Geothermie

Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpe

Die Erdwärmepumpe ist eine Klimaanlage für Gebäude, welche die Wärmeaustauschfläche mit dem Boden ausnutzt, mittels einer Wärmepumpe. Da Wärme unterirdisch weitgehend aus dem Innern der Erde stammt, Erdwärme niedrige Enthalpie als erneuerbare Energiequelle eingestuft, obwohl die eigenen Wärmepumpe Strom verbraucht, in der Regel aus anderen Energiequellen (zum Beispiel fossile Brennstoffe).

Die Wärmepumpe ermöglicht den Austausch von Wärme zwischen einer "Quelle" bei einer niedrigeren Temperatur als der "Quelle" oder dem Punkt, an dem die Wärme eingeführt wird. In einer Heizungsanlage stellt das Gebäude (genauer gesagt: der Stromkreis der Heizungsanschlüsse des Gebäudes) den "heißen Brunnen" dar; Umgekehrt ist das Gebäude in einer Klimaanlage die "kalte Quelle", aus der die Wärme gewonnen wird. Wirtschaftlicher und energetischer Vorteil der Wärmepumpe wird durch das Verhältnis gegeben von dem Gebäude Wärme und Energie (in der Regel Strom oder Wärme in einer Wärmepumpe Absorption), genannt COP (Coefficient of Performance) eingeführt oder entfernt werden. Ein Verhältnis zwischen 3 und 6 für Erdwärmepumpen.

Der Boden repräsentiert für die Wärmepumpe eine "Quelle" (wenn es in der Heizung arbeitet) oder eine "Quelle" (im Kühlmodus) der Wärme. Im Vergleich mit der atmosphärischen Luft, die die Quelle der aerothermischen Wärmepumpen ist, unterliegt die Temperatur des Bodens in einer bestimmten Tiefe viel kleineren jährlichen Schwankungen: eine Tiefe von 5-10 m ist die Temperatur des Bodens während der das ganze Jahr über und entspricht in etwa der durchschnittlichen jährlichen Lufttemperatur, oder etwa 10-16 ° C. Dies bedeutet, dass der Boden im Vergleich zur Luft im Winter wärmer und im Sommer kälter ist die Effizienz der Wärmepumpe.

Der Wärmeaustausch mit dem Untergrund kann auf drei Arten erfolgen:

    direkter Austausch, wobei der Verdampfer / Kondensator-Kreislauf der Wärmepumpe in direktem Kontakt mit dem Untergrund steht; geschlossene Systeme, bei denen die Wärmepumpe den Wärmeaustausch mit dem Erdreich indirekt über einen Hydraulikkreis ausführt, in dem ein Wärmeträgerfluid strömt; offene Systeme, in denen Grundwasser aufgenommen wird, in dem der Wärmeaustausch stattfindet

In kaltem Klima, das Gebäude, in dem die Wärmelast ist unbalanziert zugunsten der Heizung, könnte der Boden durch Wärmeableitung gekühlt werden, ist es jedoch möglich, die geothermische Wärmepumpe für eine Installation von thermischen Solaranlagen zu koppeln und gespeicherte Wärme im Sommer im Boden speichern.

Installationskosten der Anlage sind wesentlich höher als bei herkömmlichen Lösungen (Erdgas oder Diesel), aber geringere Wartungskosten Investition in weniger als 10 Jahren, mit einer Lebensdauer von Pflanzen mindestens erholen 25 Jahre.

Erdwärmetauscher

Horizontales geothermisches Kreislaufsystem

Erdwärmepumpen liefern (oder subtrahieren) erwärmen, um die Wärmeenergie Gebäude, austauschbar mit dem Boden in geringer Tiefe (1-200 m). Die Systemkomponenten sind daher drei. Erdwärmetauscher, Wärmepumpen und Terminals Heizen / Kühlen

Wie oben erwähnt, sind Erdwärmetauscher in drei Kategorien unterteilt:

  • direkter Austausch;
  • geschlossener Stromkreis;
  • offener Stromkreis.

Die Austauscher können unterschiedliche Konfigurationen haben, klassifiziert nach Fluidtyp und nach Schema. Bei Direktwechselsystemen steht der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe in direktem Kontakt mit dem Boden; In Systemen mit geschlossenem Kreislauf wird eine Flüssigkeit zirkuliert, die Wasser und Frostschutzmittel enthält; Freileitungssysteme betreiben Wärmeaustausch im Grundwasser.

Direkter Austausch

In der Erdwärmepumpe mit direktem Austausch findet der Wärmeaustausch mit dem Boden statt. Das Kältemittel, das die Wärmepumpe verlässt, zirkuliert in einer Leitung, die in direktem Kontakt mit dem Boden steht, tauscht Wärme mit ihm aus und kehrt zur Wärmepumpe zurück. Der Name "direkter Austausch" impliziert daher das Fehlen eines Zwischen- (und Fluid-) Kreises zwischen dem Boden und der Wärmepumpe. Es gibt jedoch keine direkten Wechselwirkungen zwischen dem Kältemittel und der Erde, wenn nicht der Wärmeaustausch, und das Wasser zirkuliert nicht im Austauschkreislauf mit dem Boden.

Direkte Austauschsysteme sind viel effizienter als geschlossene Systeme. Dies ist auf das Fehlen eines Zwischenkreises zurückzuführen (jeder Wärmetauscher bringt jedoch Verluste mit sich) und auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit der für den Wärmetauscher verwendeten Kupferrohre, die im Gegensatz dazu viel teurer sind Rohre in HDPE, die in Erdwärmesonden verwendet werden. Im Vergleich zu Erdwärmesonden ist die erforderliche Länge 70-85% kleiner und der Durchmesser des Rohres ist ungefähr die Hälfte. In den Rohren ist eine höhere Qualitätskontrolle erforderlich, da das Kühlgas selbst sehr kleine Risse austreten kann. Kupfer muss in sauren Böden gegen Korrosion mit kathodischem Schutz oder mit einer Opferanode geschützt werden.

geschlossener Stromkreis

Die meisten Geothermie-Systeme mit niedriger Enthalpie bestehen aus drei Kreisläufen:

  • Klimaanlagenschaltung;
  • Primärkreis der Wärmepumpe;
  • Sekundärkreislauf des Wärmeaustauschs mit dem Boden.

Der Sekundärkreislauf besteht im Allgemeinen aus Polyethylen hoher Dichte, in dem Mischungen aus Wasser und Frostschutzmittel (Propylenglykol, Ethylenglykol, Methylalkohol, Methanol oder Kalziumchlorid) verwendet werden. Ethylenglycol ist billig, aber es ist schon in geringen Konzentrationen toxisch; selbst die geringe Wahrscheinlichkeit, dass es auf den Boden gelangt, hat dazu geführt, dass viele Kontrollbehörden seine Verwendung verboten haben. Propylenglykol hat in vielen Fällen Ethylenglykol ersetzt, obwohl es teurer ist und weniger Energie verbraucht. Methanol und denaturierter Alkohol sind brennbar und daher nicht zu empfehlen.

Die Umwälzpumpe kann extern oder in der Wärmepumpe enthalten sein. Im Sekundärkreis befinden sich auch Ausdehnungsgefäße und Sicherheitsventile zur Druckregelung

Der geschlossene Kreislauf kann horizontal in einer Tiefe von 1-3 m installiert werden, oder vertikal in einem speziell dafür vorgesehenen Loch (Erdwärmesonden) oder auf einem Fundamentpfosten (geothermisch).

Vertikaler geschlossener Kreislauf

Ein vertikaler geschlossener Kreislauf besteht aus zwei oder mehr Rohren, die vertikal auf dem Boden installiert sind und einen geschlossenen Kreislauf bilden, in dem das Wärmeübertragungsfluid fließt. Die Länge der Perforation kann zwischen 20 und 200 m betragen. Die Bohrungen können spezifisch durchgeführt werden (vertikale Erdwärmesonden) oder für einen Fundamentpfosten (geothermische Zellen oder Energiezellen).

Die Erdwärmesonden können eine U-förmige Konfiguration haben (zwei Rohre, umlaufend, mit dem Boden verbunden), doppelt T oder koaxial (zwei konzentrische Rohre, mit der Strömung im inneren Rohr und dem Rücklauf im äußeren Ring) oder umgekehrt). Innerhalb des Bohrlochs ist der Raum um die Rohre normalerweise mit einer geothermischen Aufschlämmung gefüllt, das heißt einem Beton, der mit siliziumhaltigen Inertstoffen und Additiven mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt wurde.

Erdwärmesonden werden häufig verwendet, wenn nicht genügend Platz für eine horizontale geschlossene Kreislaufanlage oder einen ausnutzbaren Grundwasserspiegel für ein offenes Kreislaufsystem vorhanden ist. In den Feldern der Sonde beträgt der Abstand zwischen den Perforationen zwischen 5 und 10 m. Vor diesem Hintergrund können Erdwärmesonden eine Leistung zwischen 40 und 70 W pro Meter Bohrloch liefern.

An den Geothermiestangen wird jedoch der hydraulische Kreislauf in einen Gründungspfahl eingesetzt. Auf diese Weise ist es möglich, die Installationskosten zu begrenzen, da das Bohren nicht spezifisch für die Sonden durchgeführt wird. Darüber hinaus ist die Effizienz der Anlage weniger, damit die geringere Wärmeleitfähigkeit der lehmigen Böden, in denen diese Art von Fundament verwendet wird, und die Anwesenheit von langen Verteilerrohren horizontal Flüssigkeiten, an denen erhebliche Wärmeverluste .

Horizontaler geschlossener Kreislauf

 

Der geschlossene Kreislauf kann horizontal in einem Graben platziert werden, der in Tiefen platziert ist, die größer sind als diejenigen, bei denen ein Gefrieren des Bodens auftreten kann. Die Röhre kann linear oder spiralförmig sein (Erdspulen); Eine andere Konfiguration, die manchmal verwendet wird, ist der geothermische Basketball oder ein Spiralrohr von 2-3 m Höhe, das in den Boden eingesetzt wird. Die auswechselbare Leistung hängt von der Länge des Rohres und der belegten Fläche ab: ungefähr beträgt die mit dem Boden ausgetauschte Leistung 15-40 W / m². Ein Haus mit einer maximalen Leistung von 10 kW benötigt drei Rohre DN20 oder DN 32 von 120-180 m Länge.

Die Rohre werden in einer Tiefe von 1-3 m installiert: Je größer die Einbautiefe, desto größer die thermische Trägheit und desto besser der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Verglichen mit vertikalen Erdwärmesonden ist die Effizienz der Wärmepumpe geringer, aber die niedrigeren Installationskosten machen diese Lösung wettbewerbsfähig. Eine Variante des horizontalen geschlossenen Kreislaufs sind die in kleinen Teichen installierten Systeme, die die thermische Trägheit des Wassers ausnutzen.

offene Schleife

In einem offenen Kreislauf wird der Wärmeaustausch mit Grundwasser oder seltener mit Oberflächenwasserkörpern (Flüssen und Seen) durchgeführt. Das extrahierte Wasser kann in einen Körper von Oberflächenwasser zurückgeführt werden oder in der gleichen Aquifer, die durch Entwässerungsgräben oder Brunnen extrahiert wurde. Die beiden Brunnen (Entnahme und Wiedereinführung) müssen in einem ausreichenden Abstand, um thermische Kurzschlüsse zu vermeiden, installiert werden, die auftritt, wenn das thermisch veränderte Wasser Brunnen (Trübungstemperatur) erreicht reentering Welle.

Der Vorteil gegenüber geschlossenen Systemen ist:

Mehr Effizienz der Wärmepumpe: Wasser extrahiert, in der Tat wird nicht durch Wärmeaustausch betroffen ist (im Vergleich zu dem Boden um eine Sonde, in dem ein Temperaturgradient gebildet wird), bis Nimm die thermischen Shorts; insbesondere für Hochleistungssysteme, geringere Installationskosten und weniger Raum mit Systemen belegt verglichen und noch mehr Erdsonden, die horizontal Loop-Systeme.

Der Hauptnachteil dieser Pflanzen ist die Gefahr von Rissen und Inkrustationen, die die Lebensdauer der Pflanze verkürzen. Aus diesem Grund wird die Installation von offenen geothermischen Systemen in Gegenwart hoher Gehalte an gelösten Salzen nicht empfohlen.

Säule mit gutem Ansehen

Der Standsäulenschacht ist ein besonderes offenes Kreislaufsystem, in dem derselbe Schacht für die Extraktion und den Wiedereintritt verwendet wird. Tatsächlich wird das Wasser vom Boden des Brunnens entnommen und kehrt nach dem Austausch der Wärmeenergie mit der Wärmepumpe zum oberen Ende des Brunnens zurück. Dann steigt das Wasser auf den Grund des Brunnens und tauscht Wärme mit dem umgebenden Gestein aus.

Wärmepumpen- und Klimaanlagenanschlüsse

Die Wärmepumpe ist die zentrale Einheit von Geothermie-Systemen mit geringer Enthalpie. Mit der gleichen Maschine ist es möglich, das Gebäude zu heizen und zu kühlen, Warmwasser zu erzeugen und Spulen zum Schmelzen von Eis und Schnee (z. B. für Garagenrampen) zu fördern.

Wärmetransport innerhalb des Gebäudes kann durch Luft oder Flüssigkeit erfolgen. Terminals am besten geeignet für Erdwärmepumpe Klimaanlage Strahlungsplatten, wie sie bei niedrigerer Heizung arbeiten und Kühltemperaturen höher, gewährleistet eine höhere Effizienz der Wärmepumpe. Sie können weiterhin die Gebläsekonvektor benutzen muss jedoch berücksichtigen, dass, unter Berücksichtigung der Fluidtemperaturen Moll von der Wärmepumpe erreicht, im Falle einer bestehenden Anlage Nachrüstung es notwendig ist, zu erhöhen der Fluss der Flüssigkeit und daher der Abschnitt der Verteilerrohre.

Unterirdische / Aquifer thermische Energiespeicher

In kalten Klimazonen, wo der Energieverbrauch für das Heizen viel höher als der der Klimaanlage ist, kann die Energiebilanz des Bodens unzureichend sein, was zu seiner fortschreitenden Abkühlung führt, mit der sich daraus ergebenden Verringerung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben, ist Wärme im Erdreich zu speichern, unter Verwendung von Sonnenkollektoren, die Wärme von der Sonne und ohne die Hilfe der Wärmepumpe zu erhalten, um dadurch Wärme in den Boden einzubringen, um die Temperatur zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Wärmepumpe im Winter effizienter arbeiten. Diese Lösung wird unterirdischen Wärmespeicher (UTES) oder, im Falle von Open-Loop-Systeme, thermische Energiespeicher Aquifer (ATES) bezeichnet.

Energieeffizienz

Der COP einer Erdwärmepumpe variiert zwischen 3 und 6: Dies bedeutet, dass für jede kWh verbrauchter Strom 3 bis 6 thermische kWh erzeugt werden. Die Primärenergieeffizienz des Stromerzeugungssystems in Italien beträgt etwa 40%: Dies bedeutet, dass zur Erzeugung von 1 kWh Strom 1 / 0,4 = 2,5 kWh Wärme verbraucht werden muss. Im Ergebnis kann eine Erdwärmepumpe 3 bis 6 kWh Wärme erzeugen, indem 2,5 kWh Wärme verbraucht werden (die wiederum zur Erzeugung von 1 kWh Strom verwendet werden). Die Primärenergieeffizienz einer Erdwärmepumpe ist daher zwischen 120% und 240% variabel, während die besten Brennwertkessel 90% Ausbeute erreichen. Eine Erdwärmepumpe, verglichen mit einem Brennwertkessel,

Der COP der Wärmepumpe hängt zu einem großen Teil von den Temperaturen der beiden Thermostate ab (Flüssigkeitskreislauf im Boden und Flüssigkeit der Klimaanlage): Je kleiner die Differenz, desto höher der COP. Die Klimakondensatoren, die höchste Leistung ermöglichen, sind deshalb die Strahlungspaneele, die bei <29 ° C in der Heizung und 16 ° C in der Kühlung arbeiten, gefolgt vom Ventilator (45 ° C in der Heizung und 7 ° C) im Kühlmodus).

Umweltaspekte

Laut der US-Umweltschutzbehörde (EPA). UU., Geothermische Wärmepumpen sind die effizienteste, umweltfreundlichste und wirtschaftlichste Klimaanlage. Einer der größten Vorteile ist zweifellos das Fehlen von Emissionen auf der Baustelle, wodurch diese Anlagen für städtische Gebiete geeignet sind. Treibhausgasemissionen treten jedoch in der Phase der Stromerzeugung auf und hängen daher von der Kombination der von den einzelnen Ländern verwendeten Energien ab. In Schweden beispielsweise wird die Stromerzeugung nur zu 2% mit fossilen Brennstoffen betrieben, so dass der Einsatz von Erdwärmepumpen CO 2 -Reduktionen ermöglicht, die um 65-77% freigesetzt werden; In Polen, wo Kohle in thermoelektrischen Anlagen immer noch weit verbreitet ist, verursachen geothermische Anlagen mehr klimaschädliche Emissionen als Methan- oder Diesel- kessel. In Italien liegen die Einsparungen von Emissionen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen bei etwa 30%. Ein weiterer potentiell signifikanter Einfluss ist das Entweichen von Kältemittel aus der Wärmepumpe: Obwohl FCKW aufgrund ihrer ozonschädigenden Wirkung eliminiert wurden, haben die verwendeten Flüssigkeiten (HFC) immer noch einen sehr hohen Treibhauseffekt (GWP), sogar mehr als das 1000-fache von CO 2. Angesichts der begrenzten Mengen an Kühlmittel, die in der Wärmepumpe enthalten sind, sind diese Umweltauswirkungen im Vergleich zur Erzeugung von Kohlendioxid jedoch marginal. Eine mögliche Auswirkung auf die Umwelt ist das Austreten der Thermovektor-Flüssigkeit aus den Erdwärmesonden. Angesichts der geringen Mengen und der Verwendung von Flüssigkeiten mit geringer Toxizität ist dieser Einfluss jedoch fast vernachlässigbar.

Open-loop-Systeme können eine Verarmung des Grundwasserleiters, eine Verschmutzung zwischen verschiedenen Grundwasserleitern und in einigen Fällen sogar ein Absinken verursachen.

Wirtschaftliche Aspekte

Geothermische Wärmepumpen zeichnen sich durch hohe Installationskosten und geringe Wartungskosten aus. Sie stellen somit eine mittel- bis langfristige Investition dar.

Im Allgemeinen liegen die Einsparungen bei den Instandhaltungskosten zwischen 20 und 60% im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen mit fossilen Brennstoffen.

In Bezug auf die Amortisationszeiten gibt es nicht viele Informationen darüber, aber im Durchschnitt sind sie weniger als 10 Jahre alt und sind abhängig von:

  • Einbaumaße: Besonders bei Open-Loop-Systemen ergeben sich erhebliche Einsparungen bei größeren Anlagen (Skaleneffekte);
  • Installationskosten: in reiferen Märkten, wie in Nordeuropa, sind die Kosten für Bohren und Installation (insbesondere für geschlossene Systeme) niedriger
  • Kosten für Strom und fossile Brennstoffe: der Energiemix für die Stromerzeugung, der Wettbewerb zwischen den Betreibern, Steuern und indirekte Steuern auf Brennstoffe bestimmen die starken Unterschiede zwischen den Ländern
  • Anreize, Steuervergünstigungen, zinsvergünstigte Darlehen

Auch geothermische Wärmepumpen können vom ESCO installiert werden, Unternehmen, die die Installationskosten für Energieeffizienzmaßnahmen berechnen und die Gewinne aus Energieeinsparungen teilen.

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Geändert am: 27. September 2018