Ferien auf der SonnenENERGIEseite REKA Feriendorf Blatten-Belalp

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1 18. Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt» Ferien auf der SonnenENERGIEseite REKA Feriendorf Blatten-Belalp Simon Summermatter, Matthias Sulzer, Lauber IWISA AG, Kehrstrasse 14, 3904 Naters Zusammenfassung Abstract Mit dem REKA Feriendorf Blatten-Belalp entsteht ein solarbetriebenes Leuchtturmprojekt im alpinen Raum, welches vom BFE unterstützt wird: hybride Photovoltaik- Solarthermiekollektoren (PVT) generieren sogleich elektrische wie auch thermische Energien. Die thermische Energie kann direkt genutzt oder dem saisonalen Geothermiespeicher zur Regeneration zugeführt werden. Mit der elektrischen Energie werden Wärmepumpen betrieben, welche die Quellenergie aus dem Erdwärmespeicher auf die gewünschten Temperaturniveaus für Gebäudeheizung und Warmwasser transferieren. Das ganzheitliche Projekt zeigt auf, wie energieeffiziente Gebäude - welche thermisch und elektrisch vernetzt sind - ohne Emissionen (Zero Emission) und ausschliesslich mit Solarenergie betrieben werden können. Die Erfahrungen im Projekt erlauben, die Planungsund Betriebssicherheit ähnlicher Energiesysteme zu erhöhen. Im Fokus der Analyse stehen der systemische Ansatz mit PVT, Erdwärmespeicher, Abwasserwärmerückgewinnung und Wärmepumpen sowie der wirtschaftliche Betrieb eines solchen Konzeptes. The soon to be opened REKA Feriendorf Blatten-Belalp represents a solar-driven lighthouse project in the alpine region, supported by the Federal Department for Energy: Photovoltaicsolar thermic combi collectors (PVT) produce electric and thermic energy at the same time. The thermic energy can be used directly or be transferred to the the seasonal geothermical reservoir for regeneration. The electric energy drives heat pumps in order to transfer anergy to the desired temperature levels for heating and hot water. The consistent project demonstrates how energy efficient buildings linked with one another can be operated without emission (Zero Emission) and solely on solar power. The know-how gained in this project increases the planning and operation results of similar energy systems. The focus of the analysis is on a systematic approach to PVT, geothermal heat storage, waste water regeneration and heat pumps, as well as the usual operation of such a concept. 4./5. September 2014 ETH-Zürich 1

2 1. Einleitung Die Reisekasse Genossenschaft REKA baut ein neues Ferienressort in Blatten bei Naters im Wallis. Das Feriendorf besteht aus neun Gebäuden, in denen Ferien für Familien zum puren Erlebnis werden sollen. Neben Wohneinheiten werden ein Hallenbad, Fitness- sowie Gemeinschaftslokalitäten errichtet. Die folgende Abbildung 1 gibt einen visuellen Eindruck des Projektumfangs. Das REKA Feriendorf wird ab dem Winter 2014 bis zu Logiernächte im Jahr verzeichnen. Beim Bau des REKA Feriendorfs wird ein besonderes Augenmerk auf das Energiekonzept gelegt: Mit dem erarbeiteten solaren Energiekonzept wird ein Leuchtturmprojekt entstehen, das insgesamt ein überdurchschnittlich sozial, wirtschaftlich und ökologisch nachhaltiges Ressort angestrebt. Jedes Feriendorf der REKA hat ein Metathema, nach welchem sich das Betriebskonzept richtet. Im Feriendorf Blatten wird das Thema Energie in verschiedenster Art und Weise den Gästen vermittelt: so wird beispielsweise auf Kinderspielplätzen den Kleinen auf spielerische Art das Thema Energie näher gebracht oder auf Rundgängen und kurzen Themenwanderungen werden Jugendliche und Erwachsene auf das Thema Energie angesprochen. Das Bundesamt für Energie (BFE) ernannte das REKA Feriendorf zum Leuchtturmprojekt. Abbildung 1 Flugansicht des REKA Feriendorfs in Blatten-Belalp [1] Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 2

3 Das Projekt befasst sich mit der Konzeptionierung der Energieversorgung von Siedlungen und Dörfern. Angestrebt wird eine energetisch effiziente und untereinander bestmöglichst abgestimmte Auslegung sämtlicher Komponenten. In Zusammenarbeit mit der Hochschule Luzern und der ELIMES AG Brig wird ein Monitoring mit entsprechender Betriebsoptimierung erfolgen. Die daraus resultierenden Erkenntnisse erlauben, die Planungs- und Betriebssicherheit ähnlicher Energiesysteme zu erhöhen. 2. Energiekonzept 2.1 Wärmegewinnung und -aufbereitung Als Energiequelle dient ausschliesslich die Sonne. Mit Photovoltaik-Solarthermiekollektoren (PVT) wird elektrische und zugleich thermische Energie gewonnen. Letztere wird entweder direkt genutzt oder dem saisonalen Erdwärmespeicher zugeführt. Wärmepumpen transferieren die niederwertige Energie aus dem Erdreich auf rund 35 C für die Gebäude- und die Schwimmbadheizung oder auf C für die Warmwasseraufbereitung. Energetische Senken - insbesondere der Heizwärmebedarf sowie das Warmwasser - werden minimal gehalten, um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. Die Gebäudehülle wurde auf Basis der Standardanforderungen Minergie-A konstruiert. Sofern möglich, wird Energie mittels Rekuperation rückgewonnen. So wird nebst der Wärmerückgewinnung in den Lüftungsanlagen des Schwimmbadbereiches auch mittels Abwasserwärmerückgewinnung Energie aus dem Abwasser zurückgewonnen. Der effiziente Betrieb dieses ganzheitlichen Energiesystems erfolgt mit einem spartenübergreifenden Energiemanagementsystem. Somit kann z.b. die Solarstromproduktion auf die Heizenergiebereitstellung abgestimmt werden, um die Eigenstromnutzung zu maximieren. Im Weiteren soll das Energiemanagementsystem den REKA Mitarbeitern mitteilen, zu welcher Uhrzeit es am energieeffizientesten ist, die Bettwäsche zu waschen, das Schwimmbad zu reinigen, die Aussenflächen zu unterhalten etc. Die Gäste werden über den aktuellen Energieverbrauch des Feriendorfes in den öffentlichen Zonen informiert und sollen dadurch auf das Nutzerverhalten sensibilisiert werden. 2.2 Wärmeverteilung Wie dem Konzeptschema in Abbildung 2 entnommen werden kann, wird die Energie zu den Gebäuden mit einem Dreileitersystem geführt: einem Hochtemperatur- sowie einem Niedertemperaturleiter und dem gemeinsamen Rücklauf. Die Warmwasserbereitstellung erfolgt in der jeweiligen Unterstation des Gebäudes mit Frischwasserstationen. Ab Niedertemperaturleiter werden die Fussbodenheizsysteme der jeweiligen Gebäude versorgt. Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 3

4 Abbildung 2 Konzeptschema der Energiegewinnung, -aufbereitung und -verteilung [2] Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 4

5 3. Energiebilanz In der Abbildung 3 werden Energiebedarf und Energieversorgung gegenübergestellt. Nach Heizund Warmwasserenergie mit rund 500 MWh/a folgt anteilmässig der Allgemein- und Haushaltsstrom mit rund 200 MWh/a (abhängig vom Nutzerverhalten). Mit weiteren 170 MWh/a ist für die Deckung des Heizenergiebedarfs Schwimmbad und der thermischen Verlusten zu rechnen. Im Verhältnis zum Energiebedarf für Heizung und Warmwasser ist der Aufwand für das Schwimmbad mit rund 100 MWh/a (20%) relativ gross. Während der Betriebsoptimierung ist dieser Bedarf durch geeignete Massnahmen zu senken, wie z.b. Betriebsstrategie der Lüftungsanlage, Wassertemperatur, Betrieb der Attraktionen etc. jährlicher Energiebedarf in MWh Verluste Schwimmbad Allgemein-, Haushaltsstrom Warmwasser Heizung Label Solarstrom (extern) elektrische Solarenergie PV Wärmerückgewinnung FEKA thermische Solarenergie PVT 0 Energiebedarf Energieversorgung Abbildung 3 Energiebilanzierung des REKA Feriendorfs Blatten-Belalp [3] Die gewonnene thermische Solarenergie (rund 300 MWh/a) wird vornehmlich zur Regeneration des Erdreichs genutzt. Mit der eigenen Solarstromproduktion von 150 MWh/a wird die Deckung der Energieaufbereitung angestrebt. Die Abwasserwärmerückgewinnung rekuperiert zirka 200 MWh/a, was dem thermischen Anteil des Warmwassers entspricht. Somit resultieren in der Jahresbilanz rund 220 MWh/a an elektrischer Energie (ca. 25% des Gesamtenergiebedarfs), welche dem Feriendorf von extern zugeführt werden muss. Die notwendige externe Energie wird als solarer Labelstrom eingekauft, damit das REKA Feriendorf komplett solar betrieben ist. Es stellt sich die Frage, wie gross soll die Eigenstromproduktion in einer Siedlung sein, unter Berücksichtigung wirtschaftlicher, netztechnischer und betrieblicher Aspekte: Können beispielsweise Lastspitzen im Produktionsfall im lokalen Netz wirtschaftlich ausgeglichen werden? Welcher Anteil des Energieverbrauchs soll lokal, regional bzw. national gedeckt werden, damit eine wirtschaftliche, betriebssichere Energieversorgung resultiert? Mit dem geplanten Monitoring sollen Erkenntnisse gewonnen werden, damit Antworten auf solche Fragen gefunden werden können. Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 5

6 4. Erste Erkenntnisse 4.1 Photovoltaik-Solarthermiekollektoren (PVT) Als Standort für die Solarmodule wurde im REKA Feriendorf die Dachintegration gewählt - die Wohngebäude wurden mit einer Quasi-Indach-Lösung ausgestattet. So konnte auf eine wetterführende Dacheindeckung verzichtet werden. Dabei wurde die koordinative und bauphysikalische Machbarkeit geprüft: wie wird das Dach hinterlüftet, wo und wie verläuft die thermische Verrohrung der Photovoltaik- Solarthermiekollektoren (PVT), wie sind Letztere später zugänglich, welche Werkstoffe können eingesetzt werden, wie werden Dachdurchdringungen abgedichtet? Die thermische Verrohrung der Photovoltaik- Solarthermiekollektoren (PVT) kann aufgrund der tiefen Stagnationstemperatur mit einem günstigen Polypropylen- Rohrsystem in Tichelmann-Anordnung ausgeführt werden. Der elektrisch höhere Ertrag durch die Modulkühlung wird in Blatten mit Vergleichsmodulen (konventionelle Photovoltaikanlagen auf drei Dächern) evaluiert. Abbildung 4 In der Zusammenarbeit der Gewerke Spenglerei, Sanitär und Heizung entstand das REKA Solardach [2]. 4.2 Erdwärmespeicher Der Erdwärmespeicher ist die zentrale Komponente im Energiesystem. Im Vergleich mit konventionellen Energiesystemen, ist die wirtschaftliche Auslegung des Erdwärmespeichers in Kombination mit PVT entscheidend: je nach mittlerer Sondentemperatur im Erdwärmespeicher können die Wärmepumpen mehr oder weniger effizient, d.h. mit unterschiedlichen Jahresarbeitszahlen (JAZ) betrieben werden. Die mittlere Sondentemperatur kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden: Sondenlänge, Sondenabstand und Wärmeeintrag in die Sonden (Regeneration des Erdreichs). Ganzheitliche Planungsinstrumente, wie z.b. Simulationen, sind daher unabdingbar. Aus der Simulation mit dem Programm EWS [4] resultieren folgende Erkenntnisse: 1) Wird das Erdreich nicht oder nur wenig regeneriert, sinkt die mittlere Sondentemperatur über einen Zeitraum von 50 Jahren stetig ab. Das heisst, der Erdwärmespeicher kühlt sich aus und dies kann unter Umständen zu Eisbildungen an den Sonden führen. Die Wärmeübertragung wäre in einem solchen Fall massiv reduziert, sodass die Energieversorgung aus dem Erdwärmespeicher den Bedarf nicht mehr decken könnte. 2) Erfährt das Erdreich eine Regeneration, die der Entzugsenergie entspricht, resultiert eine stabile, mittlere Sondentemperatur. 3) Je mehr Energie ins Erdreich zurück fliesst, desto höher resultiert die mittlere Sondentemperatur. 4) Je höher der Wärmeeintrag (Regeneration) ist, desto geringere Bohrabstände können eingeplant werden. 5) Bei gleichbleibender spezifischer Sondenbelastung führen tiefere Sonden zu einer höheren mittleren Sondentemperatur. Dies kann entscheidend sein, ob dem Wärmeträger Frostschutz beigemischt werden muss, bzw. die Anlage ohne Frostschutz betrieben werden kann. Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 6

7 Auf Basis dieser Resultate ist eine Wirtschaftlichkeitsanalyse zwischen Bohrmeter, Bohrabstand, Regeneration und der mittleren Sondentemperatur entstanden: der wirtschaftlichste Bohrabstand beträgt bei insgesamt rund Bohrmeter und einer Bohrtiefe von 170 m rund 5.5 m. Wie die folgenden Grafiken in der Abbildung 4 zeigen, wird gemäss Simulation [4] eine Anhebung der minimalen Sondenfluidtemperatur auf 4.5 C erzielt. Die Quelltemperatur sinkt maximal bis auf rund 8 C, was zur gewünschten Effizienzsteigerung der Wärmepumpen führt. Abbildung 4 Links: Verlauf der minimalen (blau) und maximalen (rot) Sondenfluidtemperatur während 50 Jahren. Rechts: Jahresverlauf der minimalen (blau) und maximalen (rot) Sondenfluidtemperatur im 50. Jahr.[4] 5. Ausblick Das REKA Feriendorf Blatten-Belalp wird im Dezember 2014 erstmals Gäste beherbergen. Die Inbetriebnahme der Energieversorgungsanlagen erfolgt im Herbst Um die einzelnen Komponenten, aber auch das Gesamtsystem analysieren und optimieren zu können, wird im ersten Betriebsjahr ein umfassendes Monitoring erstellt. Neben der Datenerfassung des Energiebedarfs werden Informationen zum Erdreich, der Abwasserwärmerückgewinnung, den PVT-Kollektoren, den Wärmepumpen und den Witterungsverhältnissen mittels einer Wetterstation erfasst. Im Wintersemester 2015 erfolgt die Auswertung des Monitorings, sodass die Betriebserfahrungen im Jahr 2016 kommuniziert werden können. Angestrebt wird ein Wissenstransfer auf ähnliche Energiesysteme, um deren Planungs- und Betriebssicherheit zu erhöhen. 6. Literaturverzeichnis [1] REKA Reisekasse AG, [2] Lauber IWISA AG, Projektierung Energieversorgung REKA Feriendorf Blatten, 2012 [3] Lauber IWISA AG, Pressemitteilung Energiekonzept REKA Feriendorf Blatten, [4] Lauber IWISA AG, Kurzreport Simulation Erdspeicher mit Programm EWS, 2013 [5] Peter Loose, Erdwärmenutzung - Versorgungstechnische Planung und Berechnung, 2009 Simon Summermatter 18. Status-Seminar 4./5. September 2014 ETH-Zürich 7