierteNutzenergieundistdierealeEnergie, dieeinschließlichverlustenaufgewendetwerdenmuss,umdienutzenergiebereitzustellen.die thermischenutzleistungwurdemittels5minmittelwertenbestimmt.betrachtetmandieenergiebilanzenderbeidenheiz-undkühlperioden,müssenfolgendepunkteberücksichtigtwerden. Bei der Ermittlung der elektrischen Nutzenergie, und somit für die daraus resultierende PrimärenergiegabesfürdieHeizperiode99/00undfürdieKühlperiode2000Datenlücken indermesswerterfassung.derbenötigterealeenergieaufwandliegtsomithöher,alsinden Diagrammen angegeben ist. In der Auswertung für die Heizperiode 99/00 konnten die Daten erst ab Dezember 1999 mit einfließen, da die kontinuierliche Messdatenaufnahme erst im Dezember 1999 gestartet wurde. Die großen Unterschiede der thermischen LeistungzwischendenbeidenKühlperiodenhabenimwesentlichendreiGründe. 1. AufgrunddeskurzenkühlenSommers2000warderL-EWTnichtsohäufiginBetrieb, wieimsommer

24 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 2. Zudem war wegen der niedrigen Außentemperaturen das Temperaturgefälle zwischen der Außenluft und der Erdtemperatur, und damit die für die Leistung maßgebliche TemperaturdifferenzzwischenErdrohr-Ein-undAustritt(beigleichemVolumenstrom) geringer. 3. hatte das bis November 2000 in der L-EWT Anlage stehende Wasser, aufgrund des untypischen Effektes der Verdunstung, trotz Abkühlung der Luft, einen negativen EinflussaufdieKühlleistung.DiesewirdhieraufBasisvonEnthalpienberechnet,eswird alsonichtnurdietemperaturabnahme,sondernauchdiezunahmeanlatenterwärme berücksichtigt. Monatliche Energiebilanz des L-EWT Auditorium für zwei Kühlperioden thermische Kühlenergie elektr. Endenergie Primärenergie Energie [kwh] Datenlücke Kühlfunktion 2000 Kühlfunktion 2001 Datenlücke HB HB Datenlück HB HB Apr. 00 Mai 00 Jun. 00 Jul. 00 Aug. 00 Sep. 00 Mai 01 Jun. 01 Jul. 01 Aug. 01 Bild 1.15EnergiebilanzendesL-EWTAuditoriumfürdieHeizperioden99/00(WerteabNov.99) und00/01unddiekühlperioden2000und2001 NähereInformationenüberdieenergetischenVerhältnissedereinzelnenHeiz-undKühlperioden gebendiemonatlichenbilanzierungen.diemonatlichebilanzierungfürdiekühlperiodenkann dembalken-diagrammbild1.15,unddiemonatlichenenergiebilanzenfürdieheizperiodenaus Bild1.16entnommenwerden.DieMonate,indenendieRegelungzeitweisedeaktiviertwurde und der L-EWT zu Forschungszwecken auf Handbetrieb gefahren, wurde sind durch die AbkürzungHBgekennzeichnet.KameszuDatenlücken,oderwarderL-EWTnichtinBetrieb,sind dieentsprechendenmonatemitdatenlückebzw.n. i. Betriebgekennzeichnet. 23

25 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Monatliche Energiebilanz des L-EWT Auditorium für zwei Heizperioden Energie [kwh] thermische Heizenergie elektr. Endenergie Primärenergie Heizfunktion 99 /00 Heizfunktion 00 /01 Datenlücke Datenlücke HB n. i. Betrieb n. i. Betrieb n. i. Betrieb Dez. 99 Jan. 00 Feb. 00 Mrz. 00 Okt. 00 Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb.01 Mrz. 01 Bild 1.16EnergiebilanzendesL-EWTAuditoriumsfürdieHeizperioden99/00(WerteabNov.99) und00/01unddiekühlperioden2000und2001. Die für die thermische Energiebilanz relevanten Größen sind der Volumenstrom, die Ein- und AustrittstemperaturunddieBetriebszeit.IndenDiagrammeninBild1.18fürdiezweibetrachtetenHeizperiodenundinBild1.17fürdiebeidenKühlperiodenspiegelnsichdieübereinen Monat gemittelten Ein- und Austrittstemperaturen in der Temperaturdifferenz wieder. Das Produkt aus dem mittleren monatlichen Volumenstrom und der Anzahl der monatlichen Betriebsstunden ergibt das durch den L-EWT gesaugte und erwärmte bzw. gekühlte Luftvolumen. Die Höhe der einzelnen monatlichen Mittelwerte der Ein- und Austrittstemperaturen kann für denheiz-bzw.kühlfallausdendiagrammenbild1.21undbild1.19,dievolumenströmeund die Anzahl der Betriebsstunden aus den Bild 1.22 und Bild 1.20 entnommen werden. Am folgendenbeispielwerdendiezusammenhängediesergrößenerklärt. BetrachtetmandieMonateMaiundJuni2001inBild1.17,sowirddeutlich,dassobwohlim Mai eine um 2,5 K höhere mittlere Temperaturdifferenz vorlag, die gewonnene thermische Energiegeringerist(Mai615kWh/Monat;Juni807kWh/Monat).ImMaiwurdeeinemittlere Temperaturdifferenz von 5,9 K erzeugt, und damit ein Volumen von m³ um diese Temperaturdifferenzgekühlt.ImJunilagdiegemittelteTemperaturdifferenzzwarnurbei3,4K, kühlteabereinwesentlichgrößeresvolumenvon238000m³umdiesedifferenz. 24

26 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Gegenüberstellung der für die Energiebilanzierung relevanten Größen für zwei Kühlperioden mittlere Tempraturdifferenz gekühltes Volumen thermische Energie Apr. 00 Mai 00 Jun. 00 Jul. 00 Aug. 00 Sep. 00 Apr. 01 Mai 01 Jun. 01 Jul. 01 Aug. 01 Mittlere Temperaturdifferenz [K] HB HB HB HB Kühlfunktion 2000 Kühlfunktion 2001 n. i. Betrieb gekühltes Volumen [1000 m³] Energie [kwh/monat] Bild 1.17 MonatlicheGegenüberstellungderfürdiethermischeEnergiebilanzierung relevantengrößenfürdieheizperiode99/00und00/01 Gegenüberstellung der für die Energiebilanzierung relevanten Größen für zwei Heizperioden mittlere Tempraturdifferenz erwärmtes Volumen thermische Energie Mittlere Temperaturdifferenz [K] Heizfunktion 99/00 Heizfunktion 00/ HB n. i. Betrieb n. i. Betrieb n. i. Betrieb Dez. 99 Jan. 00 Feb. 00 Mrz. 00 Okt. 00 Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb.01 Mrz gekühltes Volumen [1000 m³] Energie [kwh/monat] Bild 1.18MonatlicheGegenüberstellungderfürdiethermischeEnergiebilanzierung relevantengrößenfürdieheizperiode99/00und00/01 25

27 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 HB Monatsmittelwerte der L-EWT Ein- und Austrittstemperaturen für zwei Kühlperioden während der Betriebszeit Temperaturen [ C] mittlere L-EWT Eintrittstemperaturen mittlere L-EWT Austrittstemperaturen Kühlfunktion 2000 Kühlfunktion HB HB n. i. Betrieb HB HB Apr. 00 Mai 00 Jun. 00 Jul. 00 Aug. 00 Sep. 00 Apr. 01 Mai 01 Jun. 01 Jul. 01 Aug. 01 Bild 1.19 MonatsmittelwertefürdieEin-undAustrittstemperaturendesL-EWTAuditorium fürdiekühlperioden2000undwährendderbetriebszeit. VergleichtmandieWerteinBild1.17fürdieMonateJuni2000undJuli2001,erkenntman, dass bei fast identischen Temperaturdifferenzen im Juli 2001, bei etwa doppeltem Volumen gekühlterluft,mehralsdie10-facheenergiemengeübertragenwurde,alsimjuni2000.imjuni 2000wurdeeingroßerTeilderEnergiezurVerdampfungandasimL-EWTbefindlicheWasser abgegeben. Interessant ist, wie viel der Anteil der trockenen Luft und wie viel der Anteil des in ihr gebundenen Wasserdampfes zur Kühlleistung beiträgt. Betrachtet man die maximale Kühlleistung des L-EWT von 78,4 kw so ist der Anteil von 55,7 kw davon auf den Kondensationsprozesszurückzuführen.DiesentsprichteinemAnteilvon71%andergesamten Kühlleistung. Folgende Zahlen geben ein Gefühl für die Größenordnung des anfallenden Kondensats. Im MonatAugust2001wurdeeinVolumenvon5,96Millionenm³Luftgekühlt.IndiesemZeitraum fielen 7040 Liter Kondensat an. Man darf sich diese Menge jedoch nicht als ein Volumen in einenbehältervorstellen.daskondensatwurdein197betriebsstundenderluftentzogen;das sinddurchschnittliche35,74literprostundebetriebszeit.beziehtmandiesesvolumenaufdie Wärmeübertragungsflächevon433,3m³des138mlangenErdrohresmit1mDurchmesser,so sinddies0,082literproquadratmeter.diesentsprichtwenigeralseinemglassektprostunde verteiltaufeinenquadratmeterbeton. 26

28 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Mittlerer monatlicher Volumenstrom und Betriebsstunden des L-EWT Auditorium zwei Kühlperioden Volumenstrom [m³/s] mittlerer Volumenstrom Beriebsstunden L-EWT Kühlfunktion 2000 Kühlfunktion H H n. i. Betrieb H H Apr. 00 Mai 00 Jun. 00 Jul. 00 Aug. 00 Sep. 00 Apr. 01 Mai 01 Jun. 01 Jul. 01 Aug Betriebsstunden [h] Bild 1.20 MittlerermonatlicherVolumenstromundBetriebszeitdesL-EWTAuditorium fürdiekühlperioden2000und2001währendderbetriebszeit. DieTatsache,dassKondensationstattfindetbedeutetjedochnicht,dassdieLuftamEndedesL- EWTgesättigtmiteinerrelativenLuftfeuchtigkeitvon100%austritt.TrifftdiewarmeeinströmendeLuftaufdiekühleErdrohrwand,kühltsichdieLuftinWandnäheabundeinTeildesin ihrgebundenenwasserskondensiert.durchdieturbulentenströmungsverhältnissevermischen sich die an der Rohrwand abgekühlten Luftpartikel wieder mit dem durch das Rohr durchströmendenwärmerenvolumen.dabeipassensichdievonderwandkommendenluftpartikel, mit einer auf ihre lokale Temperatur bezogenen relativen Feuchte von 100% wieder an die gesamtthermodynamische Misch-Temperatur, mit ihrer dazugehörigen relativen Misch-Feuchte an.andereluftpartikelkühlensichanderwandab,kondensierenwasseraus,vermischensich mitderturbulentenströmungundtretenwiederineinthermodynamischesgleichgewichtusw.. Folgendes Zahlenbeispiel verdeutlicht, dass nur ein Teil der Luft, die lange genug im WärmeaustauschmitderRohrwandstand,indenKondensationsprozesseingebundenist. Nimmtmanz.B.dieWertebeidenendiemaximaleLeistungdesL-EWTerreichtwurde,sohatte dieeinströmendelufteinetemperaturvon26 Cbei61,4%relativerFeuchte.Diesentspricht einer absolute Feuchte von 13,16 g Dampf / kg Luft, tr. Die Kondensattemperatur, bei der Luft mit der gebundenen Masse Wasserdampf von 13,16 g Dampf / kg Luft, tr gerade eine relative Luftfeuchte von 100% erreicht und unterhalb der Kondensat auftreten kann, beträgt 18,1 C. Die aus dem Erdrohr ausströmenden Luft hatte eine Temperatur von 20 C und besaß eine relativefeuchtevon52,5%,waseinermassevon7,2 g Dampf / kg Luft, tr Wasserdampfentspricht. Die Austrittstemperatur liegt sogar über der Kondensattemperatur der Luft am Rohranfang. Darauswirdersichtlich,dassKondensationnurdurchlokalenWärmeaustauschanderRohrwand stattfindet. 27

29 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 Monatsmittelwerte der L-EWT Ein- und Austrittstemperaturen für zwei Heizperioden während der Betriebszeit 18 mittlere L-EWT Eintrittstemperaturen mittlere L-EWT Austrittstemperaturen Heizfunktion 99/00 Heizfunktion 00/ Temperatur [ C] HB n. i. Betrieb n. i. Betrieb n. i. Betrieb Dez. 99 Jan. 00 Feb. 00 Mrz. 00 Okt. 00 Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb.01 Mrz. 01 Bild 1.21MonatsmittelwertefürdieEin-undAustrittstemperaturendesL-EWTAuditorium fürdieheizperioden99/00(werteerstabdez.99)und00/01währendderbetriebszeit Mittlerer monatlicher Volumenstrom und Betriebstunden des L-EWT Auditorium für zwei Heizperioden Volumenstrom [m³/s] mittlerer Volumenstrom Beriebsstunden L-EWT Heizfunktion 99/ Heizfunktion 00/ HB n. i. Betrieb 25 n. i. Betrieb n. i. Betrieb Dez. 99 Jan. 00 Feb. 00 Mrz. 00 Okt. 00 Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb.01 Mrz Betriebsstunden [h] Bild 1.22MittlerermonatlicherVolumenstromundBetriebszeitdesL-EWTAuditorium fürdieheizperioden99/00(werteerstabdez.99)und00/01währendderbetriebszeit 28

30 L-EWTPlanungsleitfadenTeil2 ImHeizfallspieltwederdieKondensationnochdieVerdampfungeineRolle.ErwärmtmanLuft, kann sie, da warme Luft mehr Feuchtigkeit binden kann als kühle, theoretisch Wasserdampf aufnehmen.diesefeuchtigkeitmüsstejedochvonaußenzugeführtwerden.diesistbeieinem korrektgebautenl-ewtjedochnichtvorgesehen End- und Primärenergie bezogene Arbeitszahlen DiesichausderEnergiebilanzierungergebenden,aufEnd-undPrimärenergiebezogenenmittleren Leistungszahlen für die beiden Heiz- und Kühlperioden sind in Tabelle 1.6 zusammengefasst.alsrealistischearbeitszahlenkönnennurdiewertefürdiekühlperiode2001unddie der Heizperiode 00/01 angesehen werden. Für die Heizperiode 99/00 konnte aufgrund der Datenlücken,fürdieelektrischeEnergie(sieheBild1.16),nurderMonatFebruarausgewertet werden.indiesemmonatwurdederl-ewtauchzuforschungszweckenverwendet,d.h.dasser zeitweiseimdauerbetriebbetriebenwurdeundnichtderrealeeinsatzwiederspiegeltwird.dies wirdauchdurchdieniedrigeremittleretemperaturdifferenz(siehebild1.18)undausden,im Vergleich zu den übrigen Wintermonaten wesentlich höhere Betriebsstundenzahl (Bild 1.22) deutlich. Im Sommer 2000 sorgte das in den L-EWT eingedrungene Wasser für untypische Betriebszustände. Tabelle 1.6Primär undnutzenergiebezogeneleistungszahlenfürdenl-ewtauditorium. Arbeitszahlen Nutzenergie Arbeitszahl bezogen auf Primärenergie HEIZEN1999/00:DL (29,0) (9,7) KÜHLEN2000:K.R.BB (3,0) (1,0) HEIZEN2000/01: 10,9 3,65 KÜHLEN2001: 17,1 5,7 DL: WEGENDATENLÜCKEFÜRDIEELEKTRISCHEENERGIEBERECHNUNGNURFÜREINENMONATMÖGLICH K.R.BB: STEHENDEN WASSERS IN DER L-EWT ANLAGE KEINE REALEN BETRIEBSBEDINGUNGEN ENERGIE FÜR PHASENUMWANDLUNGWASSER-DAMPFBENÖTIGT L-EWT-Wirkungsgrad Eine weitere Größe, die oftmals zur Beschreibung von L-EWT-Anlagen verwendet wird (siehe u.a.[reise2001]),istderwirkungsgradη LEWT,derals T T out in η = (Gl.1.4) LEWT Erd T T in 29