Luftdurchströmte Schotterschüttungen

Für kleine Luftvolumenströme bis circa 3000 m³/h eignen sich zum Kühlen und Vorwärmen der Außenluft praxisbewährte Wärmeübertrager mit im Erdreich verlegten Rohren (z.B. AWADUCT Thermo-Luft-Erdwärmetauscher [1]). Für große Luftvolumenströme alternativ eingesetzte Luftbrunnen bewirken nur eingeschränkte Kühlleistungen. Erdwärmeübertrager mit luftdurchströmten Schotterschüttungen stellen vor allem bei mittleren (ca. bis 10000 m³/h) und großen (ca. bis 100000 m³/h) Luftvolumenströmen einen geeigneten Kompromiss dar. In der Vergangenheit bereits praktizierte Einsatzfälle, vor allem in der Landwirtschaft, funktionierten jedoch mangelte es an Dimensionierungs- und Optimierungsalgorithmen. Schwerpunkt der Forschungsarbeit waren Betrachtungen zur Dimensionierung, zur Vorausberechnung des Energieertrages, zur thermischen und hydraulischen Simulation und optimalen Betriebsweise.

In der Literatur existieren bereits einige Publikationen zur Anwendung von Gesteinsschüttungen zur Luftkonditionierung, z. B. in der Stalllüftung, wobei die in [2,3] ausgewiesenen Untersuchungen die Nutzbarkeit auch in der Raumluftkonditionierung umfangreich untersuchen und nachweisen sowie diesbezüglich die besondere Eignung des Systems dokumentieren.

Die wesentlichen Vorteile sind:

• Vorwärmung im Winterbetrieb (reduziertes Frostrisiko an WRG)
• im Sommer Luftkühlung mit sporadischer Entfeuchtung

Weitere Vorteile sind:

• einfacher Aufbau und Integration in den Baukörper möglich
• in der Regel preisgünstige Erstellung
• hohe Energiegewinne, geringe energetische Aufwendungen für zusätzliche Lufttransporte

Die Bearbeitung von Aufgabenstellungen für Bau und Betrieb von Erdwärmeübertragern mit Schotterschüttungen für konkrete Einsatzfälle zeigen jedoch, dass mit dem aktuellen Kenntnisstand viele diesbezügliche Probleme nur unzureichend bzw. gar nicht gelöst werden können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens waren daher schwerpunktmäßig zu bearbeiten:

• messtechnische Untersuchungen bereits installierter Schotterspeicher
• mathematische Modellierung für den instationären Betrieb
• Bestimmung der Speichergeometrie in Abhängigkeit definierter Rand­-­bedingungen
• Minimierung des luftseitigen ­Druckverlustes
• Erstellung von praktikablen ­Konstruktionslösungen
• Richtwerte für Investitionskosten
• Vorausberechnung der jährlich eingesparten Heiz- und Kühlenergie
• Erarbeitung optimierter Regelstrategien
• Untersuchungen zur hygienischen Unbedenklichkeit

Neben umfangreichen theoretischen Betrachtungen standen während der Bearbeitungszeit des Forschungsvorhabens ein luftdurchströmter Schotterspeicher als Versuchsanlage, der im Rahmen des Neubaus der Laborhalle an der Westsächsischen Hochschule Zwickau im Jahr 2004 entstand und im Jahr 2010 im Zuge einer Laborhallenerweiterung optimiert neu gebaut wurde (siehe Bild 1), sowie insgesamt drei Pilotanlagen zur Verfügung.

Der Versuchsspeicher wird mit einem Luftvolumenstrom von 12000 m³/h beaufschlagt und dient der Teilklimatisierung der Laborhalle. Dieser Speicher stand für erste Messungen sofort zur Verfügung und wurde während des Forschungsprojektes fortlaufend untersucht.

Prinzipaufbau und Funktionsweise

Es wird eine Grube in der Erde in einer bestimmten Tiefe mit Schotter gefüllt und als Wärmespeicher in ein Luftleitsystem integriert. Der Vorteil ist der geringe Bauaufwand und die Möglichkeit, im Winter die Luft zu erwärmen und im Sommer abkühlen zu können. Dadurch wird eine wesentliche Energieeinsparung erzielt und gibt die Möglichkeit, die nachgeschalteten Luftkonditionierungsapparate kleiner zu dimensionieren bzw. oft gänzlich weglassen zu können (Kühlung).

Mit Unterstützung der RLT-Anlage durch einen in den Lüftungs- und Klimatisierungsprozess integrierten, luftdurchströmten Schotterspeicher soll es möglich sein, auch unter Beachtung hoher Komfortansprüche der Raumnutzer, Reserven konventioneller Energieträger zu schonen, die CO₂-Bilanz des Gebäudes deutlich zu verbessern sowie Energiekosten zu minimieren.

Der Schotterspeicher (1) in Bild 2 besitzt eine quaderförmige Geometrie. Seine Größe ist abhängig vom Auslegungsvolumenstrom und der geforderten Speicherladedauer. Er befindet sich regelmäßig unter der Geländeoberkante (GOK). Dabei ist darauf zu achten, dass das gesamte Speichervolumen oberhalb des höchsten zu erwartenden Grundwasserspiegels liegt. Der unterirdische Ausbau kann unter freiem Gelände aber auch unter Gebäuden mit thermischer Entkopplung erfolgen.

Der Schotterspeicher wird an seinen Seitenflächen durch ein Luftverteil- bzw. -sammelsystem (2) begrenzt. Auf der Oberseite ist der Schotterspeicher mit einer wasserundurchlässigen Folie gegen eindringendes Oberflächen- oder Sickerwasser zu schützen. Die zur Belüftung des Gebäudes benötigte Außenluft wird über eine Außenluftansaugung (3) dem Luftverteilsystem zugeführt, durch die Schotterhohlräume geführt, am Austritt des Speichers als thermisch aufbereitete Außenluft gesammelt und über einen Lüftungskanal dem Lüftungsgerät im Gebäude zugeleitet. Der Zuluftventilator (4) des Lüftungsgerätes kompensiert die Druckverluste. Für die Regenerierung des Schotterspeichers wird ein zusätzlicher Regenerationsventilator (5) benötigt. Während der Speicherregeneration ist der Luftaustausch des Gebäudes über einen Bypass oder eine weitere Außenluftansaugung sicherzustellen. Die Regenerationsluft wird über die Betriebsaußenluftansaugung ins Freie geblasen. Eventuell eintretendes Schichtenwasser fließt ab und wird am Boden des Schotterspeichers über Drainagerohre abgeleitet.

Die Betriebsweise der Anlage ist abhängig vom betrachteten Auslegungszustand. Aus diesem Grund soll zwischen den Auslegungszuständen Sommer, Winter und Übergangsperiode unterschieden werden. An einem Sommertag (siehe Bild 3) wird warme Außenluft durch den Schotterspeicher ge­fahren. Das Schotterbett nimmt dabei einen Teil der Außenluftwärme auf. Die Luft kühlt sich dabei soweit ab, dass sie ohne weitere Aufbereitung dem Raum zugeführt werden kann. In der Nacht wird der Schotter regeneriert. Hierzu wird kühle Nachtluft angesaugt und in umgekehrter Richtung durch den Schotterspeicher gefahren.

Im Winter (siehe Bild 4) erwärmt sich die kalte Nachtluft im Schotterbett bis auf das Temperaturniveau des Vortages. Anschließend wird die so vorgewärmte Luft im Klimagerät weiter auf Zulufttemperatur erwärmt und dem Raum zugeführt. Am Tag wird Außenluft über den Schotterspeicher gefahren. Dabei wird der Schotter regeneriert und auf das Temperaturniveau der Außenluft gebracht. In der Übergangsperiode ist es möglich alle vier Betriebszustände zu durchlaufen. Dies ist abhängig von der dann vorherrschenden Außentemperatur.

Dimensionierung von luftdurchströmten Schotterschüttungen

Um einen luftdurchströmten Schotterspeicher hinsichtlich verschiedenster Anforderungen optimal auslegen zu können, ist die rechnergestützte Simulation durchzuführen. Bei einem Anlagenentwurf findet zunächst ein überschlägiges Speicherauslegungsverfahren Verwendung, mit dem die Möglichkeit geschaffen wurde, die Kubatur des durchströmten Schotterbettes zu bestimmen. Dabei werden verschiedene Gesteinsvolumina mit definierten Volumenströmen verglichen. Grundlage der Auslegung im Abschätzverfahren ist die Darstellung der verschiedenen Austrittstemperaturgänge des Speichers bei einem fest definierten Tagestemperaturgang eines extremen Sommertages. Der Vergleich basiert auf einer Leistungsabschätzung. Weiterhin können die Ergebnisse aus dem Speicherauslegungsverfahren als Vorbestimmung für eine sinnvolle Systemkonfiguration einer numerischen Simulation zu einem späteren Zeitpunkt am Rechner genutzt werden. Für diegenaue Ermittlung des Einflusses abweichender Randbedingungen auf Energiebilanzen ist die Simulationsberechnung unerlässlich.

Aufbau und Herangehensweise des Überschlagsverfahrens

Es ist zu beachten, dass das Ergebnis des überschlägigen Speicherauslegungsverfahrens nur eine Aussage über einen klar definierten Zustand der Anlage zulässt. Die Auslegung erfolgt damit unter der Maßgabe einer Extremlastabdeckung. Grundlage der Auslegung im Abschätzverfahren ist die Darstellung der verschiedenen Austrittstemperaturgänge des Speichers bei einem fest definierten Tagestemperaturgang eines extremen Sommertages. Für den Vergleich wurde bewusst ein Sommerauslegungszustand gewählt, um die Haupteigenschaft des Schotterspeichersystems, das Abkühlen der Außenluft tagsüber im Sommer, aufzuzeigen. Hierzu wurden folgende Randbedingungen für alle untersuchten Fälle gleichermaßen definiert:

• Tagestemperaturgang der Lufteintrittstemperatur in den Schotterspeicher,
• Soll-Austrittstemperatur aus dem Schotterspeicher,
• Gesteinsanfangstemperatur im Schotterspeicher,
• Gesteinsart und die Kornverteilung.

Da es sich beim luftdurchströmten Schotterspeicher in der Regel um einen Tagesspeicher handelt, ist für die energetische Abschätzung ein Außentemperaturtagesgang ausreichend. Im Sommerauslegungszustand besteht die Funktionsweise des luftdurchströmten Schotterspeichers darin, die Tageswärme der Außenluft aufzunehmen und in der Nacht, während der Regeneration, an die kühle Außenluft wieder abzugeben. Da die Abkühlung des Schotters während der Nacht durch die Außenluft erfolgt, ist der kühlende Effekt am Tag auch durch das Nachttemperaturniveau begrenzt.

Der für die Auslegung herangezogene Entwurfstag stellt einen Sommertag mit einem für unsere Region extremen Außentemperaturgang dar, der sich an die maximal vorkommenden Lufttemperaturen der DIN 4710 anlehnt. Es wird zunächst von einer Soll-Zulufttemperatur von 20 °C während der Gesamtbetriebszeit ausgegangen. Die Gesteinsanfangstemperatur beträgt für alle betrachteten Fälle 18 °C. Weiterhin wurde, füralle untersuchten Varianten, Metagrauwacke mit einer Korngröße 45/150 als Gesteinsmaterial definiert, da dieses Material mittlere wärmetechnische Eigenschaften aufweist.

Die für die Untersuchung ausgewählte Korngrößenverteilung ist typisch für die Anwendung bei luftdurchströmten Schotterspeichern. Berechnungen zum optimalen Speichervolumen mit anderen Gesteinsmaterialen zeigten, dass der Einfluss der Materialeigenschaften von typischen Gesteinssorten, im Gegensatz zum Luftvolumenstrom, auf die optimale Speichergröße von geringer Bedeutung ist [6]. Aus diesem Grund können die Ergebnisse des überschlägigen Speicherauslegungsverfahrens auf alle relevanten Gesteinsarten übertragen werden.

Um die energetisch günstigste Anlage zu erhalten, sind im Vorfeld folgende Betriebsbedingungen vom Planer bzw. Anlagen­betreiber festzulegen:

• benötigter Außenluftvolumenstrom,
• Betriebszeit der RLT / Speichernutzdauer.

Variiert werden die volumetrischen Verhältnisse des quaderförmigen Grundkörpers. Um einen energetischen Vergleich unter den verschiedenen Volumina zu erhalten, wurde die Luftaustrittstemperatur aus dem Schotterspeicher zu jeder vollen Tagesstunde berechnet. Die Berechnung der Luftaustrittstemperatur aus dem Schotterspeicher erfolgt dabei mithilfe des zur Verfügung stehenden Simulationsprogramms Luftdurchströmter Schotterspeicher Wärmetechnisches Simulationsmodell.

Die Schrittfolge zur Bestimmung der Luftaustrittstemperatur ist in [5] ausführlich beschrieben. Das Simulationsmodell be­trachtet die Speicherränder als adiabat. Der durch die Simulationsberechnung ermittelte Kältegewinn am Tag resultiert einzig und allein aus dem Enthalpieunterschied zwischen der Tag- und Nachtluft.

Der zur Simulation definierte Tagestemperaturgang wurde dabei vier Tage in Folge simuliert. Die Ergebnisse der Betriebsstunden 72 bis 96 wurden dann zur Auswertung herangezogen. Damit ist sichergestellt, dass Effekte durch das Einschwingen des Temperaturfeldes vermieden sind. Die errechneten stündlichen Luftaustrittstemperaturen sowie die entsprechenden Tagesaußenlufttempe­raturen sind über der Zeit in Bild 5 grafisch dargestellt.

Daraus ist ersichtlich, welches Speichervolumen am effektivsten für eine aktive Luftkühlung in der benötigten Betriebszeit sorgt. Weiterhin wurde die Soll-Zulufttemperatur dargestellt. Die Fläche zwischen Außentemperatur und Austrittstemperatur stellt die erreichte Kälteenergiemenge dar. Sie ist am größten, wenn das Minimum der Austrittstemperatur und das Maximum der Tagestemperatur zur gleichen Zeit erfolgen. Die Phasenverschiebung entspricht dann 12 Stunden. Dabei stellt sich die maximale Leistung des Speichers ein.

Die durchgehende magentafarbene Linie zeigt die Außenlufttemperatur, die magentafarbene Strich-Punkt-Linie zeigt die Austritts­temperatur aus dem Speicher ohne Regeneration. Während der jeweiligen Betriebsstunde wurde die Außentemperatur und die Austritts­temperatur als konstant angenommen. Somit wurde aus dem reell vorliegenden instationären Problem der Wärmemechanismen eine stationär bestimmbare Fallstudie.

Zur Berechnung des täglichen Kältebedarfs bzw. der täglich bereitgestellten Kältemenge (siehe Bild 6) wurden die stündlichen Kältemengen über die Integrationszeit des täglichen Speicherbetriebs summiert. Bei der Anzahl der Betriebsstunden wurde nur jene Integrationszeit des Tages berücksichtigt, in welcher der Speicher seiner kühlenden Funktion im Sommerbetrieb gerecht wird. Der Quotient aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt den täglichen Deckungsgrad des Kältebedarfs für den Auslegungsfall.

Beim maximal erreichbaren Deckungsgrad besitzt der Speicher seinen optimalen Größenbereich hinsichtlich der energetischen Effizienz. In einem zweiten Diagramm wurde der Tagesdeckungsgrad für die verschiedenen Anlagenvolumina unter Auslegungsbedingung aufgeführt. Für derzeitige Anwendungen stehen Diagramme mit Luftvolumenströmen zwischen 5000 und 50000 m³/h zur Verfügung.

Nachdem der Volumenstrom für das Gebäude bzw. die Gebäudeeinheit bekannt ist, muss die Kernbetriebszeit (Hauptnutzungszeit) festgelegt werden. So kann diese beispielsweise für ein Wohnhaus zwischen 15:00 und 21:00 Uhr, für eine Schule von 7:00 bis 16:00 Uhr oder für einen Bürokomplex zwischen 8:00 und 19:00 Uhr liegen. Aus dem Temperatur-Zeit-Diagramm des zutreffenden Volumenstromes lassen sich nun anhand der verschiedenen Luftaustrittstemperaturgänge geeignete Gesteinsvolumina zuordnen. In einem weiteren Diagramm, welches den Deckungsgrad für den definierten Luftvolumenstrom über die ausgewählten Speichervolumen aufzeigt, kann jetzt eine energetisch günstige Variante abgelesen werden. Die Bilder 7 und 8 zeigen die Speichervorbemessung anhand der Auslegungs­diagramme beispielhaft.

Dimensionierungsrichtwerte

Die nachstehenden Auslegungskriterien sind lediglich als Richtwerte für eine erste Dimensionierung des Systems zu verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass für eine ausführungsgerechte Speicherauslegung die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Auslegungsunterlagen [7] als notwendig erachtet werden. Die nachfolgenden Richtwerte sind ohne Beachtung von Nutzerbetriebszeiten, Speicherbedarfsdauer, Gesteinsmaterial, Untergrundbedingungen, Klimabedingungen etc.:

Speichergröße

• Speichervolumen = Luftvolumenstrom [m³/h] / 120
• Speicherhöhe zwischen 1,5 m und 4 m
• Speicherbreite zwischen 1- bis 3-mal Speicherlänge (Speicherlänge ist in Strömungsrichtung definiert)

Speicherinvestitionskosten

• Investitionskosten netto [€] = Speichervolumen [m³] x 300 [€/m³] (in den Investitionskosten sind Planungs-, Material-, Ausführungs- und die Kosten für die DDC enthalten)

Leistungsfähigkeit

• Zur Lüftkühlung ca. 10 K unter Spitzenbelastung
• Zur Luftvorwärmung ca. 5 K über Spitzenbelastung
• Leistungszahl > 10

Energieeinsparung

• Ca. 80 90 % des Jahreskälte­energiebedarfs
• Ca. 5 15 % des Jahresheiz­energiebedarfs

CO₂-Einsparung

• Ca. 150 kg CO₂ pro Jahr auf 1 m³ Schottervolumen

Fortsetzung und Zusammenfassung folgen in einer späteren Ausgabe! -

Quellenangaben

[1] http://www.rehau.de/bau/tiefbau/erdwaerme.geothermie/awadukt.thermo.luft-erdwaermetauscher.shtml

[2] Untersuchungen an luftdurchströmten Erdwärmeübertragern, Dissertation, Dipl.-Ing. Ulrich Arndt, 1989

[3] Erarbeitung einer Projektierungsrichtlinie zur Dimensionierung und Auslegung eines Schotterspeichers, Ingenieur-Abschlussarbeit, Peter Weiss, 1990

[4] Patentschrift Luftdurchströmter Speicher zum Kühlen und Vorheizen und damit aufgebaute zentrale Lüftungsanlage; Aktenzeichen: DE 10 2008 051 270 A1; Anmeldetag: 10.10. 2008; Offenlegungstag: 15.04. 2010; Anmelder: Reichel, Mario, Prof., Dr.-Ing., 09244 Lichtenau DE

[5] Glück, B.: Luftdurchströmter Schotterspeicher Wärmetechnisches Simulationsmodell, Interner Forschungsbericht von F+E TGA Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück, 2007

[6] Stieber, R.; Reichel, M.: Materialeigenschaften und Eingabegrößen für die Simulation von Schotterspeichern, HLH Heft 22009

[7] Stieber, R.; Reichel, M.: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Erdwärmeübertrager mit luftdurchströmten Schotterschüttungen, Thematischer Verbund LowEx, Förderkennzeichen 0327070 W, BMWI Projekträger Jülich, 2010

Es handelt sich um die zusammengefasste Darstellung der Intension, der Durchführung und Ergebnisse des Forschungsprojektes „Erdwärmeübertrager mit luftdurchströmten Schotterschüttungen“, welches im Rahmen des LowEx-Verbundes im Zeitraum 11/2006 bis 04/2010 an der Westsächsischen Hochschule Zwickau, Fachgruppe Versorgungs- und Umwelttechnik, bearbeitet wurde. Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 0327070W gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, FB Maschinenbau / Verfahrenstechnik, LG TGA, Professur TGA / Regenerative Energiesysteme