Verbundvorhaben LowEx | Projekt 21

Projekt 21: Erdwärmeübertrager mit luftdurchströmten Schotterschüttungen - Thematischer Verbund LowEx

Projekt Beschreibung:


Bild 1: Aufbau der Schotterschüttung um die Zu- und Abluftleitungen

Ziel des Forschungsprojektes ist die Einsparung von konventionell bereitgestellter Energie zum Heizen und Kühlen von Räumen und Gebäuden. Mit Unterstützung der RLT- Anlage durch einen in den Lüftungs- und Klimatisierungsprozess integrierten, luftdurchströmten Erdwärmeübertrager mit Schotterschüttung, wird es möglich sein, auch unter Beachtung hoher Komfortansprüche der Raumnutzer, Ressourcen konventioneller Energieträger zu schonen, die CO2 - Bilanz des Gebäudes deutlich zu verbessern sowie Energiekosten zu minimieren. Weitere Vorteile des Systems sind die im Vergleich zu herkömmlichen Heiz- und Kälteanlagen geringen Investitionskosten und der geringe Platzbedarf, da der Schotterspeicher in der Erde bzw. unter dem Gebäudefundament installiert werden kann. Der luftdurchströmte Erdwärmeübertrager mit Schotterschüttung soll für eine Vielzahl von Einsatzfällen eine einfache und praktikable Systemlösung darstellen.
Der innovative Ansatz die zu substituierende Energie aus dem Umweltenergiepotential der Außenluft bzw. des Erdreiches zu entziehen und im Speichermaterial "Grobschotter" einzulagern, macht eine vorhergehende Optimierungs- und Auslegungsrechnung notwendig. Es wird angestrebt, Auslegungsunterlagen so zu qualifizieren, dass eine komplexe Auslegung der Systeme durch Fachplaner möglich ist und der Bau von Erdwärme_bertragern mit Schotterschüttungen auf Basis planerischer Vorgaben durch Kooperation von Bau- und TGA- Firmen einfach abgewickelt werden kann.

Projektablauf


Bild 2: Temperaturverläufe in einer Sommerperiode

Um eine genau Auslegung eines luftdurchströmten Erdwärmeübertrager zu ermöglichen sind mehrere Untersuchungen, Berechnungen und Messungen notwendig. In einem ersten Schritt werden verschiedene Gesteinsarten auf ihre Materialeigenschaften wie Dichte, spezifische Wärmespeicherkapazität, etc. untersucht um ihre Eignung für den Einsatzfall festzustellen. Die Angaben der Baustoffnorm, bzw. von VDI Datenblättern sind dabei zu ungenau und würden für die Anwendung eine zu große Streubreite verursachen. In einem weiteren Schritt sind der durch den Schotter verursachte Druckverlust sowie die Wärmetechnischen Eigenschaften (Speichervermögen, Speicherbeladungsdauer) rechnerisch zu bestimmen. Die verschiedenen Einflüsse auf die Optimierung des Schotterspeichers sind in einem einfach gestalteten Simulationsprogramm zu verzahnen. Im Vorfeld ist eine überschlägige Auslegungshilfe in Form eines Diagramm und Tabellentools zu erstellen. Mit diesem sollen ökonomische Aspekte sinnvoll einzuschätzen sein. An einem Versuchsmodell sowie an mehreren großtechnischen Pilotanlagen sind Messungen zum aerodynamischen sowie thermodynamischen Verhalten von luftdurchströmten Schotterspeichern durchzuf_hren. Die Ergebnisse dieser Messungen sollen helfen, das Simulationsmodell zu verifizieren. Für Standartlösungen bestimmter Einsatzfälle sollen einfach, handhabbare Datenblätter zur Verfügung stehen. Weiterhin sollen durch Messung an den Pilotanlagen Erfahrungen zur lufthygienischen Situation gesammelt und ausgewertet werden. Notfalls sind Maßnahmen daraus abzuleiten.

Funktionsbeschreibung


Bild 3: Funktionsschema der Anlage

Im Bild 3 ist das technologische Übersichtsschema der Anlage am Beispiel einer Produktionshalle dargestellt. Die Funktionsweise der Anlage ist Abhängig vom betrachteten Auslegungszustand. Aus diesem Grund soll zwischen den Auslegungszuständen Sommer, Winter und Übergangsperiode unterschieden werden.

Sommerzustand:
Am Tage:
Am Tag wird über die Außenluftgitter AU 1 und AU 2 warme Außenluft angesaugt und durch den Schotterspeicher gefahren. Der Schotter nimmt einen Teil der Außenluftwärme auf und erwärmt sich langsam bis auf das Temperaturniveau der Außenluft. Nach einer bestimmten Zeit ist der Schotter beladen. Die so abgekühlte Luft wird ohne weitere Aufbereitung durch das Klimagerät in die Halle abgeführt. Die belastete Hallenluft wird über den Fortluftauslass FO 1 ins Frei abgegeben.

In der Nacht:
In der Nacht wird der Schotter regeneriert. Hierzu wird _ber das Au_enluftgitter AU 3 k_hle Luft angesaugt und in umgekehrter Richtung durch den Schotterspeicher gefahren. Dabei erw_rmt sich die Luft am Schotter und kühlt diesen bis auf Außenlufttemperaturniveau ab. Die so erwärmte Außenluft wird über das Außenluftgitter AU 2 abgefahren. Von dem über das Außenluftgitter angesaugten Luftvolumenstrom wird ein Teilvolumenstrom über das Klimagerät in die Produktionshalle gefahren. Je nach Außenlufttemperatur wird die Luft direkt oder nach vorheriger Erwärmung in die Halle gespeist. Die belastete Hallenluft wird über den Fortluftauslass FO 1 ins Frei abgegeben.

Winterzustand:
Am Tage:
Am Tag wird kühle Außenluft über das Außenluftgitter AU 3 angesaugt. Diese wird im Klimagerät erwärmt und der Produktionshalle zugeführt. Die belastete Hallenluft wird _ber den Fortluftauslass FO 1 ins Frei abgegeben. Ein Teilvolumenstrom der Außenluft wird über den Schotterspeicher gefahren. Dabei wird der Schotter regeneriert und auf das Temperaturniveau der kühlen Außenluft des Wintertages gebracht. Der Schotterspeicher hat durch die Nachtdurchströmung ein noch wesentlich kälteres Temperaturniveau. Die so weiter abgekühlte Luft aus dem Schotterspeicher verläst diesen über das Außenluftgitter AU 2.

In der Nacht:
In der Nacht wird die kalte Außenluft über die Außenluftgitter AU 1 und AU 2 angesaugt und durch den Schotterspeicher gefahren. Dabei erwärmt sie sich bis auf das Temperaturniveau des Schotters (Lufttemperatur am Tage). Anschlie_end wird die so vorgewärmte Luft im Klimagerät auf Zulufttemperatur erwärmt und der Produktionshalle zugeführt. Die belastete Hallenluft wird über den Fortluftauslass FO 1 ins Frei abgegeben.

Übergangszeit:
In der Übergangsperiode ist es möglich alle vier Betriebszustände zu durchlaufen. Dies ist abhängig von der dann vorherrschenden Außentemperatur.

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Projekt Daten:

Projektstart: 01.11.2006
Projektende: 31.10.2009

Förderkennzeichen: 0327370W
Förderquote: 100 %
Gesamtkosten: 352.419,00

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Kontakt:

Westsächsische Hochschule Zwickau (FH)
Fachbereich Maschinenbau und Kfz-Technik
Fachgruppe Versorgungs- und Umwelttechnik
PF 20 10 37
08012 Zwickau

Prof. Dr.-Ing. Mario Reichel
T 0375/536-3891
F 0375/536-3887
mario.reichel@fh-zwickau.de

Dipl.- Ing. Ronny Stieber
T 0375/536-3896
ronny.stieber@fh-zwickau.de

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Projekt Partner:

... folgen.