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

Oberflächennahe Geothermie-Grundlagen-Anwendungen-Beispiele-

ein Vortrag von Christoph Dittmer

Geothermie Kolloquium SoSe 2013

Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch

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Gliederung• Einführung• Nutzung der Erdwärme• Systeme

▫geschlossene Systeme ▫offene Systeme ▫Luft-Erdwärmetauscher

• Jahresarbeitszahl▫Erklärung▫Vergleich verschiedener Systeme

• Fazit

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Einführung - Nutzung - geschl. Systeme - offene Systeme - L-EWT - JAZ - Fazit

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Einführung

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• 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

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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

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geschlossene Systeme•horizontale Systeme

▫Erdreichkollektoren•vertikale Systeme

▫Erdwärmesonden▫Energiepfähle

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Erdreichkollektoren•Kunststoffrohre (meist Polyethylen)•Tiefe: 1 bis 2,50 m•Abstand: 0,3 bis 0,8 m; in Schleifen verlegt immenser Flächenverbrauch

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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

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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)

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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

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spez. Entzugsleistung für kleinere Anlagen (Heizleistung von 30 kW) bei reinem Wärmeentzug :

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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 Wärmedurch Kunststoffrohre

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Quelle: http://homepage.hispeed.ch/heiner.brogli/EE_web/Geothermie-Dateien/image003.jpg

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offene Systeme• Grundwasser ist

Wärmeträgermedium• Förderbrunnen

entnimmt Grundwasser Verdampfer der Wärmepumpenanlage das um 3-4 K abgekühlte Grundwasser wird über Schluckbrunnen wieder reinjeziert

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Quelle: http://www.geothermie4u.de/images/Bild%202_GW-Brunnen_Offenes%20System.jpg

• ausreichender Abstand zwischen den Brunnen vermeidet einen hydraulischen und thermischen Kurzschluss

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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

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Jahresarbeitszahl•AZ = Qnutz / Ea

▫AZ = Arbeitszahl▫Qnutz = abgegebene Wärmemenge

▫Ea = aufgenommenen Energie

•Jahresarbeitszahl =Arbeitszahl über einen Zeitraum von einem Jahr

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Vergleich JAZ von L-EWT

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Gebäude System Jahresarbeitszahl

Institutsgebäude Fraunhofer ISE L-EWT 7

Deutsche Bahn AG L-EWT 32 (Kühlung)27 (Heizung)

Passiv-Bürohaus Lamparter

L-EWT 4,5 (Kühlung)2,2 (Heizung)

SurTec GmbH L-EWT 5 (Kühlung)3,45 (Heizung)

EnerGon Ulm L-EWT 27,8 (Kühlung)19,3 (Heizung)

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Vergleich JAZ weiterer Systeme

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Gebäude System Jahresarbeitszahl

EnerGon Ulm Erdwärmesonden2,8-3,8 (ganzes Jahr)4,6-8,6 (Wintermonate)1,8 (Sommermonate)

bob - Balanced Office Building Erdwärmesonden 14 (Kühlung)

3,9 (Heizung)

Gebhard-Müller-Berufsschule Biberach Grundwasserbrunnen 11,07

Werkstätten Lindenberg Grundwasserbrunnen 5,54

Dienstleistungs- und Verwaltungszentrum Barnim

Energiepfähle 3

Feldtests Erdwärmesonden 3,2-4,32

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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

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Quellen - Abbildungen

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Folie Quelle

3 Oberflächennahe Geothermie – Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz http://www.stmwivt.bayern.de/uploads/media/Geothermie.pdf (Seite 4)

6 http://www.koeln-sonne.de/produkte/waermepumpe_erdreichkollektor.jpg

8 http://www.erdwaerme-infos.de/media/erdwaermesonden.jpg

9 http://homepage.hispeed.ch/heiner.brogli/EE_web/Geothermie-Dateien/image003.jpg

10 http://www.geothermie4u.de/images/Bild%202_GW-Brunnen_Offenes%20System.jpg

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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: http://www.energiesparhaus.at/fachbegriffe/arbeitszahl.htm

• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/05_MonitoringAB2_FhG-ISE.pdf• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/

09_PlanungAB2_Lamparter_p2_k.pdf• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/

11_MonitoringAB1_p2_SurTec_k.pdf• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/19_MonitoringAB1_p2_BOB_k.pdf• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/

Abschlussbericht_Lebenshilfe_Lindenberg_Teil_II.pdf• http://www.enob.info/fileadmin/media/Publikationen/EnBau/Projektberichte/Abschlussbericht_Barnim.pdf• http://www.reftec.ch/downloads/Leistungszahlen.pdf 0

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