Oberflächennahe Geothermie Planung und Integration in den Bauablauf

Transkript

1 Oberflächennahe Geothermie Planung und Integration in den Bauablauf Dipl.-Ing. Jens-Uwe Kühl

2 typische Schäden in der Oberflächennahen Geothermie z.bsp. Fehlfunktion bzw. Ausfall der erdgekoppelten Wärmepumpenanlage monetärer Schaden durch Anlagenunwirtschaftlichkeit wasserwirtschaftlich (ggf. bergrechtlich) relevante Schäden Flur- und Vegetationsschäden Bauwerksschäden Materialschäden

3 Wie werden typische Schäden/Mängel wahrgenommen: Die Erdwärmeanlage verbraucht zu viel Strom/Energie. Die wirtschaftlichen Erwartungen werden nicht erfüllt. Die Leistungsfähigkeit der Anlage lässt nach.... laufende Störmeldungen und Ausfälle der Wärmepumpenanlage. Die Wärmepumpe ist zu laut. Das Gebäude wird nicht warm. Mein Rasen fängt erst im Juni an grün zu werden. Im Garten bilden sich Krater. Die Erdwärmeleitungen/Anschlüsse sind undicht. Der Schluckbrunnen läuft über. u.s.w. - Die meisten Schäden bleiben verborgen -

4 Ursache: Planungsfehler und/oder Ausführungsfehler

5 Planungsfehler fehlendes Wärme-/ggf. Kälteversorgungskonzept GEOTHERMIE falsche Einschätzung/fehlerhafte Berechnungen der Bedarfsanforderungen des Gebäudes und der Nutzer völlig absurde Vorstellungen vom geothermischen Nutzungspotential unzureichende vorhergehende geologische/hydrogeologische Recherchen fehlende Vorerkundungen (Bohrung, GRT, Temperaturmessungen, Pumpversuch) falsche Dimensionierung der geothermischen Quellenanlage (entscheidende Bemessungsparameter bleiben unberücksichtigt) Nichtbeachtung der Anforderungen an Hydraulik, Energetik, MSR Missachtung wasserrechtlicher und bergrechtlicher Bestimmungen mangelhafte Kommunikation zwischen den Planungsbeteiligten Planung der geothermischen Quellenanlage durch den Fachplaner TGA

6 Ausführungsfehler Missachtung der anerkannten Regelwerke (VDI-Richtlinie, der DVGW W 120, des Standes der Technik) Abweichung von den Planungsvorgaben fehlende bzw. mangelhafte Ringraumabdichtung (Mischungsverhältnis) Verwendung von nicht bestimmungsgemäßen Baustoffen und Materialien Sondendeformationen/-torsionen, Risse, Kerbungen leistungsschwache Bohrgeräte unzureichende Sicherung der hergestellten Anlagenteile horizontale Anbindung nach Tichelmann / fehlender hydraulischer Abgleich Fehldimensionierung von Anbindungsleitungen Vermischung unterschiedlicher Wärmeträgermittel Luft im System Trockenheizen des Gebäudes Fehleinstellungen an der WP (MSR, Heizkurve, Heizstab, Legionellenschaltung)

7 Wie können Fehler vermieden / minimiert werden?

8 Fachplaner Geothermie verantwortlich für: geologische Standortbewertung mit Abschätzung geologischer Risiken Klärung genehmigungsrechtlicher Aspekte Bewertung des geothermischen Standort- und Nutzungspotentials Überprüfung des geplanten Nutzungskonzeptes geothermische Vorerkundungen/Messungen softwarebasierte Dimensionierung der geothermischen Anlage Simulationen der Auswirkungen des Anlagenbetriebes auf den Untergrund fachkonforme Ausführungsplanung Geothermie Projektbegleitung (Kommunikation und Koordination, auch Qualitätssicherung) Abnahme / Schlussprüfung

9 Planungsablauf allgemeines Wärme- und Kälteversorgungskonzept Ermittlung Bedarfsdaten Wärme und Kälte Bewertung Standort und Untergrund Geologische Recherche Dimensionierung Beurteilung Machbarkeit ggf. Wirtschaftlichkeit in Hamburg >30 kw Heizleistung Pilotbohrung, geothermische Messungen, Response Test (GRT) Beantragung Erlaubnis/Anzeige Ausführungsplanung Bauausführung softwarebasierte Dimensionierung in Hamburg >100 kw Heizleistung 3D-FEM-Simulation

10 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - (i.d.r. Zuarbeit durch TGA-Planer/Heizungsfachbetrieb) Heizen und/oder Kühlen Ermittlung der Norm-Heiz/-Kühllast nach DIN EN erforderliche Leistung der (reversiblen) Wärmepumpe(n) in kw Ermittlung/Abschätzung des Jahres-Wärme/-Kältebedarfs Bestimmung der Jahresheizarbeit kwh/a ggf. Verbrauchsdaten bei Bestandsgebäuden Erarbeitung eines Wärme-/Kälte-Versorgungskonzeptes optimal bei größeren Vorhaben: thermische Gebäudesimulation

11 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - Bildquellen: HSW

12 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - monovalent: die Sole-Wasser-Wärmepumpe ist der alleinige Wärmeerzeuger monoenergetisch: wie bivalent, nur der zusätzliche Energieträger nutzt die gleiche Energiequelle wie der Kompressor der Wärmepumpe (i.d.r. dient ein Elektroheizstab zur Abdeckung von Spitzenlasten) bivalent: mindestens ein zusätzlicher Energieträger steht zur Bereitstellung von Heizwärme bereit

13 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - Auslegung monovalent = 100 % der Heizlast (i.d.r. bei kleinen bis mittelgroßen Leistungsanforderungen) Fläche = kwh/a = 100 % des Jahreswärmebedarfs = ca Vollbenutzungsstunden

14 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - Auslegung bivalent parallel auf 50 % der Heizlast Grundlastbetrieb (i.d.r. bei großen Leistungsanforderungen) Fläche = kwh/a = ca. 85 % des Jahreswärmebedarfs = ca Vollbenutzungsstunden

15 Bedarfsdaten/ Versorgungskonzept maßgebliche Planungsparameter - Nutzung der geothermischen Anlage - Auslegung bivalent alternativ auf 50 % der Heizlast (i.d.r. bei Bestandsgebäuden mit höheren Heizungsvorlauftemperaturen) Fläche = kwh/a = ca. 75 % des Jahreswärmebedarfs = ca Vollbenutzungsstunden

16 Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen vereinfachte Methoden der Bemessung nach VDI Richtlinie 4640 (2001) < 30 kw bzw Vbh/a nur Wärmeentzug Tiefe: m nur Doppel-U- und Koaxial-EWS nicht mehr aktueller Stand des Wissens dahingehende Überarbeitung der VDI-Richtlinie 4640 Veröffentlichung Blatt 2 neuer Entwurf ca. I./II. Quartal 2015

17 Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen vereinfachte Methoden der Vorbemessung Quelle:

18 Geothermisches Nutzungspotential von Erdwärmesonden W/m und kwh/(m a) Geothermisches Standortpotential - lokale geologische Schichten / Substrate mit bzw. ohne Grundwasser(-dynamik), - effektive Wärmeleitfähigkeit / spezifische Wärmekapazität - Untergrundtemperatur Konfigurationen der geothermischen Quellenanlage - geplante Anzahl der Erdwärmesonden - Platzdargebot - Anordnung / Abstand untereinander - Tiefe / Tiefenbeschränkung - Ausrichtung: vertikal, horizontal, schräg Ausbauqualität = thermischer Bohrlochwiderstand - Bohrlochdurchmesser - Wärmeübertragertyp / -material - Art und Qualität der Ringraumabdichtung - verwendetes Wärmeträgermittel Anforderungen an die Simulation - Simulationsdauer ( Jahre) - Monat der Inbetriebnahme - definierte / genehmigungsrechtlich beschränkte Temperaturlimits im Solekreis Nutzung der geothermischen Anlage - Heizen und / oder Kühlen - Betriebsweise (monoenergetisch, monovalent, bivalent) - Jahres-Vollbenutzungsstunden (Wärme-, Warmwasser-, Kühlbedarf) - Solevolumenstrom im Anlagenbetrieb

19 Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen analytische bzw. seminumerische Verfahren Beispiele Berechnungsprogramme: Earth Energy Designer, EED 3.16 (Dep. of. Physics Lund University Schweden, BLOCON), analytische Lösung (mittlere Fluidtemperatur) nach g-functions, integrale thermische Leitfähigkeit, EWS - Erdwärmesonden (Huber Energietechnik AG Schweiz), analytische bzw. seminumerische Lösung nach g-functions und FDM, differenzierte thermische Leitfähigkeit, Simulation des Anfahrverhaltens von Wärmepumpen (takten).

20 Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen analytische bzw. seminumerische Verfahren Quelle: HSW, Oberfläche der Software EED 3.16 (Fa. BLOCON)

21 Bildquellen: HSW 3D-FEM-Simulationen

22 Numerische Anlagen- Simulation (z.b. mit FEFLOW) 3D-FEM-Simulation am Beispiel Wohnen in den Wannseegärten (77 Wohnhäuser, 154 EWS, 500 kw summierte Heizleistung) Ausgangssituation Bildquellen: HSW

23 Numerische Anlagen- Simulation (z.b. mit FEFLOW) 3D-FEM-Simulation am Beispiel Wohnen in den Wannseegärten (77 Wohnhäuser, 154 EWS, 500 kw summierte Heizleistung) Optimierung Bildquellen: HSW

24 Ausführungsplanung Ausführungsplanung am Beispiel Neue Gartenstadt (30 EWS, 166 kw Heizleistung, 115 kw Kühlleistung) Bildquellen: HSW

25 Baustelle / Bauablauf

26 15 m x 20 m Baustelleneinrichtung Bohrgestänge 6 x Fertigmischung Bohrlochringraumverfüllung Bohrgerät (6,0 x 2,5 m) 4 x gepackte Erdwärmesonden Schutzrohr 7m³ Container (4,5 x 2,4 m) 7 m³ Container (4,5 x 2,4 m) Einbauhaspel Mischer Tieflader (8,00 x 2,40) LKW (8,00 x 2,40 m)

27 Baustelle Bildquellen: GeoHanse GmbH

28 Baustelle Bildquelle: Geothermics

29 Baustelle Bildquelle: HSW Bildquelle: HSW

30 Baustelle Bildquellen: Geothermics / HSW

31 Baustelle Bildquelle: Geothermics

32 Bauablauf Bildquellen: Celler BB, HSW, Nordmeyer

33 Bauablauf Bildquellen: Wiese BB, GeoHanse GmbH, HSW

34 Bauablauf Bildquellen: Wiese BB, HSW

35 Bauablauf Bildquellen: HSW / Wiese BB

36 Bauablauf Bildquellen: HSW / Celler BB

37 Bauablauf Bildquellen: HSW

38 Bauablauf Bildquellen: HSW

39 Bauablauf Bildquellen: HSW

40 Bauablauf Bildquelle: Weishaupt

41 Vielen Dank! H.S.W. Ingenieurbüro Gesellschaft für Energie und Umwelt mbh Gerhart-Hauptmann-Str. 19 D Rostock Fon: 0049(0)381/ Fax: 0049(0)381/ Internet: info@hsw-rostock.de