Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie Pilotanlage Hafencity Hamburg Gerhard Schmitz Technische Thermodynamik Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Universität Hamburg-Harburg 1
Entfeuchtungsbedarf Klimatisieren bedeutet: Belüften, Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten Wassergehalt der Außenluft im Monat August in Hamburg 2
Prinzip Sorptionsgestützte Klimaanlage Erhitzer Wärmerückgewinner Fortluft Außenluft Abluft Zuluft Sorptionsrotor Kühler 3
Sorptionsmaterial 4
Einbindung regenerative Energien Erdreich Wärmeübertrager Sorptionsgestützte Klimaanlage mit Erdreichwärmeübertrager Wärmerückgewinner Erhitzer Fortluft Außenluft Abluft Zuluft Sorptionsrotor Kühler Solarkollektor 5
Zustände im h-x-diagramm Niedertemperaturwärme, z.b. Fernwärme bzw. Solarkollektor 8 7 6 5 1 2 3 4 Lufttemperatur [ C] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 7 2 8 6 1 3 5 4 KONVENTIONELL 10 20 40 60 80 100 Relative Feuchte [%] Erdreich Wärmeübertrager 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wassergehalt [g/kg] 6
Bisher ausgeführte Anlagen Grundfläche ca. 650 m² Gesamtfläche: ca. 1900 m² Klimatisierte Fläche:ca.1300m² Frischluftduchsatz: 2500 m³/h Heizleistung: 82,5 KW Brennwertkessel 70 kw BHKW 4,7 kwel/12,5 kw Kälteleistung: 30 kw, 8 Erdkältesonden je 98 m tief Bürogebäude in Hamburg-Stellingen Entwicklung eines Kompaktmoduls mit Solarbeheizung Anlage für ein Bürogebäude in Bad Oeyenhausen ohne Erdreichkühlung Demonstrationsanlage in Shanghai, Tongji-University Einfamilienhaus in Rendburg 7
Aktuelles Projekt Hafencity Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie Fachübergreifendes Forschungsvorhaben zwischen Geotechnik (Grabe) und Technischer Thermodynamik (Schmitz) Nachweis der Möglichkeit einer unter Berücksichtigung aller Energie- und Stoffströme ökologisch vertretbaren Klimatisierung (Belüften, Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten) von Gebäuden 8
Hafencity Hamburg 9
Standort der Anlage 10
Eckdaten Grundstück: Fläche: 460 m², Büroraum: Grundfläche : 54 m², Höhe: 2,5m Solaranlage: Fläche: 20 m², Winkel: 45 Erdsonden: 3 * 75 m Energiepfähle: 5 * 14m 11
Anlagenkonzept Solarthermie HEX warm Kältespeicher Frischluft Abluft Flächenkühl/ -heizsystem Fernwärme Wärmespeicher Wärmepumpe Sorptionsrad Wärmerückgewinnung HEX kalt Oberflächennahe Geothermie (3 Erdsonden + 5 Energiepfähle) 12
Bau und Ausführung 13
Erste Messergebnisse 14
Erdreichtemperaturen HH-Stellingen Erdreichtemperaturen bei der Anlage in Hamburg-Stellingen 20 (60 m) Erdrecihtemperatur [ C] 15 10 Temp. Erdreich ungestört (April 2002) (20 m) 5 Ende Kühlperiode 0 01/07/02 01/08/02 01/09/02 01/10/02 01/11/02 01/12/02 01/01/03 Datum 15
Energiebilanz Hamburg-Stellingen Energiebedarf konventionell sorptionsgestützt für eine Klimatisierungsperiode Heizbedarf 2,464 5,309 sorptionsgest. Konventionell Kältebedarf 2,723 8,962 60 % Einsparung tatsächlich: 3,318 Primärenergiebedarf 10,206 60 % Einsparung 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 Energiebedarf in kwh Annahmen: COP=3, η CHP,el =25%, η CHP,th =64%, η el =40% 16
Primärenergiebedarf HH-Stellingen Einfluss der Klimatisierung auf Primärenergiebedarf 30 +15,7% +14,1% +28,3% Primärenergiebedarf [kwh/m³a] 25 20 15 10 5 21,2 24,5 20,5 24,2 27,2 Messwerte -2,9% Grenzwert EnEV 2002: 21,39 kwh/m³a 0 Demonstrationsanlage ohne BHKW ohne Klimaanlage konventionelle RLT-Anlage konventionelle RLT-Anlage ohne BHKW 17
Pumpen und Speicher 18
Bisherige Erfahrungen Sorptionsgestützte Klimatisierung mit Geothermie Energiebedarf: Primärenergiebedarf niedriger als bei einem konventionellen "Nur-Luft" System Verlagerung des Energiebedarfs von elektrischer zu thermischer Energie Effizientere Nutzung von Wärmesenken oberhalb der Taupunkttemperatur Wirtschaftlichkeit Betriebs- und Investitionskosten werden durch Sorptionstechnik gesenkt Nutzung der Fußbodenheizung zur Kühlung verringert Investitionskosten Aber: lange Amortisationszeiten für Erdwärmesonden Bisherige Betriebserfahrungen Keine Beschwerden der Nutzer über zu kalte Füße im Sommer Feuchtemessung schwierig, Messverfahren wichtig Undichtigkeiten reduzieren Entfeuchtung, daher Position der Ventilatoren für optimale Druckverhältnisse wichtig Bei sehr kompakter Bauweise ineffiziente Wärmeübertragung und relativ hohe Parasitenergien 19
Kontakt jan.wrobel@tuhh.de schmitz@tuhh.de 20