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Oberflächennahe Geothermie zur Klimatisierung von

Gebäuden

- Planungsgrundlagen und Ausführungsplanung -

Energieforum West Timm Eicker

oder

Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste

gespeicherte Wärme .

Geothermie


globaler Wärmefluß durch die Erdober-fläche: ca. 4,42 x 1013 W = 2,5-fache des derzeitigen Weltenergiebedarfes

Spezifische Wärmefluss q [W/m²] durch die Erdoberfläche beträgt: globales Mittel: ca. 87 mW/m². Kontinente (“alte und stabile Kruste”):

ca. 67 mW/m². Ozeane (“junge und aktive” Kruste):

ca. 101 mW/m². Im Vergleich die Strahlenleistung der Sonne: ca.

1370 W/m².

In Deutschland: ca.30 bis 120 mW/m² In NRW: ca. 50 bis 80 mW/m²

Geothermischer Wärmestrom

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Erdwärme als kombinierte Wärmequelle und Wärmesenke Die ungestörte Erdreichtemperatur einer 100 m Sonde liegt im Mittel bei 10°C bis 12°C In der Heizperiode wird dem Erdreich Energie entzogen und die Erdreichtemperaturen

sinken auf Werte um die 5°C Das reduzierte Temperaturniveau des Erdreichs bietet damit ein hohes Potential für die

Rückkühlung des Gebäudes in der Kühlperiode

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Geothermie – eine Quelle zwei Nutzungsmöglichkeiten


Bereitstellung von Wärme Schwerpunkt: Beheizung von Gebäuden i.d.R unter Einsatz von

Wärmepumpen untergeordnet: Eisfreihaltung von Verkehrsflächen, Landwirtschaft und

Fischzucht, Schwímmbadbeheizung

Bereitstellung von Kälte Zunehmender Bedarf: Kühlung von Gebäuden

Direkte Kühlung Aktive Kühlung unter Einsatz von Wärmepumpen/Kältemaschinen

Wärme- und Kältespeicherung

Saisonale Speicherung Einspeicherung von solarer Wärme bzw. Abwärme aus Industrie- und

Kraftwerksprozessen

Nutzung der oberflächennahen Geothermie


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Wärmepumpe – eine Maschine zwei Nutzungsmöglichkeiten

Quelle: Bine Fachbuch 2010


Leistungszahl der Wärmepumpe in Abhängigkeit zur Vorlauftemperatur und Temperaturspreizung

Funktionsweise Wärmepumpe


Primärenergiebedarf

Primärenergiefaktoren Strom fP=2,6 Heizöl fP=1,1 Erdgas fP=1,1

[EnEV 2009]

ENEV 2014 Strom fP = 2,4 (-10%) EnEV 2016 Strom fP = 1,8 (-25%)

Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Heizungssystemen

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Quelle BWP

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Erdwärme - Nutzungsmöglichkeiten

Quelle: geomatrix.bw, HS Stuttgart, 2012


Kombinierter Heiz- und Kühlbetrieb Zusammenspiel von Geothermie und Wärmepumpe

Startpunkt: Ungestörte Untergrundtemperatur von 8°C – 12°C

Winter: Untergrund dient als Wärmequelle für den Heizfall

Frühling: Untergrund dient als Kältespeicher bei ca. 4°C – 8°C

Sommer: Untergrund dient als Wärmesenke für den Kühlfall

Herbst: Untergrund dient als Wärmespeicher bei ca. 12°C – 16°C


Die kombinierte Wärme- und Kälteversorgung von größeren Gebäuden bietet eine Chance zur erheblichen Reduzierung von betriebs- und Verbrauchsgebunden Kosten.

Voraussetzung: Flächenheiz- und kühlsystem (geringes Temperaturniveau im Heizfall und hohes

Temperaturniveau im Kühlfall) Vorteile

Zusätzliche künstliche Regeneration des Untergrundes im Sommer (Wärmeeintrag), dadurch gesteigerte geothermische Ergiebigkeit des Untergrundes

Bei passiver Kühlung (direct cooling) ergeben sich sehr hohe Wirkungsgrade Bei aktiver Kühlung hohe Jahresnutzungsgrade der Anlagentechnik (reversible

Wärmepumpe, nur ein Gerät für Wärme- und Kälteerzeugung)

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Kombinierte Wärme- und Kälteversorgung


Kältebedarf in Deutschland

Quelle: Bine Informationsdienst, 2006


Etwa 22% des Kältebedarfs in Deutschland wird zur Klimatisierung von Gebäuden verwendet. Die Tendenz ist deutlich ansteigen auf Grund von Architektonisch gewünschten großen Fensterflächenanteilen Anstieg der Temperaturen infolge des Klimawandels Steigende Komfortansprüche Ansteigende interne Lasten durch EDV-Anlagen Zunehmend Gebäude mit geringen Speichermassen (Leichtbauweise)

Nach einer Studie von Jones Lang LaSalle (2006) sind 47% aller Büros in Deutschland klimatisiert. Bei den gewerblichen Neubauten werden in Europa etwa 90% klimatisiert.

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Kältebedarf in Deutschland


Kühlbedarf in Deutschland

Ecofys Germany GmbH, Köln 2011

In Anlehnung an die Ergebnisse aus [Riviere, P.; Adnot, J. et al. 2008] ist im Wohngebäudebereich in den nächsten 20 Jahren mit etwa einer Verdoppelung zu rechen. Im Nichtwohngebäudebereich ist der Anstieg geringer, allerdings mit ca. 25% immer noch erheblich. [Ecofys Germany GmbH, Köln 2011]


Prognose der globalen Entwicklung des Kältebedarfs auf Grund des Klimawandels

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Kältebedarf

Modell der globalen CO2-Emissionen aus Heizen und air contitioning im Wohnungsbereich (Quelle: Isaac/Van Vuuren, 2009)


Erdwärmesonden + Wärmepumpe

Erdwärmekollektoren + Wärmepumpe

Grundwasser- Wärmepumpe

Oberflächennahe Geothermie (bis 400 m Tiefe)


Wärmequelle Grundwasser: ganzjährig mittlere Temperaturen von 8°C bis 12°C

Besonders hohe Leistungszahl im Vergleich zu anderen erdgekoppelten Wärmepumpensystemen

mindestens ein Saugbrunnen und ein Schluckbrunnen (Dublette).

hinreichendes Grundwasserdargebot Voraussetzung, möglichst oberflächennah i. A. bis max. ca. 15 – 30 m)

wartungsintensiv

Grundwasserbrunnen


Tiefen: wenige m bis zu 400 m i.d.R HDPE-U-Sonden (1-, 2-, 3-fach) Einzelsonde oder Anordnung in

Sondenfeldern Abkühlung des Fluides im Winter z.T. < 0°

C Geschlossenes System mit zirkulierenden

Wärmeträgermedium wartungsfrei

Erdwärmesonde


• Geringe Temperaturen im Winter (geringere Leistungszahl)

• ausreichende und auch erschließungsfähige Fläche

• Nicht überbaubar • Verlegung von id.R.

HDPE-Rohr im Abstand von 0,3 – 0,7 m

• kostengünstig • wartungsfrei

Horizontalkollektoren


• Nur im Rahmen von Neubauvorhaben bei Gründungen mit Pfählen oder Schlitzwänden

• Bestückung der Bewehrungskörbe mit der entsprechenden Anzahl von Rohrschlaufen

• Einbringen mit der Bewehrung vor dem Betonieren

• kostengünstig • wartungsfrei

Energiepfahlgründung

Quelle: Bilfinger Berger Spezialtiefbau

Erdberührte Betonteilenergiepfähle


• Sonderform eines Kollektors

• Einsatz in • einer Tiefe von 1 bis 4 m • Geringerer Flächenbedarf

Quelle: Betatherm

Erdwärmekörbe


Verschiedene Nutzungssysteme der oberflächennahen Geothermie - Überblick

Offene Systeme

Grundwasserbrunnen

Geschlossene Systeme

Erdwärmesonden

Erdkollektoren

Erdwärmekörbe

Erdberührte Betonteile (aktivierte Schlitzwände und Energiepfähle)

„Heat Pipes“ / Direktverdampfersonden

Sondernutzungen

Grubenwärme

Tunnelwärme

Abwasserwärme


Wasserhaushaltsgesetz (WHG) + Länderspezifische Wassergesetze + Verwaltungsvorschriften

Nach §3 WHG handelt es sich bei der Oberflächennahe Geothermie um einen Benutzungstatbestand:

„Maßnahme, die geeignet sind, dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biol. Beschaffenheit des Wassers herbeizuführen.“

Bundesberggesetz (BBergG)

Erdwärme gilt nach § 3 Abs. 3 Satz 2 Nr. 2 b BBergG als bergfreier Bodenschatz, auf den sich nach § 3 Abs. 2 Satz 2 BBergG das Eigentum an Grundstücken nicht erstreckt. Ausnahme: wenn Erdwärme auf einem Grundstück im Zusammenhang mit dessen baulicher Nutzung gewonnen wird

Lagerstättengesetz (LagerstG)

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Genehmigungsrecht


Bei der Planung von Geothermieanlagen sind folgende Kriterien zu beachten: Geologische Verhältnisse Hydrogeologische Verhältnisse Geotechnische Verhältnisse Hydrochemische Verhältnisse Geothermische Verhältnisse Haustechnische Randbedingungen Bautechnische Randbedingungen Genehmigungsaspekte

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Kriterien der geothermischen Planung


Entscheidend für die Dimensionierung von geothermischen Anlagen ist eine möglichst genaue Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse.

Voraussetzung für den technisch einwandfreien und wirtschaftlichen Betrieb einer Geothermieanlage ist die standort- und projektangepasste Auslegung.

Tiefergehende Untersuchungen und Planungen bei komplexeren Anlagen, schwierigen geologische Verhältnisse oder genehmigungsrechtlichen Auflagen erforderlich

Wahl von qualifizierten Unternehmen bei der Planung und Ausführung

Planungsaufgaben in der oberflächennahen

Geothermie mit zwei Hauptbereichen Erdwärmeanlage (z.B. Erdsondenfeld /Brunnengalerie) Technische Gebäudeausrüstung (TGA) / Haustechnik

Definition einer eindeutigen Schnittstelle

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Kriterien der geothermischen Planung

TGA

Geothermie

Schnitt- stelle


Auslegung Geothermieanlagen

Für kleine Erdwärmesondenanlagen < 30 kW Heizleistung - nur Wärmeentzug (Heizung einschl. Warmwasser) - Länge der einzelnen Erdwärmesonden zwischen 40 und 100 m - Mindestabstand zwischen zwei Erdwärmesonden mindestens 5m bzw. 6 m - als Erdwärmesonden kommen Doppel-U-Sonden mit DN 20, DN 25 oder DN 32 mm oder Koaxialsonden mit mindestens 60 mm Durchmesser zum Einsatz - nicht anwendbar bei einer größeren Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal



Dimensionierung der Erdwärmesonden mittels Auslegungssoftware zwingend erforderlich bei Anlagen: > 30 kW Heizleistung mit kombiniertem Heiz- und Kühlbetrieb mit Sondentiefe > 100 m mit bivalenter Anlagentechnik große Anzahl kleiner Anlagen auf einem begrenzten Areal



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Die Auslegung von Geothermieanlagen mit Hilfe von Pauschalwerten kann zu massiven Fehleinschätzungen führen. Eine Korrektur ist in vielen Fällen nur bedingt möglich und führt in der Regel zu hohen Mehraufwendungen.

VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

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