Regeneration von Erdsondenfeldern mit Solarwärme

Regeneration von
Erdsondenfeldern
mit Solarwärme
4. Tagung Solarwärme Schweiz 2015
30. Oktober 2015, Messe Luzern
Session 3: Praxis, Forschung, Technik
René Naef
Lehre als Elektrozeichner
El. Ing. HTL, Rapperswil
5 Jahre im Entwicklungslabor der Firma Feller, Horgen.
Nachdiplom Energie an HTL Muttenz 1989
5 Jahre bei Basler & Hofmann, Zürich
seit 1995: naef energietechnik
• Jupiterstrasse 26, 8032 Zürich
• Bürogemeinschaft u.a. mit Arthur Huber (Hetag)
• Diverse Energie- und Haustechnik-Planungen für „EnergieArchitekten“ (u.a. Beat Kämpfen, Karl Viridén, und weitere)
Ablauf / Inhalt
• Wieso regenerieren?
• Wärmequellen für Erdsonden-Regeneration
selektiv beschichteter, unverglaster Solarabsorber
• Hydraulik
• Beispiele von gebauten Anlagen
Erdwärme
• Erdkruste ist nicht warm!
Nutzungen Erdwärme
Quelle: Grafik CREGE, energie Schweiz
• Erdkruste ist ca. 10 bis 15°C warm!
Woher kommt die Erdwärme?
Wärme in Erdkruste
Über sehr lange Zeit
gespeicherte Wärme aus
dem Erdinnern und
Sonnenwärme, es fliesst
kaum Wärme nach
Auslegung
Keine Faustregel mehr:
• SIA 384/6 Erdsonden
• 50 Jahre (+0°C/-3°C)
• Simualtionsprogramm
anwenden
Quelle Grafiken: www.erdsondenoptimierung.ch
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, angepasst durch Verein Geothermie Kraftwerke Aargau
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
Entwicklung der Erdsonden
Beispiel Stadt Zürich:
2000W-Gesellschaft als Ziel
Im Jahr 2012:
Entzug aus EWS ca. 33 GWh/a
• 4’000 EWS
• 900 Anlagen
• 850’000m Erdsonden-Bohrungen
Im Jahr 2050 (Energieziel Zürich):
Wärmeentzug aus EWS ca. 330 GWh/a
• ± 40’000 EWS ???
• ± 8’500’000m ES-Bohrungen ???
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 )
Beispielbetrachtung, Mettmenstetten
Quelle:
Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
(Programm EWS: www.hetag.ch)
Vorstudie Gramatt, Mettmenstetten: Simulation
Quelle:
Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
(Programm EWS: www.hetag.ch)
Wieso Regeneration?
• Vereisung der Sonden - Wirkungsgrad des Systems sinkt!
• Es wird von Jahr zu Jahr gravierender!
Quelle: Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden. Simone Bassetti, Ernst Rohner, Sarah
Signorelli, Bernard Matthey. Energie Schweiz, 2006
Regeneration vs. Saisonspeicherung
• Regeneration: im Sommer wird weniger Wärme in das
Sondenfeld geladen, als im Winter entzogen wird
• Saisonspeicherung: im Sommer wird mehr Wärme in das
Sondenfeld geladen, als im Winter entzogen wird
(die Temperatur des Erdreiches erhöht sich über die Jahre!)
Minimale Sondentemperatur [°C]
Einfluss der Sondenregeneration (Sondenabstand 7 Meter, 200m Tiefe, 50a)
15
Regeneration
Saisonspeicherung
10
5
0
-5
-10
-15
aktive Regeneration (bezogen auf Entzug)
Huber Energietechnik AG, Zürich
-20
50%
3 x 20 Sonden
2 x 2 Sonden
75%
100%
3 x10 Sonden
4 x 4 Sonden
125%
6 x 5 Sonden
Einzelsonde
150%
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
Effiziente Wärmespeicherung im ES-Feld
Grösse des Sondenfeldes:
Speichertemperatur:
Effizienter Speicher: Temperatur
des Speichers nur geringfügig
über Temperatur der Umgebung
 Speichertemperatur für
Erdreich: 10° – 20°C
 keine Direktheizung, sondern
Wärmepumpen nötig
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
Regeneration in Einzelsonde?
• Speicherung nicht möglich:
Verluste sind zu gross im Verhältnis zum aktivierbaren
Speichervolumen
• Regeneration ist aber möglich !!!
Es gibt noch viele Fragen
• Verhalten der Regeneration bei wasserführenden Schichten?
• Was sind die optimalen Energiemengen für die Einspeisung (noch
keine Erfahrungen, Messungen fehlen, Simulationen sind heute
möglich)
Wärmequellen für Erdsonden-Regeneration
Gebäude wird als
Sonnenkollektor genutzt, nur
geringe Regenerationsrate
möglich (Temperaturniveau)
Einfluss von Free-Cooling auf Erdsonden
Minimaltemperatur [°C]
Minimaltemperatur im Sondenrücklauf
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Betriebsjahre
mit Sondenfreecooling
ohne Sondenfreecooling
Vergleich bei 60 Erdsonden im Bürohaus mit / ohne Free-Cooling
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
Welche Erträge durch solare Regeneration?
Berechnung der EWS mit Programm EWS über 50 Jahre:
ohne Sondenregeneration
mit solarer Sondenregeneration
Anlage: Pfründmatt, 3 MFH’s im Mettmenstetten
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
Spezifische Kollektorleistungen
Quelle: Energie Solaire SA
www.energie-solaire.com/wq_pages/de/site/page-18.php?client=priv
Studie «RegenOpt»: Ausgangslage
Studie:
• Minergie-saniertes MFH mit 12 Wohnungen, EBF 1’200m2
• ES-WP für Heizung und Warmwasser, Wärmebedarf
112’800kWh/a
• simuliert wurden verschiedene Regenerationsmöglichkeiten
(mit Polysun), Freecooling, LW-WT, 60m2 Kollektorfläche
• «unendliches ES-Feld» mit 20m Abstand zwischen den ES,
alle ES werden im gleichen Mass regeneriert wie das
betrachtete MFH, städtische Situation
Schlussbericht «RegenOpt»:
Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Mai 2015
Download unter:
www.stadt-zuerich.ch/hbd/de/index/hochbau/beratung/gebaeude_energietechnik/projekte_realisiert.html
Studie «RegenOpt»: Sondenentzug
Studie «RegenOpt»: Resultate
• ohne Berücksichtigung der Nachbarsonden bei der Auslegung
wird SIA 384/6 nicht eingehalten
• Kostenunterschiede zwischen den Regenerationsmethoden sind
gering
• Es gibt Fälle bei denen die Regeneration nachhaltiger ist, als das
Bohren von längeren Sonden
• keine generelle Empfehlung für den anzustrebenden
Regenerationsgrad oder die beste Regenerationstechnik
• viele der Regenerations-Systeme sind einfach nachrüstbar
• Empfehlung: standardmässige Überwachung der Soletemperatur
unverglaste Kollektoren als Wärmequelle
 unverglaster, selektiv beschichteter Solarabsorber
(Hersteller: Energie Solaire SA, 3960 Sierre)
• als Dacheindeckung und Fassade möglich
• keine Überhitzungsprobleme
• Überdimensionierung möglich
• Betrieb unterhalb Aussentemperatur möglich
Bereits einige Anlagen gebaut
MFH Zürichbergstrasse, 8044 Zürich:
Anbau mit Dach mit integrierten Solarabsorbern und PV
MFH Minervastrasse, 8032 Zürich:
Dachausbau mit integrierten Solarabsorbern
Hydraulische Schaltung: mit Speicher
Studentenhaus Justinus
8044 Zürich
Speicher im ES-Kreislauf
Hydraulische Schaltung: Wärmetauscher
Wärmetauscher
MFH in Mettmenstetten (siehe Online-Zugriff)
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG
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 240m
Sondenabstand 7m
Ziel: trotz kleinem Sondenfeld sollte
Saisonspeicherung möglich sein
Online-Zugriff für Gast:
http://pfruendmatt.dyndns.org
Passwort: netlogger
Es gibt noch viele Fragen
Wir sind erst in der Startphase von einem grossen Tätigkeitsgebiet!
Themen werden sein:
- Optimierung von Sondenlängen
- Optimieren von hydraulischen Einbindungen
- Wahl der richtigen solaren Nutzung
- Investitions-Kosten für Anlagen senken
- Regelstrategien entwickeln und prüfen
- Vermutlich noch viele weitere Punkte
Das Betätigungsfeld für Planer und Lieferanten ist gross!
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Schulanlage Hofacher, 8032 Zürich, Annahme mit Nachbarsonden (jedes 3. Gebäude 2050)
Quelle: Arthur Huber, Huber Energietechnik AG