Oberflächennahe Geothermie -Grundlagen-Anwendungen-Beispiele-

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

3 Einführung 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 Woher stammt die Wärme? Durch Niederschlags- und Sickerwasser sowie bewegtes Grundwasser gelangt Wärme in den oberflächennahen Bereich (bis ca. 20 m). Die Erdwärme bis zu einer Tiefe von 100 Metern resultiert aus der gespeicherten Sonnenenergie und aus der Energie des Erdinneren. Der geothermische Wärmefluss aus dem Erdinneren beträgt nur 0,05-0,12 W/m² und ist im Vergleich zum Wärmefluss durch die Sonneneinstrahlung, welcher W/m² beträgt, mal kleiner und somit relativ gering. Quelle: Oberflächennahe Geothermie; Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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 Das geringe Temperaturniveau von 8 bis 12 °C im Bereich nahe der Oberfläche, setzt den Einsatz einer Wärmepumpe voraus, um die thermische Energie für Heizzwecke und Warmwasser nutzbar zu machen. Ohne diese wäre nur eine Vorerwärmung der Luft oder der Einsatz einer passiven Kühlung möglich. Durch eine Wärmepumpe können Temperaturen zwischen °C erreicht werden. Die Effektivität einer Wärmepumpe nimmt mit der Erhöhung der benötigten Heiztemperatur ab. Wärmepumpen die für die oberflächennahe Geothermie eingesetzt werden, sind sogenannte erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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

6 spezifische Entzugsleistung
Erdreichkollektoren Kunststoffrohre (meist Polyethylen) Tiefe: 1 bis 2,50 m Abstand: 0,3 bis 0,8 m; in Schleifen verlegt  immenser Flächenverbrauch Quelle: Untergrund spezifische Entzugsleistung bei 1800 h bei 2400 h Trockener, nichtbindiger Boden 10 W/m² 8 W/m² Bindiger Boden, feucht 20-30 W/m² 16-24 W/m² Wassergesättigter Sand/Kies 40 W/m² 32 W/m² immenser Flächenverbrauch: das 1- bis 2-fache der zu beheizenden Wohnfläche muss im Boden verlegt werden darauf achten, Kollektoren nicht überbauen Wärme kann den Unterboden nur schlecht erreichen (Sonneneinstrahlung) keine Regeneration des Erdreichs möglich und Permafrostgefahr steigt drastisch durch Verlegung der Kollektoren in einen Grundwasserstrom können Witterungseinflüsse deutlich verringert werden Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

7 spezifische Entzugsleistung
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) Quelle: spez. Entzugsleistung für kleinere Anlagen (Heizleistung von 30 kW) bei reinem Wärmeentzug : Untergrund spezifische Entzugsleistung bei 1800 h bei 2400 h Schlechter Untergrund (trockenes Sediment) (λ < 1,5 W/(mK)) 25 W/m 20 W/m Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment (λ = 1,5–3,0 W/(mK)) 60 W/m 50 W/m Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/(mK)) 84 W/m 70 W/m zu HD-PE (High Density Polyethylen, PE 80/PE 100) : Vorteile : preiswerte Herstellung einfache Verarbeitbarkeit mechanische Haltbarkeit (Druck, Kälteresistenz) gute Langzeitstabilität gegen Soleflüssigkeit relativ geringe hydraulische Widerstand Nachteil geringe Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,4 W/(mK) Für die Speicherung von hohen Temperaturen wird auch Polypropylen (PP) sowie Polybutylen (PB) verwendet. Hohlraum der Bohrung zwischen dem Erdreich und den Rohren  Bohrlochringraum mit Suspension verfüllt Meist wird dafür eine Bentonit-Zement-Sand-Suspension verwendet. (Bentonit, benannt nach der Benton-Formation, Fort Benton / Montana, ist ein Gestein, das eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien ist und als wichtigsten Bestandteil Montmorillonit (60–80 %) enthält, was seine starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit erklärt. Weitere Begleitmineralien sind Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit oder auch Calcit. Es entsteht durch Verwitterung aus vulkanischer Asche.) Zur Leistungssteigerung können aber auch thermisch verbesserte Verfüllbaustoffe, welche eine Wärmeleitfähigkeit von λ ≥2 W/(mK) besitzen, eingesetzt werden. Bei kleineren Anlagen bis zu einer Heizleistung von 30 kW zeigt die Tabelle die möglichen spezifischen Entzugsleistungen für Erdwärmesonden bei reinem Wärmeentzug (Heizung einschl. Warmwasser) und einer Erdwärmesondenlänge zwischen 40 und 100 m. Weitere Bedingungen sind ein Mindestabstand von 5 m bei Erdwärmesondenlängen von 40 bis 50 m und mindestens 6 m bei Erdwärmesondenlängen von >50 bis 100 m. Die Werte sind nicht anwendbar bei einer größeren Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal. Für größere Anlagen und für Anlagen die die vorher genannten Bedingungen nicht erfüllen muss die korrekte Anlagenauslegung durch Berechnungen nachgewiesen werden. Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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 Energiepfähle kommen nur dann zum Einsatz, wenn Gebäudelasten ohnehin mit Pfählen in den Baugrund abgeleitet werden müssen. Quelle: Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

9 offene Systeme Grundwasser ist Wärmeträgermedium
Förderbrunnen entnimmt Grundwasser  Verdampfer der Wärmepumpenanlage  das um 3-4 K abgekühlte Grundwasser wird über Schluckbrunnen wieder reinjeziert Aus einem Förderschacht bzw. Förderbrunnen wird dem oberflächennahen Aquifer (Grundwasserleiter) Grundwasser entnommen und zum Verdampfer der Wärmepumpenanlage geführt. Dabei wird das Grundwasser um etwa 3-4 K abgekühlt und über einen Schluckbrunnen bzw. Sickerschacht abstromig dem gleichen Aquifer wieder zugeführt. Häufig werden mehr Schluckbrunnen als Förderbrunnen gebaut, da das sog. Reinjizieren, also die Rückführung des Grundwassers durch den Schluckbrunnen, schwieriger als die Entnahme ist. Dabei ist ausreichende Brunnenleistung zu beachten, d.h. diese muss bei Dauerbetrieb den Nenndurchfluss der betriebenen Wärmepumpe sicherstellen. „Dabei ist grob mit 0,25 - 0,3 m³/h pro kW Verdampferleistung bei einer Temperaturspreizung von 3 K für die Entnahmeleistung des Brunnens zu rechnen Ein ausreichender Abstand zwischen den Brunnen vermeidet einen hydraulischen und thermischen Kurzschluss. (10-15m) Ein thermischer Kurzschluss tritt auf, wenn das abgekühlte Grundwasser nach dem Reinjizieren in den Schluckbrunnen wieder in Richtung des Förderbrunnen fließt und dort vom Förderbrunnen entnommen wird. Dieser „Kreislauf“ führt zu einer stetigen Verringerung der Grundwassertemperatur. Um die Energiebilanz des Gesamtsystems nicht zu stark zu belasten und um elektrischen Pumpenstrom für die Förderung des Grundwassers zu sparen, sollte auf eine allzu große Tiefe bei der Brunnenanlage verzichtet werden. (4-50m ; Grundwasserstand) Quelle: ausreichender Abstand zwischen den Brunnen vermeidet einen hydraulischen und thermischen Kurzschluss Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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 Der L-EWT kann zur Erwärmung und/oder Kühlung der Außenluft mit evtl. anschließender Konditionierung in einer Raumlufttechnischen Anlage für die Zuluft eines Gebäudes genutzt werden. Die im Erdreich, in üblicherweise 1,5-5 m Tiefe, horizontal verlegten Rohre oder Rohrregister werden mit Außenluft durchströmt, wobei sich die Luft um maximal +20 K erwärmt oder um -12 K abkühlt. Ein L-EWT dämpft vor allem durch die Vorkonditionierung der Außenluft Lastspitzen, welche bei Extremwerten der Außentemperatur auftreten. Jedoch ist diese dämpfende Wirkung abhängig von der Dauer der Lastspitzen. Je kürzer diese dauern, desto stärker ausgeprägt ist dieser positive Effekt. Bei längerem Betrieb des L-EWT nähern sich die Temperaturen von der Rohraußenseite weg immer mehr den Temperaturen der Außenluft an, welche durch die Rohre strömt. Diesen Effekt bezeichnet man auch als thermische Rückwirkung. Durch tageszyklische Schwankungen der Außenlufttemperatur und der thermischen Rückwirkung dieser Schwankungen auf den L-EWT, wird eine Hysterese in dessen Leistungsfähigkeit verursacht. Wenn keine strikten Grenzen für die Temperaturen im Gebäude bestehen, kann ein L-EWT eine Raumkühlung komplett ersetzen. Die Außenluft (AU) wird über ein Ansaugbauwerk, welches gegen die Verunreinigung der Luft einen Filter enthält, angesaugt und durch den im Erdreich verlegten L-EWT zur Lüftungseinheit geführt. Aus energetischen Gründen wird bei sehr geringen Temperaturunterschieden zwischen der Außen- und Erdreichtemperatur die Luft direkt (AU direkt), unter Umgehung des L-EWT der Lüftungseinheit, zugeführt. Zur Kühlung im Sommer wird der WRG-Bypass eingesetzt, um die Wärmerückgewinnung zu umgehen. Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

11 Jahresarbeitszahl AZ = Qnutz / Ea
AZ = Arbeitszahl Qnutz = abgegebene Wärmemenge Ea = aufgenommenen Energie Jahresarbeitszahl =Arbeitszahl über einen Zeitraum von einem Jahr Die Arbeitszahl AZ ist das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge Qnutz zur aufgenommenen Energie Ea für den Betrieb der Wärmepumpe und gegebenenfalls weiterer Verbraucher während einem bestimmten Zeitraum. Zur Ermittlung der Effizienz einer Wärmepumpenanlage wird meist die Jahresarbeitszahl verwendet. Dies ist die Arbeitszahl über einen Zeitraum von einem Jahr. Die Leistungszahl oder der COP (Coefficient of performance) bezeichnet den thermischen Wirkungsgrad von Wärmepumpen in einem bestimmen Betriebspunkt. Sie gibt das Verhältnis der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommen Antriebsleistung (meist elektrisch) an. COP (Coefficient of performance) COP = PW / Pel Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

12 Vergleich JAZ von L-EWT
Gebäude System Jahresarbeitszahl Institutsgebäude Fraunhofer ISE L-EWT 7 Deutsche Bahn AG 32 (Kühlung) 27 (Heizung) Passiv-Bürohaus Lamparter 4,5 (Kühlung) 2,2 (Heizung) SurTec GmbH 5 (Kühlung) 3,45 (Heizung) EnerGon Ulm 27,8 (Kühlung) 19,3 (Heizung) zu Deutsche Bahn AG: Die trotz des zeitgesteuerten Erdwärmetauscherbetriebs erreichten hohen Leistungszahlen sind damit zu erklären, dass der Erdwärmetauscher im Verhältnis zum Volumenstrom sehr groß dimensioniert ist. Zu Energon Ulm: Hohe JAZ: Dies könnte an der hohen Unsicherheit der Ergebnisse durch die sehr geringen Temperauränderungen und Wärmeleistungen liegen. Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

13 Vergleich JAZ weiterer Systeme
Gebäude System Jahresarbeitszahl EnerGon Ulm Erdwärmesonden 2,8-3,8 (ganzes Jahr) 4,6-8,6 (Wintermonate) 1,8 (Sommermonate) bob - Balanced Office Building 14 (Kühlung) 3,9 (Heizung) Gebhard-Müller-Berufsschule Biberach Grundwasserbrunnen 11,07 Werkstätten Lindenberg 5,54 Dienstleistungs- und Verwaltungszentrum Barnim Energiepfähle 3 Feldtests 3,2-4,32 zu bob: Die Kühlenergie wird vollständig durch das Erdsondenfeld bereitgestellt. Damit ist für die Kühlenergieerzeugung einzig der Strombedarf für die Pumpen anzusetzen. Ein zusätzlicher Wärmemengenzähler zur Messung der Kälteenergie wurde 2005 eingebaut, liefert aber bislang keine brauchbaren Messwerte. Aus Feldtests stammende mittlere Jahresarbeitszahlen von mit Wasser betriebenen Erdwärmesonden liegen zwischen 3,2 und 4,32 Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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 Abschließend ist zu sagen, dass die Möglichkeiten das Erdreich als Wärmequelle bzw. –senke zu nutzen vielfältig sind. geothermische Anlagen erreichen hohe Jahresarbeitszahlen, welche durch weitere Verbesserungen noch gesteigert werden können. JAZ Klima-Kälteanlage: 4,16 Der wichtigste Einsatz von geothermischen Anlagen ist jedoch bei der Kühlung, da die Jahresarbeitszahlen im Gegensatz zum Heizen höher sind. Der Grund ist, dass die Temperatur zum Kühlen meistens ausreicht und keine zusätzliche Wärmepumpe nötig ist. Der Einsatz einer geothermischen Anlage ermöglicht den Verzicht auf eine konventionelle Kühlung, was im Hintergrund der sehr aufwändigen und somit ressourcen- und kostenintensiven Kühlung, eine gute Alternative ist. Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

16 Quellen - Abbildungen Folie Quelle 3
Oberflächennahe Geothermie – Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (Seite 4) 6 8 9 10

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