Nutzung von Erdwärmekollektoren Quelle: dwpp.de Geothermie SS 2012 Sebastian Degener, Tim Kirschnick

Agenda Energienutzung Bauarten Einflussfaktoren Dimensionierung Zusammenfassung Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Energienutzung Heizwärme Warmwasseraufbereitung Wohnraumkühlung Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

1 - 5 m Solare Strahlungsenergie 27.03.2017 Quelle: openpr.de, geändert Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Jahrestemperaturverlauf im Erdreich in 5 m Tiefe 8-12 °C Quelle: http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Fußbodenheizung TVorlauf 35 °C Warmwasser TVorlauf 55 °C Heizen Quelle: energieberatung-valtwies.de, geändert Fussboden-/Platten-/Radiatorheizung Heizen und Warmwasser Erdreich- Wärmetauscher Wärmepumpe/ Wärmepumpe- Wärmetauscher ° C Fußbodenheizung TVorlauf 35 °C Warmwasser TVorlauf 55 °C Quelle: Wärmepumpentestzentrum Schweiz, Stand 8.5.07 Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Spez. Wärmeentzugsleistung Heizen/Warmwasser Quelle: http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Kühlen aktive Kühlung oder passive Kühlung Kühlen Quelle: energieberatung-valtwies.de, geändert Fussboden-/Platten-/Radiatorkühlung aktive Kühlung oder passive Kühlung Erdreich- Wärmetauscher Wärmepumpe- Wärmetauscher Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Kollektorbauarten Flächenkollektoren Grabenkollektoren Erdwärmekörbe Spiralkollektoren Quelle: simaka.de, geändert Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

150 m2-200 m2 100 m2 Flächeneffizienz Flächeneffizienz Quelle: openpr.de, geändert 100 m2 Flächeneffizienz mittlere Leistungsabgabe W/m2 Windkraftanlage1: 100-150 Erdwärmekollektor2: 35 Photovoltaik1: 17 http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11010700/did-dokumente/Windenergie_Vortrag_Prof_Peinke__Uni-Wue-Lehrerfortbildung_04-03-09.pdf http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf Quelle: Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Sonder-bauformen mit geringem Flächen-verbrauch! Kompaktabsorber Quelle: Berning, Fa. Elektro-Schulten Sonder-bauformen mit geringem Flächen-verbrauch! Quelle: www.betatherm.info Quelle: http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/ Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf Spiralkollektoren Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Wichtige Größen Einflussfaktoren Spezifische Wärmekapazität cp [J/(m3K)] Wärmeleitfähigkeit λ [W/(mK)]  Hohe Wassersättigung (Bodenart, Niederschlagsmengen) Klimaregion Geometrie (Rohrdurchmesser, Verlegungstiefe, Kollektorart) möglichst hoch Kennwert Spezifische Entzugsleistung [W/m2] ([W/m], [W]) Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Kennwerte verschiedener Gesteine Quelle: http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/ Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Bodenbeschaffenheit Quelle: http://bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Auslegung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Eisbildung um die Kollektorrohre im Winter Erstarrungswärme kann genutzt werden Wärmeleitfähigkeit wird erhöht Ausbreitung des Eises nach oben nur bis zur natürlichen Eisschicht (Frostgrenze)  sonst Hebungen/Senkungen des Erdreichs aufgrund von Spannungen Eisradien der einzelnen Rohre sollten im Frühjahr nicht mehr überlappen  sonst Anstauung des Schmelzwassers und des Niederschlagswassers Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Temperaturverläufe, Eisbildung Quelle: http://www.umweltdaten.landsh.de/nuis/upool/ gesamt/geologie/geothermie_2011.pdf Quelle: http://bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/ Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Auslegung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Abhängigkeit der max. Entzugsleistung Quelle: http://bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/ Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Auslegung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Abhängigkeit der max. Entzugsleistung (Erklärung) Abhängig von Bodenart Bei kleinen Rohrabständen ist die Überlappung der Eisradien im Frühjahr beschränkendes Kriterium Eisausbildung bis zur natürlichen Frostgrenze kann beschränkende Größe sein Bei größeren Rohrabständen ist die minimale Soletemperatur entscheidend (Einfriergefahr der Wärmepumpe WP) Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Abhängigkeit der max. Entzugsleistung (Erklärung) Bei großen Rohrabständen sinkt die Entzugsleistung pro Fläche (weniger Kollektorrohre pro Fläche, Fläche wird nicht optimal genutzt) Größere Rohrradien bedeuten einen höheren Solestrom und eine größere Rohroberfläche für besseren Wärmeentzug Einfluss der Turbulenz bei größeren Rohrradien erhöht Wärmeübertrag an Sole Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Dimensionierung 27.03.2017 Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick Quelle: http://www.umweltdaten.landsh.de/nuis/upool/gesamt/geologie/geothermie_2011.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Maximale Entzugsleistung (Tabellen) Erdwärmekorb Durchmesser 1,3 m, Höhe 1,3 m, Korbabstände 4 m, max. Entzugsleistung in W Kompaktabsorber Bezogen auf erforderliche Grundfläche , Mattenbreite 2 m, optimierter Mattenabstand Quelle: http://bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/ Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Auslegung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

Zusammenfassung Breite Einsatzfähigkeit Hohe Zuverlässigkeit Geringer Planungs- und Installationsaufwand Geringe Investitionskosten (ca. 300 €/kW Heizleistung ohne WP) Hoher Flächenbedarf (1 – 2 fach) Effiziente Sonderbauformen Mittlere Jahresarbeitszahl bis 4 Spez. Entzugsleistung 10 – 40 W/m2 Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017

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Quellennachweis 27.03.2017 Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick http://www.dwpp.de/ http://www.openpr.de/ http://www.simaka.de/ http://betatherm.de/ http://www.energieberatung-valtwies.de/ http://www.erdwaerme-heizung.biz http://www.bauen.de/ratgeber/neue-energien-umwelt/erdwaerme-geothermie/erdwaermepumpen/artikel/artikel/erdwaermekollektoren-wartungsarm-oekologisch-heizen.html http://www.freisolar.de/cms/website.php?id=/de/index/erdwaerme-kollektoren.htm&sid=4iemgitfmri9v7munr67n504r3 http://www.enregis.de/auftritt/daten/pdf/Einbauanleitung_Spirocollect_2.pdf http://www.umweltdaten.landsh.de/nuis/upool/gesamt/geologie/geothermie_2011.pdf http://www2.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/9077/Leitfaden_Erdwaermekollektoren.pdf http://www.stmwivt.bayern.de/fileadmin/Web-Dateien/Dokumente/energie-und-rohstoffe/Geothermie.pdf http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11010700/did-dokumente/Windenergie_Vortrag_Prof_Peinke__Uni-Wue-Lehrerfortbildung_04-03-09.pdf http://bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Auslegung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf http://www.umweltbildung-bayern.de/uploads/media/uw_107_oberflaechennahe_geothermie_03.pdf http://www.lfu.bayern.de/veranstaltungen/doc/ausstellungsbanner_geothermie.pdf http://www.geothermie.de/fileadmin/useruploads/wissenswelt/gesetze/Leitfaden/Hessen_erdwaerme.pdf http://www.energieeffizient-sanieren.org/data/Bericht-Erdwaermekollektor.pdf Stober und Bucher 2012: Stober, Ingrid; Bucher, Kurt: Geothermie. Springer Berlin Heidelberg. 2012 Erdwärmekollektoren © Degener, Kirschnick 27.03.2017