Optimierung kleinerer Geothermischer Anlagen Referent: Dr. rer. nat. Erich Mands UBeG GbR - Dr. E. Mands & Sauer Umwelt - Baugrund - Geothermie - Geotechnik Zum Boden 6, D-35580 Wetzlar, Tel.: 06441 212910 Email: e.mands@ubeg.de
2. Oberflächennahe Geothermie Erdgekoppelte Wärmepumpe Wärmepumpe Prinzipschema einer erdgekoppelten Wärmepumpe (seit ca. 1985) Heizung
2. Oberflächennahe Geothermie Erdwärmesonden Einfach-U-Sonde 25-32 mm einfache Koaxialsonde Verteiler im Haus Doppel-U-Sonde komplexe Koaxialsonden
2. Oberflächennahe Geothermie Je nach Beschaffenheit des Untergrunds müssen für die Arbeiten zur Erstellung einer Sonde ca. 1 bis 1.5 Tage angesetzt werden. Die wichtigsten drei Schritte: Bohrarbeiten Einbringen der Sonde Verfüllen des Bohrlochs
Wärmepumpen-Effizienz-Vergleich 7 6.5 6 Wasser W10/W35 5.5 COP 5 4.5 4 Erde BO/W35 3.5 3 2.5 2 Luft A2/W35 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 Quelle: Wärmepumpentest- und Ausbildungszentrum Töss
Aufgabenverteilung Unser Grundsatz zur Optimierung von kleinen Geothermischen Anlagen lautet: Intensive Zusammenarbeit zwischen Haustechnik und Geologie Haustechnik Exakte Bestimmung der tätsächlichen thermischen Verbräuche eines Gebäudes Wärmebedarfsberechnung Betrachtung von Gleichzeitigkeiten im Betrieb Klärung des Nutzerverhaltens Klärung der zur Verfügung stehenden Bohrflächen Klärung der Anbindung an die Technik Geologie Bestimmung der Untergrundparameter Wärmeleitfähigkeit Geologische Verhältnisse Grundwasserverhältnisse Bestimmung der möglichen Bohransatzpunkte Berechnung der Erdwärmesondenlänge bei optimiertem Abstand der Erdwärmesonden zueinander unter Berücksichtigung des Flächenangebotes Angabe der zu erwartenden Bodenklassen (Aussschreibungsrelevant)
Haustechnische Betrachtung Erklärung anhand eines Beispiels Haustechnische Betrachtung Herkömmliche Betrachtung des Wärmebedarfs eines Gebäudes Wärmebedarfsberechnung: 10KW + 3KW Warmwasseraufbereitung = 13 KW bei 2000 Volllaststunden Geologisch / Geothermische Betrachtung Herkömmliche Betrachtung des Untergrundes Entzugsleistung: Paläozoikum (Devon der Mittelgebirge) = 50 W/m Erdwärmesonde Ergebnis Unter Berücksichtigung der Arbeitszahl von 4 ergibt sich eine Gesamterdwärmesondenlänge von 195m = 2 * 97,5m Kosten für Bohrungen bei Ansatz 50 /m 9750
Alternative haustechnische Betrachtung Alternative haustechnische Betrachtung 1. Wärmebedarfsberechnung: 10 KW Beratung des Bauherren einen großen Pufferspeicher einzusetzen und Berücksichtigung der Fußbodenheizung als zusätzliche Puffer. Dadurch wird die Gleichzeitigkeit von Warmwasseraufbereitung und Beheizung vermieden. = 10 KW bei 2600Volllaststunden
Alternative Geothermische Betrachtung a.) Sichtung der Geologischen Karte es handelt sich um devonische Schiefer Wärmeleitfähigkeit = 2,2 W/mK Berechnete Erdwärmesondenlänge 2 x 92m b) es handelt sich um devonische Massenkalke Wärmeleitfähigkeit 2.8 W/mK Berechnete Erdwärmesondenlänge 2 x 77m Einsparung zwischen 10m und 51m = 500-2250 c) alternative zu b anstatt 2 Erdwärmesonden wird nur eine eingesetzt 1 x 135m Einsparung bei 50 /m 3000
2. Beispiel Bauvorhaben Kelsterbach Lage 1.) Gemeinde 65451 Kelsterbach 2.) Straße Am xxxxxxxxxx 7 3.) Flurnummer Xyz Wärmepumpe 1.) Typ Logafix WPS 160 L 2.) Heizleistung in kw 15 3.) Vollaststunden Heizen 2.100 4.) Anzahl Personen/Haushalt 4
Sichtung der Geologischen Karte Geologie (Ausschnitt aus der Geologischen Karte von Hessen 1:25000, Blatt 5917 Kelsterbach, Hessisches Landesamt für Bodenforschung 1980) Kies und Sand Flugsand Auffüllung
Rückschlüsse aus der Geologischen Karte Geologie Am Standort folgen unter den etwa 40 m mächtigen Sanden und Kiesen der pleistozänen Mainablagerungen, der sogenannten Kelsterbacher Terrasse, abwechselnd Sande und Tone des Pliozäns. Diese sind mindestens 110 m mächtig. Dem Tiefenbereich bis 100m können entsprechend vorliegenden Erfahrungswerten und einschlägigen Literaturdaten die folgenden Untergrundparameter zugeordnet werden: Wärmeleitfähigkeit: 2,0 W/m/K Volumetrische Wärmekapazität: 2,3 MJ/m³/K Mittlere Oberflächentemperatur: 8,9 C Geothermischer Wärmefluss: 0,07 W/m²
Empfehlung Empfohlenes Bohrverfahren Spülbohrung mit Schutzverrohrung Anzahl und Tiefe der Erdwärmesonden 2 x 118 m Doppel-U-Sonde, 40 mm, Abstand: 8 m oder 3 x 87 m Doppel-U-Sonde, 32mm, Abstand: 8 m Verpressung Thermisch verbessert mit λ=1,6 W/(mK) (z. Bsp. StüwaTherm) Mischungsverhältnis Frostschutz / Wasser in der Sole 25% Frostschutz (Ethylenglykol, z.b. Tyfocor)
Darstellung der zu erwartenden Temperaturen Voraussichtliche Temperaturentwicklung des Wärmeträgerfluids (Sondenmitte) im 25. Betriebsjahr F luid te mp erature [ºC ] 8 6 4 2 0-2 -4 JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Year 25 Base load Peak cool load Peak heat load Voraussichtliche Temperaturentwicklung des Wärmeträgerfluids (Sondenmitte) über 25 Betriebsjahre A nnua l m in-m ax flu id te m p. [ºC] 10 8 6 4 2 0-2 -4 5 10 Year 15 20 25 Peak min Peak max Base min Base max
Sonstiges Entzugsleistung Ca. 47 W/m bei 2 x 118 m bzw. ca. 42 W/m bei 3 x 87 m Bohrlochdurchmesser: mind. 160mm Der Standort liegt gemäß der vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie herausgegebenen Karten zur Standortbeurteilung für die Errichtung von Erdwärmesonden in einem wasserwirtschaftlich und hydrogeologisch günstigen Gebiet. Sonstige zu beachtende Gegebenheiten Genehmigungsbehörde: Kreisausschuss des Kreises Groß-Gerau Wasser- und Bodenschutz Wilhelm-Seipp-Str. 4 64521 Groß-Gerau Frau Greim Tel. 06152-989-589 Behördliche Einschränkungen bzgl. Bohrtiefe und Einsatz von Frostschutzmittel bestehen lt. telefonischer Auskunft der Genehmigungsbehörde, Frau Greim nicht.
Vergleich Herkömmliche Auslegung 15 KW bei Arbeitszahl 4 = 11,25 KW 11,25 KW bei 50 W/m Entzugsleistung = 225m im Regelfall wird nun 3 x 75m gebohrt. Berechnete Auslegung 2 x 118 = 236 3 x 87 = 267 Einsparung keine Aber: Anlagensicherheit Ausschreibungsgrundlage Ansprechpartner bei Behörde Sicherheit für Installateur
Optimierung durch exakte Eingangswerte Nr. Lithologie geschätzt λ gemessen λ 1 Kalkstein 2,4 W/m/K 2,7 W/m/K 2 Sand 2,4 W/m/K 3,1 W/m/K 3 Mergel ( Emschermergel ) 2,1 W/m/K 2,0 W/m/K 4 Sandstein 2,3 W/m/K 2,3 W/m/K 5 Sand und Ton 2,3 W/m/K 2,8 W/m/K 6 Sand und Ton 2,3 W/mK 2,3 W/m/K 7 Sand und Ton 2,3 W/mK 2,2 W/m/K 8 Mergel, tonig 2,0 W/m/k 2,5 W/m/K 9 Sand 2,4 W/m/k 2,5 W/m/K 9 Sandstein 2,3 W/mK 3,2 W/mK 10 Sand, schluffig 2,4 W/mK 3,4 W/m/K Schätzwerte häufig zu niedrig
air bleed valve thermostat Block A outflow GeRT Loop 1 circulation pump temperature sensor inflow GeRT filling tube air bleed valve inflow GeRT Block B manometer inflow GeRT outflow GeRT Loop 2 pressure control valve Block C temperature sensor outflow GeRT multidata sensor and instrument 4KW 2KW Block D air bleed valve heating elements and inflow into circulation pump outflow from circulation pump and from GeRT paddle flow switch expansion vessel 3 heating elements 2KW 3 KW 4 KW inflow to GeRT and to the heating elements
20 Stufenweise Auswertung Temperatur [ C] 18 16 14 12 Ohne automatisierte Auswertung und Kontrolle des Endergebnisses mit der stufenweisen Auswertung, kann das Ergebnis stark abweichen Temperatur Lambda = 2,0 Lambda = 2,9 10-20000 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 6 5 4 3 2 1 0 40.000 60.000 Zeit [sec] Step-wise Evaluation 80.000 100.000 Time [Seconds] 120.000 140.000 160.000
zukünftige langfristige Optimierung Gilt für Anlagen ab 3 Erdwärmesonden Durchführung von Response Tests zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Vorgehensweise: 1) Erste Bohrung wird ausgeführt 2) Am offenen Bohrloch (aber in der Erdwärmesonde) wird die Temperatur bestimmt (Temp-Logger) 3) Bohrung wird verpresst 4) Response Test wird angeschlossen 5) Daten werden online zum Auslegungsbüro übertragen 6) 2. Bohrung wird ausgeführt 7) Daten werden am Morgen des folgenden Tages ausgewertet und die Auslegung optimiert 8) Alle so gewonnenen Daten werden in Datenbank abgelegt und dienen als Grundlage für zukünftige Projekte
Voraussichtliche Kosten für diese Planung 1.) Vorauslegung 250 2.) Response Test zwischen 1000-1500 3.) Auslegung 150 4.) Summe: 1400-1900 thermischer Bohrlochwiderstand (K/(W/m)) 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 konventionelle Verfüllung thermisch verbesserte Verfüllung 0,00 100 120 140 160 180 200 220 Bohrlochdurchmesser (mm) Voraussetzung ist eine Standardisierung des Prozesse: Alle Grunddaten der Wärmepumpen müssen erfasst sein. Der Response Test muß innerhalb einer Stunde angeschlossen sein und störungsfrei arbeiten. Die Daten müssen online ausgewertet werden und die Ergebnisse online ans Bohrteam geliefert werden können.
Zusammenfassung Der rasant wachsende Markt benötigt neue Tools, um eine größere Sicherheit und Genauigkeit in der Planung zu erreichen. Dies läßt sich kostengünstig durch Standardisierung der Prozesse realisieren. Durch die Zusammenarbeit zwischen Buderus und unserem Büro ist ein ersten Schritt in diese Richtung erfolgt.