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

by Dhur Michel

mercredi 8 août 2018/Catégories: Travail de candidature, Branches, Mécanique

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.

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