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Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie

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Präsentation zum Thema: "Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie"—  Präsentation transkript:

1 Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie
Frauke Poblotzki, RE²

2 Gliederung Allgemeines zur Kühlung mit Geothermie
Zwei Prinzipien der geothermischen Kühlung Methoden zur Kühlung mit Geothermie Problem & Wirtschaftlichkeit

3 Historische „geothermische“ Kühlung
Erdkeller dienen schon lange zur Lagerung von Eis, Lebensmitteln, Brennstoffen u.ä. Quelle:

4 Geothermische Kühlung
Vorteile Geringere Temperaturdifferenz zur Nutzenergie Regeneration des Erdreiches Erdreich übernimmt Wärme- speicherfunktion Kühlen und Heizen gleichzeitig möglich Kann die Wirtschaftlichkeit einer WP-Heizanlage verbessern Nachteile Hohe Installationskosten vor allem bei Bestandsgebäuden (je nach Kollektorart) Bildquelle:

5 Grundideen Direkte / Aktive Kühlung Indirekte / Passive Kühlung
Kälte wird direkt an den Kühlkreislauf abgegeben Geringer Förderaufwand mittels Pumpen Indirekte / Passive Kühlung Kälte wird maschinell energetisch „aufgewertet“ Zusätzlicher Energieaufwand nötig (meist Strom) Quelle: eigene Darstellung

6 Indirekte / Aktive Kühlung Direkte / Passive Kühlung
Kühlmethoden Kühlmethoden Übergabe der Kälte Indirekte / Aktive Kühlung Direkte / Passive Kühlung Kältemaschine Stille Kühlung (Wasser) Fußbodenheizung Kompressionskältemaschine Kühldecke Ab-/Adsorptionskältemaschine Radiatoren Reversible Wärmepumpe Gas-/ Stromwärmepumpen Dynamische Kühlung (Luft) Ab-/ Adsorptionswärmepumpe Zuluftkühlung Zuluft-konditionierung Die indirekte Kühlung wird zwischen den Kollektor und die direkte Kühlung geschaltet

7 Direkte Kühlung Quelle:

8 Bypass zur direkten Kühlung im Sommer
Direkte Kühlung Sole kühlt Heiz- /Kühelemente im Gebäude Vorteile Nur Umwälzpumpe arbeitet im Kühlbetrieb Nachteile Geringe Kühlleistung Temperaturniveau ausschlaggebend Bypass zur direkten Kühlung im Sommer

9 Direkte Kühlung Stille Kühlung Dynamische Kühlung
Sole kühlt Heizungs- /Kühlwasser oder fließt durch Kühlelemente in den Räumen Gleichmäßige Temperatur- absenkung im Raum Allergikergeeignet (im Gegensatz zu mech. Lüftung) Minimale Fußbodentemperatur muss eingehalten werden Dynamische Kühlung Sole kühlt Wasser/Luft für die Zuluftkühlung Luftkonditionierung möglich (Temperatur und Feuchte) Serverkühlung: Feuchtigkeitsentzug (Korrosionsschutz) Partikeleintrag von außen– Filter nötig Im Wohnraum: Feuchtigkeitsentzug und Zugluft Alternative: Erdwärmetauscher, allerdings keine Feinregulierung möglich

10 Beispiel - Direkte Kühlung Serverraum
Kreisverwaltung des hessischen Vogelsbergkreises Direkte Wasserkühlung (SideCooler) Kühlleistung: 8 / 16 kW Raumtemperaur: 22 °C Bohrtiefe: 90 m Erdreichtemperatur: 14 °C VL: 12-14°C / RL: 20-25°C FreeCooler im Winter (<11°C) Amortisation ca. 4 Jahre Quelle:

11 Indirekte Kühlung Sole nimmt Abwärme der Kälteerzeugung auf Vorteile
Größere Kühlleistungen möglich Nachteile Höhere Investitionskosten – privat nur bedingt lohnenswert

12 Indirekte Kühlung – Kältemaschine
Kühlraum Umgebung Quelle: In Anlehnung an vnai.ch

13 Indirekte Kühlung – Kältemaschine
Kühlraum Umgebung Quelle: In Anlehnung an vnai.ch

14 Indirekte Kühlung – Kältemaschine
Der Carnot-Wirkungsgrad gibt den maximalen Wirungsgrad an Für Kältemaschine und Wärmepumpe ergibt sich daraus die Leistungszahl ɛ TKühl = - 18 °C TSole = 10 °C Tamb = 20 °C Die maximale Leistungszahl ist stark temperatur-abhängig und beeinflusst die Wirksamkeit der Maschine 𝜀 𝑊𝑃 = 𝑄 𝑊 𝑃 𝑒𝑙 = 1 𝜂 𝐶 = 𝑇 𝐻 𝑇 𝐻 − 𝑇 𝑁 𝜀 𝐾𝑀 = 𝑄 𝐾 𝑃 𝑒𝑙 = 1 𝜂 𝐶 −1= 𝑇 𝑁 𝑇 𝐻 − 𝑇 𝑁 𝜀 𝐾𝑀 = −18 °𝐶+273,15 𝐾 10°𝐶 − −18 °𝐶 =9,1 𝜀 𝐾𝑀 = −18 °𝐶+273,15 𝐾 20°𝐶 − −18 °𝐶 =7,2

15 Indirekte Kühlung - Kältemaschine
Sole kühlt Kältemaschine Vorteile Kältemaschine kühlt nicht gegen Umgebungstemperatur, die jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt Rückkühltemperatur unter den sommerlichen Temperaturen, das bedeutet eine bessere Arbeitszahl Nachteile Zusätzliches Gerät nötig

16 Indirekte Kühlung – Reversible WP
Verdichter Wärmeübertrager Warmwasserbereitung Zusätzl. Verbraucher Umschaltventil Ventilator Kondensator Expansionsventil Verdampfer Gebläsekonvektor Heizung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2-in-1-Gerät: Kühlen und Heizen je nach Bedarf Höhere Investitionskosten Quelle:

17 Problem Wirtschaftlichkeit Erwärmen des Untergundes durch Kältenutzung
Freikühlung im Winter Direkte Kühlung durch Kältemaschine unterstützen Führt zu weiterem Erwärmen des Untergrundes da größere Abwärmemenge Wirtschaftlichkeit Investitionskosten: größer als bei Klimaanlagen Betriebskosten: kleiner als bei Klimaanlagen Amortisation: 5-7 Jahre Synergieeffekte: Geothermisches Heizen kann durch integrierte Kühlfunktion wirtschaftlich werden

18 Zusammenfassung - Entscheidungskriterien
Notwendigkeit der Kühlung Bedarf und Lastverlauf (Temperatur und Leistung) Dargebot durch Untergrund (Temperatur und Leistung) Bestehendes Kälteversorgungssystem Wirtschaftlichkeit Die Nutzung in der Klimatisierung von Wohn- und Bürogebäuden, Anwendungen zur Prozesskühlung eher selten

19 Quellen Seemann, D. (2010) Kühlung aus der Erdkruste, CleanEnergy Project energien/geothermie.html wohnraumkuehlung/ faq/haeufig-gestellte-fragen-zur-erdwaerme-faq.html#c47

20 Backup

21 Formen der Wärmenutzung
Technisch möglich, energet. und wirtschaftl. nicht sinnvoll Nutzbar für geothermische Kühlung Entscheidend ist das benötigte Temperaturniveau verglichen mit dem bereitgestellten Temperatuniveau Quelle:

22 Indirekte Kühlung – Reversible WP - Heizen
Verdichter Wärmeübertrager Warmwasserbereitung Zusätzl. Verbraucher Umschaltventil Kondensator Gebläsekonvektor Heizung Expansionsventil Ventilator Verdampfer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Quelle:

23 Indirekte Kühlung – Reversible WP - Kühlen
Verdichter Wärmeübertrager Warmwasserbereitung Zusätzl. Verbraucher Umschaltventil Ventilator Kondensator Expansionsventil Verdampfer Gebläsekonvektor Heizung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Quelle:

24 Varianten für den flachen Untergrund
Tiefe Wärmeträger Bemerkungen Geschlossene Systeme Erdwärmekollektoren (horizontal) 1,2-2,0 m Solea Klimaeinfluss, große Fläche Direktverdampfung (horizontal) Arbeitsmmittel d. WP Material Kupfer, ggf. beschichtet Erdwärmesonden gerammt (vertikal o. schräg) 5-30 m Material Stahl, ggf. Kunststoff gebohrt (vertikal) m Solea, ggf. Wasser Material HDPEb, ideal in Festgestein Wärmeübertragerpfähle („Energiepfähle“; horizontal o.vertikal) Wasser, ggf. Solea Stat. Funktion hat Vorrang, möglichst kein Frost Offene Systeme Grundwasserbrunnen (Dublette) 4-100 m Wasser min. 2 Brunnen (Förder- & Schluckbrunnen), Unterwasserpumpe Sonstige Systeme Koaxialbrunnen (vertikal) m hohe Bohrkosten, nicht überlastbar Gruben-/Tunnelwasser/ Luftvorheizung/-kühlung (horizontal) Wasser, Luft Möglichkeiten lokal begrenzt

25 Indirekte Kühlung – Sorptionskühlung
Antrieb der Kältemaschine mit der Heizenergie des Bodens Vorteile Geringerer Stromverbrauch Nachteile Hohe Antriebstemperaturen nötig (90°C, bei solar geeigneten Sorptionsanlagen ca. 60°C) Sorptionskälte ist eher ungeeignet für die geothermische Kühlung


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