Ganzjährige Nutzung von Geothermie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden mit reversibler Wärmepumpe oder Kompressionkältemaschine Dipl.-Ing. (FH) Ruben Pesch BauSIM 2010, Session-05: Simulation Thermischer Systeme I Wien, 22.09.2010

Einführung Simulationsumgebung, -modelle, -grundlagen Anlagenschemata für direkte oder indirekte Rückkühlung großer Kompressionskälteaggregate oder Wärmepumpen (geothermisch, trockener/nasser Kühlturm) Thermodynamische Fragestellung: Um welchen Betrag kann der COP einer Kompressionskältemaschine durch 20 Kelvin Flüssigkeitsunterkühlung verbessert werden? Geothermische Fragestellung: Bleibt das Temperaturniveau des thermisch genutzten Untergrundes bei wechselnden Lasten langzeitstabil?

Simulationsumgebung INSEL Integrated Simulation Environment Language INSEL ist eine graphische Entwicklungsumgebung die blockorientiertes Programmieren ermöglicht Entwickelt wurde die Software zur Simulation Erneuerbarer Energieanlagen Eingebunden sind Blöcke zur Simulation von Meteorologie, elektrischer Systeme wie PV-Anlagen, aber auch solarthermischer Systeme, Geothermieanlagen und Absorbtions- und Kompressionskältemaschinen In INSEL kann auf eine große Wetterdatenbank zur Simulation der meteorologischen Randbedingungen zurückgegriffen werden Entwicklung und Pflege der Software seit 1986

Simulationsumgebung Kombination und Ineinanderschalten verschiedener Modellblöcke ermöglicht die flexible Simulation unterschiedlichster Anlagen (hier einer konventionellen KKM mit geothermischer Rückkühlung)

Simulationsmodell (Geometrie der Berechnungsknoten) x Vertikaler Schnitt durch Sonde (dunkelgrau) und umgebendes Erdreich (weiß) Horizontale Teilung der xy-Ebene der Sonde und des angrenzenden Erdreichs in 8 Sektoren und bis zu 6 ringförmigen Zonen Vertikale Teilung der Sonde in z-Richtung in Schichten äquidistanter Dicke GOK = Geländeoberkante GOK y -6 m z

Simulationsgrundlagen Berechnung der räumlichen und zeitlichen Temperaturänderung des Knotennetzes echt dreidimensional Bilanz der Wärmeströme über die Kontaktflächen der Volumenelemente und Berechnung der zeitlichen Temperaturänderung jedes Knotens

Reversible Wärmepumpe (wassergekühlt) Untersuchte Rückkühlvarianten Gebäudekühlung (solarnext) vereinfachtes Modell direkte Kondensation Normalkälte (Sommer – geringe Last) 6°C Reversible Wärmepumpe (wassergekühlt) 12 °C 35 °C VL ~ 45 °C Flächen-heizung (Winter – hohe Last) 28 °C Rückkühl-variante 3 Rückkühl-variante 2 Rückkühl-variante 1 RL 15-37 °C RL 8-25 °C RL 10-27 °C Kühlturm (trocken) Kühlturm (nass) Sonden Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Typischer Kühllastgang Bürogebäude Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (direkte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (direkte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (direkte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Untersuchte Rückkühlvarianten Gebäudekühlung (solarnext) detailiertes Modell indirekte Kondensation Kühlturm (trocken) Warm-wasser -8 °C . . 46°C 55°C 65°C 14°C Normalkälte (Sommer – geringe Last) . 10 °C 43°C -12°C . Sonden 15°C Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Linksläufige Kreisprozesse im log(p)H-Diagramm Auslegung des Kältekreises mit 20 K Überhitzung ohne Flüssigkeitsunterkühlung Auslegung des Kältekreises mit 20 K Überhitzung mit 20 K Flüssigkeitsunterkühlung Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (indirekte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (indirekte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Ergebnisse Simulation Bürogebäude (indirekte Kondensation) Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Zusammenfassung - Fazit Einfache Modelle mit direkter Kondensation in den Sonden entsprechen nicht den Anforderungen der VDI 4640 (zu hohe Temperaturspreizung) Detailierte Modell mit geringer Spreizung (4 K) des Geothermiekreises entsprechen dem Stand der Technik, da die mittlere Temperatur des Untergrundes tiefer liegt als bei Direktkondensation Thermodynamisch verbessert sich der COP durch Flüssigkeitsunterkühlung von 20 Kelvin um ca. 35% (bezogen auf den unteren COP) Geothermisch kann mit den entwickelten Modellen die Langzeitstabilität des Temperaturniveaus im Sondenfeld weiter untersucht werden (mehrjährige Simulation)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Backup-Folien Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik

Anlagenschema der Gebäudekühllung (vereinfachtes Modell mit direkter Kondensation in der Sonde, trockenem oder nassen Kühlturm) Kühlturm (trocken) Warm-wasser 46°C 55°C 65°C 14°C Normalkälte (Sommer – geringe Last) . 10 °C 43°C Sonden Kühlturm trocken Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen Nachhaltige Energietechnik