Oberflächennahe Erdwärme und Kältespeicherung Evaluierung von realisierten geothermischen Anlagen in Bürogebäuden - WKSP
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WKSP
IG S
Innovationsforum Thermische Energiespeicherung, Freiberg, 27.+28.05.10
Oberflächennahe Erdwärme und Kältespeicherung
Evaluierung von realisierten
geothermischen Anlagen in Bürogebäuden
WKSP
IG S
WKSP
Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich
energieeffizienter Bürogebäude
Laufzeit Juli 2004 bis Februar 2010
Univ. Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch
Dipl.-Ing. F. Bockelmann
Institut für Gebäude- Dipl.-Ing. H. Kipry
und Solartechnik
Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch
Mühlenpfordtstr. 23
38106 Braunschweig
Germany
Tel : 0531 / 391 – 3555
Fax : 0531 / 391 – 8125
e-mail : igs@tu-bs.de
www.tu-bs.de/institute/igs
WKSP
IG S F&E - Ziele
Evaluierung der energetischen und wirtschaftlichen Effizienz
von Anlagen zur Wärme- und Kältespeicherung im
Gründungsbereich von Bürogebäuden
Optimierung von Systemtechnik und Betrieb der evaluierten Anlagen
Planungshandbuch (Bine Informationspaket November 2010)
Werkzeuge zur teilautomatisierten Betriebsüberwachung
(Energie-Navigator: Internet- Arbeitsplattform für Gebäudeperformance, mit
RWTH Aachen)
Erdwärmesonden (EWS)
Energiepfähle (EP)
Fundament-/Bodenabsorber (BA)
WKSP
IG S Prinzip – Saisonale Speicherung
WP- Betrieb Speicherung Freie Kühlung Speicherung WP- Betrieb
Temperatur des Erdreichspeichers
20 °C
Wärme- Wärme- Wärme-
entzug eintrag entzug
5 °C
Winter Sommer Winter Zeit
WKSP
IG S Basissystem – Saisonale Speicherung
Heizbetrieb Kühlbetrieb
Hauptkomponenten:
Betonkernaktivierung
Wärmepumpe
Plattenwärmetauscher
Zusatzkomponenten:
Raumlufttechnische Anlage
Radiator bzw. Konvektor
Fernwärmeübergabe
Kältemaschine
WKSP
IG S Häufige Probleme bei der saisonalen Speicherung
Kombination von trägen
Kältemaschinenbetrieb
und flinken
zum Ende der Saison,
Übergabesystemen -
wenn Kältepotential für
optimale Abstimmung der
freien Kühlbetrieb
Regelstrategien
erschöpft – Rückkühlung
des Wärmeträgers auf
erforderliches
Vermeidung eines Temperaturniveau für
uneffizienten Betriebs in freien Kühlbetrieb häufig
den Übergangszeiten nicht mehr möglich
Frühling und Herbst
z.B. durch Todband
(weder Heizen noch
Kühlen), abhängig von
einer mittleren
Außentemperatur
Anlageninbetriebnahme
in der Heizperiode – Auslegung von
Wärmesenke für den Systemkomponenten
freien Kühlbetrieb im (Wärmetauschern,
Sommer schaffen Pumpen etc.) – geringe
Grundlage für eine Temperaturspreizung
ausgeglichene zwischen
Energiebilanz Erdwärmespeicher und
Heiz- bzw. Kühlsystem
beachten
WKSP
IG S Energiebilanzen Erdreichwärmespeicher
40 40
15 30
Energie [MWh]
Energie [MWh]
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
EP_EFB EP_VGH
0 0 0 0
40 - 40 15 - 30
200 30 30 30
EWS_GEW EWS_RIC
0 0
0 0
100 - 15 40 - 40
50 50
BA_TUB 2005 2006 2007 2008 2009
0 0
50 - 50
2005 2006 2007 2008 2009
Wärmeentzug Wärmeeintrag Außentemperatur BetriebsoptimierungWKSP
IG S Gesamt - Anlageneffizienz
10
Jahres-Systemarbeitszahl JAZ [-]
Heizen und Kühlen
Energiebereitstellug H + K
9 JAZ =
elektrischer Aufwand incl. UP
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2005 2006 2007 2008 2009
RIC GEW EFB VGH TUB
EWS EWS EP EP BA
Projektbeginn: fast alle Anlagen JAZ < 3 primärenergetisch nicht effizient
Betriebsoptimierung: seit 2007 - alle Systeme effizient (JAZ > 3)
> Optimierungspotential im freien KühlbetriebWKSP
IG S geothermische Ergiebigkeit Erdwärmespeicher
kWh/(ma) kWh/(m²a)
120
Entzugsarbeit 100
Planungswerte
80
60
40
20
20
40 Spezifische
Eintragsarbeit
Messwerte Jahresarbeit
60
2005
80 2006
2007
100 2008
2009
120
RIC GEW EFB VGH TUB
EWS EWS EP EP BA
Ertragssteigerung durch Optimierung
Entzugsarbeit: Planungswerte überwiegend erreicht
Eintragsarbeit: Planungswerte aufgrund Betriebsfehler meist nicht erreicht
→ Jahresbilanz „Entzug/Eintrag“ häufig unausgeglichenWKSP
IG S Energiekosten im Vergleich
0,10
Kühlenergiekosten [€/kWh]
0,10
Heizenergiekosten [€/kWh]
0,09 0,09
0,08 0,08
0,07 0,07
0,06 0,06
0,05 0,05
0,04 0,04
0,03 0,03
0,02 0,02
0,01 0,01
0,00 0,00
2005 2006 2007 2008 2009 2005 2006 2007 2008 2009
Heizöl leicht Erdgas Fernwärme Strom KKM (JAZ 2,5)
RIC GEW EFB VGH TUB
[Quelle: IGS und BMWi]WKSP
WKSP
IG S Energiekosteneinsparung 2009 (absolut)
Vergleich mit Fernwärme und Kälteerzeugung über Kompressionskältemaschine
36 106 € Konventionell (Fernwärme)
80.000
Energiekosten [€]
H: 81% Konventionell (Strom)
K: 100% Erdwärme
70.000
60.000
50.000
40.000
30.000
H: 7% H: 17% H: 24% H: 10%
K: 100% K: 100% K: 100% K: 0%
20.000 12 211 €
8 953 €
5 308 €
10.000 5 776 €
0
RIC GEW EFB VGH TUB
EWS EWS EP EP BA
Strom Fernwärme
H = Anteil an Wärmebereitstellung
K = Anteil an Kältebereitstellung Energiekosten [€/kWh] 0,147 0,10WKSP
WKSP
IG S CO2 – Reduktion 2009 (absolut)
Vergleich mit Fernwärme und Kälteerzeugung über Kompressionskältemaschine
52 038 kgCO2/a Konventionell (Fernwärme)
300.000
CO2 –Emission [kg/a]
Konventionell (Strom)
Erdwärme
250.000
200.000
150.000
100.000
58 359 kgCO2/a
31 087 kgCO2/a
50.000
22 726 kgCO2/a 9 793 kgCO2/a
0
RIC GEW EFB VGH TUB
EWS EWS EP EP BA
Strom Fernwärme
H = Anteil an Wärmebereitstellung
K = Anteil an Kältebereitstellung äquivalente CO2-Emissionen [g/kWh] 683 241WKSP
WKSP
IG S Jahres-Primärenergieverbrauch 2009 im Vergleich
WKSP-Gebäude
GebäudeWKSP
IG S Zusammenfassung
Potentiale zur Energiekosteneinsparung und CO2 Reduzierung durch
Erdwärmenutzung sind gegeben
träges System → späte Fehlererkennung, langfristige Auswirkungen
Ursachen für Probleme:
• Planungs-, Ausführungs- aber vor allem Regelungs- / Betriebsfehler
Fehlervermeidung:
• Konzeptionell / regelungstechnisch verbesserte Einbindung ins System
• Umfassende Abnahme und Inbetriebnahme nach Fertigstellung
• Messtechnische Mindestausstattung zur Betriebsüberwachung
• Messtechnische Begleitung / Betriebsüberwachung zur Fehlererkennung/
-behebung >> Betriebsanpassung an reale Randbedingungen
• Überwachung der Jahresenergieerträge (Wärmeentzug und -eintrag)WKSP
IG S
Innovationsforum Thermische Energiespeicherung, Freiberg, 27.+28.05.10
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