vortrag geozent anlagen von fritz nuessle zum uponor kongress 2013
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Heizen und Kühlenmit regenerativen
Energieverbundlösungen im Gewerbebau
Fritz Nüßle
Zent-Frenger
03 | 2013
24 March 2013 ©Uponor 2
� Gesetzliche Anforderungen
� Nutzungsspezifische Anforderungen
� Planungsschritte
� Vergleich WP Basiskonzepte
� Integrierte Systemhydraulik
� Lastprofile, Energiebilanz, Energieeffizienz
� Konzeptbeispiele ganzheitliche Systemlösungen
� Ausgeführte Anlagen
Gliederung
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Geltende Bauvorschriften
Investor ist zu einem (Primär-) energieeffizienten Gebäude verpflichtet.
EnEV 2009Energieeinsparverordnung
EEWärmeG 2011 Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz
Ein Teil der benötigten Wärme- und Kälteenergie muss aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden. Alternativ sind Ersatzmaßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz des Gebäudes zulässig, wenn zugleich der Primärenergieverbrauch nach EnEV um mindestens 15% unterschritten wird.
Verabschiedete Novellen der nach EnEV zulässige Primärenergiebedarf wird bis 2016 in zwei Schritten um je 12,5% abgesenkt
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Anforderungen des EEWärme(Kälte)Gesetz
Anforderung EE Nutzung gemäß Wärmegesetz 2011
Neubau: Anteil mindestens
Solarenergie Solarthermische Anlagen mit Wärmeträgerfluid
15%
Biogas KWK 30%
Flüssige Biomasse Nachhaltiges Bioöl in Heizkesselanlagen
50%
Feste Biomasse Biomassekessel mit Wasser als Wärmeträger
50%
Geothermie -Umweltwärme
Effiziente Wärmepumpen 50%
Erneuerbare Kälte Umschaltbare Wärmepumpen + Geothermie, Kälte-Wärme-Verbund-Anlagen
50%
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Formen erneuerbare Energien
Erneuerbare Energien nach dem EEWärmeGesetz 2011
� Wärme aus Geothermie
� Wärme aus Wasser
� Wärme aus der Luft (ohne Abwärme)
� Wärme von der Sonne (ohne passive Strahlungswärme)
� Wärme aus Biomasse (fest, flüssig, gasförmig)
� Kälte aus erneuerbaren Energien (Geothermie, Grundwasser
� Kälte aus Geo-Kälte-Wärme-Verbundanlagen)
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Mögliche Ersatzmaßnahmen
Ersatzmaßnahmen nach dem EEWärmegesetz 2011
� Wärme aus der Abluft (WRG, mindestens 70%)
� Wärme aus Abwasser
� Nutzung von Abwärme (mindestens 50%)
� KWK Anlagen (mindestens 50%)
� Fernwärme- /Fernkälteanschluss
• Höchstwert Jahres-Primärenergiebedarf 15% unter geltende EnEV
• Anforderung an Wärmeschutz mindestens 15% besser als geltende
EnEV oder eine höhere Anforderung
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Vergleich Primärenergie- - Endenergiebedarfe
Endener gieb edarf 1. 000 kW h 1.000 kW h 1.000 kWh 850 kW h 900 kW h 744 kW h 800 kWh 650 kW h
Pri m ärener gi efakt or 2, 6 1, 1 2,6 1,1 2, 0 1, 1 1,8 1,1
JAZ 4 0, 9 4 0,9 4 0, 9 4 0,9800 kW h
1.000 kW hStr ombedar f
EE - WP Gas EE - WP Gas EE - WP Gas EE - WP Gas
Endenergiebedarf 1.000 kWh 1.000 kWh 1.000 kWh 850 kWh 900 kWh 744 kWh 800 kWh 650 kWh
Primärenergiefaktor 2,6 1,1 2,6 1,1 2,0 1,1 1,8 1,1
JAZ 4 0,9 4 0,9 4 0,9 4 0,9
Primärenergiebedarf 650 kWh 1.222 kWh 650 kWh 1.039 kWh 450 kWh 909 kWh 360 kWh 795 kWh
Strombedarf 250 kWh
Senkung Prim.Energiebedarf ohne EE
15,0% 15,0% 15,0%
Senkung Prim.Energiebedarf EnEV 2014
12,5% 12,5%
Senkung Endenergiebedarf 10% 10%
Senkung Prim.Energiebedarf EnEV 2016
12,5%
Senkung Endenergiebedarf 10%
Ausgangsbasis 2009 2014 2016
Die niedrigeren Endenergiebedarfe im Vergleich zum Referenzstandard resultieren aus der gesetzlich verordneten stufenweisen Reduzierung der Primärenergieverbräuche und müssen durch höherwertige Dämmung realisiert werden. Trotzdem ist der Primärenergieverbrauch bei der EE – WP Variante signifikant niedriger als bei der Variante mit Gasheizung.
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GebäudenutzungBürosKrankenhäuserHandelIndustrieAusstellung – MesseBildungsstättenGroßwohnanlagen
Automatisationintegrierte / ohne SystemhydraulikGLT femdgeführt /eigengeführt EnergiemonitoringFernsteuerung / -diagnoseAutomat. Störungsmanagement
Verfügbare EnergiequelleErdsondenEnergiepfähleGrundwasserAbwasserKollektorenAußenluftLatentspeicherLöschwasserspeicherGrubenwasserFlusswasser
Gewünschte BetriebsfunktionenHeizenKühlen mechanischKühlen naturalDualbetrieb Heizen + KühlenKombibetrieb (verschiedene Temperaturen)Hochtemperatur BereitstellungTrinkwarmwasser ErzeugungSystemhydraulik
Nutzungsspezifische Anforderungen…
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Planung Geothermieanlage - Energieverteilung - Nutzenübergabe -Gebäudeautomation
Fachingenieur TGA
Bestimmung der Leistungsparameter Energiezentrale + MonitoringkonzeptFachingenieur TGA + Hersteller
Bestimmung NutzenübergabesystemeFachingenieur TGA + Architekt
Simulatorische Erprobung und BewertungFachingenieur Geothermie
Standortuntersuchung nach EE Quellen
Baugrundsachverständiger untere Wasserbehörde
Ermittlung jährliches Wärme- und Kälteenergie Profil Fachingenieur TGA
Typische Planungsschritte Nutzung erneuerbare Energien
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Erdwärmesonden
Wärmeenergieversorgung
Wärmepumpe versus Energiezentrale
1
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Wärmetauscher für direktes Kühlen
Erdwärmesonden
WärmeenergieversorgungKühlenergie natural, externe hydraulische Umschaltung
Wärmepumpe versus Energiezentrale
2
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Erdwärmesonden
WärmeenergieversorgungKühlenergie mechanisch,Externe hydraulische Umschaltung
Wärmepumpe versus Energiezentrale
3
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Erdwärmesonden EnergiezentraleGEOZENT
Wärmepumpe versus Energiezentrale
4
WärmeenergieversorgungKühlenergie mechanischKühlenergie NaturalHeizen und Kühlen gleichzeitigOptional Trinkwarmwassererwärmung
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Erdsonden
Energiepfähle
Kollektoren
Erdkörbe
Grundwasser
Abwasser
Grubenwasser
Löschwasserspeicher
Latent Speicher
Flusswasser
Außenluft
GEOZENT Energiezentrale
EE Quellen-Verbund
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Energiezentrale (Wärmepumpe)
Niedertemperatur-Flächenheizsysteme
MSR-Technik
Bausteinegeothermisches Energiekonzept
GeothermischeQuelle:
• Erdwärmesonden
• Energiepfähle
• Erdkollektoren
• Grundwasser
Raumlufttechnik
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integrierte Wärmepumpe, Scroll- oder Schraubenverdichter, Plattenwärmeaustauscher, Systemhydraulik, drehzahlgeregelte Hocheffizienz-Umwälzpumpen, frei programmierbare Automatisation, Energiemonitoring, Störungsmanagement, Fernbedienung, Fernwartung
Leistungsbereich 70 – 1.500 kW Heiz- /Kühlleistung
Geothermische Energiezentrale GEOZENT® profi
Uponor / Zent-Frenger 16
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Betriebsarten – Heizbetrieb
Temperaturen Quelleseite Wasser- +4 - +20 °CGlykol-Gemisch - 5 - +20 °C
Geothermie als Wärmequelle.
Wärmepumpe GEOZENT erzeugt das jeweils gewünschte Temperaturniveau
Antriebsenergie elektr. Strom
Automatische Leistungsanpassung durch Stufenregelung
Optional: Hochtemperaturauskoppelung für Trinkwassererwärmung
77% Wärme aus Geothermie + 23 % Wärme aus elektr. Energie = 100%
HeizmediumKältemittel R407c 40 - 55°C Kältemittel R134a 40 - 65°C
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Betriebsart – Naturalkühlbetrieb
Ist das natürliche Kühlpotenzial erschöpft, dann schaltet die integrierte Steuerung automatisch auf mechanischen Kompressionskältebetrieb um.
Geothermie als naturale Kühlquelle
Die GEOZENT nutzt direkt das Kühlpotenzial des Untergrundes
Der mechanische Kältekreislauf ist nicht in Betrieb
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Betriebsart - Mechanischer Kühlbetrieb
Kondensation Temperatur abhängig von der Untergrundtemperatur (gem. Behördenvorschrift gedeckelt),bei unausgeglichener Energiebilanz � Anschluss eines Rückkühlers
Kühlmedium TemperaturenHochtemperaturnetz 14 – 18 °C Niedertemperaturnetz 6 - 10 °C (Spezialschaltung)
Geothermie als Wärmesenke
Die GEOZENT Wärmepumpe transportiert mit mechanischer Unterstützung die aus der Gebäudekühlung gewonnene Abwärme in den geothermischen Untergrund
Antriebsenergie ist elektr. Strom
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Betriebsart – Dualbetrieb
Dualbetrieb bedeutet die gleichzeitige Bereitstellung von Nutzwärme- und Nutzkälteenergie mit derselben Maschine.
Der thermische Ausgleich erfolgt über die geothermische Quelle/Senke
Sehr hohe Systemarbeitszahl bis 9,8
Mit speziellen Schaltungen sind paralleler Betrieb von Naturalkühlung und mechanische Kühlung mit unterschiedlichen Temperaturen möglich.
Hochtemperatur Wärmeauskoppelung aus Druckgas optional
Betriebsvariabilität 0 – 100% Kühl- und Heizleistung
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tin/out Geothermie + VL-Temp. Gebäude
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
[h]
t [°C]
Tfout [°C]Geothermie
T_VL [°C]Gebäude
Tfin [°C]Geothermie
Wärmepumpe Heiz- und Kühlbetrieb
Wärmepumpe im Heizbetrieb Wärmepumpe im naturalen Kühlbetrieb
Wärme- und Kältemengen zum Gebäude
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
[MWh]
Wärmebedarf
Wärmeangebot
Kältebedarf
Kälteangebot
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tin/out Geothermie + VL-Temp. Gebäude
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
[h]
t [°C]
Tfout [°C] Geothermie
T_VL [°C] Gebäude
Tfin [°C] Geothermie
Wärmepumpe Heiz- und Kühlbetrieb
Wärmepumpe im HeizbetriebWärmepumpe im naturalen und mechanischen Kühlbetrieb
Wärme- und Kältemengen zum Gebäude
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
[MWh]
Wärmebedarf
Wärmeangebot
Kältebedarf
Kälteangebot
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Wärmepumpe Heiz- und Kühlbetrieb
Wärmepumpe im HeizbetriebWärmepumpe im mechanischen Kühlbetrieb
tin/out Geothermie + VL-Temp. Gebäude
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
[h]
t [°C]
Tfout [°C]Geothermie
T_VL [°C]Gebäude
Tfin [°C]Geothermie
Wärme- und Kältemengen zum Gebäude
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
[MWh]
Wärmebedarf
Wärmeangebot
Kältebedarf
Kälteangebot
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Begriffsdefinitionen
� COP (Coefficient of Performance) Gütekriterium der Wärmepumpe
�Leistungszahl WP (mit Berücksichtigung der Quellenpumpe)
� Leistungszahl LZ
� Verhältnis der abgegebenen Wärme- oder Kühlleistung zu deraufgenommenen elektr. Leistung des Verdichters und Quellenpumpe
� Arbeitszahl AZ (täglich, wöchentlich, monatlich, jährlich)
� Verhältnis der abgegebenen thermischen Energie je Zeiteinheit (Tag, Woche, Monat, Jahr) in kWh thzu der aufgenommenen elektr. Energie (WPeinschl. Quellenpumpe + Ladepumpe für Pufferspeicher) in kWh el
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JAZ(I) 44 kWhth/kWhel
JAZ(II) 5,6 kWhth/kWhel
JAZ(III) 4,9 kWhth/kWhel
JAZ(IV) 4,3 kWhth/kWhel
Heizen
spez. el. Leistung 23 W/kWtherm
Gemessene Arbeitszahlen in Bilanzgrenzen
inHaus-2 Duisburg
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JAZ(I) 200 kWhth/kWhel
JAZ(II) 5,8 kWhth/kWhel
JAZ(III) 4,7 kWhth/kWhel
JAZ(IV) 4,4 kWhth/kWhel
spez. el. Leistung 5 W/kWtherm
mechanisch Kühlen Gemessene Arbeitszahlen in Bilanzgrenzen
inHaus-2 Duisburg
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Einfluß Mediumtemperaturen
Die Leistungszahl der Wärmepumpe wird primär von den Medientemperaturen beeinflusst
Heizbetrieb:
Reduzierung der JAZ
beträgt ca. 2,6 % je ein
Kelvin Erhöhung der
Vorlauftemperatur
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Übersicht gemessene Arbeitszahlen(Fraunhofer Inhaus-2 Duisburg)
HeizenAZ = 4,9 kWh
KühlenAZ = 4,3 kWh
DualbetriebAZ = 9,2 kWh
NaturalkühlenAZ = 16 kWh
Energieeffizienz TAB Systeme in Kombination erdgekoppelter Wärmepumpentechnik
Nutzen
Aufwand 1 kWh elektrischer Strom
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Kältetechniksystemrelevante Hocheffizienz-Umwälzpumpen
Regel- und SteuerventileFreiprogrammierbare MSR Technik
Prozessvisualisierung
Energiezentralebetriebsfertige Werksmontage
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GEOZENT Werksmontage
Geoth. Heiz-Kühlmaschine Heizleistung 1.200 kW Büroobjekt Holzhafen HH
30
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Betriebssicherheit - Fernüberwachung
- Überwachung der Anlage
- Effizienzkontrolle durch Prozess Visualisierung
- Implementiertes Alarmmanagement mit direkter Warn- und Störmeldeweiterleitung
- Fernzugriff über Standard-Browser
- Prozessdaten- und Störungshistorie auf dem Webserver mit Datenexport
- Webserver-Hardware in Industrie-PC Technologie und Langzeitdatenspeicher
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Energiezentrale Prozessschaubild
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Prozessschaubild Pufferspeicher
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Prozessschaubild Wärmeverteiler
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Prozessschaubild Störungsmanagement
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Energiekonzept Bürogebäude Düsseldorf
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Industrielösung mit WP + Latentspeicher + Erdsonden
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Energiekonzept Logistikzentrum
24 March 2013 ©Uponor 39
Industrie Logistikhalle mit Bürogebäude Weinstadt
24 March 2013 ©Uponor 4024 March 2013
Logistikcenter + Büroflächen Wolfsburg
24 March 2013 ©Uponor 41
Konzept für IKEA Einkaufszentrum
24 March 2013 ©Uponor 42
Prinzipielles Funktionsschema Test- und Schulungszentrum
24 March 2013 ©Uponor 43
Energiekonzept Laserlabor Mittweida
24 March 2013 ©Uponor 44
Latentspeicher – geballte Energie im Tank
EDEKA Großhansdorf – Latent-Energiespeicher Bruttorauminhalt 175 m³
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Latentspeicher – Innenleben
Getrennte Wärmeaustauscher für Wärmeeintrag und Wärmentzug
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Thermische Speicherkapazität Phasenwechsel
Latentenergiespeicher (Eisspeicher)
93 Wh
93 Wh
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Berechnung Energieverbrauchskosten
Basiskonzept: Erdgasanschluß -
Heizkessel
Alternativkonzept: Erdwärmesonden –
Wärmepumpe -Spitzenlastkessel
Wärmeenergieverbrauch 556 MWh/a 556 MWh/aJahresnutzungsgrad Luftheizung 85% 654 MWh/aGasarbeitspreis 52.329€ paBereitstellung - € paJahresarbeitszahl Wärmepumpe 4,30 129 MWhel/aStromarbeitskosten 19.395
Strom-Leistungspreis - € pa - € paSumme Heizen 52.329 € pa 19.395 € pa
Kälteenergieverbrauch - MWh/a - MWh/aJahresarbeitszahl Kältemaschine 3 - MWhel/aVentilatoren Rückkühlwerk COP 8 - MWhel/aStromverbrauch Soleumwälzpumpe 1,13 MWhel/a
Summe Kühlen - € pa 169 € paSumme Energieverbrauchskosten 52.329 € pa 19.565 € pa
Energieverbrauchskosten Zeitraum 10 Jahre
758.073 € 234.894 €
Eingesparte Energieverbrauchskosten im ersten Jahr 32.765 €
Eingesparte Energieverbrauchskosten in 10 Jahren 523.179 €
jährl. Preisanstieg Strom 4%jährl. Preisanstieg Fernwärme 8%
Amortisationszeit Mehrkosten ca. 10
Energiekosteneinsparung - Amortisation
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Referenzen(Auszug)
Geothermische EnergieVielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Bei weiteren Fragen stehen wir
Ihnen gerne zur Verfügung,
zögern Sie nicht uns
anzusprechen