Simulation und Optimierung eines Erdwärmesondenspeichers rmesondenspeichers zur Direktheizung - Ein Praxisbeispiel -

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1 Simulation und Optimierung eines Erdwärmesondenspeichers rmesondenspeichers zur Direktheizung - Ein Praxisbeispiel - Der Geothermiekongress , Essen in oberflächennahen und mitteltiefen Erdwärmesonden David Kuntz, Markus Kübert, Simone Walker-Hertkorn

2 Standort & Anforderung Wipotec Wiege- & Positioniersysteme GmbH, Kaiserslautern Neubau BA8 BA10 Hinweis: nach aktuellem Planstand werden nur Fussbodenflächen aktiviert Bereitstellung der Wärme- & Kälteversorgung des Gebäudes ohne Primärenergieeinsatz! (Primärenergie ist jedoch zum Wärmetransport erlaubt, i.w. el. Anschluss von Umwälzpumpen)

3 Innovatives Versorgungskonzept Neubau in Anlehnung an den Passivhaus-Standard Therm. Solaranlage ~ 520 m² Bruttokollektorfläche (U-Wert < 0,15W/m²K, 3-fach Verglasung, Sonnenschutz, kontrollierte Lüftungsanlage mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung) Steuerbare Luft- Vorkonditionierung Luft/Wasser Wärmetauscher Lüftungsgerät mit WRG >85% Geomassivspeicher (Erdwärmesonden) Spitzenleistung 100 kw + freie Kühlung mit/ohne Luft/Wasser Wärmetauscher

4 Detailliertes Gebäudemodell Leistung [kw] Leistung [kw] Gebäudeheizlast Gebäudekühllast Zeit (h) Überschuss Solarkollektor Abwärme Kälte Abwärme Server Zeit (h)

5 Energieflüsse Solarkollektor (Energiemengen in MWh/a) T max 70 C Adsorptionskühlung 105 Geomassivspeicher T max 40 C T max 35 C 54 T min 28 C Gebäudekühlung (40 MWh/a) Serverkühlung (265 MWh/a) 108 Gebäudebeheizung (162 MWh/a) Wärmequelle / -senke Wärmebedarf Wärmedargebot Temperaturgrenze Gebäudebeheizung (netto) 86 kw T min = 28 C Serverraumkühlung 30 kw T max = 35 C Rückkühlung Invensor 180 kw T max = 40 C Überschuss Solarkollektor 260 kw T max = 70 C

6 Standorteigenschaften & Vorplanung EWS-Feld Untergrundeigenschaften: Buntsandstein, kieselig gebunden, WLF 2-3 W/(m K) Ungestörte Temperatur ~ 11,3 C Grundwasser ab Tiefen von 30 m

7 Geomassivspeicher v Geomassivspeicher, Planstand 04/ EWS á 30 m Tiefe

8 Simulationsergebnisse v1 C 40 T zum GMS (Min) T zum GMS (Max) Mitteltemperatur GeoMassiv-Speicher C Fluidtemperaturen im Erdwärmetauscher Rücklauf (Inlet) Vorlauf (Outlet) Betriebsjahr

9 Schlussfolgerungen und Optimierung 1. Temperatur im Erdwärmespeicher auch nach 20 Jahren unterhalb der Ziel-Vorlauftemperatur von 28 C (viel fehlt aber nicht ) 2. Aufladungsphase des Speichers 8-10 Jahre 3. Spitzenfluidtemperaturen im Sommer bereits knapp an der kritischen Grenze zur Serverkühlung Anhebung der Speichertemperatur ( Verringerung des Speichervolumens) Gewährleistung von Temperaturobergrenzen im Sommer zur Abwärmeaufnahme ( Vergrößerung des Speichervolumens) Zonierung des Speichers in eine warme Innenzone und eine kalte Außenzone durch zwei separate hydraulische Gruppen.

10 Geomassivspeicher v Geomassivspeicher, Planstand 09/ EWS Blau = NT-Zone 98 EWS Rot = HT-Zone

11 Simulationsergebnisse v2 - Jahr TOut NT-Kreis TOut HT-Kreis HL > 30 kw (> 10 W/m) Simulationsjahr Gesamtbedarf Heizwärme Aus Kühlung Aus Geomassivspeicher 0,0 0,1 0,5 3,4 9,8 15,7 21,4 26,1 28,9 31,0 Deckungsanteil [%] Max. Leistung GMS [kw]

12 Zwischenfazit 1. Temperatur im Wärmeträgermedium Innenzone nach 10 Jahren im Heizfall zwischen 25 C und 28 C 2. Leistung oberhalb 28 C Vorlauftemperatur im Winter ~10 W/m 3. Aufladungsphase des Speichers 3-4 Jahre 4. Spitzenfluidtemperaturen im Sommer nur selten über 30 C Optimierung durch Größenveränderung der Innen- / Außenzone? Variantenvergleich 100/98, 120/78, 138/60 (NT/HT)

13 Detailvergleich Januar 10. Betriebsjahr (10 Tage, Januar) TOut NT-Kreis TOut HT-Kreis NT 100x30m, HT 98x30m ~ 25 kw Entzug ~ 80 kw Entzug ~ 25 kw Entzug ~ 80 kw Entzug ~ 25 kw Entzug ~ 80 kw Entzug x 10 4 TOut NT-Kreis TOut HT-Kreis x 10 4 TOut NT-Kreis TOut HT-Kreis MHT ~ 28,4 C MNT ~ 26,8 C NT 120x30m, HT 78x30m MHT ~ 28,5 C MNT ~ 26,4 C NT 138x30m, HT 60x30m MHT ~ 28,6 C x 10 4 MNT ~ 26,0 C

14 Optimierungsmöglichkeiten glichkeiten Ergebnis: geringfügig höhere Temperaturen in der inneren Zone, jedoch sinkt die Temperatur bei Lastanforderungen auch schneller aufgrund der verringerten Wärmetauscherfläche / Speichervolumen). In Summe konnte keine Verbesserung der Speicherleistung erzielt werden. Mögliche weitere Optimierungen (nicht simuliert) Verringerung des Sondenabstandes in Innenzone Kompakte Anordnung der HT-Zone Serienschaltung NT- / HT-Zone (Vorwärmung in NT) hydraulisch umgesetzt, im Modell bisher nicht abgebildet. Unsichere Eingangsfaktoren : Langfristige Wärmebilanz Wärmeerzeuger & -verbraucher ( Anlagenmonitoring) Jahreszeitliche Verteilung & tatsächliche Spitzenlasten Wärmeaustausch zwischen Geomassivspeicher & Gebäude oberhalb

15 Vielen Dank! Geothermische ist machbar, und auch komplexe Systeme sind modellierbar. Speichertemperaturen zur Direktheizung bedingen im unisolierten Speicher hohe laterale Verluste und niedrige Speicherwirkungsgrade. Innovation in Sachen Geothermie Wo der Taschenrechner aufhört Dr. David Kuntz tewag Technologie Erdwärmeanlagen Umweltschutz GmbH Niederlassung Starzach Am Haag 12 D Starzach-Felldorf