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Oberflächennahe Geothermie -Grundlagen-Anwendungen-Beispiele- ein Vortrag von Christoph Dittmer Geothermie Kolloquium SoSe 2013 Prof. Dr. rer. nat. Manfred.

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1 Oberflächennahe Geothermie -Grundlagen-Anwendungen-Beispiele- ein Vortrag von Christoph Dittmer Geothermie Kolloquium SoSe 2013 Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch

2 Gliederung Einführung Nutzung der Erdwärme Systeme geschlossene Systeme offene Systeme Luft-Erdwärmetauscher Jahresarbeitszahl Erklärung Vergleich verschiedener Systeme Fazit Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

3 Einführung Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit Erdwärme aus Tiefen von 1,20 m bis 400 m jahreszeitliche Schwankungen bis zu einer Tiefe von ca. 20 Metern Mit zunehmender Tiefe nimmt die Temperatur ca. 3 Kelvin pro 100 Meter zu Einfluss von Niederschlags- und Sickerwasser sowie bewegtes Grundwasser (bis 20m) sowie Sonnenenergie und der Energie des Erdinneren auf die Erdreichtemperatur Quelle: Oberflächennahe Geothermie; Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

4 Nutzung der Erdwärme geringes Temperaturniveau von 8 bis 12 °C im Bereich nahe der Oberfläche Einsatz einer Wärmepumpe Ohne Wärmepumpe: Vorerwärmung der Luft oder passive Kühlung verschiedene Systeme zur Nutzung der Erdwärme geschlossene Systeme offene Systeme Luft-Erdwärmetauscher Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

5 geschlossene Systeme horizontale Systeme Erdreichkollektoren vertikale Systeme Erdwärmesonden Energiepfähle Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

6 Erdreichkollektoren Kunststoffrohre (meist Polyethylen) Tiefe: 1 bis 2,50 m Abstand: 0,3 bis 0,8 m; in Schleifen verlegt immenser Flächenverbrauch Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit Untergrundspezifische Entzugsleistung bei 1800 hbei 2400 h Trockener, nichtbindiger Boden 10 W/m²8 W/m² Bindiger Boden, feucht20-30 W/m²16-24 W/m² Wassergesättigter Sand/Kies40 W/m²32 W/m² Quelle: sonne.de/produkte/waermepumpe_erdreichkollektor.jpg

7 Erdwärmesonden Doppel-U-Sonden aus HD-PE (D=25, 32, 40 mm) werden in vertikale oder geneigte Bohrungen (D= 120 bis 200mm) eingebracht Bohrlochringraum mit Suspension verfüllt (Bentonit-Zement-Sand-Suspension) Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit Untergrundspezifische Entzugsleistung bei 1800 hbei 2400 h Schlechter Untergrund (trockenes Sediment) (λ < 1,5 W/(mK)) 25 W/m20 W/m Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment (λ = 1,5–3,0 W/(mK)) 60 W/m50 W/m Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/(mK)) 84 W/m70 W/m Quelle: infos.de/media/erdwaermesonden.jpg spez. Entzugsleistung für kleinere Anlagen (Heizleistung von 30 kW) bei reinem Wärmeentzug :

8 Energiepfähle dienen in erster Linie der Statik des Gebäudes ( Einsatz nur im positiven Temperaturbereich) Ortbetonpfahl oder Betonfertigpfahl Wärmeausbeute abhängig von: Anordnung der Pfähle Pfahltiefe Pfahldurchmesser Art der Pfähle Übertragung der Wärme durch Kunststoffrohre Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit Quelle: ogli/EE_web/Geothermie- Dateien/image003.jpg

9 offene Systeme Grundwasser ist Wärmeträgermedium Förderbrunnen entnimmt Grundwasser Verdampfer der Wärmepumpenanlage das um 3-4 K abgekühlte Grundwasser wird über Schluckbrunnen wieder reinjeziert Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit Quelle: Brunnen_Offenes%20System.jpg ausreichender Abstand zwischen den Brunnen vermeidet einen hydraulischen und thermischen Kurzschluss

10 Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) Erwärmung und/oder Kühlung der Außenluft für die Zuluft eines Gebäudes Rohre in 1,5 bis 5 m Tiefe dämpft Lastspitzen Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

11 Jahresarbeitszahl AZ = Q nutz / E a AZ = Arbeitszahl Q nutz = abgegebene Wärmemenge E a = aufgenommenen Energie Jahresarbeitszahl =Arbeitszahl über einen Zeitraum von einem Jahr Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

12 Vergleich JAZ von L-EWT Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit GebäudeSystemJahresarbeitszahl Institutsgebäude Fraunhofer ISE L-EWT7 Deutsche Bahn AGL-EWT 32 (Kühlung) 27 (Heizung) Passiv-Bürohaus Lamparter L-EWT4,5 (Kühlung) 2,2 (Heizung) SurTec GmbHL-EWT 5 (Kühlung) 3,45 (Heizung) EnerGon UlmL-EWT 27,8 (Kühlung) 19,3 (Heizung)

13 Vergleich JAZ weiterer Systeme Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit GebäudeSystemJahresarbeitszahl EnerGon UlmErdwärmesonden 2,8-3,8 (ganzes Jahr) 4,6-8,6 (Wintermonate) 1,8 (Sommermonate) bob - Balanced Office BuildingErdwärmesonden 14 (Kühlung) 3,9 (Heizung) Gebhard-Müller-Berufsschule Biberach Grundwasserbrunnen11,07 Werkstätten LindenbergGrundwasserbrunnen5,54 Dienstleistungs- und Verwaltungszentrum Barnim Energiepfähle3 FeldtestsErdwärmesonden3,2-4,32

14 Fazit vielfältige Möglichkeiten der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle bzw. –senke Wahl des Systems von vielen Faktoren abhängig teils hohe Jahresarbeitszahlen höhere Jahresarbeitszahlen bei der Kühlung, da die Temperatur meist ausreicht und keine zusätzliche Wärmepumpe notwendig ist Verzicht auf eine konventionelle Kühlung möglich Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 15

16 Quellen - Abbildungen FolieQuelle 3Oberflächennahe Geothermie – Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (Seite 4) Dateien/image003.jpg 10 Brunnen_Offenes%20System.jpg

17 Quellen Bußmann, Werner: Geothermie - Energie aus dem Innern der Erde, Stuttgart 2012 Kempf, Heike; Schmitt, Peter: Erneuerbare Energien. Technologien - Anforderungen - Projektbeispiele, Kissing 2011 Tholen, Michael; Walker-Hertkorn, Simone: Arbeitshilfen Geothermie. Grundlagen für oberflächennahe Erdwärmesondenbohrungen, Bonn Wirtschafts- und Verl.-Ges. Gas und Wasser, 2008 Verein Deutscher Ingenieure: Thermische Nutzung des Untergrundes. Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. VDI 4640 Blatt 2 Koenigsdorff, Roland: Oberflächennahe Geothermie für Gebäude Grundlagen und Anwendungen zukunftsfähiger Heizung und Kühlung, Stuttgart 2011 Steinbeis-Transferzentrum Energietechnik Ulm: Passivhaus ENERGON Ulm. Bürogebäude im Passivhaus- Standard. Schlussbericht Monitoring Universität Karlsruhe: DB Hamm. Niedrigenergie-Verwaltungsgebäude in Hamm (Westfalen) für die Deutsche Bahn AG -Geschäftsbereich Netz Hochschule Biberach: Wissenschaftliche Begleitung und messtechnische Evaluierung des Neubaus der Gebhard- Müller-Schule des Kreisberufsschulzentrums Biberach. Abschlussbericht zum Vorhaben im Förderprogramm "Solar optimiertes Bauen". Teilkonzept 3: Solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf Fraunhofer ISE - Gruppe Solares Bauen: Abschlussbericht Monitoring I: Verwaltungsgebäude DB Netz AG Hamm energiesparhaus.at: Fachbegriffe: Arbeitszahl, Jahresarbeitszahl, Leistungszahl, COP: ISE.pdf _k.pdf k.pdf pdf ndenberg_Teil_II.pdf


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