Erdwärmsonden und saisonale Speicherung
Das Dörfl braucht erneuerbares Heizen im Winter mittels Erdwärme
Die Preisentwicklung von fossilen Energieträgern wie Erdgas und der Druck aus ökologischen und politischen Gründen vom Erdgas unabhängig zu werden unterstützen begünstigen die unten dargestellten Entwicklungen. Schließlich wird das Heizen mit Erdgas 2040 verboten. Spätestens dann muss also eine Umstellung auf erneuerbare Energie erfolgen. Wenn wir die Investition in die Umstellung schon heute vorzunehmen sparen wir 18 Jahre Ausgaben für Erdgas ein.
Daher soll das Dörfl in Zukunft mit Erdwärme heizen.
Dies geschieht mittels:
- Erdwärmesonden,
- Wärmepumpe und
- Flächenheizungen in möglichst gut thermisch sanierten Wohnhäusern.
Erdwärmesondenfeld
Für das Dörfl bräuchte man aber ein ganzes Erdwärmesondenfeld (z.B. unter dem Pfarrgarten),
denn viele Häuser können mangels Garten keine Erdsonden installieren.
Hier wäre typisch
- Abstand der Sonden mindestens 7 m
- Pro 5 kW Heizleistung (1500 Vollaststunden) 1 Sonde mit 70-100m
- Ca. 2 Sonden pro Einfamilienhaus
- An der Oberfläche ist das Sondenfeld unsichtbar
Dabei gibt es ein gravierendes Problem - die Auskühlung der Erde
Die Erde wird bei einzelnen Erdwärmesonden und stärker noch im Erdwärmesondenfeld durch den stetigen Wärmentzug über die Jahre ausgekühlt
Der saisonale thermische Speicher kühlt im Sommer heizt im Winter
Kühlung im Sommer durch Verwendung der Heizflächen kombiniert mit Wärmegewinnung für den Winter
Durch die globale Erwärmung sinkt der Wärmebedarf im Winter durch Anhebung der Minimaltemperaturen und Verkürzung der Heizperiode. Gleichzeitig werden die Maximaltemperaturen steigen und die Zahl der Hitzetage steigen. Somit wird die Effektivität der saisonalen Speicherung von Wärme aus Kühlung im Sommer für die Heizung im Winter im Laufe der nächsten 25 Jahre verbessert.
- Die Wärmepumpe nimmt das kühle Wasser aus dem Erdsondenfeld über das Nahwärmenetz auf.
- Das kühle Wasser durchströmt die Heizflächen, nimmt die Wärmeenergie der Räume auf und kühlt sie so.
- Die Wärme wird über das Nahwärmenetz in die Erdwärmesonden gepumpt und an das Erdreich abgegeben.
- Die Raumtemperatur wird so im Sommer um 3° gesenkt
- der subjektive Effekt ist noch stärker
- und der Erdwärmespeicher wird für effizientes Heizen im Winter aufgewärmt
- [die Kühlung im Sommer braucht 3,8 mal weniger Strom als eine Klimaanlage]
[Quelle]
Die Eignung der Geophysik für eine saisonale thermische Energiespeicherung in einem Erdwärmesondenfeld (engl. Borehole thermal energy storage BTS) hängt von drei Faktoren ab:
- der Wärmekapazität, die, wenn sie zu niedrig ist, das Volumen des Speichers vergrößert und damit weniger wirtschaftlich macht
- der Wärmeleitfähigkeit, die wenn sie zu hoch ist, den Verlust der Wärme an der Oberfläche des thermischen Speichers begünstigt
- Grundwasserströmen im Tiefenbereich von 15-70m, die zu Konvektionsverlusten der gespeicherten Wärme führt
Im Dörfl ist die Wärmeleitfähigkeit im Untergrund bis 100m Tiefe im Erdwärmepotentialkataster mit 2,05 +-0,2 W/m/K angegeben. Was eine mittlere bis gute Voraussetzung schafft.
Für die saisonale Erdspeicherung gibt es bereits Praxisbeispiele
- Die Bohrtiefe wird durch Grundwasser begrenzt.
- eine höhere Zahl von Sonden bedeutet eine bessere Relation von Volumen zu Oberfläche des Erdspeichers und steigert die Effizienz
- Die Erde wird im Sommer z.B. auf bis zu 55°C erwärmt und im Winter bis auf bis zu 15°C mithilfe der Wärmepumpen entladen.
- Praxisbeispiele
- Crailsheim: 60 Sonden 55m tief 3 m Abstand in 30m Kreis
- Braedstrup: 48 Sonden 45m tief für 1481 Einwohner 39,633 MWh
Literatur:
Seasonal Thermal Energy Storage - Critical Review
Wärmegewinnung und Kühlung im Sommer durch künstliche Beregnung der Dachflächen
Geeignete Gebäude sind vor allem die denkmalgeschützten Gebäude
Wir haben im Dörfl 11 denkmalgeschützte Gebäude mit teils sehr großen Dachflächen. Der Denkmalschutz erlaubt i.d.R. keine PV-Panels oder Solarthermischen Kollektoren.
| Adresse | Historie | Dachfläche sehr gut m2 | Dachfläche gut m2 | PV kWh/a | Solartherm kWh/a |
|---|---|---|---|---|---|
| Bloschg 1 | Bürgerhaus mittelalt. | 85 | 218 | 58290 | 254173 |
| Bloschg 2 | Pfarrhof | 39 | 166 | 39469 | 172105 |
| Bloschg 3 | Bürgerhaus | 0 | 134 | 23660 | 103169 |
| Georgsplz 1 | Mesnerhaus | 6 | 103 | 20750 | 90478 |
| Georgsplz 2 | 15.JH und 17. JH | 12 | 92 | 20294 | 88492 |
| Jungherrnsteig 2 | ehem Volksschule | 187 | 94 | 60691 | 264641 |
| Wigand 41 | Pfarrkirche | 2 | 72 | 13606 | 59329 |
| Zwillinggasse 1 | Maria Theresia-Schlösschen | 110 | 280 | 76035 | 331546 |
| Wigand 25 | ehem Feuerwache | 0 | 87 | 15385 | 67088 |
| Wigand 37 | Ehem. Freihof Stifts KN | 63 | 192 | 49921 | 217679 |
| Wigand 39 | Bürgerhaus ehem Schule | 9 | 49 | 11007 | 47996 |
| Summe | denkmalgeschützte G. | 513 | 1487 | 389108 | 1696696 |
Damit wir einen Teil der Wärme auf den Dächern dieser Gebäude dennoch für einen Beitrag zur Klimaneutralität nutzen und gleichzeitig die Dachwohnungen vor der Sonnenhitze schützen können, haben wir ein innovatives, in dieser Form noch nicht veröffentlichtes Verfahren erdacht: wir wollen die sonnenbeschienen Dächer künstlich beregnen!
TECHNIK
- In der hauseigenen Zisterne gesammelte Regenwasser wird auf das Dach gepumpt
- Regenwasser ist kalkfrei und hinterlässt keine Flecken am Dach, die nicht nur unschön wären, sondern auch das Licht reflektieren würden
- das Wasser wird über Tropfschläuche gezielt in die Dachziegelsenken geleitet oder bei Flachziegeln ca. alle 5cm ein Loch
- dort kühlt es die Dachziegel und nimmt die Sonnenwärme auf
- die Temperatur des Wassers in Regenrinne und Fallrohr wird über die Pumpleistung geregelt und optimal gehalten
- so wird immer nur die im Tagesverlauf ausreichend sonnenbeschienenen Dachflächen künstlich beregnet
- das gewärmte Wasser wird in den Fallrohren durch Fallrohrfilter abgezweigt und über Rohre zum Wärmetauscher geleitet
- so wird die Wärme für das Haus zur Warmwasserbereitung zur Verfügung gestellt
- und die meiste Wärme über das Nahwärmenetz abführt.
- Nach dem Wärmetauscher fließt das Wasser zurück in die Zisterne.
- Natürlicher Regen wird ebenfalls über die Rohre in die Zisterne geleitet, um Verluste durch Verdunstung auf dem Dach von bis zu 5 Litern pro Stunde auszugleichen. Der natürliche Regen wird aber über ein elektromagnetisches Ventil am Wärmetauscher vorbei in die Zisterne geleitet.
Dabei entstehen eine Reihe von Verlusten, die sich in Modellrechnungen abschätzen lassen:
- 33% Reflexion (Albedo von roten Dachziegeln)
- 68% Abstrahlungsverlust nach oben
- 18% Verdunstung bei 35°C mittlerer Temperatur des Wassers auf dem Dach (Temperatur dürfte von 25°C am First auf 40°C in der Dachrinne steigen)
Weitere Einschränkungen
- ca. 15% Verlust entstehen im Wärmetauscher
- und ca. 27-35% Speicherverluste
- im Winter ist die Methode wenig nützlich
Beispiel:
- Bei 110m2 südgerichtetem Dachanteil
- müssen im Sommer mittags 0,6 Liter/s Wasser auf das Dach gepumpt werden und
- die Zisterne muss mindestens 500 Liter fassen
- Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximalen Solarstroms.
- es werden 25kW-peak thermisch produziert
Kostenschätzung:
- Tropfschläuche mit Montage <500€
- 2 Fallrohrfilter 100€
- Rohrleitungen mit Verlegen 500€
- elektromechanisches Ventil 100€
- 2 Wärmetauscher in Serie 10 kW 1000€
- 2 Tauchpumpen 100€
- Sensoren und Regelelektronik 250€
- Summe 2500€
Links zur Dachkühlung:
- https://www.oekoservice.com/dachkuehlung/Kurzinfo_Dachkuehlung.pdf
- https://docplayer.org/9378290-Dachkuehlung-projektarbeit-thomas-czoske-dominik-neusch-oekoservice-umwelt-und-abwassertechnik.html
Ganzjährige Wärmegewinnung mit Solarthermie Kollektoren oder PVT Hybriden mit Photovoltaik
Die Verwendung von PVT-Panels nutzt die begrenzte Dachfläche im Dörfl optimal. PVT-Panels sind teurer als PV-Panels oder solartherme Kollektoren. Sie erlauben die Wärmegewinnung für Warmwasser und einen Teil der Heizenergie auch im Winter. Die restliche Wärmeenergie muss über das Nahwärmenetz auf dem Erdwärmsondenfeld entnommen werden und mittels Wärmepumpen auf das Temperaturniveau der Vorlauftemperatur gehoben werden. Dabei kann auch im Winter zum Teil der in der PV-Anlage gewonnene Sonnenstrom herangezogen werden.
Potential geeigneter Dachflächen ohne Denkmalschutz im Dörfl
| Adresse | Dachfläche sehr gut m2 | Dachfläche gut m2 | PV kWh/a | Solartherm kWh/a |
|---|---|---|---|---|
| Bloschg 5 | 9 | 124 | 24246 | 105724 |
| Bloschg 7 | 21 | 175 | 37036 | 161492 |
| Bloschg 9 | 60 | 189 | 48283 | 210538 |
| Bloschg 11 | 35 | 91 | 24765 | 107987 |
| Bloschg 13 | 14 | 114 | 24047 | 104855 |
| Geigerin 2 | 0 | 146 | 26965 | 117580 |
| Geigerin 4 | 7 | 121 | 23897 | 104202 |
| Geigerin 6/1 | 0 | 20 | 3405 | 14847 |
| Geigerin 6/2 | 0 | 28 | 5029 | 21929 |
| Georgsplz 3 | 20 | 97 | 22313 | 97295 |
| Georgsplz 4 | 13 | 158 | 31655 | 138030 |
| Heiligenstädterstr 331/1 | 2 | 44 | 8647 | 37703 |
| Heiligenstädterstr 331/2 | 16 | 87 | 20361 | 88782 |
| Heiligenstädterstr 331/3-4 | 3 | 136 | 26411 | 115163 |
| Heiligenstädterstr 333 | 0 | 46 | 8431 | 36761 |
| Heiligenstädterstr 335 | 0 | 34 | 5757 | 25105 |
| Heiligenstädterstr 337 | 0 | 16 | 2713 | 11831 |
| Heiligenstädterstr 351 | 39 | 104 | 28113 | 122585 |
| Heiligenstädterstr 357 | 0 | 150 | 28658 | 124962 |
| Heiligenstädterstr 359 | 18 | 39 | 10875 | 47421 |
| Kuchelauer Hafenstraße 2 | 16 | 502 | 97844 | 426644 |
| Waldbachsteig 1 | 0 | 27 | 4440 | 19361 |
| Wigand 11 | 0 | 40 | 6880 | 30001 |
| Wigand 22 | 0 | 104 | 17784 | 77546 |
| Wigand 23 | 0 | 32 | 5346 | 23310 |
| Wigand 27 | 0 | 148 | 27064 | 118012 |
| Wigand 5 | 0 | 345 | 62316 | 271727 |
| Wigand 7 | 0 | 41 | 7559 | 32962 |
| Wigand 9 | 21 | 129 | 29379 | 128108 |
| Summe | 294 | 3287 | 670219 | 2922463 |
Literatur:
Photovoltaik-Solarthermie Hybrid (PVT) eine Einführung auf Englisch
es gibt bereits gute kommerzielle PVT Panels
Datei:EUWID CO² neutrale Quartierloesung mit PV-ISIETherm.pdf