Erarbeitung und Simulation eines Wärmenetzes inklusive Erdwärmespeicher für das Wohnsiedlungsprojekt „Néi Schmelz“

Für das neue Wohnsiedlungsgebiet „Néi Schmelz“ in Düdelingen wurde ein CO2-neutrales Wärme- und Kälteversorgungsystem erstellt. Kernstück des Systems ist ein saisonal arbeitender Erdwärmespeicher, in welchem überschüssige Solarwärme zwischengespeichert wird. Aus den zu erwartenden Jahresverbräuchen an Wärme- und Kälteenergie wurden, mittels meteorologischer Daten, stündliche Verbrauchsprofile für die Wärme- und Kälteversorgung erstellt. Um diese Verbrauchsprofile effizient abzudecken, wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, welches den zur Verfügung stehenden Mix an Energiequellen optimal nutzt. Dieses umfasst die Möglichkeit Wärme direkt von den Solarkollektoren oder aus dem Erdreich in die Wärmeversorgung einzuspeisen. Alternativ kommen Erdwärmepumpen zum Einsatz. Die Kälteversorgung erfolgt über eine Kältemaschine oder ein „Freecooling“-System, welches bei tiefen Außentemperaturen die Kältemaschine umgeht. Die Abwärme der Kältemaschinen kann in das Wärmenetz eingespeist werden. Die benötigten Hauptapparate wurden beschrieben und ausgelegt. Kernstück der Arbeit war die Auslegung und die Betriebssimulation des Erdsondenfeldes. Zunächst wurde ein thermodynamisches Modell einer einzelnen Erdwärmesonde in Excel-VBA entwickelt und analysiert. Es konnte ein einfacher Zusammenhang zwischen der Leistung der Sonde, der mittleren Erdtemperatur am Sondenrand sowie der Vor- und Rücklauftemperatur gefunden werden. Die Auslegung des Feldes erfolgte schrittweise. Zuerst wurde das benötigte Arbeitsvolumen des Feldes anhand theoretischer Überlegungen und der Energieverbrauchsprofile ermittelt. Dann wurde ein Programm zur Erstellung hexagonaler Erdsondenfelder geschrieben. Der optimale Sondenabstand wurde durch thermische Symmetriebetrachtungen im Feld optimiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Einbringung der Solarwärme der kritische Parameter für die Auslegung des Erdsondenfeldes ist. Die Solarwärme fällt innerhalb weniger Stunden im Jahr an. Diese Wärme in den Untergrund einzuspeichern ist nur durch eine hohe Anzahl an Erdsonden mit relativ kleinen Sondenabständen möglich. Danach wurde ein Modell zur volldynamischen Simulation der Energieversorgung, welches die Interaktion der Erdsonden im Erdsondenfeld simuliert entwickelt. Anhand dieses Modells wurde der Betrieb des Feldes simuliert. Die ermittelten Anlagenparameter wurden validiert. Durch die Simulation des Feldes wurde es möglich, für jede Jahresstunde den optimalen Anlagenzustand zu bestimmen. In Abhängigkeit der Temperaturen im Erdsondenfeld, der Außentemperatur und der Sonneneinstrahlung wurde der Verlauf der Vor- und Rücklauftemperatur des Erdsondenfeldes, die Wirkungsgrade der Wärmepumpen und die energetische Bilanz die Direkteinspeisung von Solar- oder Erdwärme in die Arealnetze berechnet. Die ermittelten Daten wurden in Form eines Energieflussdiagrammes aufbereitet. Die Auswertung zeigte, dass es möglich ist ein Erdsondenfeld zur saisonalen Speicherung von Solarwärme zu benutzen. Die Verluste im Erdreich sind mit ca. 6% sehr klein. Im Feld werden hohe Temperatur von über 50°C erreicht. Dies ermöglicht viel höhere Leistungszahlen an den Wärmepumpen im Vergleich zu klassischen einzelarb Für das neue Wohnsiedlungsgebiet „Néi Schmelz“ in Düdelingen wurde ein CO2-neutrales Wärme- und Kälteversorgungsystem erstellt. Kernstück des Systems ist ein saisonal arbeitender Erdwärmespeicher, in welchem überschüssige Solarwärme zwischengespeichert wird. Aus den zu erwartenden Jahresverbräuchen an Wärme- und Kälteenergie wurden, mittels meteorologischer Daten, stündliche Verbrauchsprofile für die Wärme- und Kälteversorgung erstellt. Um diese Verbrauchsprofile effizient abzudecken, wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, welches den zur Verfügung stehenden Mix an Energiequellen optimal nutzt. Dieses umfasst die Möglichkeit Wärme direkt von den Solarkollektoren oder aus dem Erdreich in die Wärmeversorgung einzuspeisen. Alternativ kommen Erdwärmepumpen zum Einsatz. Die Kälteversorgung erfolgt über eine Kältemaschine oder ein „Freecooling“-System, welches bei tiefen Außentemperaturen die Kältemaschine umgeht. Die Abwärme der Kältemaschinen kann in das Wärmenetz eingespeist werden. Die benötigten Hauptapparate wurden beschrieben und ausgelegt. Kernstück der Arbeit war die Auslegung und die Betriebssimulation des Erdsondenfeldes. Zunächst wurde ein thermodynamisches Modell einer einzelnen Erdwärmesonde in Excel-VBA entwickelt und analysiert. Es konnte ein einfacher Zusammenhang zwischen der Leistung der Sonde, der mittleren Erdtemperatur am Sondenrand sowie der Vor- und Rücklauftemperatur gefunden werden. Die Auslegung des Feldes erfolgte schrittweise. Zuerst wurde das benötigte Arbeitsvolumen des Feldes anhand theoretischer Überlegungen und der Energieverbrauchsprofile ermittelt. Dann wurde ein Programm zur Erstellung hexagonaler Erdsondenfelder geschrieben. Der optimale Sondenabstand wurde durch thermische Symmetriebetrachtungen im Feld optimiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Einbringung der Solarwärme der kritische Parameter für die Auslegung des Erdsondenfeldes ist. Die Solarwärme fällt innerhalb weniger Stunden im Jahr an. Diese Wärme in den Untergrund einzuspeichern ist nur durch eine hohe Anzahl an Erdsonden mit relativ kleinen Sondenabständen möglich. Danach wurde ein Modell zur volldynamischen Simulation der Energieversorgung, welches die Interaktion der Erdsonden im Erdsondenfeld simuliert entwickelt. Anhand dieses Modells wurde der Betrieb des Feldes simuliert. Die ermittelten Anlagenparameter wurden validiert. Durch die Simulation des Feldes wurde es möglich, für jede Jahresstunde den optimalen Anlagenzustand zu bestimmen. In Abhängigkeit der Temperaturen im Erdsondenfeld, der Außentemperatur und der Sonneneinstrahlung wurde der Verlauf der Vor- und Rücklauftemperatur des Erdsondenfeldes, die Wirkungsgrade der Wärmepumpen und die energetische Bilanz die Direkteinspeisung von Solar- oder Erdwärme in die Arealnetze berechnet. Die ermittelten Daten wurden in Form eines Energieflussdiagrammes aufbereitet. Die Auswertung zeigte, dass es möglich ist ein Erdsondenfeld zur saisonalen Speicherung von Solarwärme zu benutzen. Die Verluste im Erdreich sind mit ca. 6% sehr klein. Im Feld werden hohe Temperatur von über 50°C erreicht. Dies ermöglicht viel höhere Leistungszahlen an den Wärmepumpen im Vergleich zu klassischen einzelarbeitenden Erdwärmesonden. Die Arbeit zeigt, dass das erarbeitete Anlagenkonzept, mit der saisonalen Speicherung von Solarwärme in einem Erdsondenfeld, eine sehr attraktive Möglichkeit darstellt, die Energieversorgung des Quartiers „Néi Schmelz“ CO2-neutral zu gestallten. Dabei ist der Bedarf an elektrischer Energie zum Betrieb der Wärmepumpen mit nur 7,2 kWh/m²/a extrem niedrig.