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2015 | Book

Der Wärmehaushalt der Erdkruste bei der Erdwärmegewinnung Read chapter Read first chapter

Bau und Berechnung von Erdwärmeanlagen

Einführung mit praktischen Beispielen

Authors: Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Das Buch charakterisiert die Erdwärmenutzung, beschreibt die üblichen technischen Anlagen dazu, mit Schwerpunkt auf Erdwärmesonden (EWS) und ihre Einsatzmöglichkeiten. Danach wird die Berechnung von Erdwärmeanlagen (Einzel-EWS, Sondenfelder) mit mathematisch-analytischen Verfahren und numerischen Simulationsverfahren dargestellt. Die dazu notwendige Software wird Online als Demo-Version bereitgestellt.
In einem weiteren Hauptkapitel werden der Bau von Erdwärmeanlagen, technische Vorausetzungen,Anforderungen und Genehmigungspraxis dargestellt. Der Betrieb der Anlagen und die vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten für Heizen, Warmwasserbereitung, Kühlen ist in den Hauptkapiteln integriert.
Beispielhafte Anlagenmuster werden dimensioniert, bautechnisch beschrieben und wirtschaftlich bewertet.

Unter den regenerativen Energiequellen für die Gebäudeheizung und -klimatisierung nimmt die Erdwärme (in Form von Erdwärmesonden etc. mit Wärmepumpen) den ersten Platz ein. Der jährliche Zubau von Erdwärmeanlagen hat steigende Tendenz.

Table of Contents

Frontmatter
1. Der Wärmehaushalt der Erdkruste bei der Erdwärmegewinnung
Zusammenfassung
Die Wärme unserer Erde wird durch die Energie der Sonne, durch den radioaktiven Zerfall im Gestein und durch die Zuströmung von Wärme aus dem Erdinneren gespeist. Die geothermische Wärme ist im Zeithorizont von Jahrtausenden als erneuerbare Energie anzusehen. In großen Tiefen tritt die Regeneration des Temperaturfeldes nach einer Erdwärmenutzung nur teilweise ein bzw. dauert sehr lange. Nach dem Zeitraum von Jahrtausenden wird die Menschheit jedoch jedoch bessere und effizientere Möglichkeiten der Wärmegewinnung entwickelt haben, so dass kein bleibender Schaden für zukünftige Generationen entsteht.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
2. Der Aufbau von Erdwärmeanlagen
Zusammenfassung
Anlagen zur Gewinnung von Erdwärme sind in unterschiedlichster technischer Ausführung bekannt. Im Handbuch Energiemanagement werden zahlreiche offene Systeme (Bohrungen zur Heißwasserförderung) und geschlossene Systeme (Erdwärmesonden, Wärmepfähle, Wärmekörbe, Erdkollektoren u. a.) erläutert. Dort können die Anlagentypen nachgelesen werden, die in diesem Buch nicht näher behandelt werden.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
3. Wärmepumpen
Zusammenfassung
Wärmepumpen werden heute immer mehr zu Hauptbauteilen von Heizungs- und Klimatisierungsanlagen, wobei sie ihre Energie im Niedertemperaturbereich aus Erdwärmeanlagen oder der Umgebungsluft entnehmen. Ihr Gebrauch ist einfach, wobei die Speisung der Wärmepumpen aus Erdwärmesonden eine sehr vorteilhafte Variante darstellt, welche Gebäudeheizung im Winter und -kühlung im Sommer so verbindet, dass die jeweilige Abfallenergie (Kälte im Winter, Wärme im Sommer) im Erdreich zwischengespeichert wird. Leistungszahlen COP bzw. Jahresarbeitszahlen JAZ von 4 und höher im Heizbetrieb und 6 und größer im Heiz-/Kühlbetrieb sind erreichbar.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
4. Berechnung von Erdwärmeanlagen
Zusammenfassung
Die Berechnung von Erdwärmesonden erfordert die mathematische Lösung der Wärmetransportgleichung sowohl im Erdreich als auch in den Rohren der EWS. Analytische Lösungen sind nur für homogene Modellvorstellungen ableitbar, d.h. für Räume mit konstanten Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität u.a.). Die hier dargestellten Lösungen können zur Verifizierung von numerischen Simulationen genutzt werden.
Die numerische Lösung der Wärmetransportgleichung einschließlich der thermodynamischen Besonderheiten, wie Gefrieren des Porenwassers mit Schmelzwärme und sprunghafter Änderung der Wärmeleitfähigkeit bei Gefriertemperatur bzw. Verdampfungs- und Kondensationsvorgängen in Direktverdampfersonden erfolgt mit der Bilanzmethode (Finite Volumenmethode). Die Berechnung von einzelnen EWS erfolgt mit der Software ModTherm, für Sondenfelder mit ModGeo3D. Die Programme sind als Demo-Versionen mit entsprechenden Manuals unter www.blz-geotechnik.de/software abrufbar.
Am Beispiel einer Einfamilienhaus-Gebäudeheizung und der Heizung/Kühlung eines Geschäftshauses werden verschiedene Sondentypen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, ihrer energetischen Effizienz und ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen. Zur Optimierung von Anlagen werden verschiedene technologische Einflussmöglichkeiten energetisch bewertet.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
5. Bau von Erdwärmesonden
Zusammenfassung
Der Entschluss eines Bauherrn, für sein Gebäude eine Heizung und/oder Klimatisierung auf Basis von Erdwärme zu realisieren, setzt eine vorausgegangene detaillierte gebäudetechnische Analyse voraus, in der sowohl die wirtschaftlichen Alternativen zum Erdwärmeeinsatz als auch die besonderen Voraussetzungen, die Erdwärmeanlagen an die Gebäudetechnik stellen, bewertet werden. Da oberflächennahe Erdwärmesonden die Energie in einem Temperaturniveau von ca. 0 °C bis 5 °C bereitstellen und ein energetisch effizienter Betrieb der Wärmepumpe mit Leistungszahlen von 4 und größer nach Abb. 3.3 nur bei einem Temperaturhub (Temperaturspreizung) von maximal 45  K möglich ist, müssen im Gebäude Flächenheizungen (Fußboden- oder Wandheizung) vorgesehen werden, die Vorlauftemperaturen von nur 30 °C bis 45 °C erfordern.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
6. Überblick über genehmigungsrechtliche Aspekte für Erdwärmebohrungen
Zusammenfassung
Die gesetzlichen Vorschriften und die weiterführenden behördlichen Empfehlungen und Leitfäden für die Herstellung von Erdwärmeanlagen sind in Deutschland nicht leicht zu überblicken. In diesem Kapitel werden die wesentlichen gesetzlichen Regelungen kurz zusammengefasst. Die Deutsche Bundesregierung hat als Gesetzesgrundlage das Wasserhaushaltgesetz und das Berggesetz geschaffen. Weiterhin sind die VDI-Empfehlungen 4640 und die Empfehlungen der Bund-Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) allgemeingültig. Darüber hinaus hat nahezu jedes Bundesland eigene Leitfäden veröffentlicht.
Das Kapitel enthält einen Gesamtüberblick über Gesetze, Richtlinen und Leitfäden. In Kapitel 9 sind die wichtigsten Vorschriften der Gesetze und Leitfäden zum Stand des Jahres 2015 tabellarisch zusammengestellt.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
7. Anlagen zur Energiespeicherung
Zusammenfassung
Die Speicherung von Wärme bzw. Kälte im Untergrund ist nicht a priori eine energetisch und wirtschaftlich vorteilhafte Lösung. Die Speicherung sollte in einem solchen geologischen Umfeld erfolgen, dessen geothermische Temperatur möglichst nahe zur Speichertemperatur liegt. Die oberflächennahe Speicherung von Wärme oder Kälte ist nur für große Anlagen zu empfehlen, die ein ganzes Sondenfeld benötigen, nicht aber in einzeln stehenden EWS.
Wirtschaftlich sehr vorteilhaft ist die Klimakältespeichererung im oberflächennahen Bereich in Verbindung mit der Erdwärmeheizung, da die sonst nutzlose Abfallenergie „Kälte“ des Winters bis in die Sommermonate zwischengespeichert und dann gewonnen werden kann.
Wärmespeicherung ist nur in größerer Tiefe wirtschaftlich sinnvoll, wobei hier die hydrothermale Speicherung, d. h. die Speicherung in Form von Heißwasser, zu bevorzugen ist.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
8. Kostenvergleiche
Zusammenfassung
Für die geothermische Beheizung und die Heizung/Kühlung von Gebäuden werden Gesamtkostenvergleiche mit herkümmlichen Verfahren nach der Annuitätsmethode angestellt. Die Kostenschätzungen für technische Anlagenteile stellen nur Richtwerte dar, wesentlich ist jedoch der wirtschaftliche Vergleich verschiedener Anlagentypen. Die geothermische Beheizung eines Einfamilienhauses ist gegenüber einer Gasheizung gering teurer (19,6 €cent/kWh gegenüber 18,9 €cent/kWh), wird jedoch durch die Fürderung des KfW-Marktanreizprogrammes 2015 des Erneuerbare-Energie-Wärme-Gesetzes mit 16,3 €cent/kWh wirtschaftlich günstiger. Die geothermische Beheizung und Kühlung eines Geschäftshauses ist auch ohne finanzielle Fürderung mit 7,4 gegenüber 8,8 €cent/kWh wirtschaftlicher als konventionelle Technik.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
9. Ergänzende Informationen
Zusammenfassung
Kapitel 9 dient als Anhang und weitere Informationsquelle für die Genehmigungsproblematik, die in Kapitel 6 dargestellt wurde. Die hier wesentlichen deutschen Bundesgesetze betreffen den Bergbau, das Wasser, den Boden, Rohstofflagerstätten einschließlich der Erdwärme, den Naturschutz und den Immissionsschutz. Darüber hinaus haben fast alle deutschen Bundesländer nicht-rechtsverbindliche Leitfäden für die Erdwärmenutzung herausgegeben, die im letzten Teil des Kapitels in ihren wesentlichen Aussagen zusammengefasst werden.
Frieder Häfner, Rolf-Michael Wagner, Linda Meusel
Backmatter
Metadata
Title
Bau und Berechnung von Erdwärmeanlagen
Authors
Frieder Häfner
Rolf-Michael Wagner
Linda Meusel
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-48201-8
Print ISBN
978-3-662-48200-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-48201-8