vortrag geozent anlagen von fritz nuessle zum uponor kongress 2013

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


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


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%


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)


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


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.


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…


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


Erdwärmesonden

Wärmeenergieversorgung

Wärmepumpe versus Energiezentrale

1


Wärmetauscher für direktes Kühlen

Erdwärmesonden

WärmeenergieversorgungKühlenergie natural, externe hydraulische Umschaltung


2


Erdwärmesonden

WärmeenergieversorgungKühlenergie mechanisch,Externe hydraulische Umschaltung


3


Erdwärmesonden EnergiezentraleGEOZENT


4

WärmeenergieversorgungKühlenergie mechanischKühlenergie NaturalHeizen und Kühlen gleichzeitigOptional Trinkwarmwassererwärmung


Erdsonden

Energiepfähle

Kollektoren

Erdkörbe

Grundwasser

Abwasser

Grubenwasser

Löschwasserspeicher

Latent Speicher

Flusswasser

Außenluft

GEOZENT Energiezentrale

EE Quellen-Verbund


Energiezentrale (Wärmepumpe)

Niedertemperatur-Flächenheizsysteme

MSR-Technik

Bausteinegeothermisches Energiekonzept

GeothermischeQuelle:

• Erdwärmesonden

• Energiepfähle

• Erdkollektoren

• Grundwasser

Raumlufttechnik


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


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

17


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

18


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

19


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


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



-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 im HeizbetriebWärmepumpe im naturalen und mechanischen Kühlbetrieb


-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100


[MWh]

Wärmebedarf

Wärmeangebot

Kältebedarf

Kälteangebot



Wärmepumpe im HeizbetriebWärmepumpe im mechanischen Kühlbetrieb


-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


-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100


[MWh]

Wärmebedarf

Wärmeangebot

Kältebedarf

Kälteangebot


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


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


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


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


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


Kältetechniksystemrelevante Hocheffizienz-Umwälzpumpen

Regel- und SteuerventileFreiprogrammierbare MSR Technik

Prozessvisualisierung

Energiezentralebetriebsfertige Werksmontage


GEOZENT Werksmontage

Geoth. Heiz-Kühlmaschine Heizleistung 1.200 kW Büroobjekt Holzhafen HH

30


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


Energiezentrale Prozessschaubild


Prozessschaubild Pufferspeicher


Prozessschaubild Wärmeverteiler


Prozessschaubild Störungsmanagement


Energiekonzept Bürogebäude Düsseldorf


Industrielösung mit WP + Latentspeicher + Erdsonden


Energiekonzept Logistikzentrum


Industrie Logistikhalle mit Bürogebäude Weinstadt


Konzept für IKEA Einkaufszentrum


Prinzipielles Funktionsschema Test- und Schulungszentrum


Energiekonzept Laserlabor Mittweida


Latentspeicher – geballte Energie im Tank

EDEKA Großhansdorf – Latent-Energiespeicher Bruttorauminhalt 175 m³


Latentspeicher – Innenleben

Getrennte Wärmeaustauscher für Wärmeeintrag und Wärmentzug


Thermische Speicherkapazität Phasenwechsel

Latentenergiespeicher (Eisspeicher)

93 Wh

93 Wh


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


Referenzen(Auszug)

Geothermische EnergieVielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

Bei weiteren Fragen stehen wir

Ihnen gerne zur Verfügung,

zögern Sie nicht uns

anzusprechen

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