Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie

1. Überblick zu Methoden des Kühlens mit Geothermie Frauke Poblotzki, RE²

2. Gliederung • Allgemeines zur Kühlung mit Geothermie • Zwei Prinzipien der geothermischen Kühlung • Methoden zur Kühlung mit Geothermie • Problem & Wirtschaftlichkeit

3. Historische „geothermische“ Kühlung • Erdkeller dienen schon lange zur Lagerung von Eis, Lebensmitteln, Brennstoffen u.ä. Quelle: http://www.eiskeller-brandenburg.de/Kap_6_Lagerkeller.html

4. Geothermische Kühlung • Vorteile • Geringere Temperaturdifferenz zur Nutzenergie • Regeneration des Erdreiches • Erdreich übernimmt Wärme-speicherfunktion • Kühlen und Heizen gleichzeitig möglich • Kann die Wirtschaftlichkeit einer WP-Heizanlage verbessern • Nachteile • Hohe Installationskosten vor allem bei Bestandsgebäuden (je nach Kollektorart) Bildquelle: http://www.erdwaerme-region.de/index.php?function=cms_show&id=66

5. Grundideen • Direkte / Aktive Kühlung • Kälte wird direkt an den Kühlkreislauf abgegeben • Geringer Förderaufwand mittels Pumpen • Indirekte / Passive Kühlung • Kälte wird maschinell energetisch „aufgewertet“ • Zusätzlicher Energieaufwand nötig (meist Strom) Quelle: eigene Darstellung

6. Kühlmethoden Kühlmethoden Übergabe der Kälte Indirekte / Aktive Kühlung Direkte / Passive Kühlung Stille Kühlung (Wasser) Kältemaschine Fußbodenheizung Kompressionskältemaschine Kühldecke Ab-/Adsorptionskältemaschine • Radiatoren Reversible Wärmepumpe Dynamische Kühlung (Luft) Gas-/ Stromwärmepumpen Zuluftkühlung Ab-/ Adsorptionswärmepumpe • Zuluft-konditionierung Die indirekte Kühlung wird zwischen den Kollektor und die direkte Kühlung geschaltet

7. Direkte Kühlung Quelle: http://geotechnik-geothermie.de/geothechnik_3TC.jpg

8. Direkte Kühlung • Sole kühlt Heiz- /Kühelemente im Gebäude • Vorteile • Nur Umwälzpumpe arbeitet im Kühlbetrieb • Nachteile • Geringe Kühlleistung • Temperaturniveau ausschlaggebend Bypass zur direkten Kühlung im Sommer

9. Direkte Kühlung Stille Kühlung • Sole kühlt Heizungs- /Kühlwasser oder • fließt durch Kühlelemente in den Räumen • Gleichmäßige Temperatur-absenkung im Raum • Allergikergeeignet (im Gegensatz zu mech. Lüftung) • Minimale Fußbodentemperatur muss eingehalten werden Dynamische Kühlung • Sole kühlt Wasser/Luft für die Zuluftkühlung • Luftkonditionierung möglich (Temperatur und Feuchte) • Serverkühlung: Feuchtigkeitsentzug (Korrosionsschutz) • Partikeleintrag von außen– Filter nötig • Im Wohnraum: Feuchtigkeitsentzug und Zugluft • Alternative: Erdwärmetauscher, allerdings keine Feinregulierung möglich

10. Beispiel - Direkte Kühlung Serverraum Kreisverwaltung des hessischen Vogelsbergkreises • Direkte Wasserkühlung (SideCooler) • Kühlleistung: 8 / 16 kW • Raumtemperaur: 22 °C • Bohrtiefe: 90 m • Erdreichtemperatur: 14 °C • VL: 12-14°C / RL: 20-25°C • FreeCooler im Winter (<11°C) Quelle: http://danes.de/images/weblog/weblog_image001.png

11. Indirekte Kühlung • Sole nimmt Abwärme der Kälteerzeugung auf • Vorteile • Größere Kühlleistungen möglich • Nachteile • Höhere Investitionskosten – privat nur bedingt lohnenswert

12. Indirekte Kühlung – Kältemaschine Umgebung Kühlraum Quelle: In Anlehnung an vnai.ch

13. Indirekte Kühlung – Kältemaschine Umgebung Kühlraum Quelle: In Anlehnung an vnai.ch

14. Indirekte Kühlung – Kältemaschine • Der Carnot-Wirkungsgrad gibt den maximalen Wirungsgrad an • Für Kältemaschine und Wärmepumpe ergibt sich daraus die Leistungszahl ɛ • TKühl= - 18 °C • TSole = 10 °C • Tamb = 20 °C • Die maximale Leistungszahl ist stark temperatur-abhängig und beeinflusst die Wirksamkeit der Maschine

15. Indirekte Kühlung - Kältemaschine • Sole kühlt Kältemaschine • Vorteile • Kältemaschine kühlt nicht gegen Umgebungstemperatur, die jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt • Rückkühltemperatur unter den sommerlichen Temperaturen, das bedeutet eine bessere Arbeitszahl • Nachteile • Zusätzliches Gerät nötig

16. Indirekte Kühlung – Reversible WP • Verdichter • Wärmeübertrager • Warmwasserbereitung • Zusätzl. Verbraucher • Umschaltventil • Ventilator • Kondensator • Expansionsventil • Verdampfer • Gebläsekonvektor • Heizung • 2-in-1-Gerät: Kühlen und Heizen je nach Bedarf • Höhere Investitionskosten Quelle: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

17. Problem • Erwärmen des Untergundes durch Kältenutzung • Freikühlung im Winter • Direkte Kühlung durch Kältemaschine unterstützen • Führt zu weiterem Erwärmen des Untergrundes da größere Abwärmemenge Wirtschaftlichkeit • Investitionskosten: größer als bei Klimaanlagen • Betriebskosten: kleiner als bei Klimaanlagen • Amortisation: 5-7 Jahre • Synergieeffekte: Geothermisches Heizen kann durch integrierte Kühlfunktion wirtschaftlich werden

18. Zusammenfassung - Entscheidungskriterien • Notwendigkeit der Kühlung • Bedarf und Lastverlauf (Temperatur und Leistung) • Dargebot durch Untergrund (Temperatur und Leistung) • Bestehendes Kälteversorgungssystem • Wirtschaftlichkeit • Die Nutzung in der Klimatisierung von Wohn- und Bürogebäuden, Anwendungen zur Prozesskühlung eher selten

19. Quellen Seemann, D. (2010) Kühlung aus der Erdkruste, CleanEnergy Project http://www.akbw.de/service/energieeffizientes-bauen/erneuerbare-energien/geothermie.html http://www.rosenthal-geothermie.de/130.html http://www.geothermie.de/wissenswelt/glossar-lexikon/k/kuehlung-direkte.html http://www.brunnenbau-henningsen.de/kuehlen-mit-erdwaerme-wohnraumkuehlung/ http://www.geoenergie-konzept.de/erdwaerme/wissenswertes/experten-faq/haeufig-gestellte-fragen-zur-erdwaerme-faq.html#c47 http://gangolf-frost.com/html/kuhlung.html

20. Backup

21. Formen der Wärmenutzung Technisch möglich, energet. und wirtschaftl. nicht sinnvoll Nutzbar für geothermische Kühlung Entscheidend ist das benötigte Temperaturniveau verglichen mit dem bereitgestellten Temperatuniveau Quelle: http://www.geothermie.ch/data/images/inhaltsbilder/geothermics_general_info/de_ressourcesGeoth_v1.30_crege.jpg

22. Indirekte Kühlung – Reversible WP - Heizen • Verdichter • Wärmeübertrager • Warmwasserbereitung • Zusätzl. Verbraucher • Umschaltventil • Kondensator • Gebläsekonvektor • Heizung • Expansionsventil • Ventilator • Verdampfer Quelle: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

23. Indirekte Kühlung – Reversible WP - Kühlen • Verdichter • Wärmeübertrager • Warmwasserbereitung • Zusätzl. Verbraucher • Umschaltventil • Ventilator • Kondensator • Expansionsventil • Verdampfer • Gebläsekonvektor • Heizung Quelle: http://www.dimplex.de/fileadmin/wp-portal/swf/revwp.swf

24. Varianten für den flachen Untergrund

25. Indirekte Kühlung – Sorptionskühlung • Antrieb der Kältemaschine mit der Heizenergie des Bodens • Vorteile • Geringerer Stromverbrauch • Nachteile • Hohe Antriebstemperaturen nötig (90°C, bei solar geeigneten Sorptionsanlagen ca. 60°C) • Sorptionskälte ist eher ungeeignet für die geothermische Kühlung