Regeneration von Erdsondenfeldern mit Solarwärme
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5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Messresultate Erdsondenregeneration Mettmenstetten 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 24. November 2016, Messe Luzern Session 3: Praxis, Forschung, Technik René Naef, naef energietechnik ag, Zürich, El Ing. HTL NDSE Muttenz Vertretung von Arthur Huber, Dipl.-Ing. ETH/SIA, Hetag AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 • Resultate Mettmenstetten mit Praxiserfahrungen • Zukunft der Erdsonden mit Sonnenkollektoren Ziel ist es, dass Sie von heute Informationen, hoffentlich auch einige Anregungen und Ideen mitnehmen können … um zukunftsfähige Anlagen zu planen und zu realisieren 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Solar in Kombination mit Wärmepumpen??? Früher ein no go!!! - ja eigentlich Konkurrenten Heute im Pionierstadium und «salonfähig»! Morgen ein Muss! Die Gebäudehülle muss langfristig zum aktiven und attraktiven Energiegewinn genutzt werden 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 maettmi50plus Wohnbaugenossenschaft Foto: Beni Federer, http://www.maettmi50plus.ch Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 kein Frostschutz in EWS dank Regeneration 3 identische MFH’s in Mettmenstetten Süddächer + Ostdach mit je ca. 110m2 Solarabsorber (untersch. Ausrichtung) Heizung und Warmwasser je Gebäude Total 9 Erdsonden à 260m Sondenabstand 7m Ziel: trotz kleinem Sondenfeld sollte Saisonspeicherung möglich sein Online-Zugriff für Gast: http://pfruendmatt.dyndns.org Passwort: netlogger Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Sonden mit Abstand 7-8m / Berechnung mit Programm EWS Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 ohne Sondenregeneration Berechnungen nach Norm SIA 384/6 mit Laufzeit 50 Jahre Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 mit Sondenregeneration Kein Frostschutz in Sonden nötig Langfristig höhere JAZ (Stromeinsparung!) Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 es ist sonnenklar in welche Richtung es geht! abwärts? ohne Sonne sicher nur kurzfristig! aufwärts! mit Solarthermie Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Mettmenstetten: Hydraulische Einbindung Pfruendmatt, Mettmenstetten Genossenschaft Maettmi50+ Standardschaltung: Keine Spezial-Hydraulik! Kein Frostschutz, nur Wasser Hydraulik mit keinen externen Tauschern und wenigen Pumpen! 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 ein Erdsondenfeld ist primär ein Speicher Speichervolumen: ~A3 Speicherverluste: ~6 x A2 Speichervolumen / Verlust: A A3 A 2 6 A 6 A A -> Je grösser der Speicher, um so geringer die Verluste im Verhältnis zur gespeicherten Energie Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Nachbarhäuser ohne Regeneration Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Resultate Mettmenstetten 120.00 700 100.00 600 80.00 500 400 60.00 300 40.00 20.00 0.00 200 100 0 Für alle Monate aufsummierter spezifischer Energieertrag [kWh/(m2 Absorptionsfläche)] Spezifischer Energieertrag [kWh/(m2 Absorptionsfläche und Monat)] Messungen am Haus B2 Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Resultate Mettmenstetten Energie in kWh Messungen am Haus B2 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 -2000 -4000 -6000 Energieentzug aus den Erdwärmesonden Energie für die Regeneration der Erdwärmesonden Energiebilanz der Erdwärmesonden Wärmepumpe JAZ 6.2 (Heizung + Warmwasser Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Speicherung Solarwärme im Erdreich Haus B2 mit Sondenregeneration nach 1 Jahr 2K höhere Sodentemperatur als Haus A2/3 Haus A2/3 Haus B2 Pro Haus 110 m2 Solarabsorber und 3 x 260 m Erdsonden Messungen seit 11.Okt ’15 bis 24.Okt ‘16 Ertrag Absorber Haus B1 100’636 kWh, ca. 900 kWh/m2a Haus B2 81’299 kWh, ca. 730 kWh/m2a Haus B3 81’791 kWh, ca. 740 kWh/m2a 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Qualitätssicherung durch Online-Fernüberwachung Sonden-Eintrittstemperatur Fernüberwachung mit NETLOGGER www.hetag.ch Kollektor-Temperatur Sondentemperatur nach einem Messjahr ca. 2K höher als im Haus A Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Absorber Temperaturen für Direktnutzung 05.01.2016, sonniger Wintertag 05.01.2016, sonniger Wintertag Globalstralung [W/m2] 600 500 Temperatur [°C] 35 30 25 20 15 10 5 0 400 300 200 100 0 Aussen Absorber 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Optimierungen und Fragen Während dem ersten Betriebsjahr konnte mit einer Anpassung der Einschaltbedingungen die direkte Nutzung für das Warmwasser erhöht werden. Welcher Anteil des Solarertrags soll in das Erdreich fliessen? Wo liegt das Optimum der Kollektorfläche und der Sondenlängen? 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Standard-Schaltung mit Standard-Wärmepumpen Foto: Huber Energietechnik AG, Zürich 19 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Nachrüstung Flachollektor in Erdsondenkreislauf - Verbrauch im MFH 37% über Planungswert - Sondentemperatur in ersten 5 Betriebsjahren zu stark gesunken Nachrüstung Regeneration der Sonden (ohne direkte WW-Erzeugung) 4 x 220 m Erdsonden, Sole VL-Temperatur im Frühling ca. 2°C ca. 45.6 m2 Absorberfläche verglaster Flachkollektor Cobra, Neigung 30° Polysun Simmulation: Ertrag Flachkollektor 703 kWh/m2a Messung Aug.’15 bis Aug.‘16: Ertrag Flachkollektor 868 kWh/m2a Sole VL- Temperatur bis im September 3 K angestiegen !!! Verbesserung der JAZ im 1. Jahr mit Kollektoren ca. 0.3 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 unverglaste Kollektoren als Wärmequelle • Ertrag bis 800 kWh/m2a bei optimaler Einbindung möglich • als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 20°C, Koll. 5°C/10°C Globalstrahlung 0W/m2, Wind 1.5m/s, ca. 180 W/m2 • als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 2°C, Koll. -5°C/-3°C Globalstrahlung 0W/m2, Wind 1.5m/s, ca. 88 W/m2 • als Luft/Wasser Wärmetauscher bei AT 2°C, Koll. -5°C/-3°C Globalstrahlung 200W/m2, Wind 1.5m/s, ca. 276 W/m2 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 hydraulische Schaltung: mit Wärmetauscher Wärmetauscher MFH in Mettmenstetten Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 hydraulische Schaltung: mit Speicher Studentenhaus Justinus, ca. 70m2 Solarabsorber 8044 Zürich Speicher im ES-Kreislauf 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 unbeeinflusste Bodentemperatur Tz, t Tmo To exp z a ta 2 cos t z t a ta a Temperaturverlauf im Erdreich 18 Beispiel: r = 2000 [kg/m3] cp = 1000 [J/kgK] l = 2.5 [W/mK] 16 Temperatur des Erdreichs T [°C] • 14 t = 0.0 Mt. t = 1.5 Mt. t = 3.0 Mt. t = 4.5 Mt. t = 6.0 Mt. t = 7.5 Mt. t = 9.0 Mt. t = 10.5 Mt. Umhüllende 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tiefe im Erdreich z [m] Huber Energietechnik AG 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 woher kommt die Erdwärme? Wärme in Erdkruste Über sehr lange Zeit gespeicherte Wärme aus dem Erdinnern und Sonnenwärme, es fliesst kaum Wärme nach < 1% 70mW/m2 !!! vom Erdinnern Auslegung Keine Faustregel mehr: • Norm SIA 384/6 Erdsonden • 50 Jahre (+0°C/-3°C) • Simualtionsprogramm anwenden Quelle Grafiken: www.erdsondenoptimierung.ch 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Wärmefluss vom Erdinnern ist sehr gering! Wärmefluss vom Erdinnern für Sonden mit 7m Abstand ca. 27 bis 60 kWh/a Sonde von 200m mit 80kWh/m Entzug – 16’000 kWh/a Entspricht ca. 0.17 bis 0.4% Quelle: Medici, Rybach, 1995 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Erdwärme, oder Erde als Speicher nutzen? • Erdkruste ist nicht warm! • es fliesst kaum Wärme nach! 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Entwicklung der Erdsonden Beispiel Stadt Zürich: 2000W-Gesellschaft als Ziel Bis im Jahr 2012: Entzug aus EWS ca. 33GWh/a • 4’000 EWS • 900 Anlagen • 850’000m Erdsonden-Bohrungen Jahr 2050 (Energieziel Zürich): Wärmeentzug aus EWS ca. 330GWh/a • ± 40’000 EWS ??? • ± 8’500’000m ES-Bohrungen ??? • Jedes 3. Gebäude mit Erdsonden-WP Quelle der Grafik: Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (Vortrag Dr. Roland Wagner: Wie viel Wärme dürfen wir dem Erdreich entziehen? Forum Energie Zürich, 7.1.2014. Download: www.forumenergie.ch/images/fez/anlaesse/fez/events/2 014/pdf/FEZ_Event_Waerme_Wagner_20140107.pdf ) 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 wieso solare Regeneration von Erdsonden? • dicht besiedelte Gebiete mit vielen Erdsonden und zu wenig Platz für Sonden • Objekte mit zu kurzen Sonden • Gebäude-Erweiterungen • Beeinflussung durch Nachbarsonden Quelle: Wärmenutzungsatlas des Kanton Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 es gibt noch viele Fragen Wir sind erst in der Startphase von einem grossen Tätigkeitsgebiet! Themen werden sein: - Optimierung von Sondenlängen und Absorberflächen - Wie grosse Flächen an Kollektoren sind nötig - Optimieren von hydraulischen Einbindungen - Investitions-Kosten für Anlagen senken - Regelstrategien entwickeln und prüfen - Einspeisung in Anergienetze - Sondenregeneration bei Bürobauten mit Freecooling! 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Anergienetz: Anlagenbeispiel Sonnenkollektoren Anergienetz B9 B9 B1 B1 F15 Solardach 1'000 m2 6°C F15 6°C 65°C Sondenfeld kompakt p p 65°C T 3K T 3K Brauchwasser Vorwärmung Haus A Brauchwasser Vorwärmung Haus B Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Planungsgrundsätze - Anergienetze sind sinnvoll, wenn Regenerationsquelle nicht dezentral verfügbar sind - Anergienetze ermöglichen grössere Anlagen -> höhere Speichertemperaturen möglich - Ungerichtete Anergienetze bei einfachen Anlagen möglich - Gerichtete Anergienetze sind einfacher handhabbar, Erdsonden immer durchströmt - Ungerichtete Anergienetze haben in der Regel grösseren Regelaufwand - Bei mehreren Erdsondenspeichern im Netz Regenerationsregelung pro Sondenfeld erforderlich - Bei Grossanlagen ist in der Regel eine vollständige Regeneration erforderlich Quelle: Huber Energietechnik AG, Zürich 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Chance auf eine zukunftsfähige Lösung auch, wenn es vermutlich noch sehr lange dauert, bis es bei vielen Anlagen umgesetzt wird! Vielleicht etwas philosophisch wir dürfen der Erde nicht stetig Wärme entziehen, sie braucht von uns auch etwas an Wärme zurück Das Betätigungsfeld für Planer und Lieferanten ist riesig, es geht erst richtig los! 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 mitgeben möchte ich Ihnen an Orten mit hoher Erdsondendichte benötigen wir langfristig die Einspeisung von Wärme in das Erdreich wir steigern den Ertrag der Kollektoren, wenn wir diese auf tiefem Temperaturniveau nutzen um bis zu 30% die Erdsonden-Wärmepumpe und die Sonnenkollektoren sind keine Konkurrenten … sie sind langfristig Freunde 5. Tagung Solarwärme Schweiz 2016 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Wir müssen der Erdkruste auch wieder Wärme zurückgeben, geben und nehmen muss auch hier in einem Gleichgewicht sein (das gleiche Schlusswort wie letzte Jahr) Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
