Messresultate Erdsondenregeneration Mettmenstetten

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1 Messresultate Erdsondenregeneration Mettmenstetten 5. Tagung Solarwärme Schweiz November 2016, Messe Luzern Session 3: Praxis, Forschung, Technik René Naef, naef energietechnik ag, Zürich, El Ing. HTL NDSE Muttenz Vertretung von Arthur Huber, Dipl.-Ing. ETH/SIA, Hetag AG, Zürich

2 Resultate Mettmenstetten mit Praxiserfahrungen Zukunft der Erdsonden mit Sonnenkollektoren Ziel ist es, dass Sie von heute Informationen, hoffentlich auch einige Anregungen und Ideen mitnehmen können um zukunftsfähige Anlagen zu planen und zu realisieren

3 Solar in Kombination mit Wärmepumpen??? Früher ein no go!!! - ja eigentlich Konkurrenten Heute im Pionierstadium und «salonfähig»! Morgen ein Muss! Die Gebäudehülle muss langfristig zum aktiven und attraktiven Energiegewinn genutzt werden

4 maettmi50plus Wohnbaugenossenschaft Foto: Beni Federer, Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

5 kein Frostschutz in EWS dank Regeneration 3 identische MFH s in Mettmenstetten Süddächer + Ostdach mit je ca. 110m2 Solarabsorber (untersch. Ausrichtung) Heizung und Warmwasser je Gebäude Total 9 Erdsonden à 260m Sondenabstand 7m Ziel: trotz kleinem Sondenfeld sollte Saisonspeicherung möglich sein Online-Zugriff für Gast: Passwort: netlogger Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

6 Sonden mit Abstand 7-8m / Berechnung mit Programm EWS Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

7 ohne Sondenregeneration Berechnungen nach Norm SIA 384/6 mit Laufzeit 50 Jahre Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

8 mit Sondenregeneration Kein Frostschutz in Sonden nötig Langfristig höhere JAZ (Stromeinsparung!) Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

9 es ist sonnenklar in welche Richtung es geht! abwärts? ohne Sonne sicher nur kurzfristig! aufwärts! mit Solarthermie Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

10 Mettmenstetten: Hydraulische Einbindung Pfruendmatt, Mettmenstetten Genossenschaft Maettmi50+ Standardschaltung: Keine Spezial-Hydraulik! 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Hydraulik mit keinen externen Tauschern und wenigen Pumpen! Kein Frostschutz, nur Wasser

11 ein Erdsondenfeld ist primär ein Speicher Speichervolumen: ~A 3 Speicherverluste: ~6 x A 2 Speichervolumen / Verlust: 3 A 6 A 2 A 6 A A A -> Je grösser der Speicher, um so geringer die Verluste im Verhältnis zur gespeicherten Energie Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

12 Nachbarhäuser ohne Regeneration Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

13 Spezifischer Energieertrag [kwh/(m 2 Absorptionsfläche und Monat)] Für alle Monate aufsummierter spezifischer Energieertrag [kwh/(m2 Absorptionsfläche)] 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Resultate Mettmenstetten Messungen am Haus B Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

14 Energie in kwh 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Resultate Mettmenstetten Messungen am Haus B Energieentzug aus den Erdwärmesonden Energie für die Regeneration der Erdwärmesonden Energiebilanz der Erdwärmesonden Wärmepumpe JAZ 6.2 (Heizung + Warmwasser Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

15 Speicherung Solarwärme im Erdreich Haus B2 mit Sondenregeneration nach 1 Jahr 2K höhere Sodentemperatur als Haus A2/3 Haus A2/3 Haus B2 Pro Haus 110 m 2 Solarabsorber und 3 x 260 m Erdsonden Messungen seit 11.Okt 15 bis 24.Okt 16 Ertrag Absorber Haus B kwh, ca. 900 kwh/m 2 a Haus B kwh, ca. 730 kwh/m 2 a Haus B kwh, ca. 740 kwh/m 2 a

16 Qualitätssicherung durch Online-Fernüberwachung Sonden-Eintrittstemperatur Kollektor-Temperatur Fernüberwachung mit NETLOGGER Sondentemperatur nach einem Messjahr ca. 2K höher als im Haus A Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

17 Globalstralung [W/m2] Temperatur [ C] 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Absorber Temperaturen für Direktnutzung , sonniger Wintertag , sonniger Wintertag Aussen Absorber

18 Optimierungen und Fragen Während dem ersten Betriebsjahr konnte mit einer Anpassung der Einschaltbedingungen die direkte Nutzung für das Warmwasser erhöht werden. Welcher Anteil des Solarertrags soll in das Erdreich fliessen? Wo liegt das Optimum der Kollektorfläche und der Sondenlängen?

19 Standard-Schaltung mit Standard-Wärmepumpen Foto: Huber Energietechnik AG, Zürich 19

20 Nachrüstung Flachollektor in Erdsondenkreislauf - Verbrauch im MFH 37% über Planungswert - Sondentemperatur in ersten 5 Betriebsjahren zu stark gesunken Nachrüstung Regeneration der Sonden (ohne direkte WW-Erzeugung) 4 x 220 m Erdsonden, Sole VL-Temperatur im Frühling ca. 2 C ca m 2 Absorberfläche verglaster Flachkollektor Cobra, Neigung 30 Polysun Simmulation: Ertrag Flachkollektor 703 kwh/m 2 a Messung Aug. 15 bis Aug. 16: Ertrag Flachkollektor 868 kwh/m 2 a Sole VL- Temperatur bis im September 3 K angestiegen!!! Verbesserung der JAZ im 1. Jahr mit Kollektoren ca. 0.3

21 unverglaste Kollektoren als Wärmequelle Ertrag bis 800 kwh/m 2 a bei optimaler Einbindung möglich als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 20 C, Koll. 5 C/10 C Globalstrahlung 0W/m 2, Wind 1.5m/s, ca. 180 W/m 2 als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 2 C, Koll. -5 C/-3 C Globalstrahlung 0W/m 2, Wind 1.5m/s, ca. 88 W/m 2 als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 2 C, Koll. -5 C/-3 C Globalstrahlung 200W/m 2, Wind 1.5m/s, ca. 276 W/m 2

22 hydraulische Schaltung: mit Wärmetauscher Wärmetauscher MFH in Mettmenstetten Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG

23 hydraulische Schaltung: mit Speicher Studentenhaus Justinus, ca. 70m 2 Solarabsorber 8044 Zürich Speicher im ES-Kreislauf

24 unbeeinflusste Bodentemperatur T 2 z,t T mo To exp z cos t z a ta ta a ta 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Temperaturverlauf im Erdreich Beispiel: r = 2000 [kg/m3] cp = 1000 [J/kgK] l = 2.5 [W/mK] Temperatur des Erdreichs T [ C t = 0.0 Mt. t = 1.5 Mt. t = 3.0 Mt. t = 4.5 Mt. t = 6.0 Mt. t = 7.5 Mt. t = 9.0 Mt. t = 10.5 Mt. Umhüllende Tiefe im Erdreich z [m] Huber Energietechnik AG

25 woher kommt die Erdwärme? 70mW/m 2!!! vom Erdinnern Auslegung Keine Faustregel mehr: Norm SIA 384/6 Erdsonden 50 Jahre (+0 C/-3 C) Simualtionsprogramm anwenden Wärme in Erdkruste Über sehr lange Zeit gespeicherte Wärme aus dem Erdinnern und Sonnenwärme, es fliesst kaum Wärme nach < 1% Quelle Grafiken:

26 Wärmefluss vom Erdinnern ist sehr gering! Wärmefluss vom Erdinnern für Sonden mit 7m Abstand ca. 27 bis 60 kwh/a Sonde von 200m mit 80kWh/m Entzug kwh/a Entspricht ca bis 0.4% Quelle: Medici, Rybach, 1995

27 Erdwärme, oder Erde als Speicher nutzen? Erdkruste ist nicht warm! es fliesst kaum Wärme nach!

28 Entwicklung der Erdsonden Beispiel Stadt Zürich: 2000W-Gesellschaft als Ziel Bis im Jahr 2012: Entzug aus EWS ca. 33GWh/a EWS 900 Anlagen m Erdsonden-Bohrungen Jahr 2050 (Energieziel Zürich): Wärmeentzug aus EWS ca. 330GWh/a ± EWS??? ± m ES-Bohrungen??? Jedes 3. Gebäude mit Erdsonden-WP Quelle der Grafik: Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (Vortrag Dr. Roland Wagner: Wie viel Wärme dürfen wir dem Erdreich entziehen? Forum Energie Zürich, Download: 014/pdf/FEZ_Event_Waerme_Wagner_ pdf )

29 wieso solare Regeneration von Erdsonden? dicht besiedelte Gebiete mit vielen Erdsonden und zu wenig Platz für Sonden Objekte mit zu kurzen Sonden Gebäude-Erweiterungen Beeinflussung durch Nachbarsonden Quelle: Wärmenutzungsatlas des Kanton Zürich

30 es gibt noch viele Fragen Wir sind erst in der Startphase von einem grossen Tätigkeitsgebiet! Themen werden sein: - Optimierung von Sondenlängen und Absorberflächen - Wie grosse Flächen an Kollektoren sind nötig - Optimieren von hydraulischen Einbindungen - Investitions-Kosten für Anlagen senken - Regelstrategien entwickeln und prüfen - Einspeisung in Anergienetze - Sondenregeneration bei Bürobauten mit Freecooling!

31 Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Anergienetz: Anlagenbeispiel Sonnenkollektoren Anergienetz B9 B1 B9 B1 F15 Solardach 6 C 1'000 m2 6 C 65 C 65 C F15 Sondenfeld kompakt p p T 3K T 3K Brauchwasser Vorwärmung Brauchwasser Vorwärmung Haus A Haus B

32 Planungsgrundsätze - Anergienetze sind sinnvoll, wenn Regenerationsquelle nicht dezentral verfügbar sind - Anergienetze ermöglichen grössere Anlagen -> höhere Speichertemperaturen möglich - Ungerichtete Anergienetze bei einfachen Anlagen möglich - Gerichtete Anergienetze sind einfacher handhabbar, Erdsonden immer durchströmt - Ungerichtete Anergienetze haben in der Regel grösseren Regelaufwand - Bei mehreren Erdsondenspeichern im Netz Regenerationsregelung pro Sondenfeld erforderlich - Bei Grossanlagen ist in der Regel eine vollständige Regeneration erforderlich Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich

33 Chance auf eine zukunftsfähige Lösung auch, wenn es vermutlich noch sehr lange dauert, bis es bei vielen Anlagen umgesetzt wird! Vielleicht etwas philosophisch wir dürfen der Erde nicht stetig Wärme entziehen, sie braucht von uns auch etwas an Wärme zurück Das Betätigungsfeld für Planer und Lieferanten ist riesig, es geht erst richtig los!

34 mitgeben möchte ich Ihnen an Orten mit hoher Erdsondendichte benötigen wir langfristig die Einspeisung von Wärme in das Erdreich wir steigern den Ertrag der Kollektoren, wenn wir diese auf tiefem Temperaturniveau nutzen um bis zu 30% die Erdsonden-Wärmepumpe und die Sonnenkollektoren sind keine Konkurrenten sie sind langfristig Freunde

35 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Wir müssen der Erdkruste auch wieder Wärme zurückgeben, geben und nehmen muss auch hier in einem Gleichgewicht sein (das gleiche Schlusswort wie letzte Jahr) Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG