Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Nutzung oberfl\u00e4chennaher Geothermie ist wegen der damit erreichbaren Prim\u00e4renergieeinsparung \u00f6kologisch w\u00fcnschenswert. \u00dcber die reine Raumheizung hinaus bietet bei Nichtwohngeb\u00e4uden die kombinierte geothermische Heizung und K\u00fchlung in Verbindung mit thermischer Bauteilaktivierung ein deutlich erweitertes Einsparpotential. Die Untersuchungen zur Entscheidungsfindung und Planung solcher Systeme sind bislang aufw\u00e4ndig und kostenintensiv, was ihre Verbreitung in der Praxis behindert. Gegenstand des Vorhabens war die Entwicklung und softwaretechnische Implementierung eines Entscheidungs- und Auslegungswerkzeuges, welches die Vorplanung dieser Systeme vereinfacht. Im Forschungsvorhaben wird dies am Beispiel von B\u00fcrogeb\u00e4uden mit thermischer Bauteilaktivierung zur Heizung und K\u00fchlung, umschaltbarer W\u00e4rmepumpe\/K\u00e4ltemaschine mit integrierter hydraulischer Umschalteinheit sowie Erdw\u00e4rmesondenfeldern untersucht.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm f\u00fcr das Planungs- und Auslegungswerkzeug eine experimentell abgesicherte Datenbasis zu schaffen, wurde im Technikum Geb\u00e4udeklimatik der Hochschule, einem Lehr- und Versuchsgeb\u00e4ude mit thermischer Bauteilaktivierung in verschiedenen R\u00e4umen, eine Versuchsanlage aufgebaut. Kernst\u00fcck der Anlage ist eine umschaltbare W\u00e4rmepumpe\/K\u00e4ltemaschine mit integriertem Hydraulikmodul (Geothermische Energiezentrale), welche als W\u00e4rmepumpe, K\u00e4ltemaschine und Einrichtung zur direkten geothermischen K\u00fchlung mit verschiedenen Verbrauchern und Quellen betrieben werden kann. Die gewonnenen Messergebnisse dienten in erster Linie zur Parametrisierung und Validierung eines Simulationsmodells f\u00fcr das Gesamtsystem.
\nMit dem Modell wurden in einer Simulationsstudie zuvor entwickelte Modellgeb\u00e4ude mit B\u00fcronutzung (Typgeb\u00e4ude) samt Bauteilaktivierung, Anlagentechnik und geothermischen Komponenten systematisch untersucht. Aus den st\u00fcndlichen Simulationsergebnissen wurden u. a. monatliche Nutzungsgrade der solaren und inneren Gewinne der Geb\u00e4ude berechnet. Diese flossen in ein modifiziertes Monatsbilanzverfahren ein, mit dem sich Heiz- und K\u00fchlenergiebedarfswerte von Geb\u00e4uden mit thermischer Bauteilaktivierung mit hinreichender Genauigkeit berechnen lassen. F\u00fcr die geothermische Berechnung wurde ebenfalls ein vereinfachtes Rechenmodell entwickelt. Modelle der Anlagentechnik vervollst\u00e4ndigen den Rechenkern des Planungswerkzeuges.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Ergebnisse des experimentellen Teils des Vorhabens sind die an der aufgebauten flexiblen Versuchsanlage gewonnenen Messdaten, mit denen die ben\u00f6tigten Simulationsmodelle in wesentlichen Teilen validiert bzw. parametrisiert werden konnten. Neben der Ermittlung von Einzeldaten, wie z. B. der tats\u00e4chlichen W\u00e4rmeverluste von ged\u00e4mmten Rohrleitungen und der realen Leistungszahlen der W\u00e4rmepumpe \/ K\u00e4ltemaschine, konnte auch das Betriebsverhalten der gesamten Anlage vom Erdreich bis in den Raum zur Validierung der Simulationsergebnisse mit herangezogen werden. Die Versuchsergebnisse zeigten insbesondere die Wirksamkeit und Energieeffizienz der direkten geothermischen K\u00fchlung, aber auch die Abh\u00e4ngigkeit der tats\u00e4chlich erreichten energetischen Kennwerte von einer hohen Detailqualit\u00e4t der ausgef\u00fchrten Anlage. Aufgrund von Verz\u00f6gerungen und unvorhergesehen hohem Aufwand im experimentellen Teil konnten einige Versuche nicht im urspr\u00fcnglich geplanten Umfang durchgef\u00fchrt und vollst\u00e4ndig ausgewertet werden. Von diesen sind noch quantitative Verbesserungen sowie die Absicherung der \u00dcbertragbarkeit auf bislang nicht erprobte bzw. ausgewertete Anwendungsf\u00e4lle zu erwarten, nicht jedoch eine inhaltliche oder methodische \u00c4nderung der Projektergebnisse.
\nAus der Geb\u00e4udeanalyse und Modellbildung steht ein flexibles Modell eines Typgeb\u00e4udes mit B\u00fcronutzung zur Verf\u00fcgung, dessen Kenndaten durch automatisierte Berechnung ver\u00e4ndert werden k\u00f6nnen. F\u00fcr dieses Typgeb\u00e4ude, seine Anlagentechnik zur Raumkonditionierung und die geothermische Anlage (Erdw\u00e4rmesondenfeld) wurde ein Simulationsmodell in der Simulationsumgebung TRNSYS entwickelt, mit dem das thermische und energetische Verhalten des Gesamtsystems abgebildet werden kann. Aus den Ergebnissen der durchgef\u00fchrten Simulationsstudien lie\u00dfen sich die ben\u00f6tigten Kenndaten ableiten, um das angestrebte vereinfachte Rechenverfahren zu realisieren.
\nDas daraus entwickelte Planungswerkzeug GEOSYS stellt eine Weiterentwicklung vereinfachter Rechenverfahren f\u00fcr Geb\u00e4ude mit geothermischer Energienutzung dar. Die Integration beider Teile, Geb\u00e4ude und Geothermie, in einer Software erlaubt die direkte Ber\u00fccksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Geb\u00e4ude, Anlagentechnik und Erdreich auch auf der Ebene vereinfachter Rechenverfahren. Es wurde ein arbeitsf\u00e4higer Prototyp implementiert und ersten, erfolgreichen Tests unterzogen. Die durchgef\u00fchrten Vergleiche mit den detaillierten Simulationsmodellen ergaben, dass das entwickelte Verfahren und Programm GEOSYS die f\u00fcr einen bestimmten Anwendungsfall erforderliche Gesamtl\u00e4nge der Erdw\u00e4rmesonden im Sondenfeld auf etwa 10 % genau berechnet. Innerhalb der Projektlaufzeit lie\u00dfen sich nicht mehr alle entwickelten oder geplanten Funktionalit\u00e4ten in der Software umsetzen, z. B. die Ber\u00fccksichtigung kurzzeitiger Lastspitzen. Die weiterentwickelten und umgesetzten Methoden sind nicht auf den vorhabensspezifischen Anwendungsfall beschr\u00e4nkt, sondern auch auf andere Geb\u00e4ude- und Anlagenkonfigurationen anwendbar. Der \u00f6kologische Nutzen des Planungswerkzeuges selbst ist darin zu sehen, dass die Planung prim\u00e4renergiesparender Geb\u00e4ude mit geothermischer Heizung und K\u00fchlung in fr\u00fchen Planungsphasen wirkungsvoll unterst\u00fctzt wird.
\nDie rechnerischen und experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Geb\u00e4ude mit thermischer Bauteilheizung und -k\u00fchlung in Verbindung mit oberfl\u00e4chennaher Geothermie gegen\u00fcber dem gesetzlichen Mindeststandard (Energieeinsparverordnung EnEV) und konventionellen Geb\u00e4udetechniken \u00fcber 20 %, je nach Ausf\u00fchrung und Referenzfall auch mehr, Prim\u00e4renergie einsparen k\u00f6nnen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse wurden bzw. werden auf folgenden Fachtagungen pr\u00e4sentiert:
\nBauphysikertreffen, HfT in Stuttgart am 28.11.2003;
\nFachforum Oberfl\u00e4chennahe Geothermie in Garching am 18.02.2004;
\nSymposium Erdgekoppelte W\u00e4rmepumpen in Landau am 12.11.2004;
\nGeothermietag in Biberach am 04.11.2004;
\nFachforum Oberfl\u00e4chennahe Geothermie in Garching im April 2005.
\nVer\u00f6ffentlichungen zum Gesamtergebnis und zu Teilaspekten in Fachzeitschriften sind vorgesehen. Der Fernsehsender n-tv sendete in einer Reihe \u00fcber DBU-Projekte einen Beitrag \u00fcber das Vorhaben. Im Zuge weiterer Geothermieaktivit\u00e4ten an der Fachhochschule Biberach sind auch Weiterbildungsveranstaltungen vorgesehen, in denen u. a. auch das Werkzeug GEOSYS eingesetzt werden soll.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Es wurden rechnerische N\u00e4herungsverfahren aufgestellt und in einer Software prototypisch implementiert, mit denen sich monatliche Heiz- und K\u00fchlenergiebedarfswerte von Geb\u00e4uden mit thermischer Bauteilaktivierung sowie die thermische Reaktion des Erdw\u00e4rmesondenfeldes mit einem Eingabeaufwand berechnen lassen, welcher ungef\u00e4hr dem eines EnEV-Nachweises entspricht. Das Hauptziel des Vorhabens, ein zun\u00e4chst f\u00fcr eine begrenzte Gruppe von Geb\u00e4uden taugliches Werkzeug f\u00fcr die Grobdimensionierung zu entwickeln, ist damit erreicht. Der im Ergebnis realisierte Ansatz eines modifizierten Monatsbilanzverfahrens in Verbindung mit einem einfachen, aber genauen N\u00e4herungsverfahren f\u00fcr die Temperaturentwicklung im Sondenfeld, ist dem urspr\u00fcnglich angedachten Kennlinienverfahren methodisch \u00fcberlegen, weil er auf einer direkten physikalischen Betrachtung beruht. Weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht noch in der Erweiterung und Vertiefung der zugrunde liegenden Datenbasis.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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