Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie Dipl.Ing. Jan Wrobel Institut für Thermofluiddynamik Technische Thermodynamik Dipl.Ing. Xiaolong Ma Institut für Geotechnik und Baubetrieb 1
Bauschild zum Projekt Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung oberflächennaher Geothermie 2
Standort der Pilotanlage in der HafenCity Hamburg 1 Standort 3
Standort der Pilotanlage in der HafenCity Hamburg 2 Konzept Klimaanlagen 4
Fernwärme Wärmespeicher Solarkollektoren Wärmepumpe 2 Konzept Klimaanlagen PCSSpeicher Flächenkühlung 5
Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Randbedingungen: V = 2000 m³/h (ZL) t AL = 35 C x AL = 14 g/kg t ZL = 20 C x ZL = 8 g/kg Lufttemperatur [ C] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2 3 4 Zuluft 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wassergehalt [g/kg] 7 8 6 1 5 Außenluft Abluft 10 20 40 60 80 100 Relative Feuchte [%] 6
Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen konventionell: Kühlerleistung: 25,3 kw Heizleistung: 5,3 kw Gesamt: 30,6 kw Lufttemperatur [ C] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2 3 4 Nacherwärmer 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wassergehalt [g/kg] 7 6 5 8 1 Konventionell Kühler 10 20 40 60 80 100 Relative Feuchte [%] 7
Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen konventionell: Kühlerleistung: 25,3 kw Heizleistung: 5,3 kw Gesamt: 30,6 kw Sorption: Kühlerleistung: 8,8 kw Heizleistung: 9,6 kw Gesamtleistung: 18,4 kw Lufttemperatur [ C] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Kühler Nacherwärmer 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wassergehalt [g/kg] 7 6 5 Sorption 8 1 10 20 40 60 80 100 Relative Feuchte [%] 8
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Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Erdsonden / Energiepfähle 10
Konzept Klimaanlage 2 Konzept Klimaanlagen Erdsonden / Energiepfähle 11
Konzept Erdwärmeanlage 3 Konzept Erdwärmeanlage Einbringverfahren: Energiepfähle: Rammen Erdwärmesonden: Bohren 12
Energiepfähle 3 Konzept Erdwärmeanlage Wenn Pfähle statisch erforderlich sind, können sie mit geringem Aufwand geothermisch aktiviert werden (Energiepfähle): + Kein zusätzlicher Flächenbedarf + Niedrige Herstellungskosten Die Anordnung ist nicht beliebig 13
Randbedingungen für Erdwärmenutzung in der Hafencity 3 Konzept Erdwärmeanlage Untergrundtemperatur: ab 5 Meter Tiefe 911 C Grundwasser keine nennenswerte Grundwasserströmung Untergrundaufbau nicht tragfähige Auffüllung und Schlick/Kleischichten Thermodynamische Bodeneigenschaften abgeschätzt nach Erfahrungswerten 14
Geplante Erdwärme und Messanlage 3 Konzept Erdwärmeanlage Erdwärmeanlage: 5 Energiepfähle à 14 m 3 Erdwärmesonden à 100 m 15
3 Konzept Erdwärmeanlage Messanlage im Erdreich: 4 Grundwassermessstellen 11 Temperaturmessstellen mit insgesamt 26 Temperaturgeber, bis 29 unter GOK 16 Temperaturgeber in 4 Pfählen 24 Temperaturgeber in 3 Erdwärmesonden 16
Schnitt AA: Temperaturmessgeber 3 Konzept Erdwärmeanlage 17
Schnitt AA: Temperaturmessgeber 3 Konzept Erdwärmeanlage 18
Hydraulikplan 3 Konzept Erdwärmeanlage 19
Hydraulikplan und Steuerungssystem 3 Konzept Erdwärmeanlage 20
4 Numerische Untersuchungen 3D Simulation eines Energiepfahls Pfahllänge: 15 m Querschnitt des Pfahls: 40 40 cm Durchmesser der Wärmetauschrohre: 4 cm Wärmetauschmittel: Wasser 21
4 Numerische Untersuchungen Berechnete Temperaturverteilung im Untergrund über einen Monat Ohne Grundwasserströmung Mit GWStrömung (Grundwasserfließgeschwindigkeit: V a = 2,5 m/d) 22
4 Numerische Untersuchungen Simulation der geplanten Energiepfahlanlage Bodenschichten: 3 1: Auffüllung 2: Hafenschlick 3: Mittelsand Pfahllänge: 18m Modelltiefe: 19 m 23
4 Numerische Untersuchungen Berechnetes Temperaturfeld nach einem Monat GWStrömung Abstandgeschwindigkeit des Grundwassers in der Schicht 3: va = 1 m/d 24
4 Numerische Untersuchungen Ergebnisse der Simulationen Durchschnittliche Kälteleistung für einen kontinuierlichen Betrieb über einen Monat 40 W/m Pfahl Nach VDI 4640: 2070 W/m Erdwärmesonde, gewählt: 30 W/m Erdwärmesonde Kälteleistung der gesamten Erdwärmeanlage beträgt: 5 Energiepfähle à 18 m: 5 12 m 40 W/m = 2400 W 3 Erdwärmesonden à 75 m: 3 73 m 30 W/m = 6500 W P = 2400 W + 6500 W = 9900 W 25
TUHH Bauphase Pfhalherstellung 5 26
TUHH Bauphase 5 27
5 Bauphase 28
5 Bauphase 29
Einrammen der Energiepfähle Auflockerungsbohrung bis 8 unter GOK Abstimmen der Vorgänge mit Nachbarn Rammarbeit begleitende Schwingungsmessungen Beweissicherung 5 Bauphase 30
5 Bauphase 31
Erste Messergebnisse 0 2 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 13.11.2008 05.12.2008 Tiefe unter GOK [m] 4 6 8 10 12 6 Bauphase 14 Tem peratur [ C] 32
Erste Messergebnisse 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 2 13.11.2008 05.12.2008 Tiefe unter GOK [m] 2 4 6 8 10 12 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 6 Bauphase 13.11.2008 05.12.2008 Tiefe unter GOK [m] 4 6 8 10 12 14 Temperatur [ C] 13.11.2008 05.12.2008 Tiefe unter GOK [m] 14 2 4 6 8 10 12 14 Temperatur [ C] 0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 Temperatur [ C] 33
Zeitplan 05.11.2008 Pfahlrammung 6. KW 2009 Erdwärmesondenbohrung, Messbrunnen 9. KW 2009 Einbringen der Temperaturgeber 10.11. KW 2009 Horizontale Verbindung, Sauberkeitsschicht 6 Bauphase 12. KW 2009 ab 13. KW 2009 Aufstellung der Technikund Bürocontainer Testphase der Anlage 34
Validierung und Ertüchtigung von Simulationsmodellen Validierung der geologischen / thermodynamischen Modellkomponenten Gekoppelte Modellierung des Gesamtsystems (Erdwärmeanlage / Feldsimulation und Klimaanlage / Systemsimulation) 7 Forschungsziele Optimierung von Erdwärmeanlagen Optimierungsziel Energiepfähle/Erdwärmesondenanlage Optimierung von thermischen Eigenschaften des Untergrundes Untersuchungen zu Änderungen im Untergrund Kurz und langfristiger Einfluss der Temperaturänderung auf Methangasbildung Langfristige Änderung der Temperatur des Untergrundes inkl. Grundwasser 35
Erarbeitung von Bemessungsverfahren Nutzungsorientierte Bemessungsverfahren für erdberührte Betonbauteile Spitzenleistung / durchschnittliche Leistung Wärmeleistung / Kälteleistung 7 Forschungsziele Überprüfung von Wirtschaftlichkeit Prognose der Effizienz von Erdwärmesonden und Energiepfahlsystemen aus technischen und ökonomischen Gesichtspunkten (auch für größere Gebäude) Überprüfung der Wirtschaftlichkeit der Nutzung oberflächennaher Geothermie (Kühl und Heizbetrieb) 36