Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie Frauke Poblotzki, RE²

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

Historische „geothermische“ Kühlung Erdkeller dienen schon lange zur Lagerung von Eis, Lebensmitteln, Brennstoffen u.ä. Quelle: http://www.eiskeller-brandenburg.de/Kap_6_Lagerkeller.html

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: http://www.erdwaerme-region.de/index.php?function=cms_show&id=66

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

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

Direkte Kühlung Quelle: http://geotechnik-geothermie.de/geothechnik_3TC.jpg

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

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

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: http://danes.de/images/weblog/weblog_image001.png

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

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

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

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

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

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: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

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

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

Quellen Seemann, D. (2010) Kühlung aus der Erdkruste, CleanEnergy Project http://www.akbw.de/service/energieeffizientes-bauen/erneuerbare- energien/geothermie.html http://www.rosenthal-geothermie.de/130.html http://www.geothermie.de/wissenswelt/glossar-lexikon/k/kuehlung-direkte.html http://www.brunnenbau-henningsen.de/kuehlen-mit-erdwaerme- wohnraumkuehlung/ http://www.geoenergie-konzept.de/erdwaerme/wissenswertes/experten- faq/haeufig-gestellte-fragen-zur-erdwaerme-faq.html#c47 http://gangolf-frost.com/html/kuhlung.html

Backup

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: http://www.geothermie.ch/data/images/inhaltsbilder/geothermics_general_info/de_ressourcesGeoth_v1.30_crege.jpg

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: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

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: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

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) 25-250 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) 120-250 m hohe Bohrkosten, nicht überlastbar Gruben-/Tunnelwasser/ Luftvorheizung/-kühlung (horizontal) Wasser, Luft Möglichkeiten lokal begrenzt

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