Handbuch zur Planung und Ausführung von luftdurchströmten

Transcrição

Luftdurchströmte
Erdreichwärmetauscher
Handbuch zur Planung
und Ausführung
Luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher
Handbuch zur Planung und Ausführung von luftdurchströmten
Erdreichwärmetauschern für Heiz- und Kühlanwendungen
Erstellt im Rahmen eines EU-Projektes, 4. Rahmenprogramm CRAFT-JOULE,
Vertrag N° JOR3-CT98-7041 (DG 12-GIGO)
Autoren:
Ernst Blümel
AEE INTEC - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE
ENERGIE Institut für Nachhaltige Technologien
A-8200 Gleisdorf, Österreich
Christian Fink
AEE INTEC – Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE
ENERGIE Institut für Nachhaltige Technologien
A-8200 Gleisdorf, Österreich
Christian Reise
ISE – Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
D-79100 Freiburg, Deutschland
Unterstützt durch inhaltliche Beiträge der Unternehmen:
Planungsteam energie + bauen, D-13351 Berlin
Büro für umweltverträgliche Energiesysteme, D-42277 Wuppertal
Energie System Technik EST, D-83714 Miesbach
Kibele und Söllner, D-73240 Wendlingen
Kühn Bauer Partner, D-85399 München
Rentschler & Riedesser, D-70176 Stuttgart
Transsolar, D-70569 Stuttgart
Trippe und Partner, D-76133 Karlsruhe
Architekturbüro G.W. Reinberg, A-1070 Wien
Ökoplan, A-1060 Wien
Technisches Büro B. Hammer, A-8740 Zeltweg
Technisches Büro Pickl, A-8045 Graz
Vienna Ökosystems, A-1230 Wien
Gleisdorf, im Dezember 2001
Pl an ung sh an d b u c h
3
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG UND ABGRENZUNG..................................................... 8
2 DAS GRUNDSÄTZLICHE PRINZIP VON EWT.................................. 10
3 EINSATZBEREICHE VON EWT ........................................................ 12
3.1
EINSATZBEISPIELE VON EWT MIT SCHWERPUNKT „HEIZEN“ ..........................................13
3.1.1
Fortluftseitige Vereisungsvermeidung des Wärmerückgewinnungssystems.........13
3.1.2
Vorwärmung und Komfortheizung........................................................................14
3.2
EINSATZBEISPIELE VON EWT MIT SCHWERPUNKT „KÜHLEN“ .........................................15
3.2.1
Komfortkühlung....................................................................................................16
3.2.2
Raumkühlung.......................................................................................................16
3.2.3
Unterstützungskühlung ........................................................................................17
3.3
DER EWT ALS VORSTUFE EINER WÄRMEPUMPE ............................................................18
4 WÄRMETECHNISCHE GRUNDLAGEN BEIM EINSATZ VON EWT. 20
4.1
THEORETISCHE GRUNDLAGEN ZUR ERMITTLUNG DER ENERGIEERTRÄGE VON EWT ........20
4.1.1
Ermittlung der EWT-Leistung über die Zustandsgrößen des Wärmeträgers Luft..20
4.1.2
Ermittlung der EWT-Leistung über den Wärmedurchgang vom Erdreich auf die
strömende Luft.....................................................................................................23
4.1.3
Ermittlung der vom Erdreich auf die strömende Luft übertragenen Energie .........26
4.2
THEORETISCHER ANSATZ ZUR ERMITTLUNG DER JAHRESTEMPERATURVERLÄUFE IM
ERDREICH ....................................................................................................................26
5 ENERGETISCHE EINFLUSSGRÖßEN - SENSITIVITÄTSANALYSE 30
5.1
REFERENZSYSTEM UND SIMULATIONSPROGRAMM WKM ................................................30
5.1.1
Simulationsprogramm WKM ................................................................................30
5.1.2
WKM Version 3.0.................................................................................................33
5.1.3
Das Referenzsystem............................................................................................34
5.2
STANDORT ...................................................................................................................37
5.2.1
Grundsätzliches zu Standort und Wetterdatensätzen...........................................37
5.2.2
Einfluss des Standortes auf den Energieertrag des Referenzsystems .................38
5.3
ERDREICH ....................................................................................................................40
5.3.1
Die Temperaturleitfähigkeit ..................................................................................40
4
5.3.2
Stoffdaten für verschiedene Typen von Erdreich..................................................42
5.3.3
Das Hinterfüllmaterial von Erdreichwärmetauschern - Verlegerichtlinien..............44
5.3.4
Jahrestemperaturverlauf im Erdreich ...................................................................46
5.3.5
Einfluss der Stoffdaten auf den Energieertrag des Referenzsystems...................48
5.4
VOLUMENSTROM ..........................................................................................................49
5.4.1
Nennvolumenstrom und Lüftungsfahrplan............................................................49
5.4.2
Einfluss des EWT - Volumenstromes auf den Ertrag des Referenzsystems.........51
5.5
QUERSCHNITT DES EWT ..............................................................................................53
5.5.1
Querschnittsformen..............................................................................................53
5.5.2
Einfluss des EWT-Querschnittes auf den Ertrag des Referenzsystems ...............54
5.6
LÄNGE DES EWT .........................................................................................................55
5.6.1
Die „optimale“ EWT - Länge.................................................................................56
5.6.2
Einfluss der EWT-Länge auf den Ertrag des Referenzsystems ............................57
5.7
VERLEGETIEFE .............................................................................................................58
5.7.1
Die „optimale“ Verlegetiefe...................................................................................58
5.7.2
Einfluss der EWT - Verlegetiefe auf den Ertrag des Referenzsystems .................59
5.8
EWT – MATERIALIEN ...................................................................................................60
5.8.1
Übliche EWT – Materialien...................................................................................61
5.8.2
Wärmeleitfähigkeit und Wärmedurchgang verschiedener Rohrmaterialien ..........67
5.8.3
Einfluss des EWT - Materials auf den Ertrag des Referenzsystems.....................68
5.9
UMGEHUNGSSCHALTUNG DES EWT (BYPASS) ..............................................................68
5.10
VERLEGEORT ...............................................................................................................71
5.11
REGISTERANORDNUNG .................................................................................................74
5.11.1
Rahmenbedingungen für die Errichtung von EWT in Registerausführung............74
5.11.2
Einfluss des Achsabstandes auf den Ertrag des einzelnen EWT-Rohres.............78
5.11.3
Einfluss der Anzahl der parallelen Rohre auf den Ertrag des einzelnen EWTRohres .................................................................................................................79
5.12
ZUSAMMENFASSUNG DER SENSITIVITÄTSANALYSE AUF BASIS DES REFERENZSYSTEMS ..79
6 DIMENSIONIERUNG ......................................................................... 81
6.1
ALLGEMEINES ZUR DIMENSIONIERUNG VON EWT...........................................................81
6.1.1
Der Druckverlust in EWT als Auslegungsparameter.............................................82
6.1.2
Ventilatordimensionierung und Einfluss auf den EWT..........................................96
6.2
ERMITTLUNG DES EWT QUERSCHNITTES ....................................................................100
5
6.2.1
Leistungen, Energieerträge und Austrittstemperaturen in Abhängigkeit vom
Verhältnis Querschnitt zu Volumenstrom ...........................................................100
6.2.2
Spezifische Dimensionierungsnomogramme in Abhängigkeit von Volumenstrom,
Druckverlust und Querschnitt.............................................................................103
6.3
ERMITTLUNG DER EWT LÄNGE ...................................................................................105
6.3.1
Leistungen, Energieerträge und Austrittstemperaturen in Abhängigkeit von der
Rohrlänge ..........................................................................................................105
6.3.2
Querschnitt, Druckverlust und Länge .................................................................108
6.4
ERMITTLUNG DER EWT – VERLEGETIEFE ....................................................................111
6.4.1
Verlegetiefe........................................................................................................111
6.4.2
Spezifische Dimensionierungsnomogramme – Abhängigkeit von Volumenstrom,
Querschnitt, Druckverlust und Verlegetiefe ........................................................114
6.5
EINFLUSS DES ERDREICHES AUF DIE DIMENSIONIERUNG ..............................................116
6.6
EINFLUSS DES ROHRMATERIALS AUF DIE DIMENSIONIERUNG ........................................118
6.7
EINFLUSS DES BYPASS - BETRIEBES ...........................................................................120
6.8
EINFLUSS DER LAGE DES EWT ...................................................................................122
6.8.1
EWT unter dem Gebäude verlegt.......................................................................122
6.8.2
EWT neben dem Gebäude verlegt.....................................................................124
6.9
EWT IN REGISTERFORM .............................................................................................126
6.9.1
Einfluss des Achsabstandes beim EWT-Register .............................................. 126
6.9.2
Einfluss der Rohranzahl beim EWT-Register .....................................................129
6.10
DIMENSIONIERUNG MITTELS BASISNOMOGRAMMEN UND KORREKTURFAKTOREN ........... 131
6.10.1
Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „EWT - Jahresenergieertrag“....... 131
6.10.2
Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „EWT - Leistung“ ......................... 136
6.10.3
Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „Austrittstemperatur“ ...................140
6.11
LEITFADEN ZUR DIMENSIONIERUNG VON EWT MITTELS NOMOGRAMMEN.......................144
7 KOSTEN UND WIRTSCHAFTLICHKEIT ......................................... 145
7.1
KOSTEN VON EWT .....................................................................................................145
7.1.1
Kosten für Erdarbeiten (Aushub und Verfüllung) ................................................146
7.1.2
Kosten für die Hinterfüllung der Leitungszone....................................................148
7.1.3
Kosten von EWT-Rohren und Formstücken.......................................................149
7.1.4
Sammler / Verteiler ............................................................................................153
7.2
WIRTSCHAFTLICHKEIT VON EWT ................................................................................155
6
7.2.1
Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung ..........................................................155
7.2.2
Berechnung der spezifischen Energiepreise für das Referenzsystem ................158
8 MÖGLICHE BELASTUNG DER RAUMLUFT DURCH DIE
LUFTFÜHRUNG ÜBER EWT........................................................... 165
8.1
BELASTUNG DURCH MIKROORGANISMEN (SCHIMMELPILZE UND SPOREN, BAKTERIEN).. 165
8.1.1
Luftkeimzahlbestimmung und Messpunkte ........................................................167
8.1.2
Ergebnisse.........................................................................................................168
8.1.3
Erkenntnisse ......................................................................................................170
8.2
NICHT MIKROBIELLE LUFTBELASTUNG .........................................................................171
8.2.1
Gasförmige Verunreinigungen ...........................................................................171
8.2.2
Flüchtige organische Verbindungen (VOC) ........................................................171
8.2.3
Partikelförmige Verunreinigungen (Staub) .........................................................171
8.3
EMPFEHLUNGEN.........................................................................................................172
9 DEMONSTRATIONSPROJEKTE UND MESSERGEBNISSE.......... 173
9.1
BÜROGEBÄUDE „NEUES TOR AM RATHAUS – AALEN“ (TRANSSOLAR) .........................173
9.2
BÜROGEBÄUDE GNIEBEL (TRANSSOLAR) ....................................................................175
9.3
PASSIVHAUSSIEDLUNG „50 MORGEN“ (TRIPPE UND PARTNER) ....................................177
9.4
INSTITUTSGEBÄUDE DER GIPS-SCHÜLE STIFTUNG (RENTSCHLER & RIEDESSER) ....... 179
9.5
STADTSAAL GLEISDORF (AEE INTEC) .......................................................................181
9.6
PFLEGEHEIM „GRADMANN HAUS“ – STUTTGART (RENTSCHLER & RIEDESSER) ............ 183
9.7
FRAUNHOFER INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME – FREIBURG (RENTSCHLER &
RIEDESSER)...............................................................................................................185
9.8
BÜROGEBÄUDE DER LANDESVERSICHERUNGSANSTALT SCHLESWIG – HOLSTEIN
(RENTSCHLER & RIEDESSER) .....................................................................................187
9.9
„MEHRGENERATIONENZENTRUM“ – STUTTGART (RENTSCHLER & RIEDESSER)............. 189
9.10
WOHNHAUSANLAGE SAGEDERGASSE IN WIEN (ARCHITEKTURBÜRO G.W. REINBERG) .. 191
9.11
SCHULE WEYARN (ENERGIE SYSTEM TECHNIK) ...........................................................193
9.12
BETRIEBSGEBÄUDE DER FA. EMW ROHRFORMTECHNIK – TÜRKENFELD (ENERGIE SYSTEM
TECHNIK)...................................................................................................................195
9.13
BÜROGEBÄUDE ENERGIE- UND INNOVATIONSZENTRUM – WEIZ (AEE INTEC)...............197
9.14
VERWALTUNGSGEBÄUDE DER DEUTSCHEN BAHN AG IN HAMM (ISE) ...........................200
7
10 LITERATURVERZEICHNIS: ............................................................ 202
11 ANHANG.......................................................................................... 207
11.1
H, X - (MOLLIER) DIAGRAMM ......................................................................................207
11.2
DIAGRAMM ZUR DRUCKVERLUSTERMITTLUNG FÜR DAS GERADE RAUHE ROHR ..............208
11.3
ARBEITSBLÄTTER ZUR EINFACHEN DIMENSIONIERUNG VON EWT MITTELS
BASISNOMOGRAMM UND KORREKTURFAKTOREN NACH DER AUSLEGUNGSGRÖßE „EWT JAHRESENERGIEERTRAG“ ..........................................................................................209
11.4
BASISNOMOGRAMM UND KORREKTURFAKTOREN NACH DER AUSLEGUNGSGRÖßE
„TEMPERATURHUB“ ...................................................................................................215
11.5
BASISNOMOGRAMM UND KORREKTURFAKTOREN NACH DER AUSLEGUNGSGRÖßE „EWT LEISTUNG“ ................................................................................................................220
8
1 Einleitung und Abgrenzung
Ein komfortables Raumklima ist wichtig für das Wohlbefinden der Menschen und stellt in der
Regel die Hauptfunktion unserer Gebäude dar. Dabei kann Kühlen genauso wichtig sein wie
Heizen. Im Schatten von zahlreichen konventionellen Technologien zur Wärme- bzw.
Kälteversorgung von Gebäuden stehen hier zweifelsohne luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher. Dabei bieten luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher bei entsprechenden
Rahmenbedingungen sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlfall in Gebäuden eine gute
Einsatzmöglichkeit. Einerseits können sie als alleinige Komponente zur Konditionierung der
Zuluft sowie andererseits als Vorstufe eines Wärme- bzw. Kälteversorgungssystems
Verwendung finden. Grundsätzlich sehr gut eignet sich der Einsatz von luftdurchströmten
Erdreichwärmetauschern in Systemen, in denen generell Luft als Wärmeträger verwendet wird
(Lüftungsanlagen, Luft-Luft, bzw. Luft-Wasser Wärmepumpen, Luftheizungen, etc.).
Zwei Entwicklungen der letzten Jahre zeigen ein großes Potenzial für den Einsatz von
luftdurchströmten Erdreichwärmetauschern:
·
Seit einigen Jahren ist im Wohnungsbau ein starker Trend zu Gebäuden mit hohen
Wärmedämmstandards zu verzeichnen. In sogenannten Niedrigenergie- bzw.
Passivhäusern sind kontrollierte Be- und Entlüftungsanlagen Standard. Somit können
luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher als Vorstufe einfach und kostengünstig vor die
konventionelle Lüftungsanlage geschaltet werden.
·
Im Büro- und Verwaltungsbau ist in den letzten Jahren ein deutlicher Anstieg der
auftretenden Kühllasten zu erkennen. Dies liegt darin begründet, dass die internen
Wärmelasten – bedingt durch den verstärkten Einsatz von EDV und Bürogeräten – stark
zugenommen haben. Luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher können in diesem Fall zur
Dämpfung sommerlicher Außentemperaturspitzen eingesetzt werden – „Passive Kühlung“.
Abbildung 1: EWT-Register am Mehrgenerationen-Zentrum Stuttgart (Bildquelle: Rentschler & Riedesser)
9
Grundsätzlich ist die Technik luftdurchströmter Erdreichwärmetauscher sehr einfach. Trotzdem
sind bisher nur vereinzelt Demonstrationsprojekte realisiert worden. Dementsprechend gering
ist der Erfahrungsschatz zur Technologie bzw. das Angebot an validierten, praxisgerechten
Dimensionierungswerkzeugen für den Einsatz in Haustechnikbüros.
Mit dem vorliegenden Planungshandbuch sollen vorhin genannte Defizite abgebaut und
planenden Ingenieuren von haustechnischen Anlagen fundierte Hilfestellungen bei der
Realisierung von luftdurchströmten Erdreichwärmetauschern geboten werden (Dimensionierung
von EWT: siehe Kapitel 6).
Die für die Erstellung der Dimensionierungsnomogramme erforderlichen Berechnungen wurden
mit dem Simulationsprogramm WKM durchgeführt. Dieses Simulationsprogramm wurde im
Zuge des gegenständlichen Projektes vom TB Huber, Schweiz, in vielen Bereichen erweitert
und auf Basis zahlreicher Messergebnisse von Erdreichwärmetauschern validiert. Gemeinsam
mit dem Planungshandbuch bildet das Simulationsprogramm WKM die Basis für die fundierte
Auslegung von luftdurchströmten Erdreichwärmetauschern.
Abgrenzung:
Um Unklarheiten in der Folge vorzubeugen, wird darauf hingewiesen, dass Erdreichwärmetauscher auch mit anderen Wärmeträgermedien als Luft (Wasser, Sole, verdampfende
Kältemittel) betrieben werden können, sich dieses Planungshandbuch aber ausschließlich mit
dem Wärmeträger Luft beschäftigt. Nachfolgend wird für die Bezeichnung „luftdurchströmter
Erdreichwärmetauscher“ die Abkürzung „EWT“ verwendet.
10
2 Das grundsätzliche Prinzip von EWT
EWT sind Rohrregister (aus PVC, PE, Beton, etc.), die im Erdreich vergraben sind. Das Prinzip,
auf welchem deren Einsatz basiert, ist ein sehr einfaches. Im allgemeinen nutzen sie die
saisonale thermische Speicherfähigkeit des Erdreichs, die sich in einer zeitlichen Verzögerung
des Temperaturverlaufs im Erdreich gegenüber dem Temperaturverlauf der Umgebungsluft
zeigt. Abbildung 2 zeigt die sich durch die Speicherfähigkeit des Erdreichs einstellende
Dämpfung sowie die Phasenverschiebung im Jahresverlauf von Erdtemperaturen in
unterschiedlicher Tiefe. Phasenverschiebung und Dämpfung bewirken in Abhängigkeit von der
Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Erdreichtemperatur somit eine Erwärmung der
durchströmenden Luft im Winter bzw. eine Kühlung im Sommer.
Mittlerer Jahrestemperaturverlauf im Erdreich bei unterschiedlichen Tiefen
20
18
16
14
12
10
8
6
Außenluft
Erdoberfläche
2m Tiefe
4m Tiefe
4
2
0
-2
6m Tiefe
8m Tiefe
Abbildung
2:
Jahrestemperaturverlauf der Außenluft, Erdoberfläche und dem
Erdreich
in
verschiedenen
Tiefen für den Bodentypen
„Kies – trocken“, Standort
Graz. Die Grafik basiert auf
Monatsmittelwerten
(Huber,
2000)
-4
Deutlich wird, dass mit zunehmender Tiefe eine größere, nutzbare Temperaturdifferenz
zwischen Außen- und Erdreichtemperatur erreicht werden kann. Werden zudem statt der
Außentemperaturen im Monatsmittel beispielsweise Stundenmittelwerte betrachtet, können
kurzfristig wesentlich höhere Temperaturdifferenzen festgestellt werden. Dieser Zusammenhang zeigt klar, dass der prädestinierte Einsatzfall von EWT die Dämpfung von Außentemperaturspitzen (und damit Leistungsspitzen) im Zusammenhang mit zu konditionierenden
Gebäuden ist.
11
U
Abbildung 3: Funktionsprinzip von EWT und klimatische bzw. standortabhängige Einflussfaktoren
Das für die Nutzung von Erdwärme bzw. Erdkälte mittels EWT entscheidende Temperaturprofil
im Erdreich wird neben dem Einfluss der Erdreichzusammensetzung im wesentlichen vom am
Standort vorherrschenden Klima bestimmt. Die Sonneneinstrahlung (Globalstrahlung) erwärmt
die Erdoberfläche in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit (Bewuchs, Bebauung,
etc.). Von den Klimaverhältnissen (Außentemperatur, Wind, Niederschlag, etc.) und der
Erdreichzusammensetzung (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme und Dichte) hängt es nun
ab, welche Erdreichtemperaturen sich in unterschiedlichen Tiefen einstellen. Aufgrund des
erdoberflächennahen Arbeitsbereiches spielen bei EWT-Anwendungen geothermische
Einflüsse keine Rolle. In Abbildung 3 sind die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen
Klima, Grundwasserspiegel und Erdreichtemperatur dargestellt. Der Jahresverlauf der
Grundwassertemperatur kann näherungsweise als Isotherme betrachtet werden. Demnach ist
es grundsätzlich anzustreben, den EWT im Grundwasserniveau (bei den in dieser Arbeit
untersuchten realisierten Projekten – siehe Kapitel 9 - waren keine grundwasserrechtlichen Bewilligungen erforderlich) anzuordnen. Wird der EWT in Bereichen dichter Bebauung bzw. direkt
unter einem Gebäude errichtet, ist eine Beeinflussung der Erdreichtemperaturen zu erwarten.
12
3 Einsatzbereiche von EWT
EWT sind grundsätzlich vielseitig einsetzbar. Am besten bietet sich der Einsatz von EWT in
Systemen an, wo ohnedies Luft als Wärmeträger verwendet wird. Die nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Außenluft- und Erdreichtemperatur – und somit die erzielbare Leistung begrenzt ist. Somit soll der EWT so eingesetzt werden, dass er hinsichtlich hoher
Energieerträge auch möglichst lange Laufzeiten erreichen kann. Effekte, wie beispielsweise
Ermüdungserscheinungen des Erdreichs (sprich thermische Überlastung des Erdreichs),
müssen hierbei aber berücksichtigt werden.
Abbildung 4: Häufig werden EWT als Vorstufe von zentralen Lüftungsanlagen eingesetzt
Prinzipiell können EWT in folgenden Funktionen eingesetzt werden:
·
Erwärmung der Zuluft
Der EWT wird ausschließlich zum Erwärmen der Zuluft eingesetzt. Die Zuschaltung des
EWT durch die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Wird die
mechanische Lüftungsanlage auch außerhalb des EWT-Heizbetriebs benötigt, erfolgt die
Frischluftzufuhr - um Kühlung zu vermeiden - über einen eigenen Lufteintritt (Bypass).
·
Kühlen der Zuluft
Der EWT wird ausschließlich zum Kühlen der Zuluft eingesetzt. Die Zuschaltung des EWT
durch die Regelung erfolgt - gleich wie beim Einsatzfall Erwärmung - in Abhängigkeit von
der Außentemperatur. Wird die mechanische Lüftungsanlage auch außerhalb des reinen
EWT-Kühlbetriebs benötigt, erfolgt die Frischluftzufuhr - um Erwärmung zu vermeiden über einen eigenen Lufteintritt (Bypass).
·
Erwärmung und Kühlen der Zuluft
Der EWT wird sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet. Dieser Anwendungsfall
ist grundsätzlich zu bevorzugen, da die energetischen Erträge durch den Kombi-Einsatz
wesentlich höher sind und somit eine bessere Systemwirtschaftlichkeit erreicht werden
kann. Was die Dimensionierung betrifft, liegen trotz Kombi-Einsatz die Schwerpunkte in
einem Betriebsfall. Ob eine Umgehung des EWT (Bypass) zur Frischluftzufuhr vorgesehen
13
wird, hängt vom speziellen Einsatzfall ab und ist durch wirtschaftliche und energetische
Gegenüberstellungen abzuschätzen.
Die Bandbreite beispielhafter
Darstellungen beschrieben.
3.1
Einsatzmöglichkeiten
für
EWT
wird
in
nachfolgenden
Einsatzbeispiele von EWT mit Schwerpunkt „Heizen“
3.1.1
Fortluftseitige Vereisungsvermeidung des Wärmerückgewinnungssystems
In Mitteleuropa verzeichnete die Baubranche im Wohnbau in den letzten Jahren einen starken
Trend in Richtung energiesparende Bauweisen wie beispielsweise „Niedrigenergiehäuser“ und
„Passivhäuser“. Im Vergleich zum durchschnittlichen Gebäudebestand (100 W/m² Wohnfläche)
besitzen Niedrigenergiehäuser nur mehr spezifische Heizleistungen von etwa 20-35 W/m²,
Passivhäuser durchschnittlich gar nur mehr 10 W/m² (Feist, 2001). Diese geringen
Heizleistungen sind nur zu erreichen, wenn neben der Reduktion der Transmissionswärmeverluste auch die Lüftungsverluste wesentlich verringert werden. Kann ersteres durch
verbesserte U-Werte der Außenbauteile (größere Dämmstärken, hochwertigere Fensterkonstruktionen, etc.) erreicht werden, so ist für die Reduktion der Lüftungswärmeverluste eine
kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage mit Abluftwärmerückgewinnung erforderlich. Mit der
wachsenden Nachfrage nach Be- und Entlüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung hat sich
auch die Qualität der angebotenen Produkte verbessert. So weisen heute marktübliche
Systeme zur Abluftwärmerückgewinnung Rückgewinnungsgrade bis zu über 90% auf. Eine
derart effiziente Rückgewinnung hat aber zur Folge, dass bei Zulufttemperaturen die unter –4°C
liegen, eine Vereisung des Wärmetauschers auf der Fortluftseite einsetzt. Dieser
Problemstellung kann man z.B. mit elektrisch betriebenen Vereisungsvermeidern, oder aber
auch mit einem der Wärmerückgewinnung vorgeschalteten EWT begegnen (Abbildung 5).
Filter
Wärmerückgewinnung
Zu-/Abluftventilator
Klappe
Abluft
Zuluft
Außenluft
Fortluft
Lüftungsgerät
Abbildung 5: Der EWT ist einer
mechanischen Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung vorgeschaltet.
Eine Umgehung des EWT (Bypass)
ist nicht vorgesehen
Der EWT muss in diesem Einsatzfall so ausgelegt sein, dass er zu jedem Zeitpunkt der
Betriebszeit Vereisung auf der Fortluftseite verhindert, sprich keine tieferen Eintritts-
14
temperaturen in die Wärmerückgewinnungsanlage als –4°C zulässt. In der Praxis bedeutet
dies, dass bei beispielsweise –15°C ein Temperaturhub von 11 K vom EWT erbracht werden
muss. In der Regel treten diese Außentemperaturspitzen nur über kurze Zeiten auf, sodass
eine thermische Ermüdung des Erdreichs nicht zu erwarten ist. Abbildung 6 zeigt beispielhaft
einen Temperaturverlauf über den Zuluftstrang dieser Anwendung (EWT und
Wärmerückgewinnung).
15°C
Temperaturverlauf
der Frischluft
T Zuluft
T WRG, aus
T WRG, ein
T EWT, ein
T EWT, aus
Winter (Luftvorwärmung)
18°C
0,2°C
-11,5°C
Lufteintritt
Erdregister
Raum
Wärmerück- Zuluft
gewinnung Ventilator
Abbildung 6: Beispielhafter Temperaturverlauf eines Zuluftstranges mit EWT und Wärmerückgewinnung.
Der Vorteil dieser Anwendung liegt darin, dass die Dimension des EWT vergleichsweise gering
gehalten werden kann und somit auch die Investitionskosten gering ausfallen. Meist kann
aufgrund energetischer und wirtschaftlicher Aspekte auch auf die Installation einer Umgehung
des EWT (Bypass) verzichtet werden. Trotzdem kann der EWT in den Sommermonaten auch
zur Kühlung beitragen und somit den Wohnkomfort steigern. Voraussetzung hierfür ist eine
Umgehung der Wärmerückgewinnung im Lüftungsgerät.
3.1.2
Vorwärmung und Komfortheizung
Beim Einsatz eines EWT zur fortluftseitigen Vereisungsvermeidung der Wärmerückgewinnungsanlage, erfolgt die Dimensionierung nach einer bestimmten Grenztemperatur. Wird
ein EWT zur Vorwärmung bzw. zur Komfortheizung eingesetzt, gibt es keinen Grenzwert der
vom EWT erreicht werden muss. Viel mehr sind in diesem Anwendungsfall der hygienisch
erforderliche Volumenstrom bzw. der verfügbare Platz für die Verlegung des EWT begrenzende
Faktoren. Die zusätzliche sommerliche Nutzung des EWT zu Kühlzwecken, würde den
wirtschaftlichen Betrieb des Systems weiter begünstigen. Die Installation einer Umgehung des
EWT (Bypass) bleibt in Abhängigkeit von der Dimensionierung bzw. von der jeweiligen
Betriebsstrategie abzuschätzen. Der EWT kann sowohl als alleinige Komponente der
Zuluftkonditionierung verwendet werden (Komfortheizung für Atrien, Eingangshallen,
Erschließungsräume, etc.), als auch einer kontrollierten Be- und Entlüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung (Vorwärmung) vorgeschaltet werden.
3.2
15
Einsatzbeispiele von EWT mit Schwerpunkt „Kühlen“
Vor allem im Büro- und Verwaltungsbau ist in den letzten Jahren ein deutlicher Anstieg der
auftretenden Kühllasten zu erkennen. Dies kann im wesentlichen durch zwei Aspekte erklärt
werden:
·
Die internen Wärmelasten haben - bedingt durch den verstärkten Einsatz von EDV und
Bürogeräten - stark zugenommen.
·
Es wurden zunehmend Strategien entwickelt, den Heizenergiebedarf zu minimieren. Dazu
zählen Maßnahmen wie die Verbesserung der opaken Wärmedämmung, die passive
Sonnenenergienutzung über Verglasungen, die verbesserte Luftdichtigkeit der
Gebäudehülle, der Einsatz von Lüftungsanlagen, etc.. Für die Kühllast im Sommer haben
diese Maßnahmen aber häufig negative Auswirkungen. Einerseits können durch die
verbesserte thermische Qualität des Gebäudes die hohen internen Wärmelasten nicht mehr
abgeführt werden und andererseits bedeuten erweiterte Verglasungen sowie eine
Lüftungsanlage (durch eintretende wärmere Außenluft) erhöhte externe Lasten.
Üblicherweise werden die auftretenden Kühllasten mit konventionellen Klimatisierungsgeräten
kompensiert. Vor allem dezentrale Klimatisierungsgeräte erfreuen sich steigender Beliebtheit.
Der Einsatz dieser Geräte ist technisch sehr einfach und verlangt keine besonderen
Anforderungen an das zu kühlende Gebäude. Die Folge ist ein sehr hoher Einsatz an
Primärenergie
und
daraus
resultierend hohe
Betriebskosten.
In
Büround
Verwaltungsgebäuden kann dies soweit führen, dass die Betriebskosten für die Kühlung im
Sommer höher sind als für die Heizung im Winter.
Dieser Aspekt zeigt ein großes Potenzial für passive Kühlungsstrategien – so auch EWT –
schwerpunktmäßig im Bereich von Büro- und Verwaltungsgebäuden. Abbildung 7 zeigt
beispielhaft den Temperaturverlauf über den Zuluftstrang einer Kühlanwendung.
T Zuluft
T EWT, ein
Temperaturverlauf
der Frischluft
T EWT, aus
Sommer (Kühlung)
29,4°C
19,6°C
Lufteintritt
Erdregister
Zuluft Ventilator
22°C
Raum
Abbildung 7: Beispielhafter Temperaturverlauf eines Zuluftstranges mit EWT-Kühlung. Zu
Beachten: Die Ventilatorabwärme wirkt sich negativ auf das Kühlergebnis aus.
16
Bei der Anwendungsmöglichkeit „Kühlen“ unterscheidet man im wesentlichen drei Arten:
3.2.1
Komfortkühlung
Der EWT wird nur zur Komfortverbesserung eingesetzt. Die Dimensionierung erfolgt nicht
hinsichtlich einer zu erreichenden Kühllast, sondern die entscheidende Größe ist der hygienisch
erforderliche Luftwechsel (0,5 bis 1 h-1) bzw. der zur Verfügung stehende Platz für die
Verlegung. Voraussetzung für die Komfortkühlung ist jedoch, dass die Raumtemperatur an
heißen Tagen über 26°C ansteigen darf. Und das, obwohl die Leistung des EWT mit
zunehmender Außentemperatur – aufgrund der größeren Temperaturdifferenz zwischen
Außenluft- und Erdreichtemperatur – überproportional steigt. Das Lüftungssystem kann für
diesen Anwendungsfall grundsätzlich ohne Umgehung des EWT (Bypass) ausgeführt werden,
da eine Ermüdung des Erdreichs unwahrscheinlich ist. In gewisser Weise erfolgt eine
Regeneration des Erdreichs dann an kühleren Tagen bzw. in den Nächten, wo im EWT eine
Erwärmung erfolgt. Im optimalen Auslegungsfall können die externen Lasten somit über den
EWT abgeführt werden.
Filter
Zuluftventilator
Fortluft
Klappe
Abluft
Zuluft
Außenluft
Abbildung 8: Der EWT wird hier als
alleinige
Komponente
der
Zuluftkonditionierung eingesetzt. Auf eine
Umgehung des EWT (Bypass) wird
verzichtet.
Die zusätzliche winterliche Nutzung des EWT zu Heizzwecken, würde den wirtschaftlichen
Betrieb des Systems weiter begünstigen. Die Installation einer Umgehung des EWT (Bypass)
bleibt in diesem Fall in Abhängigkeit von der Dimensionierung bzw. von der jeweiligen
Betriebsstrategie abzuschätzen. Der EWT kann sowohl als alleinige Komponente der
Zuluftkonditionierung verwendet werden (Abbildung 8), als auch einer kontrollierten Be- und
Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung vorgeschaltet werden.
3.2.2
Raumkühlung
Im Gegensatz zur Komfortkühlung gilt es bei der Raumkühlung eine definierte Raumtemperatur
nicht zu überschreiten. Das kann nur gewährleistet werden, wenn neben den externen Lasten
auch die internen Lasten abgeführt werden. Reicht für die Abfuhr der externen Lasten im
17
Optimalfall noch der hygienische Luftwechsel (0,5 bis 1 h-1), muss für die Abfuhr der internen
Lasten die Luftwechselrate je nach Einsatzfall auf ein höheres Maß angehoben werden. Hierbei
ist aber auf entsprechende Auslegung des konventionellen Lüftungssystems hinsichtlich
Strömungsgeschwindigkeiten und Schallentwicklung zu achten. Da eine maximal zulässige
Raumtemperatur definiert wird, empfiehlt es sich, das Erdreich so häufig wie möglich zu
schonen und Regeneration zu ermöglichen. Bei entsprechend tiefen Außentemperaturen
(beispielsweise < 20°C) sollte daher schon Frischluft über die Umgehung des EWT (siehe
Abbildung 9) angesaugt werden. Hilfreich kann in diesem Fall die spezielle Nutzung der
Nachtkälte in Kombination mit, gegenüber dem Tagesbetrieb, noch höheren Luftwechselraten
sein. Diese kombinierte Kühlstrategie nutzt somit einen Tagbetrieb mittels EWT zur Deckung
der Außentemperaturspitzen und einen Nachtbetrieb zur Nutzung der Nachtkälte.
Filter
Klappe
Abluft
Zuluft
Außenluft
Fortluft
Bypass
Lüftungsgerät
Abbildung
9:
Der
EWT
als
Kältelieferant
im
Falle
einer
Raumkühlung.
Eine
Umgehung
(Bypass) des EWT ist in diesem
Anwendungsfall unbedingt nötig. Die
Abbildung
zeigt
weiters
eine
Wärmerückgewinnung, die hier in
Form
eines
Kreuzstromwärmetauschers dargestellt ist.
Die zusätzliche winterliche Nutzung des EWT zu Heizzwecken würde den wirtschaftlichen
Betrieb des Systems weiter begünstigen. Die Installation einer Umgehung des EWT (Bypass)
ist im Falle der Raumkühlung unumgänglich. Der EWT kann sowohl als alleinige Komponente
der Zuluftkonditionierung verwendet werden als auch einer kontrollierten Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung vorgeschaltet werden.
3.2.3
Unterstützungskühlung
In diesem Fall unterstützt der EWT ein konventionelles Kühlsystem. Je nach abzuführender
Kühllast können unterschiedliche Kühlstrategien verfolgt werden. Beispielsweise kann der
EWT, wie in Abbildung 10 dargestellt, als Grundlastkühlung verwendet werden und eine im
Lüftungssystem nachgeschaltete Kältemaschine übernimmt den verbleibenden Teil an der
Kühllast. Diese Kühlstrategie ist begrenzt durch die zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten im
Verteilsystem (Primärenergiebedarf, Kosten, Schall) bzw. durch die minimal zulässige
Zulufttemperatur (Komfort). Bei höheren Kühllasten ist es daher durchaus empfehlenswert, das
Lüftungssystem vom konventionellen Kühlungssystem zu trennen. Der EWT deckt dann die
externen Lasten und das konventionelle Kühlsystem die internen Lasten. In diesem Fall können
die internen Lasten beispielsweise durch Betonkernaktivierung oder durch Kühldecken
abgeführt werden.
18
Ähnlich der Komfortkühlung sind möglichst lange Betriebszeiten des EWT von Vorteil. Eine
Regeneration des Erdreichs kann zu kühleren Zeitpunkten erfolgen. Für den Kühlbetrieb ist
somit eine Umgehung des EWT mittels Bypass nicht unbedingt erforderlich. Die zusätzliche
winterliche Nutzung des EWT zu Heizzwecken, würde den wirtschaftlichen Betrieb des Systems
weiter begünstigen. Die Installation einer Umgehung des EWT (Bypass) bleibt in diesem Fall in
Abhängigkeit
von
der
Dimensionierung bzw. von der
Filter
jeweiligen
Betriebsstrategie
Pumpe
abzuschätzen.
Klappe
Abluft
Zuluft
Luftkühler
Luftbefeuchter
Außenluft
Fortluft
Lufterwärmer
Wärmetauscher
Bypass
Klimaanlage
3.3
Abbildung 10: Der EWT ist einem
kompletten
Lüftungssystem
mit
Kältemaschine vorgeschaltet. Eine
Umgehung des EWT mittels Bypass
ist zwar nicht zwingend nötig, wurde
aber hier gewählt.
Der EWT als Vorstufe einer Wärmepumpe
Grundsätzlich können EWT als Vorstufen von Wärmepumpen verwendet werden, die Luft als
Wärmequelle nutzen. Im Speziellen sind dies Luft/Luft sowie Luft/Wasser Wärmepumpen (siehe
Abbildung 13). Nachfolgend werden in Abbildung 11 und Abbildung 12 die Bandbreite an
Leistungsziffern (COP, Coefficient of performance) von etwa 60 in der Schweiz geprüften
Luft/Wasser Wärmepumpen – Leistungsbereich bis 25 kW – dargestellt (WPZ Töss, 2000).
Leistungsziffern (COP) von Luft / Wasser - Wärmepumpen in Abhängigkeit der Temperatur der
Wärmequelle bei einer Vorlauftemperatur des Heiz- bzw. Brauchwassers von 35°C
Leistungsziffern (COP) von Luft / Wasser - Wärmepumpen in Abhängigkeit der Temperatur der
Wärmequelle bei einer Vorlauftemperatur des Heiz- bzw. Brauchwassers von 50°C
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
Maximal/Minimalwerte
Maximal/Minimalwerte
Mittelwerte
0
-7
-2
3
8
13
Durschnittswerte
0
18
Temperatur der Wärmequelle [°C]
Abbildung 11: Leistungsziffern (COP) von
Luft/Wasser – Wärmepumpen in Abhängigkeit von
der Temperatur der Wärmequelle bei einer Vorlauftemperatur des Heiz- bzw. Brauchwassers von
35°C (WPZ Töss, 2000).
-7
-2
3
8
13
18
Temperatur der Wärmequelle [°C]
Abbildung 12: Leistungsziffern (COP) von
Luft/Wasser – Wärmepumpen in Abhängigkeit von
der Temperatur der Wärmequelle bei einer
Vorlauftemperatur des Heiz- bzw. Brauchwassers
von 50°C (WPZ Töss, 2000).
19
Abbildung 11 zeigt die Bandbreite der Leistungsziffern bei einer Vorlauftemperatur von 35°C;
Abbildung 12 bei Vorlauftemperaturen von 50°C. Deutlich können die positiven Einflüsse einer
Niedertemperaturheizung auf die erreichbaren Leistungsziffern erkannt werden. Neben der
Wichtigkeit der Vorlauftemperatur zeigen die Darstellungen aber auch den Einfluss der
Temperatur der Wärmequelle. Bei Vorlauftemperaturen von 35°C können mit einem
entsprechend ausgelegten EWT (Temperaturhübe um etwa 10 bis 12 K) die Leistungsziffern –
bezogen auf den Mittelwert der Testergebnisse - um etwa 1 gesteigert werden. Bei
Vorlauftemperaturen von 50°C beträgt die Verbesserung der Leistungsziffer durch den EWT
(Temperaturhübe um etwa 10 bis 12 K) etwa 0,8.
Warmwasser Speicher
Ventilator
Drossel
Verdampfer/Kondensator
Pumpe
Rückschlagventil
Ve ntil
Wärmepumpe
Abbildung 13: Der EWT als
Wärmequelle
für
eine
Luft/Wasser-Wärmepumpe
dargestellt.
Ob eine Umgehung des EWT für den Sommerbetrieb realisiert wird, hängt im wesentlichen vom
Einsatzfall ab. Bleibt im Sommerhalbjahr nur der Brauchwasserbedarf von der Wärmepumpe zu
decken, ist eine Umgehung nicht zwingend erforderlich.
20
4 Wärmetechnische Grundlagen beim Einsatz von EWT
4.1
Theoretische Grundlagen zur Ermittlung der Energieerträge von EWT
Die Ermittlung der Leistung bzw. der Energieerträge des EWT kann mittels der für den
Wärmeträger Luft geltenden thermodynamischen Zustandsgleichungen erfolgen. Grundsätzlich
können diese wesentlichen Bewertungsgrößen nach zwei Methoden ermittelt werden:
·
Vergleich der Zustandsgrößen des Wärmeträgers an Eintritt und Austritt des EWT
·
Wärmedurchgang vom Erdreich auf den Wärmeträger Luft
4.1.1
Ermittlung der EWT-Leistung über die Zustandsgrößen des Wärmeträgers Luft
Die für die Ermittlung der Leistung bzw. des Energieertrags des EWT erforderlichen Stoffdaten
der feuchten Luft sind nachfolgend dargestellt:
· Dichte r
· spezifische Wärmekapazität cP
· Temperatur t
· Absolute Feuchte x
[kg/m³]
[kJ/kg K]
[°C]
[kgWasser/kgtr.Luft]
Das Produkt aus Dichte r und spezifischer Wärme cP ist jene Wärmemenge, die erforderlich ist
um 1 m³ Masse um 1 K zu erwärmen bzw. jene Wärmemenge, die von selber Masse bei
Abkühlung von 1 K abgegeben werden kann. Im Vergleich mit anderen Stoffen (Tabelle 1) ist
das Produkt aus Dichte r und spezifischer Wärme cP von Luft um ein Vielfaches geringer. Um
trotzdem entsprechende EWT-Leistungen an den Wärmeträger Luft zu übertragen, ist ein
entsprechend großer Volumenstrom erforderlich. Der Massenstrom im EWT wird einerseits
durch die Größe der entstehenden Druckverluste und bei Lüftungsanlagen andererseits durch
Komfortkriterien (maximale Einblasgeschwindigkeiten in den Raum) begrenzt. Der maximale
Temperaturhub ist im wesentlichen durch die Differenz zwischen Außenlufttemperatur und
Erdreichtemperatur vorgegeben.
21
Tabelle 1: Gegenüberstellung von Dichte und spezifischer Wärme unterschiedlicher Materialien
(Recknagel et. al., 2000)
Dichte r
Spezifische Wärmekapazität cP
r * cP
[kg/m³]
[kJ/kg K]
[kJ/m³ K]
trockene Luft (1bar, 20 °C)
1,188
1,007
1,196
Wasser (4°C)
1000
4,200
4200
Eis (0°C)
880 – 920
2,090
1804 – 1886
Erdreich
1300 - 2500
0,560 – 1,600
728 – 4000
Metalle
1850 – 9000
0,200 – 0,800
370 – 7200
Holz
250 – 1200
2,100 – 2,700
525 – 3240
Kunststoffe
920 – 1500
1,000 – 1,500
920 - 2250
Material
Die Leistung des EWT wird errechnet aus:
·
·
Q EWT = m Luft × DhEWT
·
Q EWT
·
m
Luft
DhEWT
[kW]
(Gleichung 1)
[kW]
Leistung des Erdreichwärmetauschers
[kg/s]
Luftmassenstrom im Erdreichwärmetauscher
[kJ/kg]
Enthalpiedifferenz der feuchten Luft zwischen EWT – Eintritt
und EWT - Austritt
wobei
·
·
m Luft = V × r Luft
[kg/s]
DhEWT = hEWT ,aus - hEWT ,ein
·
[kJ/kg]
V
[m³/s]
Volumenstrom im EWT
r Luft
[kg/m³]
Dichte der Luft
hEWT,aus
[kJ/kg]
Enthalpie der feuchten Luft am EWT – Austritt
hEWT,ein
[kJ/kg]
Enthalpie der feuchten Luft am EWT – Eintritt
Die Enthalpie der feuchten Luft ergibt sich aus der Enthalpie der trockenen Luft hL, der
Enthalpie des Wasserdampfes hD und der absoluten Feuchte x der Luft nach Gleichung 2. In
Abhängigkeit vom gewünschten Zustand sind die entsprechende Temperatur bzw. Feuchte am
EWT – Eintritt tEWT,ein, jEWT,ein und am EWT – Austritt tEWT,aus,
jEWT,aus einzusetzen.
22
h = h L + x × hD
[kJ/kgtr.Luft]
h
[kJ/kgtr.Luft]
Enthalpie
hL
[kJ/kg]
Enthalpie der trockenen Luft
x
[kgWa/kgtr.Luft] absolute Feuchte der Luft
hD
[kJ/kg]
(Gleichung 2)
Enthalpie des Wasserdampfes
wobei
hL = c p , L × t = 1,01 × t
[kJ/kg]
x = xS × j
[kgWasser/kgtr.Luft]
hD = r0 + c p , D × t = 2501 + 1,86 × t
[kJ/kg]
cp,L
[kJ/kgK]
spezifische Wärmekapazität trockener Luft
t
[°C]
Lufttemperatur
r0
[kJ/kg]
spezifische Verdampfungswärme am Trippelpunkt
cp,D
[kJ/kgK]
spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfes
xS
[kgWa/kgtr.Luft] absolute Feuchte der gesättigten Luft (j = 100%)
j
[-]
relative Feuchte der Luft
Setzt man diese Gleichungen in Gleichung 2 ein, so erhält man für die gesättigte und
ungesättigte Luft die Enthalpie wie folgt:
h = c P , L × t + x × (r0 + c P , D × t )
[kJ/kgtr.Luft]
(Gleichung 3)
Im Kühlfall wird dem Wärmeträger Luft im EWT neben der sensiblen Wärme auch latente
Wärme entzogen. Dies tritt ein, wenn bei hohen Außentemperaturen die Luft den
Sättigungszustand erreicht (j=100 %) und Wasser (Kondensat) ausgeschieden wird. Die
Übertragung sensibler Wärme wird durch die Änderung der Temperatur t, die Übertragung
latenter Wärme durch Änderung der absoluten Feuchte x sichtbar.
Die Entfeuchtungsleistung des EWT wird durch den Kondensatmassenstrom beschrieben:
·
·
m Kond = m Luft × (x EWT ,aus - x EWT ,ein )
[kg/s]
(Gleichung 4)
·
m Kond
23
[kg/s]
Kondensatmassenstrom
m Luft
[kg/s]
Luftmassenstrom im EWT
xEWT,aus
[kgWa/kgtr.Luft] absolute Feuchte am EWT – Austritt
xEWT,ein
[kgWa/kgtr.Luft] absolute Feuchte am EWT – Eintritt
·
Übersichtliche Darstellungen von Zustandsänderungen der feuchten Luft sind im h,x – (Mollier)
Diagramm möglich. Zur Erleichterung der Arbeiten mit feuchter Luft wurde dieses dem Anhang
in Kapitel 11.1 beigefügt. Auf der horizontalen Achse ist der Wassergehalt x in [g/kgtrockener Luft]
und auf der vertikalen die Lufttemperatur in [°C] aufgetragen. Im Diagramm ist eine
Kurvenschar mit den unterschiedlichen relativen Feuchten j enthalten. Sind somit Temperatur
und Feuchte (absolut oder relativ) bekannt, so kann der jeweilige Zustandspunkt ermittelt
werden. Befindet man sich über der j = 1 Linie, so handelt es sich um ungesättigte Luft, bei
Erreichen der Linie ist die Luft gesättigt.
4.1.2
Ermittlung der EWT-Leistung über den Wärmedurchgang vom Erdreich auf die
strömende Luft
Die Wärmeübertragung vom ungestörten Erdreich auf die im EWT – Rohr strömende Luft, setzt
sich aus der Wärmeleitung im Erdreich, im EWT – Rohr und der Konvektion im Rohrinneren
zusammen. Da das Erdreich an der Rohraußenseite direkt anliegt, ist in guter Näherung die
Rohroberflächentemperatur gleich der Erdtemperatur. Somit ist kein Wärmeübergang zwischen
Erdreich und Rohraußenwand zu berücksichtigen.
Die vom Erdreich auf die strömende Luft übertragene Leistung errechnet sich mit:
·
Q EWT = k EWT × A × Dt
·
[W]
(Gleichung 5)
Q EWT
[W]
Leistung des Erdreichwärmetauschers
kEWT
[W/m²K]
Wärmedurchgangskoeffizient des EWT - Rohrs
A
[m²]
Oberfläche des EWT - Rohrs
Dt
[K]
mittlere Temperaturdifferenz zwischen EWT – Außendurchmesser und der Luft im EWT
Der Wärmedurchgangskoeffizient für den EWT lautet:
1
k EWT × A
=
d
1 æ 1
1
çç
+
× ln a
p × L è a i × d i 2 × lRohr
di
ö
÷÷
ø
[K/W]
L
[m]
Rohrlänge
ai
[W/m²K]
Wärmeüberganskoeffizient an der Rohrinnenseite
(Gleichung 6)
24
di, da.
[m]
Rohrinnen- bzw. –außendurchmesser
lRohr
[W/mK]
Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials (siehe Tabelle 3)
Die Parameter di, da und L sind durch die Geometrie des EWT – Rohres vorgegeben.
Der innere Wärmeübergangskoeffizient ai ist eine Funktion des durchströmenden Mediums und
der Strömungsverhältnisse im Rohr. Die Ermittlung dieser Größe kann folgendermaßen
durchgeführt werden:
a i = Nu ×
l Luft
[W/m²K]
di
(Gleichung 7)
ai
[W/m²K]
Wärmeübergangszahl im EWT – Rohr
Nu
[-]
Nußelt – Zahl
lLuft
[W/mK]
Wärmeleitfähigkeit der Luft
di
[m]
Rohrinnendurchmesser
Die dimensionslose Nußelt –Zahl errechnet sich wiederum mit (Pfafferott et. al., 1998):
Nu = Nula min ar ×
1000
Re
+ Nuturbulent ×
Re + 1000
Re + 1000
[-]
Nulaminar
[-]
laminarer Anteil der Nußelt – Zahl
Nuturbulent
[-]
turbulenter Anteil der Nußelt – Zahl
Re
[-]
Reynolds – Zahl
(Gleichung 8)
·
w ×d
m L × di
Re = L i =
nL
hL
[-]
wL
[m/s]
Luftgeschwindigkeit im Rohr
nL
[m²/s]
kinematische Viskosität von Luft
mL
[kg/s]
Luftmassenstrom
hL
[kgm/s]
dynamische Viskosität von Luft
·
(Gleichung 9)
Der laminare und der turbulente Strömungszustand
Neben den Stoffwerten von Luft und dem Rohrmaterial ist der Wärmeübergangskoeffizient ai
von der Strömungsgeschwindigkeit wL (sprich dem Volumenstrom), und daraus resultierend
vom Strömungszustand - laminar oder turbulent - abhängig. Der Strömungszustand drückt sich
in der dimensionslosen Reynolds – Zahl aus. Bei einer Reynolds – Zahl Re < 2320 ist die
25
Rohrströmung stets laminar, oberhalb dieser wird sie als turbulent bezeichnet. Mit Sicherheit
liegt turbulente Strömung erst bei Re > 104 vor. Im Übergangsbereich 2320 < Re < 104
beeinflusst die Art der Zuströmung und die Form des Rohreinlaufs die Strömungsform. Die
dimensionslose Nußelt – Zahl teilt sich in einen laminaren und turbulenten Teil.
Der laminare Anteil der Nußelt – Zahl errechnet sich mit (Domenico, 1990):
Nu la min ar
æ
d
= 3,66 + 1,62çç Pr× Re i
l Rohr
è
ö
÷÷
ø
1/ 3
di
[m]
Rohrinnendurchmesser
lRohr
[m]
Rohrlänge
Pr
[-]
Prandtl – Zahl
Pr =
h L × c p,L
nL nL
=
× r L × c p,L =
a L lL
lL
[-]
(Gleichung 10)
[-]
(Gleichung 11)
nL
[m²/s]
kinematische Viskosität von Luft
aL
[m²/s]
Temperaturleitfähigkeit der Luft
lL
[W/mK]
Wärmeleitfähigkeit der Luft
rL
[kg/m³]
Dichte der Luft
cP,L
[kJ/kgK]
spezifische Wärmekapazität der Luft
hL
[kgm/s]
dynamische Viskosität von Luft
Der turbulente Anteil der Nußelt – Zahl errechnet sich mit (Pfafferott et. al., 1998),
(Domenico, 1990):
Nu turbulent = (1,87 + 0,54 × lg e Rohr ) × 0,014 × Re
eRohr
[mm]
0 ,8
é æ d
ê1 + çç i
êë è l Rohr
ö
÷÷
ø
2/3
æ d
+ çç i
è l Rohr
ö
÷÷
ø
0 , 055
ù
ú
úû
[-] (Gleichung 12)
Rohrrauhigkeit
Die für die Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten ai erforderlichen Stoffdaten der
trockenen Luft sind für den Temperaturbereich von –20°C bis +40°C in Tabelle 2 aufgelistet.
Die zur Ermittlung des turbulenten Anteils der Nußelt – Zahl erforderliche Rohrrauhigkeit eRohr ist
für typische EWT-Rohrmaterialien Tabelle 3 zu entnehmen.
Stoffwerte von trockener Luft zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten ai
Tabelle 2:
Temperatur t
26
Dichte rL
[°C]
[kg/m³]
-20
1,377
0
spez.
Wärmekapazität cP,L
Wärmeleitfähigkeit lL
kinematische Viskosität nL
Prandtl – Zahl Pr
-6
[W/mK]
[10 m²/s]
[-]
1,007
0,0226
11,78
0,72
1,275
1,006
0,0242
13,52
0,72
20
1,188
1,007
0,0257
15,35
0,71
40
1,112
1,007
0,0272
17,26
0,71
[kJ/kgK]
Tabelle 3: Wärmeleitfähigkeit und Rohrrauhigkeit für typische EWT-Rohrmaterialien (Huber, 2000)
Material
4.1.3
Wärmeleitfähigkeit lRohr
Rohrrauhigkeit e
[W/mK]
[mm]
PE
0,35
0,007
PVC
0,16
0,007
PP
0,22
0,007
PP + Mg-Silikat
0,51
0,007
Beton (Falzrohr / Muffenrohr)
2,0
0,5 – 1
Zement
1,4
0,5
Ermittlung der vom Erdreich auf die strömende Luft übertragenen Energie
Der Energieertrag aus dem EWT ergibt sich in der Folge aus der Summe der Produkte der
auftretenden EWT – Leistungen und der Betriebszeiten, in denen die dazugehörigen
Leistungen auftreten.
·
Q EWT = ò d Q EWT × dt EWT
[kWh]
Energieertrag aus dem EWT
d Q EWT
[kW]
Leistung des EWT über den Zeitraum dtEWT
dtEWT
[h]
Dauer der Leistung dQEWT des EWT
QEWT
·
4.2
[kWh]
(Gleichung 13)
Theoretischer Ansatz zur Ermittlung der Jahrestemperaturverläufe im Erdreich
Welcher Temperaturhub vom EWT theoretisch erzielt werden kann, hängt einerseits vom
Verlauf der Außentemperatur und andererseits vom Temperaturprofil des Erdreichs ab. Die
Temperatur des ungestörten Erdreiches auf EWT – Niveau ergibt sich durch den Wärmeaustausch von oberflächennahen Erdschichten mit tiefer gelegenen. Um also das Temperaturprofil im Erdreich bestimmen zu können, muss die Erdoberflächentemperatur ermittelt werden.
Diese wird in erster Näherung im wesentlichen durch die Außentemperatur bestimmt (Pfafferott,
1997) (Albers, 1991). Der Näherung liegt in der Annahme zugrunde, dass die mittlere
27
Erdoberflächentemperatur TObf,m um etwa 1 K höher ist als die mittlere Außentemperatur
(Lufttemperatur) TLuft,m, die Amplitude der Erdoberflächentemperatur DTobf um etwa 2K geringer
(gedämpft) ist als die Amplitude der Lufttemperatur DTLuft. und die Phasenverschiebung jLuft
gleich der Phasenverschiebung jObf ist.
Die nachfolgende Gleichung beschreibt die Annäherung des jährlichen Außentemperaturverlaufes an einen sinusförmigen Verlauf. Bei vorhandener Luft-Jahresmitteltemperatur TLuft,m,
vorhandener Amplitude DTLuft und vorhandener Phasenverschiebung gegenüber dem 1. Jänner
jLuft kann somit zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Lufttemperatur errechnet werden.
ö
æ
2pt
TLuft (t ) = TLuft , m + DTLuft × cosçç p +
+ j Luft ÷÷
t0
ø
è
[°C]
(Gleichung 14)
TLuft(t)
[°C]
Lufttemperatur zum Zeitpunkt t
TLuft,m
[°C]
Luft-Jahresmitteltemperatur
DTLuft
[°C]
Amplitude
t
[s]
Momentanzeit
t0
[s]
Schwingungsdauer = ein Jahr
jLuft
[-]
Phasenverschiebung gegenüber dem 1. Jänner (beträgt rund
20 bis 30 Tage)
Durch die Berücksichtigung der oben beschriebenen Näherung, kann mit nachfolgender
Gleichung der Jahrestemperaturverlauf an der Erdoberfläche ermittelt werden.
æ
2pt
TObf (t ) = TObf , m + DTObf × cosçç p +
+ j obf
t0
è
ö
÷÷
ø
[°C]
(Gleichung 15)
TObf(t)
[°C]
Erdoberflächentemperatur zum Zeitpunkt t
TObf,m
[°C]
Erdoberfläche-Jahresmitteltemperatur [°C]
DTobf
[°C]
Amplitude an der Erdoberfläche
t
[s]
Momentanzeit [s]
t0
[s]
Schwingungsdauer = ein Jahr [s]
jObf
[-]
Phasenverschiebung gegenüber dem 1. Jänner (beträgt rund
30 bis 45 Tage)
28
Nachdem der Verlauf der Erdoberflächentemperatur aus dem Außentemperaturverlauf ermittelt
wurde, stellt sich somit in Abhängigkeit von den nachfolgenden Größen das Erdtemperaturfeld
ein.
·
·
·
lokale Stoffwerte des Erdreiches
Temperatur der Erdoberfläche und
Grundwassertemperatur
Mit nachfolgender Gleichung (Carlaws, Jaeger, 1959) stellt sich für das von einem Gebäude
unbeeinflusste Erdreich in der Erdtiefe zEWT bei konstanter Temperaturleitfähigkeit die
Erdtemperatur TErde ein.
ö
æ
2pt
TErde ( z ,t ) = TObf , m + DTObf × e -z × cosçç p +
+ j obf - z ÷÷
t0
ø
è
[°C]
(Gleichung 16)
TErde(z,t)
[°C]
Erdtemperatur in der Tiefe z zum Zeitpunkt t
TObf,m
[°C]
Erdoberfläche-Jahresmitteltemperatur
DTobf
[°C]
Amplitude an der Erdoberfläche
t0
[s]
Schwingungsdauer = ein Jahr
jObf
[-]
Phasenverschiebung gegenüber dem 1. Jänner
z
[-]
Lara-Zahl (dimensionslose
Verlegetiefe)
z = z EWT ×
Kennzahl
für
die
optimale
p
a Erde × t 0
[-]
(Gleichung 17)
zEWT
[m]
Verlegetiefe des EWT
aErde
[m²/s]
Temperaturleitfähigkeit des Erdreiches
Wird der EWT in der Nähe eines Gebäudes verlegt, so wird anhand der Erdtemperatur des
ungestörten Erdreichs, die Temperatur des gestörten Erdreichs ermittelt. Weitere
Einflussgrößen für die gestörte Erdreichtemperatur sind die Temperatur der Kellerwand TKW und
der Abstand von der Kellerwand zum beeinflussten Erdreich.
æ
p
TErde = TErde,ungestört + (TKW - TErde,ungestört ) × expçç bKW ×
aErde × t0
è
ö
÷
÷
ø
[°C]
(Gleichung 18)
29
TErde
[°C]
Erdtemperatur für das vom Gebäude beeinflusste Erdreich
TKW
[°C]
Temperatur der Kellerwand
TErde,ungestört [°C]
bKW
[m]
Erdtemperatur im ungestörten Erdreich ( = TErde
Gleichung 16
Abstand zur Kellerwand
(z,t)
aus
30
5 Energetische Einflussgrößen - Sensitivitätsanalyse
Das Funktionsprinzip eines EWT ist grundsätzlich einfach. Luft strömt durch ein Rohr im
Erdreich und wird dabei erwärmt bzw. gekühlt. Erst bei näherer Betrachtung wird deutlich, dass
sich hinter diesem einfachen Prinzip zahlreiche Parameter verbergen und die Leistungsfähigkeit
von EWT maßgeblich beeinflussen. Neben Größen, die unmittelbar den Energieertrag des EWT
beeinflussen (Volumenstrom, Rohrlänge, Rohrdurchmesser, etc.), gibt es noch zahlreiche
indirekte Einflussgrößen (Druckverluste verursacht durch den EWT, Auswirkungen des EWT
auf die Lufthygiene, Investitionskosten des EWT, etc.), die auch in der Planung bzw.
Ausführung berücksichtigt werden müssen.
Energetische Einflussgrößen sind:
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
Standort
Erdreich
Volumenstrom
Querschnitt des EWT
Länge des EWT
Verlegetiefe
Rohrmaterial
Umgehungsschaltung des EWT (Bypass)
Verlegevariante (unter freiem Gelände verlegt, unter einem Gebäude,....)
Achsabstand bei Registeranordnung
Nachfolgend werden die wesentlichen energetischen Einflussgrößen im Detail beschrieben und
mittels Sensitivitätsanalyse ihr Einfluss auf den Ertrag eines EWT ermittelt.
Eine Sensitivitätsanalyse beschreibt das Ausmaß der Auswirkung der Veränderung eines
einzelnen Parameters auf das Gesamtsystem. Voraussetzung zur Bestimmung der Sensitivität
jedes einzelnen Parameters ist die Definition eines Referenzsystems. Sämtliche
Variationsrechnungen hierzu wurden mit dem Simulationsprogramm WKM (Huber, 2000)
durchgeführt.
5.1
5.1.1
Referenzsystem und Simulationsprogramm WKM
Simulationsprogramm WKM
Das Simulationsprogramm WKM wurde von Arthur Huber (Zürich, Schweiz) entwickelt und im
Rahmen des in Kapitel 0 beschriebenen Forschungsprojektes in zahlreichen Bereichen
erweitert und verbessert sowie mit Ergebnissen durchgeführter Messreihen validiert. Aus
diesen Arbeiten heraus entstand die Version 3.0 des Simulationsprogramms WKM, welches ein
zuverlässiges und komfortables Werkzeug bei der Auslegung von luftdurchströmten EWT
darstellt.
Wie schon erwähnt, erlaubt das Programm WKM die Berechnung von luftdurchströmten EWT.
Die drei Buchstaben stehen für „Widerstands-Kapazitäten-Modell“ und damit für das dem
Programm zugrunde liegende Rechenmodell.
31
Widerstands-Kapazitäts-Modelle (RC-Modelle) bilden das Erdreich um das Rohrregister durch
eine Anzahl von relativ großen Teilvolumen ab, die jeweils eine Wärmekapazität und bestimmte
Wärmeflusswiderstände zu den Nachbarvolumen aufweisen. Die Berechnung dieser Modelle ist
vergleichbar mit der Berechnung von elektrischen Netzwerken.
Abbildung 14: Das Widerstands-Kapazitäten-Modell): Mit diesem Modell können drei Randbedingungen
(ungestörtes, gebäudenahes, adiabates – bei Rohrregistern - Erdreich) berücksichtigt
werden. Die Anteile der Bereiche müssen aufgrund der Situation geschätzt werden.
(Huber, 2000)
Aus Wetterdaten berechnet WKM den Jahresverlauf der Lufttemperatur am Austritt des EWT
und damit am Eintritt der Lüftungsanlage. Neben dem EWT wird die Wärmerückgewinnung
(WRG) im Gebäude simuliert, eine Umgehung des EWT (Bypass) kann berücksichtigt werden.
WKM beherrscht variable Volumenströme (entsprechend eines Lüftungsfahrplans), berechnet
sensible und latente Wärmeströme und den Kondenswasser-Anfall. Die EWT-Rohre können in
verschiedenen Konfigurationen neben oder unter einem Gebäude oder in freiem Gelände
verlegt sein. Der Einfluss des Gebäudes bzw. des Kellers geht in die Berechnung ein. Sowohl
Einzelrohre als auch Register oder Bündel werden berechnet.
Für die Schweiz, Deutschland und Österreich stehen die Daten von insgesamt 17
Wetterstationen zur Auswahl, eigene Wetterdaten können in die Excel-Tabelle kopiert werden.
Ebenso gibt es Auswahllisten für Rohrtypen und Rohrabmessungen sowie für die Stoffwerte
des Erdreiches.
Die Eingabe der Parameter basiert auf MS-Excel (und erfordert dieses Programm). Makros
übernehmen verschiedene Plausibilitätsprüfungen und Vorberechnungen. Ein kompiliertes
Rechenmodul, welches von Excel aufgerufen wird, sorgt dann für relativ kurze Rechenzeiten.
Die Resultate werden übersichtlich auf einem Ausgabeblatt zusammengestellt und können
direkt formatiert ausgedruckt werden. Für jeden Monat des Jahres werden Grafiken mit den
wichtigsten Temperaturverläufen erzeugt. Daneben werden alle Simulationsresultate, auch die
Zeitschrittdaten, als Textdatei gespeichert und stehen für weitere Auswertungen zur Verfügung.
32
Abbildung 15: Bearbeitungsoberfläche des Simulationsprogramms WKM Version 1.0
Die Installation von WKM beschränkt sich auf das Kopieren einiger Excel-Dateien, des
Rechenkerns und der Wetterdaten in ein Arbeitsverzeichnis. Jeweils eine Batch-Datei
unterstützt diesen Vorgang für Excel 5 und für Excel 97. Die länderabhängigen Konventionen
zur Verwendung von Komma oder Punkt als Dezimaltrennzeichen sorgen bei der Weitergabe
von Excel-Dateien oft für Probleme. WKM umgeht diese einfach, aber wirkungsvoll durch die
Bereitstellung von drei verschiedenen Versionen des Rechenschemas.
Die Eingabemasken von WKM 1.0 sind eine MS-Excel-Anwendung und benötigen MS-Excel
5.0, MS-Excel 97 oder MS-Excel 2000. Der Rechenkern selbst wird dann von Excel gestartet
und läuft in einem DOS-Fenster.
Abbildung 16: Projektdefinitionsmaske des Simulationsprogramms WKM Version 1.0
33
Das Handbuch wird als MS-Word-Datei mitgeliefert und beschreibt die Bedienung von WKM
einfach verständlich und weitgehend komplett. Ein eigener Abschnitt des Handbuchs beschreibt
die Rechenmodelle soweit, dass Fachpersonal die internen Annahmen und Abläufe von WKM
verstehen und beurteilen kann.
5.1.2
WKM Version 3.0
Wie bereits im Kapitel 5.1.1 erwähnt wurde, ist, im Rahmen des in Kapitel 0 beschriebenen
Forschungsprojektes, das Simulationsprogrammes WKM an Hand von Messergebnissen und
Varinationsrechungen weiterentwickelt worden. Die wesentlichen Erweiterungen der neuen
WKM-Version (Version 3.0) sind nachfolgend aufgelistet:
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
Aufteilung des Erdregisters in bis zu 3 Teilen ermöglicht Berechnungen mit 3
verschiedenen Randbedingungen
Es können drei neue Anordnungen berechnet werden: Viereckiges Rohr an
Kellerwand, Eintritt-/Austrittsschacht und Rohr zwischen zwei unterkellerten
Gebäuden
Berechnung von Rohren mit Rechteckquerschnitten
21 Datensätze von Temperatur und relativer Feuchte (12 Datensätze aus
Deutschland, 9 Datensätze aus Österreich)
Wetterdaten im „METEO“-Format (Meteotest AG, 1997) werden direkt in das
Rechenmodul eingelesen
Auswahl der Wetterdatei in einem Dialogfenster
Wetterdaten und Laufzeiten können von Hand in Excel eingegeben werden
In der Druckberechnung wird zusätzlich zur Rohrlänge und Oberflächenrauheit
der Druckverlust in den Rohr-Formstücken, Filterelementen und Wärmetauscher
berücksichtigt
Der Kondenswasserausfall wird mit der relativen Feuchte statt mit der
Taupunkttemperatur berechnet
Berechnung des Energieverbrauchs der Ventilatoren sowie der Erwärmung der
Zuluft aufgrund der verwendeten Ventilatorenergie
Berücksichtigung des Grundwassers
Drei verschiedene Simulationsradien im Rechnekern wurden eingefügt (adiabat,
Keller, Erdreich)
Die Liste der Bodentypen wurde ergänzt
Für Deutschland wurde die Auswahl der Datensätze an die Regionalisierung der deutschen
Testreferenzjahre (TRJ) (Blümel et.al., 1986) angepasst. Aus den in METEOTEST (Meteotest
AG, 1997) enthaltenen Stationen wurden jeweils diejenigen ausgewählt, die nach räumlicher
Lage und nach den Monatsmitteln der Temperatur am nächsten an den TRJ-Stationen liegen.
Für Österreich wurden alle sinnvoll nutzbaren Stationen genutzt, die METEONORM (Meteotest
AG, 1997) anbietet. Alle Datensätze liegen im „METEO“-Format von METEONORM vor, das
von WKM direkt gelesen werden kann. Dieses ermöglicht auf einfache Weise die individuelle
Erweiterung des Datenbestands, auch für andere Länder (weltweit).
5.1.3
34
Das Referenzsystem
Alle in Kapitel 5 bzw. in Kapitel 6 angestellten Vergleichs- und Variationsrechnungen beziehen
sich auf das nachfolgend beschriebene EWT – Referenzsystem.
Der EWT wird im Referenzsystem mit einem Massenstrom von 500 m³/h beaufschlagt und
sowohl zur Heizung bzw. Kühlung der Frischluft genutzt. Die jährliche Betriebszeit des EWT
beträgt somit 8760 Stunden. Nachfolgend werden Eckdaten und Rahmenbedingungen des
Referenzsystems angeführt (Tabelle 4) und das Prinzip zur Verdeutlichung in Abbildung 17
dargestellt.
Tabelle 4: Daten zum EWT - Referenzsystem und Rahmenbedingungen
Bau- und Verlegeart
unter freiem Gelände verlegtes Einzelrohr
Rohrmaterial
PVC
Rohrdurchmesser
DN 200
Rohrlänge
50 m
Mittlere Verlegetiefe
2m
Luftmenge
500 m³/h (entspricht einer Luftwechselrate von 0,5
ein Gebäude mit einer Nutzfläche von rund 300 m²)
Betriebsweise
Dauerbetrieb, kein Bypass
Standort
Graz, Österreich
Wetterdatensatz lt. WKM-Archiv 1.0 (Graz.dat)
Minimaltemperatur: -11,5°C
Maximaltemperatur: 29,4°C
Erdreich
Erde feucht
r = 1800 kg/m³
l = 2,5 W/mK
cP = 1260 J/kgK
h-1
für
Der dem Referenzsystem zugrundegelegte Wetterdatensatz Graz.dat stammt aus dem Archiv
des Simulationsprogramms WKM Version 1.0. Dieser Wetterdatensatz liegt in der Form von
Stundenmittelwerten vor und wurde mit dem Wetterdatengenerator Meteonorm
aus
Monatsmittelwerten (Meteotest AG, 1997) erstellt.
35
Abbildung 17: Einsatzbedingungen und Prinzip des EWT-Referenzmodells
Eine mit dem Simulationsprogramm WKM Version 1.0 durchgeführte Jahressimulation des
Referenzsystems lieferte die in Tabelle 5 angeführten Ergebnisse für den Heiz- bzw. Kühlfall.
Die maximale Heizleistung beträgt unter den Rahmenbedingungen des Referenzsystems 1,95
kW, die maximale Kühlleistung 1,63 kW. Die maximalen Temperaturhübe bei den
Außentemperaturspitzen betragen im Heizfall 11,7 K und im Kühlfall 9,8 K.
Tabelle 5: Ergebnisse aus der Simulation des Referenzmodells
Energieertrag [kWh]
Leistung [kW]
Temperaturen [°C]
Heizen
2667
1,95
-11,5 ---> 0,2
Kühlen
2076
-1,63
29,4 ---> 19,6
Ergänzend werden in Abbildung 18 und Abbildung 19 die Verläufe von Außentemperatur sowie
der Austrittstemperatur des Referenz-EWT beispielhaft für 2 Wochen eines Sommer- bzw.
eines Wintermonats dargestellt.
36
Temperaturverlauf am Ein- und Austritt des Luft-Erdregisters / August
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0
50
100
150
200
250
300
350
Stunden
Außenluft-Temperatur im Monat August
Erdregister-Austritt
Abbildung 18: Simulationsergebnis für das Referenzmodell im Sommer / August
In den dargestellten Augustwochen (Wetterdatensatz Graz, WKM Version 1.0) bleibt die
Austrittstemperatur aus dem EWT immer unter 20 °C, in den beiden Jännerwochen fällt diese
nie unter 1°C ab. Diese Ergebnisse bringen somit für das Referenzsystem eine zuverlässige
Vermeidung der fortluftseitigen Vereisung an der Wärmerückgewinnungsanlage im Winter und
eine erhebliche Dämpfung der Zulufttemperaturen im Sommer.
Temperaturverlauf am Ein- und Austritt des Luft-Erdregisters / Jänner
10,00
5,00
0,00
-5,00
-10,00
-15,00
0
50
100
150
200
250
300
350
Stunden
Aussenluft-Temperatur im Monat Januar
Erdregister-Austritt
Abbildung 19: Simulationsergebnis für das Referenzmodell im Winter / Jänner
Diese Simulationsergebnisse zum Referenzsystem bilden die Vergleichsbasis für die
nachfolgend durchgeführten Variationsrechnungen bzw. die Sensitivitätsanalyse.
5.2
5.2.1
37
Standort
Grundsätzliches zu Standort und Wetterdatensätzen
Der Standort ist in zweierlei Hinsicht eine relevante Einflussgröße auf den Ertrag bzw. auf
Spitzenleistungen von EWT. Einerseits ist für die Ausbildung des Temperaturfeldes im Erdreich
das am Standort vorherrschende Klima (Außentemperaturen, Niederschlag, etc.) entscheidend
und andererseits wird bei luftdurchströmten EWT durch die Außentemperatur das
Beaufschlagungstemperaturniveau des EWT festgelegt.
Grundsätzlich sind Standorte mit großen jahreszeitlichen Schwankungen der Außentemperatur,
wie sie in Mitteleuropa vorherrschen, günstig für EWT Anwendungen. Durch Klimaeinflüsse
wird das Erdreich in den heißen und strahlungsreichen Sommermonaten erwärmt (das Erdreich
fungiert als Speicher) und kühlt in den Wintermonaten mit tiefer Außentemperatur wieder aus.
Die sich durch die Speicherfähigkeit des Erdreichs ergebende Phasenverschiebung der
Erdreichtemperaturen zur Außentemperatur bestimmt somit das nutzbare Temperaturniveau für
die EWT Anwendungen Kühlen und Heizen. Auch große Schwankungen der Außentemperatur
über einen Tag können bei entsprechendem Einsatz die Effizienz eines EWT positiv
beeinflussen. In günstigen Fällen (Sommerbetrieb) kann der EWT tagsüber zu Kühlzwecken
und nachts zu Heizzwecken verwendet werden.
Die Bandbreite von mittleren Außentemperaturen wird nachfolgend beispielhaft für Deutschland
mittels 12 Testreferenzjahren (Blümel et.al., 1986) dargestellt. Bei der Definition dieser
Testreferenzjahre wurde Deutschland nach aufwendigen Analysen in 12 Regionen eingeteilt,
für die dann umfassende Datensätze für viele verschiedene meteorologische Parameter erstellt
wurden. Abbildung 20 zeigt, dass die maximale Differenz in der Jahresmitteltemperatur für zwei
Standorte in Deutschland etwa 5 K erreichen kann.
38
Abbildung 20: Annäherung des Temperatur-Jahresgangs durch Cosinuskurven für die 12
deutschen Testreferenzjahre (Blümel et.al., 1986). Die maximale Differenz der
mittleren Temperaturen zwischen zwei Testreferenzjahr-Regionen erreicht etwa 5K
Dieser Aspekt bleibt bei der Auslegung von EWT zu berücksichtigen, da sich neben der
Beaufschlagungstemperatur des EWT auch die Erdoberflächentemperatur am jeweiligen
Standort und somit auch das Temperaturniveau des Erdfeldes in Abhängigkeit von der
Außentemperatur verändert. Zu berücksichtigen bleibt zusätzlich, dass es sich bei den
dargestellten Jahresgängen um an eine Cosinusschwingung angenäherte Mittelwerte handelt.
Eine zeitlich höhere Auflösung der Testreferenzjahre bzw. reale Wetterdatensätze können
kurzfristig wesentlich höhere Differenzen zwischen zwei Standorten ergeben.
5.2.2
Einfluss des Standortes auf den Energieertrag des Referenzsystems
Der Einfluss des Standortes auf den Energieertrag bzw. die Leistung des Referenz - EWT
wurde für 12 mitteleuropäische Städte (Wetterdaten aus dem WKM – Archiv Version 1.0)
untersucht. In Abbildung 21 sind die Jahresenergieerträge als Balken dargestellt und nach dem
Beitrag zur Heizenergie geordnet. Die Linien sind die Verbindungen der Maximalleistungen an
den unterschiedlichen Standorten. Für die betrachteten Städte Mitteleuropas können bezogen
auf den Referenzstandort Graz Unterschiede im Jahresenergieertrag von bis zu 40 % bzw. bei
den Maximalleistungen von bis zu 60% auftreten.
39
Jahresenergieerträge bzw. Maximalleistung des Referenzmodells in Abhängigkeit
vom Standort
4000
4
3500
3000
3
2500
2000
2
1500
1000
1
500
0
0
Heizenergie
Kühlenergie
Heizleistung
Kühlleistung
-500
-1000
-1
-1500
-2000
-2
-2500
-3000
-3
Standort
Abbildung 21: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit von vom Standort (Wetterdatensätze aus dem Archiv von WKM)
Dabei müssen hohe Maximalleistungen nicht gleichbedeutend mit hohen Energieerträgen sein.
Von diesen 12 Standorten erreicht beispielsweise Basel die höchsten Kühl- und Heizleistungen,
liegt aber bei den Jahresenergieerträgen nur im Mittelfeld. Dieses Ergebnis ist auf kurzzeitige
Spitzen der Außentemperatur am Standort Basel zurückzuführen (Tabelle 6). Sowohl im Winter
(-20,9°C) wie auch im Sommer (35,4°C) erreicht Basel im zugrunde gelegten Wetterdatensatz
(aus WKM Archiv Version 1.0) die Spitzenwerte unter den betrachteten Standorten. Diese
Klimaspitzen führen kurzzeitig zu großen Temperaturunterschieden zwischen Außenluft und
Erdreich und somit zu hohen EWT – Leistungen. Ähnliches Verhalten zeigen auch die
Standorte Zürich und Luzern. In diesen Klimazonen ist der EWT als optimale Komponente zur
Unterstützungskühlung / -heizung einsetzbar, d.h. der EWT wirkt primär ausgleichend indem er
die Temperaturspitzen bricht. Damit können konventionelle Heiz- bzw. Kühlregister mit
geringeren Auslegungsleistungen eingesetzt und auch besser ausgelastet werden.
Der Standort Innsbruck zeigt beispielsweise im Vergleich zu den übrigen Standorten keine
extremen Temperaturspitzen, stellt aber den Klimadatensatz mit der geringsten mittleren
Jahresaußentemperatur dar. Neben guten Erträgen im Heizfall liefert der Referenz – EWT am
Standort Innsbruck die höchsten Kühlerträge der 12 Klimadatensätze.
8 der zwölf betrachteten Standorte zeigen für einen Jahresbetrieb des EWT
Ertragsunterschiede, die kleiner als 10% sind. Nur die verwendeten Klimadatensätze der
Standorte Sion, Stuttgart, Innsbruck und Hamburg liegen – in Bezug auf den Referenzstandort
Graz – über 10% Abweichung. Die erzielbaren Maxima an Heiz- bzw. Kühlleistung variieren
hingegen wesentlich stärker. Bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. in maritimen
Regionen (hohe mittlere Jahresaußen- und daraus resultierend hohe Erdreichtemperaturen,
geringe Temperaturamplituden zwischen den Jahreszeiten), ist der Einsatz von EWT generell
zu hinterfragen.
Tabelle 6:
40
Mittel und Maxima der Außentemperaturen sowie Maxima der Heiz- bzw.
Kühlleistungen des Referenz - EWT für 12 verschiedene Standorte (aus WKM – Archiv
Version 1.0)
Standort
mittlere
Außentemperatur
[°C]
minimale
Außentemperatur
[°C]
maximale
Außentemperatur
[°C]
maximale
Heizleistung
[kW]
maximale
Kühlleistung
[kW]
Sion
9,5
-17,2
34
2,95
-2,18
Stuttgart
10,0
-10,8
29,8
1,93
-1,60
Innsbruck
8,2
-14,2
30,1
1,90
-1,90
Potsdam
8,8
-8,2
30,7
1,37
-1,95
Würzburg
9,1
-13,1
31,3
1,93
-1,95
Freiburg
10,5
-6,9
30,7
1,40
-1,80
Graz
8,7
-11,5
29,4
1,95
-1,63
Basel
10,0
-20,9
35,4
3,27
-2,48
Wien
10,2
-15,9
31,9
2,32
-1,93
Luzern
9,3
-17,9
34
2,88
-2,37
Zürich
7,9
-21,1
31,5
3,12
-2,22
Hamburg
8,5
-7,7
29,8
1,42
-2,03
Häufig werden EWT zur Dämpfung von Klimaspitzen in Sommer und Winter verwendet. Somit
müssen die für die EWT-Auslegung verwendeten Klimadaten (als Basis für
Simulationsprogramme) auch tatsächlich entsprechende Spitzen im Außentemperaturverlauf
aufweisen. Die Verwendung von Mittelwerten aus verschiedenen Jahren sowie auch von
generierten Wetterdatensätzen führt meist zur Glättung von Temperaturspitzen, was unbedingt
bei der Auslegung von EWT zu berücksichtigen ist.
5.3
Erdreich
Für eine hinreichend genaue Dimensionierung eines EWT ist das Verständnis von thermischen
Zusammenhängen in oberflächennahen Böden notwendig. Primär gilt es dabei, die den
Energieertrag bzw. die EWT – Leistung beeinflussenden Größen des Erdreiches zu bestimmen.
Da EWT in oberflächennahen Tiefen verlegt werden, stammt die nutzbare Energie zum größten
Teil aus Sonneneinstrahlung. Geothermische Einflüsse sind vernachlässigbar.
Die Temperatur im ungestörten Erdreich stellt sich in Abhängigkeit von der Stoffdaten des
Erdreiches, der Temperatur an der Erdoberfläche und der Grundwassertemperatur ein. Der
Energietransport im Erdreich erfolgt im wesentlichen durch Wärmeleitung bzw. durch
Sickerwasser.
5.3.1
Die Temperaturleitfähigkeit
Wie in Kapitel 4.2 beschrieben, kann die Erdtemperatur bei bekannter Oberflächen- und
Grundwassertemperatur in Abhängigkeit von der Temperaturleitfähigkeit aErde des Erdreichs
berechnet werden. Die Temperaturleitfähigkeit beschreibt die thermischen Eigenschaften des
41
Erdreichs und muss für die Bestimmung des instationären Erdtemperaturfeldes bekannt sein
(Gleichung 19).
aErde =
lErde
r Erde × cErde
[m²/s]
lErde
[W/mK]
Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches
rErde
[kg/m³]
Dichte des Erdreiches
cErde
[J/kgK]
spezifische Wärmekapazitäten des Erdreiches
Gleichung 19
Die Parameter lErde, rErde, cErde sind dabei von der lokalen Erdreichzusammensetzung (Lehm,
Erde, Kies, Sand,...), vor allem aber von der Korngröße und dem im Erdreich gebundenen, sich
zeitlich ändernden, Wassergehalt abhängig. Zusammengefasst zur Temperaturleitfähigkeit aErde
ergeben sie ein Maß dafür, wie schnell das Erdreich auf Temperatur- bzw.
Strahlungsänderungen an der Erdoberfläche reagiert. Hohe Temperaturleitfähigkeiten bedeuten
ein rasch reagierendes Erdreich, niedrige ein träges Erdreich, wie deutlich in Abbildung 22 zu
erkennen ist.
Mittlerer Jahrestemperaturverlauf im Erdreich bei unterschiedlichen Bodentypen
(Tiefe=2m / Standort Graz / Bodentypen aus WKM)
20
18
16
Erde, feucht /
Sand, feucht /
Sand, trocken /
Erde, trocken /
a=1,102*10-6 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=4,053*10-7 m²/s
a=2,778*10-7 m²/s
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
Abbildung 22: Abhängigkeit des Temperatur-Jahresgangs im Erdreich von der Temperaturleitfähigkeit.
Die Jahrestemperaturverläufe von Erdreich mit geringen Temperaturleitfähigkeiten sind stärker
gedämpft und stärker phasenverschoben als die Verläufe von Erdreich mit vergleichsweise
höheren Temperaturleitfähigkeiten in gleicher Tiefe.
5.3.2
42
Stoffdaten für verschiedene Typen von Erdreich
Böden bestehen aus Mineralien, welche eine gewissen Körnigkeit aufweisen. Diese und die
durch die Lagerung der Körner gegebene Porosität sind die Voraussetzung dafür, dass in
einem Bodenvolumen auch bei dichtester Anordnung, Platz für Wasser und Luft vorhanden ist.
Durch den maßgebenden Einfluss des Wassergehaltes auf die thermischen Stoffwerte des
Erdreichs ist somit die Körnung eine entscheidende Größe dafür, ob durchsickerndes Wasser
gegen die Schwerkraft festgehalten werden kann, und den Luftinhalt in den Hohlräumen
verdrängt. Bei der typischen Bezeichnung von Bodentypen (Sand, Erde feucht, Kies, etc.)
bezieht man sich daher nicht auf das Bodenmaterial, sondern auf die Korngrößenunterschiede
(Dibowski, Rittenhofer, 2000).
Die für die Berechnung der Temperaturleitfähigkeit aErde benötigten Stoffdaten lErde, rErde und
cErde sind in der Literatur praktisch für alle Bodentypen zu finden. Allerdings ist die Bandbreite
der angegebenen Werte sehr groß (siehe Tabelle 7 und Tabelle 8). Die Ursachen für diesen
Streubereich liegen im wesentlichen in zwei Faktoren begründet:
·
Der Feuchtegehalt, auf den sich die Angaben beziehen, wird in der Literatur meist
nicht angeführt. Die Wärmeleitfähigkeit kann zwischen trockenem und gesättigtem
Boden aber sehr stark differieren (Abbildung 23).
·
Meist liegt eine Mischung mehrerer Bodenarten vor. Zur eindeutigen Beschreibung
müssten die Massenanteile der unterschiedlichen Bestandteile sowie deren
mineralogische Zusammensetzung angeführt werden.
Insgesamt zeigt der instationäre Wasserhaushalt über ein Kalenderjahr ein sehr komplexes
Verhalten und kann nur sehr aufwendig messtechnisch erfasst oder durch entsprechende
Simulationsmodelle (aus Bereichen der Landwirtschaft) nachgebildet werden.
EWT sollten hinsichtlich höchster Erträge und Leistungen möglichst auf Grundwasserniveau
angeordnet werden, wobei zu berücksichtigen bleibt, dass die hierfür nötigen Verlegetiefen
häufig hohe Kosten für Grab- und Verlegearbeiten mit sich bringen. Einerseits bedeutet das
wassergesättigte Erdreich auf Grundwasserniveau hohe Wärmeleitfähigkeiten, sowie durch die
Fließgeschwindigkeit des Grundwassers verbesserte äußere Wärmeübergänge aa. Andererseits steht aufgrund der Grundwasserströmung ein über das ganze Jahr nahezu konstantes
Temperaturniveau
zur
Verfügung.
Tatsächlich
auftretende
Veränderungen
des
Temperaturniveaus sind äußerst schwierig zu erfassen, da in den wenigsten Fällen Masse und
Fließgeschwindigkeit des Grundwassers vorhanden sind. In den bis heute bekannten
Berechnungsmodellen für EWT wird das Temperaturniveau des Grundwassers als Isotherme
betrachtet. Die meisten heute verfügbaren Berechnungsprogramme erlauben die Eingabe von
Grundwassertiefe sowie Grundwassertemperatur als Simulationsparameter.
43
Wärmeleitfähigkeitsbereiche der wichtigsten Erdböden
2
0,9
Beton
2,5
1
Moräne
0,6
0,4
Kies, trocken
2,9
0,2
Sand
2,3
0,6
Sand, feucht
0,7
0,3
Sand, trocken
2,3
0,4
Schluff
2,2
0,9
Ton
0,8
0,2
Torf
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
Abbildung 23
Bandbreite der möglichen Wärmeleitfähigkeiten der wichtigsten Erdböden (Dibowski,
Rittenhofer, 2000).
Die Dissertation von Karl-Josef Albers (Albers, 1991) beinhaltet eine auf intensiver
Messdatenauswertung beruhende Bodenklassifizierung nach Jäger. Die daraus erhaltenen
Referenzbodentypen sind in Tabelle 7 dargestellt. Um die Unterschiede in Literaturangaben
aufzuzeigen, wurden die Referenzbodentypen nach Jäger durch Angaben aus zwei
Fachbüchern ergänzt.
Tabelle 7: Vergleich der thermischen Stoffdaten für das Erdreich aus drei verschiedenen Quellen: Referenzbodentypen nach Jäger; -Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau (Dubbel,
1997); -Glück, Wärmeübertragung (Glück, 1989)
Bodentypkassifizierung
1
2
3
4
Bodenarten
l Erde
rErde
cErde
aErde =l Erde /(r Erde *c Erde)
Quelle
-7
[W/mK]
[kg/m³]
[J/kg*K]
[m²/s]*10
0,7 (20°C)
1500
921,6
5,06
0,33
1520
sandig, locker
1,75
2000
1000
8,74
Glück
sandig, feucht
1,88
1500
1198,8
10,46
Jäger
1,14
1640
bindig, lehmig
1,15
2000
lehmig, trocken
0,53 (20°C)
1340 – 1900
lehmig, trocken
1,45
1800
2,33
2000
lehmig, feucht
2,9
1800
1591,2
10,13
Jäger
tonig
2,6
2000
1000
13,0
Glück
sandig, trocken
Jäger
Dubbel
Dubbel
1000
5,74
Glück
Dubbel
1339,2
6,02
Jäger
Dubbel
44
Ergänzend zu den Literaturangaben Jäger, Dubbel und Glück werden in Tabelle 8 Stoffdaten
aus dem Archiv des Simulationsprogramms WKM dargestellt. Die Unterschiede in den
Stoffdaten des Erdreichs lassen die Wichtigkeit der Kenntnis der tatsächlichen
Bodenzusammensetzung und Eigenschaften bei der Planung von EWT deutlich erkennen.
Tabelle 8: Stoffdaten des Erdreiches aus dem Simulationsprogramm WKM
l Erde
rErde
cErde
aErde =l Erde /(r Erde *c Erde)
[W/mK]
[kg/m³]
[J/kg*K]
[m²/s]*10-7
Kies, trocken
0,35
2500
560
2,50
Kies, feucht
2,9
2500
920
12,6087
Erde, trocken
0,35
1500
840
2,77778
Erde, feucht
2,5
1800
1260
11,0229
Erde, tonig
1,51
1500
1080
9,32099
Lehm, trocken
0,4
1000
752
5,31915
Lehm, nass
1,6
1300
1128
10,9111
Sand, trocken
0,4
1500
658
4,05268
Sand, feucht
1
1700
700
8,40336
Sand, gewalzt
1,2
2128
799
7,05769
Schotter, trocken
0,4
2128
705
2,66624
Schotter, gesättigt
1,8
2128
1128
7,4988
Bodenarten
Stoffwerte für Referenzböden sind in der Literatur zwar vorhanden, können aufgrund der
großen Bandbreite und der meist ungleichen Verhältnisse im Vergleich mit realen
Gegebenheiten nur als Anhaltswert betrachtet werden. Exakt bestimmt können die thermischen
Stoffwerte von Erdreich nur mittels Durchführung einer vollständigen Körnungsanalyse werden.
Ein herkömmliches Bodengutachten liefert keine verwertbaren Daten. Da die Durchführung
einer Körnungsanalyse sehr kostenintensiv ist, haben Schätzmethoden hier eine große
Bedeutung.
Mit der Fingerprobe kann die Körnung aus Kriterien wie Plastizität, Rollfähigkeit,
Schmierfähigkeit und Rauhigkeit einer feuchten Probe „angesprochen“ werden. Ton ist gut
formbar und hat eine glänzende, glatte Schmierfläche. Schluff ist weniger verformbar, mehlig
und leicht staubig werdend mit einer rauen Schmierfläche. Sand ist nicht verformbar, schmutzt
nicht, seine Körnung ist zu erkennen. Mit diesen Anhalten ist es somit in den meisten Fällen
möglich, mit Hilfe einer Fingerprobe eine Bodenart abzuschätzen. (Dibowski, Rittenhofer,
2000).
5.3.3
Das Hinterfüllmaterial von Erdreichwärmetauschern - Verlegerichtlinien
Für die meisten Auslegungsfälle muss der Bodentyp also abgeschätzt werden. Danach können
für die Berechnung des EWT aus Literaturangaben die Stoffwerte des Erdreichs entnommen
werden. Klar muss sein, dass diese Methode Unsicherheiten in der Beurteilung des Erdreichs
und somit auch in der Bemessung des EWT in sich birgt.
Eine Alternative hierzu könnte das Hinterfüllen des EWT mit vordefiniertem Erdreich sein. Zu
diesem Zwecke müssten sogenannte Referenzfüllböden mit thermisch guten Eigenschaften
45
definiert werden, die von Baufirmen zwischengelagert und bei Bedarf ausgeliefert werden. Dies
würde zwar die Planungssicherheit verbessern, würde auf der anderen Seite Zusatzkosten
durch zusätzliche Manipulationen mit Erdreich und Erdtransporte (Anlieferung des Füllbodens,
Abtransport des Aushubmaterials) verursachen, was sich wiederum negativ auf die
Amortisationszeiten von EWT auswirkt.
Neben den Problempunkten der genauen Definition der Stoffdaten des Erdreichs, der
Diskussionen über vordefinierte Füllböden, etc. stellt sich in der Praxis ein weiteres Problem
ein, das die vorangegangenen Punkte etwas relativiert. Hierbei handelt es sich um bautechnische Vorgaben bzw. Auflagen bei der Verlegung von Rohren im Erdreich. Üblicherweise
werden erdverlegte Rohre im Kanal- bzw. Wasserleitungsbau mit Schotter bzw. Kies in
verschiedenen Schichtaufbauten hinterfüllt. Betrachtet man die Temperatur- und Wärmeleitfähigkeiten von Schotter bzw. grobkörnigem Kies, ist leicht zu erkennen, dass sich diese
ansonsten üblichen Hinterfüllmaterialien für den Einsatz in Verbindung mit Erdreichwärmetauschern nicht sehr gut eignen. Dies liegt darin, dass aufgrund der großen Korngrößen
Wasser nicht entsprechend festgehalten werden kann. Erst Korngrößen unter 2 mm können
beträchtliche Teile an Wasser gegen die Schwerkraft festhalten, die dann die Luftinhalte
verdrängen und damit die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs erheblich verbessern (Dibowski,
Rittenhofer, 2000).
Warum werden erdverlegte Rohrleitungen nicht einfach mit Aushubmaterial hinterfüllt? Die
Antwort auf diese Frage ist grundsätzlich einfach. Beim Aushubmaterial handelt es sich meist
um klumpiges, mitunter auch um steiniges Material. Für die Rohreinbettung und Hinterfüllung
wird aber definiertes körniges, rieselndes Material zum Schutz des Rohres verlangt. Steine im
Hinterfüllmaterial können bei der Verdichtung bzw. später Schäden am Erdrohr verursachen.
Ebenso entstehen durch das Hinterfüllen mit klumpigem Aushubmaterial Hohlräume um das
Rohr, welche in der Verdichtungs- bzw. späteren Belastungsphase zu Ausbeulungen und
Verformungen, im schlimmsten Fall sogar zum Bruch des Erdrohres führen können. Somit wird
in der Praxis in den meisten Fällen Sand bzw. Feinstkies zur Hinterfüllung der Leitungszone
verwendet. Die Hauptverfüllung kann dann wieder mit Aushubmaterial bzw. mit Referenzfüllboden erfolgen.
Alternativen zu den konventionellen Hinterfüllmaterialien Sand und Kies (ein Austrocknen des
Rohrbettes kann die Wärmeleitung wesentlich verschlechtern) kann Lösslehm oder Feinstsand
(gilt bei Korngrößen < 125 mm als dauerfeucht) gesehen werden. Diese beiden Materialien
bringen einerseits energetische Vorteile, führen aber andererseits zu höheren
Investitionskosten des EWT. Bei statisch bedenklichen EWT – Anordnungen (direkt unter einem
Gebäude, etc.) kann als Hinterfüllmaterial auch Magerbeton verwendet werden. Da dieses
Hinterfüllmaterial eine erhebliche Erhöhung der Herstellungskosten verursacht, sollte es nur in
wirklich kritischen Fällen verwendet werden.
46
Erdoberfläche
Hauptverfüllung
Leitungszone
Abdeckung
Seitenverfüllung
Obere Bettungsschicht
Untere Bettungschicht
Abbildung 24: Richtlinien der EN 1610 zur
Rohreinbettung
Abbildung 25: Feinstsand als Hinterfüllmaterial im
EWT-Rohrbereich und Aushubmaterial als Hauptverfüllung; Projekt
Gradmann-Haus (Bildquelle:
Rentschler & Riedesser)
Grundsätzlich bleibt anzumerken, dass die Hinterfüllung des Erdrohres aus
Gewährleistungsgründen schon detailliert in der Projektausschreibung enthalten sein sollte. Die
Verlegung und die Hinterfüllung des EWT sollte unbedingt beaufsichtigt werden, damit
unsachgemäße Arbeiten und somit in der Folge auch Schäden am Rohr bzw. daraus
resultierende Mindererträge des EWT vermieden werden können. Richtwerte bei der Verlegung
von EWT-Rohren können der europäischen Norm „Verlegung und Prüfung von
Abwasserleitungen- und kanälen“ EN 1610 entnommen werden (EN 1610, 1997).
5.3.4
Jahrestemperaturverlauf im Erdreich
Konnten die Stoffdaten und daraus die Temperaturleitfähigkeit aErde ermittelt bzw. mit guter
Näherung abgeschätzt werden, so lässt sich mit den in Kapitel 4.2 beschriebenen Gleichungen
der Jahrestemperaturverlauf des ungestörten Erdreichs in verschiedenen Tiefen ermitteln.
Nach diesem Prinzip wurden für zwei unterschiedliche Temperaturleitfähigkeiten die
ungestörten Erdreichtemperaturen in verschiedenen Tiefen errechnet. Den Berechnungen für
die Erstellung der Temperaturverläufe wurde das Erdreichmaterial „Kies - trocken“ (aErde = 2,5 *
10-7 m²/s) zugrundegelegt. Dabei stellt jede Kurve das Temperaturniveau eines Monats in den
unterschiedlichen Tiefen des Erdbodens dar.
47
Jahrestemperaturverlauf im ungestörten Erdreich (Kies, trocken)
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
Jänner
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tiefe des Erdreichs in [m]
Abbildung 26: Temperaturverlauf im ungestörten Erdreich (Kies, trocken mit aErde = 2,5 * 10-7 m²/s) in
verschiedenen Tiefen
Deutlich ist zu erkennen, dass die Temperaturen im Erdreich mit zunehmender Tiefe gedämpft
werden. Die gewählte Temperaturleitfähigkeit ergibt am Standort Graz in einer Tiefe von 3 m
maximale Temperaturunterschiede übers Jahr von etwa 7 K, bei 6 m noch 2 K und bei 9 m
Tiefe nur mehr 1 K. In den Monaten der Übergangszeit (April, Oktober) liegen die
Temperaturunterschiede über das Tiefenprofil bei etwa 2-3 K, in Monaten mit
Außentemperaturspitzen liegen die Unterschiede bei etwa 9-11 K.
Im Monat Dezember beträgt die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche rund –1°C. In einer
Tiefe von 3 Metern bereits 9°C. Würde ein EWT in dieser Tiefe verlegt werden, so könnte
theoretisch auch die angesaugte Außenluft (die minimale Außentemperatur für den Standort
Graz beträgt –11.5°C) bei einem unendlich langen Rohr auf 9°C erwärmt werden.
Im Vergleich zur Abbildung 26 wurde für die Erstellung der Abbildung 27 das Erdreichmaterial
„Erde - feucht“ (aErde = 11,02 * 10-7 m²/s) zugrundegelegt. „Erde-feucht“ weist im Vergleich zu
„Kies – trocken“ eine um den Faktor 4,4 höhere Temperaturleitfähigkeit auf. Daraus resultiert
eine wesentlich geringere Dämpfung der Erdreichtemperaturen als bei „Kies – trocken“. Es
ergeben sich in einer Tiefe von 3 m maximale Temperaturunterschiede übers Jahr von etwa 11
K, bei 6 m noch 7 K und bei 9 m Tiefe noch 4 K. Bei einer EWT - Verlegetiefe von 3 m könnte
die angesaugte Außenluft im Monat Dezember theoretisch auf 7 K erwärmt werden.
48
Jahrestemperaturverlauf im ungestörten Erdreich (Erde, feucht)
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
Jänner
Februar
März
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
November
Dezember
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tiefe des Erdreichs in [m]
Abbildung 27: Temperaturverlauf im ungestörten Erdreich (Erde, feucht mit aErde = 11,02 * 10-7 m²/s)
bei verschiedenen Tiefen
Diese Betrachtung könnte zum Schluss verleiten, dass bei geringen Temperaturleitfähigkeiten
aErde, aufgrund der stärkeren Dämpfung und stärkeren Phasenverschiebung der Außentemperatur, durch günstigere Temperaturniveaus höhere Energieerträge zu erwarten sind
(siehe auch Abbildung 22). Dies gilt aber nur für das ungestörte Erdreich. Wird dem Erdreich
durch den EWT Energie entzogen, so spielt eine höhere Wärmeleitfähigkeit lErde und daraus
resultierend eine höhere Temperaturleitfähigkeit aErde eine entscheidende Rolle.
5.3.5
Einfluss der Stoffdaten auf den Energieertrag des Referenzsystems
Um den Einfluss der Stoffdaten des Erdreichs auf den Ertrag eines EWT darzustellen, wurde
der in Kapitel 5.1.3 definierte Referenz – EWT mit vier unterschiedlichen Bodentypen simuliert.
Die thermischen Stoffdaten der vier zum Vergleich ausgewählten Bodentypen „Erde – feucht“,
„Erde – trocken“, Sand – feucht“ und „Sand – trocken“ bilden repräsentative Zahlenwerte
stellvertretend für die gesamte Bandbreite an Angaben zum Erdreich. Die Zahlenwerte
stammen aus dem Archiv des Simulationsprogramms WKM. Die Ergebnisse der
Vergleichsrechnungen sind in Abbildung 28 dargestellt.
49
Energieertrag des Referenzsystems bei Erdreichvariation
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC DN 200 Länge=50m Tiefe=2m Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Erde, feucht
Erde, trocken
Sand, feucht
Sand, trocken
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
Erdreich
Abbildung 28: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit der Stoffdaten des Erdreichs
Die besten Ergebnisse, sowohl für den Kühl- als auch den Heizfall, liefert der Erdreichtyp „Erde
– feucht“ (Temperaturleitfähigkeit aErde = 11,02 * 10-7 m²/s). Die Mindererträge für „Erde –
trocken“ bzw. „Sand – trocken“ betragen im Heizfall etwa 35%. Im Kühlfall etwa 25%. Diese
Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Erdreichs doch beträchtlich ist und in die Auslegung
von EWT unbedingt einzubeziehen ist. Was die Detaillierung der Stoffdatendefinition des
Erdreichs betrifft, darf die erzielte Unsicherheit durch das Hinterfüllmaterial (Sand, Feinstkies,
Lösslehm, Beton, etc.) nicht unberücksichtigt bleiben.
5.4
5.4.1
Volumenstrom
Nennvolumenstrom und Lüftungsfahrplan
Am häufigsten kommen EWT als Vorstufe einer Lüftungsanlage zum Einsatz. Die Wahl der
entsprechenden Luftwechselzahl ist zwar grundsätzlich eine lufthygienische Problemstellung,
beeinflusst in der Folge aber den Betrieb des EWT, da dieser eben mit dem ermittelten
Volumenstrom beaufschlagt wird. In diesen Anwendungsfällen wird der Nennvolumenstrom
entsprechend des Bedarfs ermittelt.
Vier Ansätze zur Ermittlung des Volumenstroms stehen in der Praxis zur Verfügung:
·
·
·
·
Bestimmung nach dem stündlichen Außenluftwechsel des Raumes
Bestimmung nach der erforderlichen Luftmenge je Person
Bestimmung nach der Kühllast
Bestimmung nach der Schadstoffbelastung der Raumluft
50
Bestimmung nach dem stündlichen Außenluftwechsel des Raumes:
Diese Methode wird bei einfachen Lüftungsanlagen am häufigsten verwendet. Das Ausmaß des
stündlichen Luftwechsels hängt primär vom Raumvolumen ab. Durch den zusätzlichen Einfluss
von Raumhöhe, seine Lage, den Grad und der Quelle der Luftverschlechterung und der Art der
Luftführung schwanken auch die Erfahrungszahlen in weiten Grenzen und sind daher mit
Vorsicht zu benutzten.
Wie nachfolgend für die Anwendung Wohnbau dargestellt, gibt es bei der Auswahl der
Luftwechselraten zur Festlegung der Lüftungswärmeverluste innerhalb üblicher Normen eine
große Bandbreite:
·
·
·
·
·
ÖNORM 8110
ÖNORM 7500
DIN 4701
SIA 380-1
WDVO 95
nL=0,4 h-1 (bezogen auf das Bruttovolumen, oder 30 m³/hPers)
nL=0,5 h-1 (bezogen auf das Nettovolumen)
nL=0,4 - 0,8 h-1 (bezogen auf das Nettovolumen)
Bestimmung nach der pro Person erforderlichen Luftmenge:
Auch hier lassen sich nicht unbedingt feste Größen angeben, da die Luftmenge auch von
Umständen wie belästigende Geruchsquellen (Tabakrauch), Energieeinsparung bei extremen
Außenlufttemperaturen, u.ä. abhängt. Je nach Einsatzfall sind pro Person zwischen 10 m³/h
und 60 m³/h (z.B. Großraumbüro) möglich.
Bestimmung des Volumenstroms nach der Kühllast:
Die Temperatur der Zuluft darf nur auf ein gewisses Maß abgesenkt werden, da es sonst zu
Zugerscheinungen oder zu trockener Luft kommen kann. Je nach Art der Luftauslässe sind
gegenüber der Raumtemperatur nur Temperaturdifferenzen von Dt = 5 – 12 K in Abhängigkeit
von der Luftführungsart zu empfehlen. Danach ergibt sich aus der Kühllast der Volumenstrom
nach der Gleichung:
·
QK
V =
c P , L × r L × Dt
·
·
V
[m³/s]
[m³/s]
erforderlicher Luftvolumenstrom
QK
[kW]
Kühllast des Gebäudes
c P, L
[kJ/kg]
spezifische Wärmekapazität der Luft
rL
[kg/m³]
Dichte der Luft
Dt
[K]
Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Abluft
·
(Gleichung 20)
51
Wird der EWT zur Komfortkühlung eingesetzt, so ist der Volumenstrom im Kühlfall gleich dem
für den hygienischen Luftwechsel erforderlichen Volumenstrom. Der Ventilator muss nicht
größer dimensioniert werden. Im Falle der Unterstützungskühlung und vor allem im Falle der
Raumkühlung mittels EWT sind bei Spitzenlast Überschreitungen der für den hygienischen
Luftwechsel erforderlichen Volumenströme üblich. Ventilator und Lüftungsnetz müssen
entsprechend der nötigen Spitzenkühllast ausgelegt werden.
Bestimmung des Volumenstroms nach der Luftverunreinigung:
Dieses Verfahren zur Bestimmung der Luftmenge wäre oft das sinnvollste, dazu fehlt aber sehr
häufig die erforderliche Datenbasis zu den einzelnen Emissionen, so dass die Anwendung des
Verfahrens auf bestimmte Sonderfälle beschränkt bleibt, z.B. Färbereien, Wäschereien, u.ä.
Anlagen. Für herkömmliche Wohn- bzw. Bürogebäude liegt die hygienische Luftwechselrate bei
rund 0,5 – 1,0 h-1.
Neben der grundsätzlichen Festlegung des Nennvolumenstroms bzw. des Volumenstroms bei
Spitzenlast, muss bei der Dimensionierung von EWT auch ein sogenannter „Lüftungsfahrplan“
erstellt werden. Nicht alle Lüftungsanlagen sind im Jahr 8760 Stunden bei gleichem
Volumenstrom in Betrieb. Beispielsweise wird bei Büro- und Verwaltungsbauten – um die
Lüftungswärmeverluste zu minimieren – außerhalb der Nutzungszeiten (Wochenenden und
Nächte) die Lüftungsanlage außer Betrieb genommen oder es herrscht Umluftbetrieb.
Auch die Aktivierung einer Umgehung des EWT (Bypass) in Verbindung mit definierten Heizund Kühlgrenzen reduziert (häufig in der Übergangszeit) die Betriebszeit des EWT.
Grundsätzlich liefern EWT - Betriebszeiten von 8760 Stunden die höchsten Erträge, wobei aber
mit ungewolltem Heizerträgen im Kühlfall (Sommer) und umgekehrt (Winter) gerecht werden
muß.
5.4.2
Einfluss des EWT - Volumenstromes auf den Ertrag des Referenzsystems
Die Leistung und der Volumenstrom eines EWT stehen im direkten Zusammenhang (siehe
Kapitel 4.1.1). Veränderungen des EWT – Volumenstroms wirken sich somit auf die Leistung
sowie in weiterer Folge auf die Erträge des EWT aus. Einerseits führen höhere Volumenströme
bei gleichen Rohrquerschnitten zu günstigeren inneren Wärmeübergangszahlen ai und sind
daher aus energetischer Sicht, trotz höher erforderlicher Ventilatorleistung, zu begrüßen.
Andererseits verkürzt sich für höhere Volumenströme (bei gleichen Rohrquerschnitten) die
Verweilzeit der Luft im EWT und reduziert die erreichbaren Temperaturhübe. Dadurch wirkt sich
eine Erhöhung des Volumenstroms zwar positiv aus, ein linearer Anstieg der EWT – Leistung
mit dem Volumenstrom ist aber nicht gegeben. Ein weiterer Faktor, der den degressiven Verlauf
unterstützt, ist der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des EWT - Materials. Deutlich ist in
Abbildung 29 der positive Einfluss einer Volumenstromerhöhung auf die Heiz- bzw. Kühlerträge
des Referenz-EWT zu erkennen. Der Standardvolumenstrom für das Referenzsystem wurde in
Kapitel 5.1.3 mit 500 m³/h definiert. Steigert man den Volumenstrom durch den EWT auf das
Zehnfache, können statt der etwa 2660 kWh Heizertrag bei Referenzbedingungen etwa 7000
kWh Heizertrag erreicht werden.
52
Energieertrag des Referenzsystems bei Volumenstromvariation
(Einzelrohr frei verlegt PVC DN 200 Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
8000
Kühlen
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-2000
-3000
-4000
-5000
-6000
-7000
Volumenstrom [m³/h]
Abbildung 29: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit vom Volumenstrom
Bei der Festlegung des Volumenstroms bzw. der Definition der Geometrie des EWT gilt es zwei
wichtige Rahmenbedingungen zu berücksichtigen:
·
·
möglichst hohe innere Wärmeübergangszahl ai
möglichst geringer Druckverlust
Einerseits sollte der Volumenstrom im EWT – Rohr hinsichtlich energetischer Vorteile (guter
innerer Wärmeübergänge) möglichst hoch sein und andererseits verursachen hohe
Volumenströme bei konstanten Rohrquerschnitten hohe Druckverluste. Hohe Druckverluste
machen große Ventilatoren nötig, die einerseits hohe Investitionskosten und andererseits
hohen Bedarf an Primärenergie zum Betrieb des Ventilators mit sich bringen. Diese
Problemstellung kann klarerweise nicht so eindimensional diskutiert werden, da die EWTGeometrie (EWT-Querschnitt, EWT-Länge) hier eine wesentliche Einflussgröße darstellt. Im
Kapitel Dimensionierung wird dieser Zusammenhang deshalb nochmals mit allen
Einflussgrößen detaillierter behandelt und Empfehlungen für die Auslegung abgegeben.
5.5
5.5.1
53
Querschnitt des EWT
Querschnittsformen
Üblicherweise
werden EWT als Rohrsysteme mit
kreisförmigem Querschnitt (siehe Abbildung 30) ausgeführt.
Wesentlich weniger weit verbreitet sind rechteckige
Querschnitte für EWT, die meist im direkten Anschluss an
Kelleraußenwänden, um das Gebäude verlaufend, in
Betonbauweise (Ortbeton) angeordnet werden (siehe
Abbildung 31). Entsprechende Rohrsysteme sind im
Baugewerbe (Wasser- und Abwassertechnik) gängige
Komponenten und weisen deshalb viele Vorteile gegenüber
nicht standardisierten Rechteckskanälen auf.
Abbildung 30: EWT mit Kreisquerschnitt
Einerseits sind Rohrsysteme vergleichsweise kostengünstig, über eine sehr große Bandbreite
von verschiedenen Querschnitten inkl. Formstücken verfügbar – was neben Kostenvorteilen
einen entsprechenden Spielraum bei der Auslegung von EWT erlaubt, andererseits stehen
aufgrund der hohen Einsatzhäufigkeit gute Erfahrungen in der Verlegetechnik sowie in der
Langzeitbeständigkeit zur Verfügung. Rechteckskanäle hingegen werden meist mit kostenintensivem Ortbeton hergestellt und sind somit in der Auslegung weniger flexibel als Rohrsysteme.
Beide Querschnittsformen – oder auch Sonderformen – sind aber grundsätzlich für die
Verwendung als EWT möglich.
Abbildung 31: Dargestellt ist ein
begehbarer, direkt an die Kelleraußenwand gebauter, rechteckiger Betonkanal als EWT. Um Transmissionswärmeverluste des Gebäudes zu
reduzieren, ist die Kelleraußenwand
gedämmt,
Projekt
LVA
Lübeck
(Bildquelle: Rentschler & Riedesser)
54
Da einerseits nicht kreisrunde Querschnitte für strömungs- bzw. wärmetechnische
Berechnungen über die Definition des hydraulischen Durchmessers dh auf einen kreisrunden
Querschnitt rückgerechnet werden können, andererseits die obengenannten Vorteile
grundsätzlich für Rohrsysteme sprechen, werden im Planungshandbuch in weiterer Folge nur
mehr diese betrachtet.
dh =
5.5.2
4 × A 4 × Strömungsquerschnitt
=
U
benetzter Umfang
[m]
dh
[m]
hydraulischer Durchmesser
A
[m²]
Strömungsquerschnitt
U
[m]
benetzter Umfang
(Gleichung 21)
Einfluss des EWT-Querschnittes auf den Ertrag des Referenzsystems
Ähnlich wie beim Volumenstrom, gilt es bei der Wahl des EWT Querschnittes (oder des
hydraulischen Durchmessers) folgende Größen zu berücksichtigen:
·
·
·
·
der innere Wärmeübergangskoeffizient ai
Oberfläche des EWT
der Druckverlust über den EWT
die Investitionskosten für den EWT
Analog zu den Begründungen in Kapitel 5.4.2 gilt auch hier, dass der innere
Wärmeübergangskoeffizient ai einen stärkeren Einfluss auf den Energieertrag hat als die EWTOberfläche. Kleiner Rohrquerschnitte sind bei gleichem Volumenstrom somit den größeren
vorzuziehen (Wärmeübergangskoeffizient ai wird größer). Wie groß die Auswirkungen auf den
Energieertrag bei Querschnittsänderungen tatsächlich sind, wird anhand von am Referenz –
EWT durchgeführten Variationsrechnungen behandelt (siehe Abbildung 32).
Der Referenz – EWT wird mit einem Volumenstrom von 500 m³/h beaufschlagt, die EWT –
Länge beträgt 50 m. Unter diesen Rahmenbedingungen wurde eine Durchmesservariation (DN
110 bis DN 400) durchgeführt.
55
Veränderung des Energieertrags des Referenzsystems bei Durchmesservariation
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
DN 110
DN 200
DN 300
DN 400
-1000
-1500
-2000
-2500
Rohrnenndurchmesser
Abbildung 32: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser
Die höchsten Erträge für Heizen und Kühlen liefert unter diesen Rahmenbedingungen das Rohr
mit dem Durchmesser DN 200. Der Rohrdurchmesser DN 400 liefert trotz der größten
Wärmetauscherfläche die geringsten Heiz- bzw. Kühlerträge. Die Ursache hierfür ist, dass
größere
Rohrdurchmesser
bei
konstanten
Volumenströmen
entsprechend
der
Kontinuitätsgleichung geringere Strömungsgeschwindigkeiten und daraus resultierend auch
geringere innere Wärmeübergangskoeffizienten ai erzielen. Durch diesen Umstand werden die
Vorteile der größeren Wärmetauscherflächen kompensiert bzw. die Erträge sogar noch
vermindert. Die Ertragsunterschiede zwischen den verschiedenen Rohrdurchmessern sind aber
sehr gering.
Zusätzlich zu den energetischen Einflüssen des Rohrdurchmessers müssen aber unbedingt der
vom EWT verursachte Druckverlust sowie die Investitionskosten der jeweiligen
Durchmessergröße berücksichtigt werden. Grundsätzlich sind aus energetischen und
wirtschaftlichen Gründen kleine Rohrdurchmesser zu bevorzugen. Werden die Druckverluste
eines definierten Einzelrohres zu groß, sind zwei parallele EWT – Rohre mit kleinem
Rohrdurchmesser einem Rohr mit großem Durchmesser vorzuziehen.
Im Kapitel Dimensionierung wird der Zusammenhang
Rohrdurchmesser, Rohrlänge und Druckverlust nochmals
Empfehlungen für die Auslegung gegeben.
5.6
zwischen Volumenstrom,
detailliert behandelt und
Länge des EWT
Die Länge des EWT ist hinsichtlich verschiedener Aspekte eine wesentliche Einflussgröße.
Ähnlich der Änderungen am Volumenstrom sowie am Rohrdurchmesser bringen
Längenänderungen verschiedene Auswirkungen mit sich, die im Auslegungsfall unbedingt im
Wechselspiel berücksichtigt werden müssen. Die wesentlichen Punkte, die zu berücksichtigen
bleiben, werden nachfolgend dargestellt:
·
·
·
·
5.6.1
56
Oberfläche des EWT (EWT – Leistung)
der Druckverlust über den EWT
die Kosten für den EWT
zur Verfügung stehender Arbeitsbereich
Die „optimale“ EWT - Länge
Eine größere EWT – Länge bedeutet eine Erschließung von „neuem“, thermisch noch nicht
genutztem Erdreich. Wie aus der Gleichung für die Leistungsermittlung (Kapitel 4.1.2) zu
erkennen, sind grundsätzlich große EWT-Oberflächen (die Oberfläche wird durch den
Durchmesser und die Länge bestimmt) günstig für den Ertrag. Eine Vergrößerung der EWT –
Länge ist also gleichbedeutend mit der Vergrößerung der aktiven Wärmetauscherfläche und
damit der EWT - Leistung.
Den theoretischen Grenzwert für EWT – Längen bildet das verfügbare Temperaturniveau im
Erdreich. Dabei ist eine vollständige Ausnutzung der aus dem Erdreich zur Verfügung
stehenden Energie nur durch sehr große EWT – Längen erreichbar. Der Grund dafür ist die, mit
steigender Rohrlänge verbundene, Annäherung der Temperaturniveaus zwischen der
durchströmenden Luft und dem Erdreich. Die Energieertragsteigerungen pro zusätzlichem
„EWT – Meter“ werden somit immer geringer. In der Praxis hat sich eine Annäherung des
Temperaturniveaus der durchströmenden Luft an das des ungestörten Erdreichs von etwa 80%
als sinnvoller Kompromiss ergeben (Zimmermann, 1999). Weitere Annäherungen der
Temperaturniveaus sind im Vergleich zum zu erwartenden Mehrertrag einerseits sehr
kostenintensiv und andererseits mit hohen Druckverlusten über den EWT verbunden.
Eine charakteristische Kennzahl für die Ausnutzung des Erdreichs, die auch bei der Bewertung
von konventionellen Wärmeübertragern Verwendung findet, ist die „Betriebscharakteristik“ fEWT
(auch „thermischer Wirkungsgrad“ genannt).
f EWT =
TEWT , ein - TEWT , aus
TEWT , ein - TErde,ungestört
[%]
fEWT
[%]
Betriebscharakteristik
TEWT,ein
[°C]
Lufteintrittstemperatur in den EWT
TEWT,aus
[°C]
Luftaustrittstemperatur aus den EWT
TErde,ungestört [°C]
(Gleichung 22)
Temperatur des ungestörten Erdreiches auf EWT – Niveau
Die so ermittelte Betriebscharakteristik fEWT lässt für den Auslegungspunkt (Spitzenlast) unter
statischen Bedingungen (Erdreichermüdung wird nicht berücksichtigt) eine rasche Beurteilung
der Auslegung des EWT zu.
Die „optimale“ EWT Länge soll auf der einen Seite somit eine möglichst gute
Betriebscharakteristik fEWT und auf der anderen Seite möglichst geringe Druckverluste
aufweisen. Weiters müssen bei der Definition der optimalen EWT - Länge auch die
57
Mehrinvestitionskosten in ein Verhältnis mit Mehrerträgen durch größere EWT – Längen
gebracht werden.
In der Praxis spielt auch häufig der aufgrund baulicher Rahmenbedingungen für die Errichtung
von EWT zur Verfügung stehende „Platz“ eine wichtige Rolle. Dieser zur Verfügung stehende
„Platz“ bezieht sich einerseits auf den tatsächlich vorhandenen Raum (Flächen im freien
Erdreich, Flächen unter Gebäuden, etc.) und andererseits auf die Möglichkeit, günstige
bauliche Rahmenbedingungen (keine zusätzlichen Erdarbeiten, begünstigende statische
Erfordernisse, etc.) als Synergie für die EWT – Errichtung zu nutzen.
5.6.2
Einfluss der EWT-Länge auf den Ertrag des Referenzsystems
Anhand des Referenz – EWT wird in Abbildung 33 der Einfluss der EWT – Länge auf den
Energieertrag im Heiz- und Kühlfall dargestellt. Der Referenz – EWT wird mit einem
Volumenstrom von 500 m³/h beaufschlagt, der EWT – Durchmesser beträgt 200 mm. Unter
diesen Rahmenbedingungen wurde eine Längenvariation (0 bis 150 m) durchgeführt.
Heizerträge sind auf der Ordinate positiv, Kühlerträge negativ aufgetragen.
Energieertrag des Referenzsystems bei Längenvariation
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC DN 200 Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
-3500
Rohrlänge [m]
Abbildung 33: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit von der Rohrlänge
Aus dem Verlauf des Energieertrages kann deutlich gelesen werden, dass auf den ersten
Metern der Ertrag des EWT am größten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass auf den ersten
Metern die größte Temperaturdifferenz zwischen durchströmender Luft und Erdreich besteht.
Das sich über das Jahr einstellende Temperaturniveau des Erdreichs begrenzt den Ertrag aus
dem EWT, was sich im degressiven Kurvenverlauf zeigt. Erzielt der Referenz – EWT bei einer
58
Länge von 50 m einen Heizertrag von 2667 kWh, so sind es bei 150 m etwa 4000 kWh. Durch
eine Verdreifachung der EWT – Länge kann somit der Heizertrag nur um etwa 50% des
ursprünglichen Ertrages gesteigert werden.
Wird anstelle des Energieertrages die Leistung bei konstanter Eintrittstemperatur dargestellt,
stellt sich ein ähnlicher Kurvenverlauf ein.
Im Kapitel Dimensionierung wird der Zusammenhang zwischen Volumenstrom, Rohrdurchmesser, Rohrlänge und Druckverlust nochmals detailliert behandelt und Empfehlungen für die
Auslegung gegeben.
5.7
5.7.1
Verlegetiefe
Die „optimale“ Verlegetiefe
Unabhängig von Erdreicheigenschaften und der Geometrie des EWT gelten für den Einfluss der
Verlegetiefe folgende grundsätzliche Aussagen:
·
Je größer die Verlegetiefe ist, um so günstigere Temperaturniveaus herrschen im
Erdreich für einen EWT – Betrieb.
·
Je tiefer der EWT verlegt wird, desto höhere Investitionskosten entstehen durch
den EWT.
Unter diesen Rahmenbedingungen gilt es bei der Realisierung von EWT die für den jeweiligen
Fall „optimale“ Verlegetiefe zu finden.
Um die EWT - Investitionskosten möglichst gering zu halten, gilt es bei der Verlegung von EWT
Synergien mit Erd- und Fundamentarbeiten, die für die Errichtung des zu kühlenden bzw. zu
beheizenden Gebäudes nötig sind, zu finden. Die Nutzung von Synergien - Anordnung des
EWT um das Gebäude herum (im Aushubbereich der Baugrube), Anordnung des EWT unter
dem Gebäude, etc. - können die Wahl der „optimalen“ Verlegetiefe sehr oft entscheidend
beeinflussen.
Welche Temperaturniveaus in unterschiedlichen Tiefen genutzt werden können hängt einerseits
vom am Standort vorherrschenden Klima (Kapitel 5.2) und andererseits von der
Zusammensetzung des Erdreichs (Kapitel 5.3) ab. Ausgehend von der mittleren
Außentemperatur kann über die in Kapitel 4.2 beschriebenen Gleichungen, unter
Berücksichtigung der Bodenzusammensetzung, das Temperaturniveau des Erdreichs in jeder
gewünschten Tiefe errechnet werden. In Abbildung 34 wird beispielhaft für den Standort Graz
und die Erdreichzusammensetzung (Temperaturleitfähigkeit aErde = 2,5*10-7 m²/s für den
Bodentyp „Kies – trocken“) das jährliche Temperaturfeld zwischen Erdoberfläche und einer
Tiefe von 12 m dargestellt.
59
Mittlerer Jahrestemperaturverlauf im Erdreich bei unterschiedlichen Tiefen für Graz
20
18
16
14
12
Erdoberfläche
1m Tiefe
2m Tiefe
10
8
6
3m Tiefe
4m Tiefe
5m Tiefe
6m Tiefe
8m Tiefe
4
2
10m Tiefe
12m Tiefe
0
-2
-4
Abbildung 34: Mittlerer Jahrestemperaturverlauf im Erdreich bei unterschiedlichen Tiefen für den
Bodentyp „Kies – trocken“ (aErde=2,5*10-7 m/s²)
Der Temperaturverlauf wird mit steigender Erdreichtiefe stärker gedämpft und zeitlich verzögert.
Ab einer Tiefe von 10 – 12 m, je nach Beschaffenheit des Erdreichs und Klimazone, pendelt
sich die Erdtemperatur auf rund 9 – 10°C ein. Für den Betrieb eines EWT – wären das ideale
Bedingungen, da man sowohl im Sommer, als auch im Winter theoretische Temperaturhübe
gegenüber der Außenluft von 25 K - zu Zeiten von extremen Außentemperaturspitzen auch
noch höhere - erreichen könnte. Berücksichtigt man aber die Kosten für Erdaushub und EWT –
Verlegung in solchen Tiefen, so stehen die dadurch entstehenden Mehrkosten aber in keinem
Verhältnis zum Mehrertrag. Das beste Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand erhält man bei
EWT in oberflächennahen Anordnungen, was Verlegetiefen von 1,5 bis 4 m Tiefe bedeutet.
Wird der EWT nahe dem Grundwasserspiegel verlegt, so bringt das zwei wesentliche Vorteile
für den EWT – Betrieb mit sich. Einerseits herrscht aufgrund der Kapillarwirkung eine höhere
Erdfeuchte und somit eine höhere Wärmeleitfähigkeit vor und andererseits ist auch ein erhöhter
Wärmetransport über das Grundwasser feststellbar. Aus energetischer Sicht wäre eine
Verlegung des EWT direkt auf Grundwasserniveau am günstigsten.
5.7.2
Einfluss der EWT - Verlegetiefe auf den Ertrag des Referenzsystems
Durch die Variation der Verlegetiefe am Beispiel des Referenzsystems wird der Einfluss auf den
Energieertrag in Abbildung 35 dargestellt. Der Referenz – EWT wird mit einem Volumenstrom
von 500 m³/h betrieben und weist eine Länge von 50 m bzw. einen Rohrdurchmesser von DN
200 auf. Heizerträge sind auf der Ordinate positiv, Kühlerträge negativ aufgetragen.
60
Veränderung des Energieertrags des Referenzsystems bei Verlegetiefenvariation
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC DN 200 Länge=50m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500 0
1
2
3
4
5
6
7
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
-3500
Verlegetiefe [m]
Abbildung 35: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit von der Verlegetiefe
Bis zu einer Tiefe von 4 m steigt die Ertragskurve des Referenz – EWT stark an, darüber hinaus
verflacht sie zunehmend. Erzielt der Referenz – EWT bei einer Verlegetiefe von 2 m einen
Heizertrag von 2667 kWh, so sind es bei 6 m etwa 3500 kWh. Durch eine Verdreifachung der
EWT – Verlegetiefe kann somit der Heizertrag nur um etwa 30% des ursprünglichen Ertrages
gesteigert werden. Der Einfluss der Verlegetiefe auf den Ertrag im Kühlfall verhält sich ähnlich
dem Heizfall.
5.8
EWT – Materialien
Bei der Auswahl des EWT – Materials muss eine Vielzahl von unterschiedlichsten Aspekten
berücksichtigt werden:
·
Lebensdauer
Da EWT lagebedingt schlecht saniert werden können, muss schon in der
Planungsphase auf eine möglichst lange Lebensdauer der Verwendung findenden
Materialien geachtet werden. Diesbezüglich ist der EWT als Bestandteil des
Gebäudes zu betrachten, was eine geforderte Lebensdauer >50 Jahre bedeutet.
Damit eine lange Lebensdauer von EWT erreicht werden kann, muss neben der
Verwendung von entsprechenden Materialien auf der Baustelle unbedingt auf eine
entsprechende Verlegung der Rohrsysteme geachtet werden.
5.8.1
61
·
Lufthygiene
EWT – Materialien sind Bestandteil von Lüftungsanlagen und müssen daher auch
den lufthygienischen Anforderungen entsprechen. Die verwendeten Rohrmaterialien
inkl. sämtlicher Verbindungskomponenten sollten daher dicht gegen Wassereintritt
von außen und Wurzeleinwuchs sein. Vor allem Schweißverbindungen (PE-Rohre)
haben in diesen Belangen zu empfehlen. Damit kann die Bildung von Nährböden für
Pilze, Bakterien und Keime konstruktiv erheblich reduziert werden. Ebenso sollten
die Rohrmaterialien über eine möglichst gasdichte Oberfläche verfügen, damit eine
Radonbelastung der Zuluft über das Erdreich vermieden werden kann. Produkte, an
denen die durchströmende Luft einen Materialabtrag verursacht, sollten ebenso
vermieden werden wie der Einsatz hygroskopischer Materialien.
·
Wärmetechnische Anforderungen
EWT – Materialien sollten eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bei
Materialien mit schlechteren wärmetechnischen Eigenschaften als das umgebende
Erdreich (Kunststoffe) ist eine geringe Wandstärke von Vorteil.
·
Strömungstechnische Anforderungen
Um den Primärenergiebedarf für den Antrieb des Ventilators möglichst gering zu
halten, müssen die Druckverluste im EWT möglichst gering gehalten werden.
Rohrmaterialien mit geringen Rohrrauhigkeiten (möglichst glatte Innenoberflächen)
bringen in diesem Punkt Vorteile.
·
Investitionskosten
Um mit EWT im Vergleich zu anderen Energiesystemen gute Rentabilitäten zu
erzielen, müssen die Investitionskosten möglichst gering gehalten werden. Hier
bleibt zu beachten, dass die Wahl des Rohrmaterials nicht nur die
Investitionskosten, sondern auch die Kosten für die Verlegearbeiten enorm
beeinflusst.
Übliche EWT – Materialien
Reduziert man die vorhin beschriebenen Anforderungen an EWT – Rohrmaterialien um die
Punkte „Lufthygiene“ und „wärmetechnische Anforderungen“, unterscheiden sich diese nicht
von den Anforderungen an Rohrsysteme im konventionellen Bereich der Wasser- und
Abwassertechnik. Da Rohrsysteme aus diesen Anwendungsbereichen vergleichsweise
kostengünstig verfügbar und darüber hinaus auch ihre Eigenschaften durch langjährigen
Einsatz bestens bekannt sind, bieten sich diese für die Verwendung in EWT – Systemen an.
Die gängigsten Rohrmaterialien für EWT – Anwendungen sind:
·
Kunststoffrohre:
·
Beton- und Zementrohre
Polyvinylchlorid (PVC)
Polyethylen (PE)
Polypropylen (PP)
Abbildung 36:
62
Übliche Rohrsysteme für EWT – Anwendungen. Kunststoffrohre (PVC) auf der linken
und Betonrohre (Betonfalzrohre) auf der rechten Seite.
Nachfolgend werden diese Rohrmaterialien kurz beschrieben und ihre Vor- und Nachteile in
Verbindung mit EWT - Anwendungen dargestellt. In Tabelle 9 sind die wärme- und
strömungstechnischen Daten gängiger Rohrmaterialien dargestellt.
Tabelle 9: Wärmeleitfähigkeit und Rohrrauhigkeit für Standardrohrsysteme für EWT – Anwendungen
Material
Wärmeleitfähigkeit lRohr
Rohrrauhigkeit e
[W/mK]
[mm]
PE
0,35
0,007
PVC
0,16
0,007
PP
0,22
0,007
PP + Mg-Silikat
0,51
0,007
Beton (Falzrohr / Muffenrohr)
2,0
0,5 – 1
Zement
1,4
0,5
Kunststoffrohre
Kunststoffrohre bieten in der Praxis eine Vielzahl von Vorteilen. Diese sind im für EWT –
Anwendungen relevanten Bereich (DN 100 bis DN 500) in kleinen Durchmessersprüngen
erhältlich. Ebenso sind in diesen Dimensionen zu praktisch jedem Verwendung findenden
Kunststoff eine Vielzahl von Formstücken erhältlich. Die Palette reicht hier von Bögen mit
verschiedenen Biegewinkeln, über verschiedenste Abzweiger, Reduktionen, Muffen bis hin zu
Formstücken mit Wartungsöffnungen.
Abbildung 37:
Formstücke für Kunststoffrohre (PVC)
63
Abbildung 38: Dichtlippe in PVC-Formstück
Die an Wasser- und Abwasserrohre gestellten Anforderungen können von den üblichen
Kunststoffen mit sehr geringen Wandstärken erfüllt werden. Das dadurch erzielte geringe
Gewicht ermöglicht eine einfache Manipulation und Verlegung von Kunststoffrohrsystemen.
Zusätzlich können Rohrstangen bis zu Längen von 5 m geliefert werden, was eine erhebliche
Reduktion des Zeitaufwandes bei der Verlegung und eine Minimierung der Kupplungsstellen
bedeutet. Vor allem aus Hygienegründen ist die Dichtigkeit der Rohrverbindungen ein wichtiger
Aspekt bei der Verlegung von EWT. Kunststoffrohrhersteller bieten hierfür zuverlässige
Dichtungssysteme für alle Rohr- und Formstücke an (siehe Abbildung 38). Eventuelle
Setzungen des Untergrundes können von Kunststoffrohren wesentlich flexibler aufgenommen
werden als beispielsweise von Betonrohren. Kunststoffrohre sind in Stangenausführung innen
glatt und weisen eine sehr geringe Rohrrauhigkeit auf, was zu geringen Druckverlusten führt.
Abbildung 39: Kunststoffrohre ermöglichen aufgrund des geringen Gewichtes auch bei großen
Rohrlängen eine einfache Manipulation und Verlegung. (Quelle: Poloplast, Österreich, 2000)
Wärmetechnisch haben Kunststoffe aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit Nachteile
gegenüber Beton und Zementrohren. Unter den Kunststoffrohren liefert Polyethylen
diesbezüglich die besten Werte, PVC die schlechtesten. PE- Rohre müssen aber – um
Festigkeitsansprüchen bei Stangenware mit glatten Oberflächen gerecht zu werden – mit
größeren Wandstärken als beispielsweise PVC - oder PP –Rohre ausgeführt werden. Dieser
64
Umstand führt zu höheren Preisen bei PE – Rohren sowie zur Verschlechterung des
Wärmedurchganges durch das Rohr.
Neben schlechteren wärmetechnischen Eigenschaften ist der grundsätzlich höhere
Materialpreis von Kunststoffrohren gegenüber von Standardbetonrohren ein Nachteil. Trotz
geringerer Kosten bei der Rohrverlegung ergeben sich ab Nenndurchmesser von 200 mm
höhere Investitionskosten als für Betonrohre. Bis zur Dimension DN 150 sind Kunststoffrohre
inkl. Verlegung geringfügig günstiger als Betonrohre. Werden Betonrohre bei größeren
Dimensionen an den Kupplungsstellen gleich gut gedichtet wie Kunststoffrohrsysteme,
entstehen auch hier ähnlich hohe Kosten wie für Kunststoffrohre (Evers et. al., 1999).
Als Alternative zum innen und außen glatten PE-Rohr werden von einigen Rohrherstellern PEDrainagenrohre – in unterschiedlichen Ausführungen – angeboten. Die einfachste Ausführung
dieser Drainagenrohre ist ein flexibler, einwandiger und gerippter Schlauch. Diese Ausführung
ist bis zu einem Durchmesser von 110 mm verfügbar. Aufgrund der gerippten Oberflächenstruktur der Rohrinnenseite stellt sich ein höherer Druckverlust als bei vergleichbaren
Rohrsystemen (für die Berechnung muss der Kerndurchmesser herangezogen werden) ein.
Aufgrund der flexiblen Ausführung ist eine Verlegung mit definiertem Gefälle schwerer möglich,
was Kondensatansammlung im Frühjahrs- und Sommerbetrieb begünstigt. Ebenso begünstigen
die Innenrippen die Kondensatansammlung. Diese flexiblen PE - Schläuche sind grundsätzlich
sehr kostengünstig, weisen aber aufgrund der geringen Wandstärke im Vergleich zu
Rohrstangen ein größeres Bruchrisiko in der Verlegungs- und Verdichtungsphase auf.
Abbildung 40: Zweiwandiges PE-Rohr (Quelle:
Poloplast, Österreich, 2000)
Abbildung 41:
EWT-Anwendung mit flexiblen
zweiwandigen PE-Rohren; Projekt
Büro Zellinger (Bildquelle:
ENERGIE SYSTEM TECHNIK)
Bis zu einem Durchmesser von 110 mm sind PE-Rohre auch in zweiwandiger, flexibler
Ausführung erhältlich. Ab DN 80 ist das zweiwandige PE-Rohr (innen glatt und außen gerippt)
in Stangen erhältlich. Die Lufteinschlüsse zwischen den beiden Rohrwandungen verringern
zwar den Wärmedurchgang durch das Rohr, was aber durch die vergrößere Außenoberfläche
(größere aktive Wärmetauscherfläche durch die Berippung) kompensiert werden kann.
65
PP – Rohre sind grundsätzlich kostenintensiver als beispielsweise PVC- oder PE-Rohre. Ein
Rohrprodukt basierend auf dem Material PP wird von einem Hersteller als besonderes
Hochleistungsrohr (hohe Bruchsicherheit, Steifigkeitsklasse SN 8, übliche Rohrsysteme
entsprechend der Steifigkeitsklasse SN 4) angeboten. Erreicht wird diese Bruchsicherheit durch
eine Stützung der PP-Schichten mittels Magnesium-Silikat. Für die EWT - Anwendung bringen
einerseits die Zusätze an Magnesium Silikat eine erhebliche Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit (von 0,22 W/mK auf 0,51 W/mK) und andererseits können die Rohre laut
Herstellerangaben aufgrund der erhöhten Steifigkeit ohne Probleme mit Aushubmaterial
hinterfüllt werden, was eine bessere Ausnutzung des Erdreichs und keine Kosten für
Hinterfüllmaterial bedeutet. Der wesentliche Nachteil von PP + Mg-Silikat-Rohren ist der doch
vergleichsweise hohe Preis.
Abbildung 42: Schnitt durch das PP + Mg-Silikat-Rohr „POLO-ECO plus“, SN 8 (Poloplast, 2000)
Beton- und Zementrohre
Wesentliche Vorteile von Beton- und Zementrohren sind einerseits bessere
Wärmeleitfähigkeiten als vergleichsweise Kunststoffrohrsysteme und andererseits die geringen
Investitionskosten für das verlegte Rohr. Diese Kosten setzen sich aus dem reinen Rohrpreis,
der sehr gering ist und den Verlegekosten, die aufgrund des großen Gewichtes relativ hoch
sind (Rohrstücke werden in 1 m und 2,3 m Länge geliefert), zusammen. Im Vergleich zu PVCund PE-Rohren verursachen Beton- und Zementrohre inkl. Verlegung bei Durchmessern bis
150 mm geringfügig höhere Kosten, darüber sind die Kosten geringer. Bei Rohrdurchmessern
größer als 400 mm kann der reine Materialkostenunterschied sogar mehr als 100% betragen.
Dieser Vorteil wird jedoch durch aufwendiges Abdichten der Kupplungsstelle größtenteils
aufgehoben.
Abbildung 43: Beton - Falzrohr
66
Abbildung 44: Beton – Glockenmuffenrohr
(Quelle: Betonwerk Koch,
Österreich, 1999)
Der größte Nachteil von Beton- bzw. Zementrohren liegt in der mangelhaften Dichtigkeit gegen
Wassereintritt von außen. Da für den EWT als Teil der Lüftungsanlage hohe Anforderungen an
die Aufrechterhaltung der Lufthygiene gestellt werden, sollten EWT grundsätzlich dicht
ausgeführt werden. Was die Verbindungstechnik betrifft, sind ungedichtete Falzrohre
keineswegs wasserdicht. Glockenmuffenrohre erscheinen zwar günstiger, sind aber trotzdem
nicht vergleichbar mit Dichtungssystemen von Kunststoffrohren. Zusätzlich sind die aufgrund
der geringen Rohrlängen häufigen Verbindungsstellen bei Beton- und Zementrohren eine nicht
zu unterschätzende Schwachstelle. Werden Beton- und Zementrohre mit qualitativ
hochwertigen Dichtungssystemen versehen, entstehen ebenso hohe Kosten wie für
Kunststoffrohre. Zusätzlich sind Beton- und Zementrohre aufgrund der nicht vorhandenen
Elastizität wesentlich anfälliger gegen Undichtigkeiten und Rohrbruch, was durch Setzungen im
Erdreich verursacht werden kann. Weiters ist zu beachten, dass der Werkstoff Beton nicht
gasdicht ist und somit eine Radonbelastung der Zuluft über das Erdreich bzw. über den Beton
selbst erfolgen kann.
Abbildung
45:
Zwei
parallele
Betonrohre mit DN 1000 für eine EWTAnwendung;
Projekt
Hübner
(Bildquelle:
Institut
Solare
Energiesysteme)
Leider liegen über den Einfluss des Rohrmaterials auf die Lufthygiene derzeit noch keine
umfangreichen Untersuchungen vor. Wenige vorhandene messtechnische Untersuchungen zur
Lufthygiene zeigen zwar kaum Unterschiede in den Messergebnissen an unterschiedlichen
67
EWT (siehe Kapitel 8). In der Planungsphase sollten aber trotzdem alle bekannten und
möglichen Maßnahmen, um eine lange Nutzungszeit des EWT unter hygienisch einwandfreien
Bedingungen zu gewährleisten, angestrebt werden.
5.8.2
Wärmeleitfähigkeit und Wärmedurchgang verschiedener Rohrmaterialien
Die Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials hat einen Einfluss auf den Ertrag des EWT. Mit der in
Kapitel 4.1.2 definierten Gleichung wurden für ein Rohr mit DN 200 die
Wärmedurchgangszahlen verschiedener Rohrmaterialien mit unterschiedlichen Wandstärken
errechnet und in Abbildung 46 über dem Volumenstrom aufgetragen. Neben dem Einfluss der
Wärmeleitfähigkeit ist somit auch der Einfluss des inneren Wärmeüberganges berücksichtigt.
Als zusätzlicher Parameter ist der Druckverlust des geraden Rohres aufgetragen, was die
gegensätzlichen Auswirkungen des gesteigerten Volumenstroms verdeutlichen soll. Betrachtet
wurden dabei die handelsüblichen Rohrmaterialien PVC, PP, PE, Beton und ein PP – Rohr mit
einer Tragschicht aus PP und Magnesium – Silikat. Die zugrundegelegten Zahlenwerte der
jeweiligen Wärmeleitfähigkeiten sowie der Rohrrauhigkeiten wurden Tabelle 9 entnommen.
Wärmedurchgang vs. Druckverluste verschiedener Rohrmaterialien bei DN 200
35
14
30
12
25
10
20
8
15
6
10
4
2
5
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
PP+Mg-Silikat di=186mm
Beton Muffenrohr, Falzrohr
di=200mm
PE di=185mm
PVC di=191mm
Druckverlust Beton glatt
Druckverlust PVC, PE,
PP+Mg-Silikat
1400
Abbildung 46: Wärmedurchgang vs.
Dimension DN 200
Druckverluste
bei
verschiedenen
Rohrmaterialien
in
der
Beton und PP + Mg - Silikat weisen dabei die größte spezifische Wärmeleistung auf und liegen
beim höchsten Volumenstrom etwa 25% über den übrigen Produkten. Zu berücksichtigen
bleibt, dass bei diesem Volumenstrom für ein Rohr DN 200 ein in der Praxis nicht vertretbarer
Druckverlust auftritt (vor allem beim Betonrohr). Je Meter EWT-Rohr sollte in der Auslegung ein
Druckverlust von 2 Pa (Erläuterung siehe Kapitel 6.1.1.2) nicht überschritten werden. Für ein
Rohr mit DN 200 wird der Druckverlust von 2 Pa/m etwa bei 600 m³/h erreicht, was einen
68
Unterschied in der spezifischen Wärmeleistung der Materialien im Maximum von etwa 15%
bedeutet.
5.8.3
Einfluss des EWT - Materials auf den Ertrag des Referenzsystems
Wird der Einfluss des Rohrmaterials auf den Energieertrag (voriges Kapitel) dynamisch
betrachtet (dynamische Simulation), so erhält man für die unterschiedlichen Materialien die
erzielbaren Jahresenergieerträge. Für den EWT des Referenzsystems wurde diesbezüglich
eine Variationsrechnung durchgeführt und die Ergebnisse in Abbildung 47 dargestellt. Der
Referenz – EWT wird mit einem Volumenstrom von 500 m³/h betrieben und weist eine Länge
von 50 m bzw. einen Rohrdurchmesser von DN 200 auf. Heizerträge sind auf der Ordinate
positiv, Kühlerträge negativ aufgetragen.
Energieertrag des Referenzsystems bei Rohrmaterialvariation
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h DN 200 Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
PVC
HD-PE
Zement
PP+MgSi
PP
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
Rohrmaterial
Abbildung 47: Energieertrag des Referenzsystems in Abhängigkeit vom Rohrmaterial
Beton- bzw. Zementrohre liefern in dieser Variationsrechnung die besten Ergebnisse. Die
geringsten Erträge, sowohl für Heizen als auch für Kühlen, liefern die Rohrmaterialien PVC und
PP. Die Unterschiede im Jahresheizertrag des Referenzsystems liegen zwischen bestem und
schlechtestem Rohrmaterial bei etwa 9%, die Kühlerträge differieren im Maximum um etwa
10%.
5.9
Umgehungsschaltung des EWT (Bypass)
Grundsätzlich erreicht der EWT die größten Heiz- und Kühlerträge bei Laufzeiten von 8760
Stunden im Jahr. Nur bleibt bei einer solchen Betriebsweise zu prüfen, ob auch jede über den
EWT gewonnene kWh auch wirklich als nutzbringend gewertet werden kann. Beim Betrieb
eines EWT gibt es in Abhängigkeit von der momentanen Außentemperatur und
Erdreichtemperatur Zustände, wo beispielsweise, entgegen der geplanten Verwendung, im
69
Winter über den EWT gekühlt und im Sommer über den EWT geheizt wird. Vor allem die
Kühlerträge im Winter bzw. in der Übergangszeit sind bei Dauerbetrieb des EWT häufig. Dieser
Fall tritt ein, wenn die Außentemperatur über das Temperaturniveau des Erdreichs ansteigt. Die
Außenlufttemperatur wird also über den EWT gekühlt und danach über die Nacherwärmung
wieder angehoben. Der Einsatz des EWT ist in diesen Betriebszuständen als kontraproduktiv
zu bewerten. Umgekehrtes passiert im Sommer, wenn die Außentemperatur unter das
Temperaturniveau des Erdreichs abfällt und die Zuluft über den EWT erwärmt wird. Diese
Beispiele zeigen, dass der Planer von EWT abschätzen muss, wie sich diese nicht
gewünschten „Erträge“ auf den Heiz- und Kühlbetrieb des zu konditionierenden Gebäudes
auswirken. Vollständig vermieden können diese ungewünschten „Erträge“ nur werden, wenn für
die Zuluftführung eine Umgehung des EWT – ein sogenannter Bypass – vorgesehen wird.
Entsprechend der gewählten Heiz- und Kühlgrenzen des Gebäudes wird dieser Bypass über
ein entsprechendes Umschaltventil aktiviert und der EWT - Strang wird geschlossen (siehe
Abbildung 48).
Filter
Klappe
Abluft
Zuluft
Außenluft
Fortluft
Bypass
Lüftungsgerät
Abbildung 48: Umgehung des
EWT über einen Bypass für die
Zuluftführung.
Für das Referenzsystem wurden nun die Erträge bei einer Laufzeit von 8760 Stunden und bei
zwei
Bypassvarianten
mit
unterschiedlichen
Temperaturgrenzen
ermittelt.
Die
zugrundegelegten Grenztemperaturen werden nachfolgend beschrieben.
·
Die Heizgrenztemperatur beträgt bei beiden Bypassvarianten 14°C. Das bedeutet,
dass bis zu einer Außentemperaturen von 14°C die Zuluft, solange eine Erwärmung
stattfindet, über den EWT angesaugt wird, anderenfalls erfolgt die Ansaugung über
den Bypass.
·
Die Kühlgrenztemperatur beträgt bei der Bypassvariante I 22°C, bei der
Bypassvariante II 20°C. Das bedeutet, dass bei Außentemperaturen kleiner als
22°C bzw. 20°C die Zuluft über den Bypass geführt wird und der EWT nicht
durchströmt wird.
70
Der Referenz – EWT wird mit einem Volumenstrom von 500 m³/h betrieben und weist eine
Länge von 50 m bzw. einen Rohrdurchmesser von DN 200 auf. Heizerträge sind auf der
Ordinate positiv, Kühlerträge negativ aufgetragen.
Mit den bei Bypassbetrieb zugrundegelegten Grenztemperaturen liefert der Referenz EWT im
Heizbetrieb nahezu gleiche Erträge (siehe Abbildung 49). Die Heizerträge mit Bypass liegen nur
um 27 kWh unter dem ungeregelten Jahresbetrieb. Dieser geringe Unterschied ist darauf
zurückzuführen, dass die für den Bypass-Betrieb gewählte Heizgrenztemperatur von 14°C in
Verbindung mit den im Sommer vorherrschenden Erdreichtemperaturen für die Variante ohne
Bypass kaum zusätzliche Heizbetriebe durch den EWT zulässt. Denn bei Außentemperaturen
über 14°C steht im Erdreich bei einer Tiefe von 2 m nur an wenigen Tagen im Hochsommer ein
höheres nutzbares Temperaturniveau zur Verfügung. Wird die Heizgrenztemperatur gesenkt,
erhöht sich der Unterschied zwischen den Varianten „Jahresbetrieb“ und „Bypass“.
Energieertrag des Referenzsystems bei Bypassbetrieb
(Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
3000
Kühlen
2500
2000
Energieertrag [kWh]
1500
1000
500
0
-500
ohne Bypass
mit Bypass (22°C)
mit Bypass (20°C)
-1000
-1500
-2000
-2500
Abbildung 50: Energieertrag des Referenzsystems mit Jahresbetrieb im Vergleich zu zwei Varianten mit
Bypassschaltung und unterschiedlichen Kühlgrenztemperaturen.
Im Kühlfall wirkt sich ein Bypass-Betrieb in Kombination mit einer definierten Kühlgrenztemperatur wesentlich stärker auf die EWT - Erträge aus als im Heizfall. Bei einer Betriebszeit
von 8760 Stunden erzielt der Referenz EWT einen Kühlertrag von 2076 kWh. Mit Bypass und
einer Kühlgrenztemperatur von 20°C sinken die Kühlerträge um 31%, bei einer Kühlgrenztemperatur von 22°C um 47%. Wird der EWT ohne Bypass betrieben, treten im Winter
zahlreiche Tage auf, an denen der EWT die Außenluft kühlt. Das Temperaturniveau im Erdreich
liegt in dieser Jahreszeit unter 10°C, die Außentemperatur liegt aber häufig darüber. Dieses
unerwünschte Kühlen der Zuluft kann durch den Bypass-Betrieb vermieden werden. Zusätzlich
ist der Einfluss der Kühlgrenztemperatur ein wesentlicher. Niedrige Kühlgrenztemperaturen
bedeuten höhere Erträge, da das kühle Erdreich schon bei niedrigeren Außentemperaturen
genutzt werden kann. Ob die so erhaltenen, zusätzlichen Kühlerträge nutzbringend verwendet
werden können, muss im Zusammenhang mit dem grundsätzlichen Lüftungs- und Kühlkonzept
des zu konditionierenden Gebäudes ermittelt werden.
71
Die Betriebs- bzw. Nutzungszeiten des EWT reduzieren sich im Vergleich zu den 8760
Betriebsstunden der Variante ohne Bypass auf 7964 Stunden im Fall der Bypassvariante mit
Kühlgrenze 20°C und im Fall der Kühlgrenze 22°C auf 7570 Stunden.
5.10 Verlegeort
Für die Verlegung von EWT gibt es verschiedene Möglichkeiten. Neben der Entscheidung, ob
ein Einzelrohr oder ein Register verlegt wird, gilt es auch noch den Verlegeort zu definieren.
Neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten spielen bei dieser Entscheidung auch energetische
Gesichtspunkte eine entscheidende Rolle. Abbildung 51 zeigt verschiedene Möglichkeiten der
Anordnung von EWT.
Gewäh
E
A Ein Rohr im Erdreich
B Mehrere Rohre nebeneinander
im Erdreich
C Mehrere Rohre neben- und
untereinander im Erdreich
D Mehrere Rohre nebeneinander
unter Gebäude
E Mehrere Rohre neben- und
untereinander unter Gebäude
F Rohre neben Gebäude
Abbildung 51: Möglichkeiten des Verlegeortes und der Rohranordnung (Huber, 2000)
Neben Varianten (Einzelrohr und Register) der Verlegung im freien Erdreich (freier
Erdoberfläche und unbeeinflusst von Gebäuden) können EWT unter einem Gebäude wie auch
neben einem Gebäude angeordnet werden. Grundsätzlich sollten aus wirtschaftlichen Gründen
bei der Verlegung von EWT Synergien mit den Erdarbeiten, die zur Errichtung des Gebäudes
ohnedies erforderlich sind, angestrebt werden. Die energetischen Wechselwirkungen zwischen
dem Gebäude und dem EWT werden in diesem Zusammenhang jedoch nicht berücksichtigt.
Für das Gebäude werden in den nachfolgenden Berechnungen fixe Randbedingungen (U-Wert
der Gebäudewand, Temperatur im Gebäude) angenommen, ohne Energieflüsse vom oder zum
Gebäude zu bewerten.
Bei der Verlegung im freien Erdreich fallen die Erdarbeiten nur wegen des EWT an, weshalb die
entstehenden Kosten dem EWT voll angerechnet werden müssen. Wird der EWT unter einem
Gebäude angeordnet, können die für das Gebäude nötigen Aushubarbeiten zur Senkung der
EWT-spezifischen Grabarbeiten genutzt werden. Zu berücksichtigen bleiben bei dieser
Verlegevariante aber die statischen Anforderungen an das Gebäudefundament. EWT unter
einem Gebäude verlegt, können in den seltensten Fällen mit Erdreich hinterfüllt werden. Um
Setzungen zu vermeiden, wird in den meisten Fällen Kies als Hinterfüllmaterial verwendet, was
energetische Nachteile mit sich bringt. Aus statischen und auch energetischen Gründen sollte
72
daher Magerbeton als Hinterfüllmaterial verwendet werden. Der Nachteil liegt hierbei in den
vergleichsweise hohen Kosten für Magerbeton.
Abbildung 52: Am Energie- und
Innovationszentrum in Weiz, Österreich,
wurde der EWT direkt unter dem unterkellerten
Gebäudetrakt
verlegt.
(Bildquelle: AEE INTEC)
Als gute Alternative dazu kann die Verlegung von
EWT am Gebäude verlaufend betrachtet werden.
Der EWT kann (in den günstigsten Fällen) ohne
zusätzliche Erdarbeiten verlegt werden, da er im
Aushubbereich der Baugrube untergebracht wird.
Auch statische Anforderungen sind dabei in den
seltensten Fällen gegeben, was dieser EWTAnordnung Vorteile bei den Investitionskosten
bringt. Diese Vorteile gelten in den meisten Fällen
nur für kleine EWT-Anwendungen. Werden große
EWT-Register verlegt, kommt es auch bei dieser
Anordnung zu zusätzlichen Investitionskosten
infolge von Erdarbeiten.
Abbildung 53: Am Mehrfamilienwohnhaus Sagedergasse, Wien, Österreich, wurde der EWT entlang des
wärmegedämmten
Kellers
verlegt.
(Bildquelle:
Architekturbüro G.W. Reinberg)
Gebäude beeinflussen den Wärmehaushalt im Erdreich in zweierlei Hinsicht:
·
·
Der Energieaustausch zwischen Erdreich und der Umgebung wird durch ein
Gebäude gestört.
Das Gebäude wirkt je nach Nutzung (Temperatur) und Wärmeübergangskoeffizient
der Fundamentplatte bzw. der Kelleraußenwand als Wärmequelle bzw.
Wärmesenke.
73
In Abhängigkeit vom Erdreich und der Entfernung zum Gebäude können für den Betrieb eines
EWT sowohl positive als auch negative Ergebnisse erzielt werden (Auswirkungen auf das
Gebäude werden hier nicht betrachtet). Ist das Temperaturniveau im Gebäude höher als im
Erdreich, und ist das Kellergeschoß schlecht gedämmt, so werden durch die
Wärmeübertragung vom Gebäude auf den EWT höhere Heizenergieerträge, aber niedrigere
Kühlenergieerträge erzielt. Der Jahrestemperaturverlauf des Erdreichs ist unter einem Gebäude
wesentlich stärker gedämpft als vergleichsweise im Erdreich gleicher Tiefe unter freier
Oberfläche.
Für das in Kapitel 5.1.3 definierte Referenzsystem wurden unterschiedliche Verlegeorte
definiert und praxisorientierte Randbedingungen für die Temperaturverhältnisse im
angrenzenden Gebäude definiert. Abbildung 54 zeigt den Einfluss der unterschiedlichen
Verlegeorte auf den Heiz- bzw. Kühlertrag des Referenzsystems. Folgende vier EWTVerlegevarianten wurden untersucht:
·
Der EWT wird frei verlegt. Die Verlegetiefe beträgt 2 m (entspricht dem
Referenzsystem).
·
Der EWT wird unter einem nicht unterkellerten Gebäude verlegt. Dabei beträgt die
angenommene Raumtemperatur im Gebäude über das Jahr hindurch 20°C. Der U–
Wert der Bodenplatte beträgt 0,5 W/m²K. Die Verlegtiefe beträgt 0,5 m.
·
Der EWT wird direkt unter einem Keller verlegt. Die absolute Verlegetiefe (vom
Geländeniveau aus) beträgt 2,5 m. Die Kellertemperatur wird verlaufend zwischen
7°C (Winter) und 13°C (Sommer) angenommen. Der U-Wert der Kellerbodenplatte
beträgt 0,5 W/m²K.
·
Der EWT wird neben dem Keller (im Aushubbereich) verlegt: Die Verlegetiefe
beträgt 2 m, der Abstand zur Kellerwand einen halben Meter. Der U-Wert der Kellerwand beträgt 0,5 W/m²K. Die Temperaturverhältnisse im Keller betragen zwischen
7°C (Winter) und 13°C (Sommer).
74
Energieertrag des Referenzsystems bei Variation des Verlegeortes
(Einzelrohr 500m³/h PVC DN 200 Länge=50m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
frei verlegt
unter Gebäude (20°C) t=0,5m unter Keller (7°C-13°C) t=0,5m
-500
neben Keller (7°C-13°C)
a=0,5m
-1000
-1500
-2000
-2500
Verlegeort
Abbildung 54: Energieertrag des Referenzsystems bei Variation des Verlegeortes
Ausgenommen die Verlegevariante 2, liegen die erreichbaren Energieerträge für Heizen und
Kühlen der anderen Anordnungen in äußerst engen Bereichen. Die Verlegevariante 2 liefert im
Vergleich zum frei verlegten EWT (Verlegevariante 1, Referenzsystem) um 15% höhere
Heizerträge, aber nur 57% der Kühlerträge. Dieser Effekt ist im wesentlichen auf die hohe
Raumtemperatur des darüberliegenden Gebäudes zurückzuführen. Verlegevariante 2 und 3
zeigen unter den zugrundegelegten Rahmenbedingungen kaum Abweichungen vom
Referenzsystem (Verlegevariante 1). Dieses Ergebnis zeigt, dass bei nichtbeheizten
Kellerräumen der Gebäudeeinfluss auf den EWT als nicht nachteilig zu betrachten ist. Beheizte,
womöglich noch schlecht wärmegedämmte Räumlichkeiten wirken sich wesentlich stärker auf
das Verhalten von EWT aus.
5.11 Registeranordnung
5.11.1 Rahmenbedingungen für die Errichtung von EWT in Registerausführung
Von einem EWT-Register spricht man, wenn mindestens zwei Einzelrohre in einem gewissen
Achsabstand parallel geführt und die „Verteilung“ bzw. die „Sammlung“ der Zuluft über
gemeinsame Anschlüsse verfügen. Die Notwendigkeit, einen EWT als Register auszubilden,
kann neben energetischen und bautechnischen auch wirtschaftliche Hintergründe haben.
75
Abbildung 55: Umgelenktes EWT-Register am Projekt DB Hamm (Bildquelle: Institut Solare Energiesysteme)
Der Volumenstrom, der Querschnitt und die Rohrlänge bestimmen im wesentlichen den
Druckverlust über den EWT. Bei definiertem Volumenstrom und Rohrlänge gibt es zwei
Möglichkeiten die Druckverluste nicht unzulässig ansteigen zu lassen. Entweder wählt man ein
Einzelrohr mit entsprechend großem Rohrdurchmesser oder man entscheidet sich für parallele
Rohre (Register) mit geringeren Rohrdurchmessern. Hinsichtlich der zu erwartenden
Energieerträge sind mehrere kleine Rohrquerschnitte einem großen vorzuziehen. Vor allem bei
großen EWT-Anwendungen (Büro- und Verwaltungsgebäude, etc.) mit mehreren 1000 m³/h
Nennvolumenstrom wären bei Einzelrohren sehr große Rohrdurchmesser nötig, was sich auch
in den Investitionskosten negativ auswirkt. Bei solchen Anwendungsfällen ist es aus
energetischen und ökonomischen Gründen unerlässlich, EWT in Registerform auszubilden und
somit die großen Luftmengen auf mehrere Rohre aufzuteilen. Empfehlungen zur Wahl von
Rohrquerschnitten in Abhängigkeit vom Volumenstrom sowie des Druckverlustes werden in
Kapitel 6.1.1 abgegeben.
76
Abbildung 56: Das rechte Bild zeigt ein Register bestehend aus flexiblen PE-Rohren; Projekt Büro
Zellinger (Energie System Technik), das linke Bild zeigt ein EWT-Register in zwei
Ebenen; Projekt Mehrgenerationen-Zentrum Stuttgart (Bildquelle: Rentschler & Riedesser)
Der energetisch „optimale“ EWT ist in vielen Fällen aufgrund von örtlichen Gegebenheiten am
Verlegeort nicht zu realisieren. Oft müssen diesbezüglich Kompromisse eingegangen werden
und die Geometrie des EWT muss angepasst werden. Reicht beispielsweise die zur Verfügung
stehende Fläche für den sinnvollen Betrieb eines EWT-Einzelrohres nicht aus, empfiehlt es
sich, ein entsprechendes Register mit kleineren Rohrdurchmessern zu errichten.
Abbildung 57: Der begehbare Sammelschacht des EWT-Registers am Projekt Türkenfeld wurde aus
Ortbeton hergestellt. (Bildquelle: Energie System Technik)
Im Vergleich zu vielfach umgelenkten Einzelrohren mit einer großen Anzahl an Formstücken,
weisen entsprechend dimensionierte und ausgeführte Register, aufgrund der Verwendung von
ausschließlich geraden Rohrstücken, günstigere Investitionskosten auf.
Vergleicht man die Investitionskosten für EWT-Register aber mit durchwegs gerade
verlaufenden Einzelrohren, wird deutlich, dass aufgrund der doch aufwendigen Sammler- und
Verteilerkonstruktionen Nachteile beim Register liegen. Die meist aus kostenintensivem
Ortbeton in entsprechenden Dimensionen errichteten Sammler- und Verteiler (siehe Kapitel
6.1.1.3) können je nach Ausführung bis zu einem Viertel der Gesamtkosten für eine EWTAnlage ausmachen (Kapitel 7, Kosten und Wirtschaftlichkeit von EWT). Es lohnt sich also
schon in der Planungsphase über eine kostengünstige Ausarbeitung des Sammler- und
Verteilersystems nachzudenken. Beispielsweise können die Kosten reduziert werden, wenn ein
Sammelkanal im Gebäude verläuft und somit statt aus Beton aus vergleichsweise
kostengünstigen Blechkanälen hergestellt werden kann. Bei kleinen EWT-Registeranwendungen können Kunststoffschächte aus der Baubranche verwendet werden. Ebenso
bleibt bei kleinen EWT-Registern zu überlegen, die Sammler- und Verteiler in Kunststoff
vorfertigen zu lassen und somit die Arbeiten auf der Baustelle wesentlich zu reduzieren.
Zusätzlich ergibt sich der Vorteil der guten Dichtigkeit gegen Wasser und Gase (Radon) der
Rohrdurchführungen sowie des Sammlers selbst.
77
Abbildung 58: Sonderanfertigung eines PE-Sammelrohres für flexible PE-Schläuche; Projekt Büro
Zellinger (Energie System Technik)
Werden EWT als Register ausgebildet, treten im Vergleich zum EWT-Einzelrohr neue, die
Energiebilanz beeinflussende, Größen auf.
·
Beeinflussung des Energieertrages des einzelnen Registerrohres im Vergleich zum
Einzelrohr in Abhängigkeit vom Achsabstand (wird nachfolgend in Kapitel 5.11.2
behandelt).
·
Beeinflussung des Energieertrages des einzelnen Registerrohres im Vergleich zum
Einzelrohr in Abhängigkeit von der Anzahl der parallelen Registerrohre (wird
nachfolgend in Kapitel 5.11.3 behandelt).
·
Zusätzliche Erwärmung bzw. Kühlung durch Sammler- und Verteileranteil. Da sich
die Sammler bzw. Verteiler in den meisten Fällen auf demselben Niveau wie die
EWT – Rohre befinden, erfolgt auch hier eine Energieübertragung aus dem
Erdreich. Dieser zusätzliche Energieertrag kann vereinfacht als fiktive Verlängerung
der EWT Rohre angesehen werden. Das bedeutet, dass bei entsprechender
Auslegung des EWT-Registers Energieerträge möglich sind, die – bezogen auf ein
Registerrohr – höher sind als bei einem vergleichbaren Einzelrohr. Diese
zusätzlichen Energieerträge aus Sammler und Verteiler können mit zur Zeit
verfügbaren Simulationsprogrammen berücksichtigt werden (beispielsweise WKM).
Für die Berücksichtigung in der Erstauslegung empfiehlt es sich, wie schon oben
erwähnt, eine fiktive Verlängerung des EWT-Rohres um eben die Sammler- und
Verteilerlänge durchzuführen.
·
Beeinflussung der Durchströmung und Erhöhung der Druckverluste durch die TStücke am Sammler bzw. Verteiler (wird ausführlich in Kapitel 6.1.1.3 behandelt).
78
5.11.2 Einfluss des Achsabstandes auf den Ertrag des einzelnen EWT-Rohres
Aufgrund des in Bezug auf die Fläche beschränkten Energieangebotes im Erdreich
beeinflussen sich parallele Registerrohre mit geringen Achsabständen. Je Registerrohr sinken
somit die Erträge im Vergleich zum Einzelrohr bzw. zu Registerrohren mit genügend großen
Achsabständen. Bei EWT-Anwendungen mit hohen Volumenströmen und Betriebszeiten wird
der Einfluss des Achsabstandes noch durch den Effekt der „Erdreichermüdung“ erhöht.
Energieertrag des Referenzsystems bei Variation der Rohrabstände
(EWT frei verlegt 500m³/h pro Rohr PVC DN 200 Länge=50m Rohranzahl=10 Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3000
Energieertrag pro Rohr [kWh]
2000
1000
0
Einzelrohr
Abstand = 0,5
Abstand = 1,0
Abstand = 2,0
Abstand = 3,0
-1000
-2000
-3000
Rohrabstand
Abbildung 59: Energieertrag des Referenzsystems bei Variation des Rohrabstandes
Basierend auf den Rahmenbedingungen des Referenzsystems (siehe Kapitel 5.1.3) werden in
Abbildung 59 Energieerträge von Registerrohren mit unterschiedlichen Achsabständen
dargestellt und mit dem Energieertrag des Einzelrohrs (Referenz-EWT) verglichen.
Deutlich kann aus Abbildung 59 der große Einfluss des Achsabstandes auf den Energieertrag
eines EWT-Registers mit 10 parallelen DN 200 Rohren erkannt werden. Der Grund liegt darin,
dass die über das EWT – Register entzogene Energie nicht rasch genug aus der Umgebung
um das Register „nachfließen“ kann und sich somit das Temperaturniveau um den EWT negativ
verändert. Die obige Darstellung zeigt, dass erst ab einem Achsabstand von 2 m die Energieerträge pro Registerrohr jene eines Einzelrohrs erreichen. Bei einem Achsabstand von 1 m ist
nur mehr mit einer Ertragseinbuße von ~8% zu rechnen. Die Mehrkosten (Aushub, Sammlerlänge,....) bei Erhöhung des Achsabstandes von 1 m auf 2 m sind durch Energieertragssteigerung von 8% in den meisten Fällen wohl nicht zu kompensieren. Ein Achsabstand
von 1 m kann somit als guter Kompromiss für einen Achsabstand bei nahezu unbeeinflussten
Registerrohren gesehen werden.
Die komplexen energetischen Zusammenhänge bei EWT-Registern sowie wirtschaftliche und
projektbezogene geometrische Parameter erlauben keine generelle Aussage zur Wahl des
Achsabstandes. Werden komplexe Registeranwendungen geplant, ist eine dynamische
Simulation mit entsprechenden Programmen durchzuführen (z.B. Huber, 2001).
79
5.11.3 Einfluss der Anzahl der parallelen Rohre auf den Ertrag des einzelnen EWTRohres
Nachfolgend wird anhand der Rahmenbedingungen des Referenzsystems der Einfluss der
Anzahl der parallelen Rohre auf den Energieertrag des einzelnen Registerrohres untersucht.
Abbildung 60 zeigt die Energieerträge des Einzelrohres (Referenz-EWT) und eines
Registerrohres bei 5, 10 und 20 parallelen Rohren. Der Achsabstand beträgt für alle EWTRegister 1 m. Neben dem Einfluss des Achsabstandes zeigt auch die Anzahl der parallelen
Rohre einen Einfluss auf den Energieertrag.
Energieertrag des Referenzsystems bei Variation der Rohranzahl
(EWT frei verlegt 500m³/h pro Rohr PVC DN 200 Länge=50m a=1m Erde, feucht Graz.dat)
Heizen
Kühlen
3000
Energieertrag pro Rohr [kWh]
2000
1000
0
Einzelrohr
5 Rohre parallel
10 Rohre parallel
20 Rohre Parallel
-1000
-2000
-3000
Rohranzahl
Abbildung 60: Energieertrag des Referenzsystems bei Variation der Rohranzahl
Den größten Einfluss auf die geringeren Energieerträge der Registerrohre weist der
Achsabstand von einem Meter auf. Im direkten Vergleich zwischen den Registern mit
unterschiedlicher Anzahl der parallelen Rohre ist ein nur sehr geringer Unterschiede im
Energieertrag festzustellen. Die Erklärung für diesen, bei 1 m Achsabstand sehr geringen,
Effekt ist ähnlich wie im vorigen Kapitel bei der Beschreibung des Einflusses des
Achsabstandes. Bei einer höheren Rohranzahl ist der Anteil der sich beeinflussenden Rohre
(bei 5 Rohren 60%, bei 10 Rohren 80%) gegenüber den exponierten Randrohren größer und
somit die Energietransport von ungestörten Erdreich eingeschränkter. Die Anzahl der parallelen
Rohre hat für das Beispiel des Referenzsystems aber, wie oben bereits erwähnt, keinen
entscheidenden Einfluss und erreicht maximal 1% zwischen dem Register mit 5 und dem mit 20
parallelen Rohren.
5.12 Zusammenfassung der Sensitivitätsanalyse auf Basis des Referenzsystems
In den vorherigen Kapiteln (5.2 bis 5.11) wurde der Einfluss jeder einzelnen Einflussgröße für
sich behandelt und beschrieben. Nachfolgend wird die Sensitivität wesentlicher EWTEinflussgrößen anhand des Referenzsystems zusammenfassend betrachtet. Damit kann für
das Referenzsystem der Parameter mit der kleinsten bzw. größten Sensitivität leicht erkannt
werden.
80
Jede der sechs Einflussgrößen (Volumenstrom, Querschnitt, Verlegetiefe, Länge, Rohrmaterial
und Erdreich) wurde einzeln verändert und die Auswirkungen auf die Energieerträge des
Referenz-EWT untersucht. Die Ergebnisse des Referenzsystems wurden dabei mit 100%
festgelegt. Aus Abbildung 61 kann entnommen werden, in welchem Ausmaß sich die
Veränderung einer Einflussgröße (in Prozent) auf den Energieertrag (in Prozent) auswirkt.
Dabei wurde der Energieertrag als Summe aus Heizenergie- und Kühlenergie definiert.
Sensitivitätsanalyse anhand des Referenzsystems
Einzelrohr frei verlegt 500m³/h PVC(lRohr=0,23 W/mK) DN 200 Länge=50m Tiefe=2m
Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Graz.dat
200
Volumenstrom
180
160
Länge
140
120
Verlegetiefe
100
Rohrmaterial
80
60
Durchmesser
40
20
Erdreich
0
-100
-50
0
50
100
150
200
Änderung der Einflussparameter [%]
Abbildung 61:
Änderung des Gesamtenergieertrages [%] im Vergleich zum Referenzsystem in
Abhängigkeit von den einzelnen Einflussgrößen [%]
Die größte Sensitivität zeigt der Parameter Volumenstrom. Dabei muss aber berücksichtigt
werden, dass für einen sinnvollen Betrieb des EWT auch der entstehende Druckverlust von
entscheidender Bedeutung ist. Dieser Zusammenhang wird ausführlich in Kapitel 6.1.1
behandelt. Weitere Größen mit entscheidender Sensitivität sind die EWT-Länge, die
Verlegetiefe sowie die Zusammensetzung des Erdreichs. Als Parameter mit eher geringem
Einfluss auf die Energieerträge des Referenzsystems zeigen sich der Querschnitt sowie das
Rohrmaterial.
81
6 Dimensionierung
Wie schon in Kapitel 5 beschrieben, beeinflussen den Betrieb eines EWT zahlreiche Größen.
Wurden in Kapitel 5 die Auswirkungen sämtlicher Einflussgrößen noch gesondert betrachtet, so
werden innerhalb des gegenständlichen Kapitels diese kombiniert untersucht,
Wechselwirkungen verdeutlicht und Dimensionierungsgrundlagen in Form von zahlreichen
Nomogrammen erstellt, die eine rasche Auslegung der entscheidenden EWT – Parameter ohne
andere Hilfsmittel erlauben. Dabei muss berücksichtigt werden, dass aufgrund der großen
Anzahl an Freiheitsgraden die Zusammenhänge eine enorme Komplexität ergeben und deshalb
eine vollständige Dimensionierung eines EWT nur durch die Verwendung mehrerer
Nomogramme möglich ist. Die Basis für die Erstellung der allgemein gültigen Nomogramme
bildete einerseits das in Kapitel 5.1.1 beschriebene Simulationsprogramm WKM, mit dem
sämtliche Variationsrechnungen durchgeführt wurden sowie andererseits das in Kapitel 5.1.3
definierte Referenzsystem, auf dessen Rahmenbedingungen sich die Nomogramme stützen.
Als Vergleichs- und Beurteilungsgrößen wurden neben dem Jahresenergieertrag auch die
Maximalleistung sowie die Maxima der Austrittstemperatur (stellvertretend für den maximalen
Temperaturhub) ausgewählt.
Für die Auslegung in komplexen EWT-Einsatzfällen (z.B. EWT-Rohre in mehreren Lagen, EWT
Rohre mit unterschiedlichen Querschnitten, EWT Rohre mit komplexer Gebäudebeeinflussung,
Gebäude mit komplexem Lüftungsfahrplan, etc.) sowie bei einer nötigen Betrachtung von
detaillierten Tages- Wochen- bzw. Monats Darstellungen, sollte die Detailauslegung mit
geeigneten Simulationsprogrammen (z.B. WKM, TRNSYS) erfolgen. Die in diesem Kapitel
enthaltenen Nomogramme können in solchen Fällen hilfreich bei der Vorauslegung verwendet
werden.
6.1
Allgemeines zur Dimensionierung von EWT
Bevor die Geometrie des EWT festgelegt werden kann, müssen die Rahmenbedingungen für
den Betrieb und die Verlegung definiert werden. Diese sind im wesentlichen:
·
Einsatzbereich des EWT (Heizen, Kühlen, Heizen und Kühlen) Anhaltswerte und
Hilfestellungen hierzu können in Kapitel 3 gefunden werden.
·
Erforderlicher Volumenstrom (die Auswahl kann volumens-, personen-, hygieneoder kühllastbezogen erfolgen) - Anhaltswerte und Hilfestellungen hierzu können in
Kapitel 5.4 gefunden werden.
·
der Lage des EWT (unter freiem Gelände, unter der Fundamentplatte, zwischen
den Einzel- bzw. Streifenfundamenten, im Arbeitsbereich des Gebäudes verlegt,
etc.)
·
den baulichen Randbedingungen (Größe des zur Verfügung stehenden Areals)
Konnten die Rahmenbedingungen für den Betrieb bzw. die Verlegung des EWT definiert
werden, kann als nächster Schritt die Bestimmung der geometrischen Größen erfolgen. Neben
energetischen, wirtschaftlichen und lufthygienischen Einflüssen spielt bei der Definition der
EWT – Geometrie der entstehende Druckverlust eine wesentliche Rolle. Das nachfolgende
82
Kapitel beschreibt die Zusammenhänge zwischen möglichst hohen Erträgen aus dem EWT und
möglichst geringem Druckverlust über den EWT.
6.1.1
Der Druckverlust in EWT als Auslegungsparameter
Wie bereits in Kapitel 5.4 und 5.8 dargestellt, erhöht sich die Übertragungsleistung des EWT mit
steigender Strömungsgeschwindigkeit. Der Grund liegt darin, dass bei der Wärmeübertragung
vom Erdreich auf die im EWT – Rohr strömende Luft der Wärmeübergangskoeffizient ai die
bestimmende Größe ist und dieser neben den Stoffparametern der Luft bzw. dem Rohrmaterial
im wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit wL und daraus resultierend vom
Strömungszustand im Rohr (laminar oder turbulent) abhängt. Abbildung 62 zeigt den Anstieg
der spezifischen Leistung (k*A, in W/K) bei größer werdenden Strömungsgeschwindigkeiten
(Volumenströmen) für ein PVC – Rohr mit Nenndurchmesser 200 mm (blaue Linie).
Dass trotz dieser Tatsache in der Praxis die EWT – Rohre mit nur bedingt hohen
Volumenströmen beaufschlagt werden, hat einen gegenläufigen Parameter zur Ursache – den
Druckverlust. Aus Abbildung 62 ist deutlich ersichtlich, dass mit höheren Volumenströmen nicht
nur höhere innere Wärmeübergangszahlen erreichbar sind, sondern auch höhere Druckverluste
auftreten.
Wärmedurchgang vs. Druckverluste bei DN 200 PVC-Rohr
12
30
Wärmedurchgang
Druckverlust
10
25
8
20
6
15
4
10
2
5
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Abbildung 62:
Gegenläufiger Verlauf von Wärmedurchgang und Druckverluste bei der Durchströmung
von Rohren mit unterschiedlichen Volumenströmen
Da der Druckverlust quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit steigt, entstehen bei
höheren Volumenströmen erhebliche Druckverluste. Da dieser sowohl einen Einfluss auf die
Auslegung des Ventilators (in Form von Investitionskosten) als auch auf die
verbrauchsgebundenen Kosten des EWT – Betriebs (in Form von Betriebskosten) hat, wird in
den nachfolgenden Kapiteln ein Optimum zwischen möglichst hohen Energieerträgen und
vertretbaren Druckverlusten erarbeitet.
83
6.1.1.1 Die Ermittlung von Druckverlusten
Strömt ein Medium in einem Rohr oder Kanal, so ist zur Überwindung des an den Wänden
auftreten Reibungswiderstandes ein Druckunterschied erforderlich. Diese Reibungswiderstände
bezeichnet man auch als Druckverlust Dp. Die Berechnung des Druckverlustes erfolgt mittels
nachfolgender Gleichung.
Dp = z ×
r 2
×w
2
[Pa]
(Gleichung 23)
w
[m/s]
mittlere Strömungsgeschwindigkeit
r
[kg/m³]
Mediumdichte
z
[-]
Widerstandsbeiwert
z = zr +zu
[-]
(Gleichung 24)
zr
[-]
Widerstandsbeiwert für das gerade rauhe Rohr
zu
[-]
Widerstandsbeiwert von
Reduzierstücke, etc.)
zr = l×
l
d
[-]
l
[-]
Reibungszahl
l
[m]
Rohrlänge
d
[m]
Rohrdurchmesser
Einbauten
(Kniestücke,
Bögen,
(Gleichung 25)
Dabei kann die Reibzahl l für die EWT - Einsatzbereiche nach der Gleichung von Colebrook
(Gleichung 26) für turbulente Strömungen im Übergangsgebiet (Recknagel, et. al., 2000)
berechnet werden.
1
2,51 ö
æe /d
= -2 × lgç
+
÷
l
è 3,71 Re× l ø
e
[mm]
Rohrrauhigkeit
Re
[-]
Reynolds - Zahl
[-]
(Gleichung 26)
Zur Ermittlung des Druckverlustes eines Systems mit bekannten Strömungsgeschwindigkeiten
und Geometrien gibt es in der Literatur gute Anhaltswerte. Exemplarisch kann für das gerade
rauhe Rohr mit dem im Anhang (Kapitel 11) zur Verfügung stehenden Diagramm der
84
Druckverlust je Meter Rohr ermittelt werden. Multipliziert mit der Rohrlänge ergibt sich der
gesamte Druckverlust des geraden, rauhen Rohres. Auch für die Bestimmung der
Widerstandsbeiwerte von Formstücken liefert die Literatur gute Daten. Beispielhaft werden in
Tabelle 10 die Widerstandsbeiwerte zu von gängigen Formstücken angeführt.
Tabelle 10: Richtwerte für zu – Beiwerte von glatten Formstücken (Recknagel et. al., 2000)
Formstück
zu – Beiwert
Bemerkungen
Bogen 90°
0,15 – 1
r/d = 3 – 0,5
Knie 90°
1,3
Knie 60°
0,8
Knie 45°
0,4
Erweiterung
0,04 – 1
plötzliche Erweiterung / ohne
Abrundung
Verengung
0,05 – 0,35
plötzliche Verengung / ohne
Abrundung
Ausströmung
1
ohne Abrundung
Sind also Volumenstrom, Querschnitt des Rohres bzw. Strömungsgeschwindigkeit im Rohr, die
absolute Rauhigkeit eRohr des Rohres (Tabelle 9) und etwaige Widerstandswerte bekannt, so
kann der Druckverlust des EWT berechnet werden.
6.1.1.2 Druckverlustgrenzen beim EWT – Einzelrohr
Um einen geeigneten Konsens zwischen den Faktoren Wärmedurchgang und Druckverlust zu
finden, geht es im Wesentlichen darum, eine Gewichtung zwischen den beiden Faktoren
herzustellen. Aus dieser kann die Auswirkung einer Volumenstromveränderung auf die beiden
Faktoren und daraus resultierend auf das gesamte Lüftungssystem abgeleitet werden. In der
Folge werden Richtlinien für Druckverlustgrenzen bei entsprechenden Durchmesser- /
Volumenstromverhältnissen erarbeitet.
Einfluss der Durchmesservariation auf den Druckverlust des Referenz - EWT
Für einen beispielhaften Vergleich der Auswirkungen von Querschnittsänderungen auf den
Druckverlust werden die Rahmenbedingungen des Referenzsystems (siehe Kapitel 5.1.3)
herangezogen. Der Druckverlust des Referenzsystems kann mit Hilfe des Diagramms in Kapitel
11.2 (Rohrreibungsdiagramm für Luftleitungen) ermittelt werden. Die Eckdaten hierfür sind:
Volumenstrom = 500 m³/h, Rohrlänge = 50m, Rohrdurchmesser = DN 200, e = 0,007
Ohne Berücksichtigung von eventuell anfallenden Formstücken ergibt sich ein Druckverlust von
~1,5 Pa/m Rohr bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 4,7 m/s.
Wie die Durchmesservariation in Kapitel 5.5 in energetischer Hinsicht für das Referenzsystem
zeigt, bleibt der Energieertrag zwischen DN 110 und DN 400 nahezu gleich. Es macht somit
aus rein energetischen Aspekten keinen Sinn, größere Rohre einzusetzen, die höhere
Investitionskosten mit sich bringen. Betrachtet man hingegen die dabei auftretenden
85
Luftgeschwindigkeiten, so bewegen sich diese zwischen 1,2 m/s (DN 400) und 16,3 m/s (DN
110). Für den Druckverlust, der quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit steigt, bedeutet
dies, dass beim DN 110 Rohr ein rund 12-fach höherer und beim DN 400 Rohr ein rund 16-fach
niedrigerer Druckverlust als beim Rohr DN 200 auftritt. Somit würde beim Referenzsystem eine
Durchmesserreduktion von DN 200 auf DN 110 zwar Investitionskosten senken, der EWT Druckverlust würde jedoch im Gegenzug von 75 Pa auf 900 Pa steigen und somit eine enorme
Erhöhung der Investitionskosten für den Ventilator und höhere Betriebskosten verursachen.
Eine gleichzeitig mit der Durchmesserreduktion durchgeführte Verringerung der EWT – Länge
würde einerseits zwar den Druckverlust minimieren, auf der anderen Seite aber die
Energieerträge des EWT reduzieren und ist daher nicht zielführend.
Anhand dieser Erkenntnisse wird deutlich, dass die Richtlinien für optimale Durchmesser /
Volumenstrom – Verhältnisse nur als Funktion des Druckverlustes im EWT dargestellt werden
können.
Wie groß darf der Druckverlust im EWT sein?
Da ein EWT in Bezug auf den Druckverlust wie ein zusätzlicher Widerstand in der
Lüftungsanlage zu sehen ist, gelten für die Auslegung des Ventilators die selben Richtlinien wie
bei einer herkömmlichen Lüftungsanlage. Der Zielwert für den Stromverbrauch von Ventilatoren
liegt bei etwa 0,4 W pro m³ transportiertem Luftvolumen je Stunde (Feist, 2001). Diese
Kennzahl gilt für die gesamte Lüftungsanlage und beinhaltet das Leitungsnetz, Fomstücke und
Einbauten sowie sämtliche Filtersysteme, was eine direkte Überleitung auf den zulässigen
Druckverlust durch den EWT nicht zulässt.
Aus dem Erfahrungsaustausch mit den im Projektkonsortium befindlichen Unternehmen haben
sich für die Definition des für den EWT zulässigen Druckverlustes zwei Erfahrungswerte
durchgesetzt:
·
Der EWT kann etwa 10% des gesamten Anlagendruckverlustes ausmachen.
Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass die EWT Geometrie sehr stark von der
Ausführung des konventionellen Systems.
·
Der zulässige Druckverlust je Meter EWT beträgt im Maximum 2 Pa.
Dieser Erfahrungswert erscheint für die Auslegung von EWT günstiger, da aufgrund
des definierten Druckverlustes je Meter EWT – Rohr ein rechnerisch
nachgewiesener, guter innerer Wärmeübergang garantiert ist und somit auch gute
Energieerträge zu erwarten sind. Trotzdem kann der durch den EWT entstehende
Druckverlust bei entsprechender Wahl der Rohrlänge als vertretbar angesehen
werden.
Je nach konkret vorliegendem Projekt kann dieser Anhaltswert an die gegebenen Bedingungen
angeglichen werden. Großzügige Überschreitungen der Maximalwerte sind jedoch aufgrund der
höheren kapital- und verbrauchsgebundenen Kosten nicht zielführend.
Mit dem Grenzwert von maximal 2 Pa/m EWT können sehr rasch die zulässigen
Volumenströme bei den jeweiligen Rohrquerschnitten angegeben werden. In Tabelle 11 sind
die empfohlenen Volumenstrombereiche bei EWT – Einzelrohren für die Querschnitte DN 110
86
bis DN 400 und die dazugehörigen Druckverluste aufgelistet. Deutlich ist die Obergrenze des
Druckverlustbereiches von etwa 2 Pa/m zu erkennen.
Tabelle 11:
Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten / Volumenströme in EWT – Einzelrohren (e =
0,007) und zugehörige Druckverluste. Die Druckverluste wurden mit dem
Simulationsprogramm zur „Optimierung von Solarsystemen und Rohrnetzen“ (Hausner,
1994) errechnet.
Einzelrohrdurchmesser
Strömungsgeschwindigkeit
Volumenstrom
Druckverlust
[m³/h]
[Pa/m]
[m/s]
DN 110
1,6 – 3,3
50 - 100
0,46 – 1,56
DN 150
1,5 – 4,8
100 – 320
0,24 – 1,88
DN 200
3,0 – 5,5
320 – 580
0,64 – 1,84
DN 250
3,6 – 6,8
580 – 1100
0,65 – 2,04
DN 300
4,2 – 7,7
1100 - 2000
0,67 – 1,93
DN 350
6,1 – 8,2
2000 - 2700
1,11 – 1,9
DN 400
6,5 – 9,6
2700 – 4000
1,07 – 2,19
Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten in EWT – Registerrohren weichen geringfügig vom
Einzelrohr – EWT ab, da durch die Sammler bzw. Verteiler zusätzliche Druckverluste anfallen
und deshalb geringere Volumenströme empfohlen werden (siehe nachfolgendes Kapitel
6.1.1.3.).
6.1.1.3 Verschaltungsrichtlinien und Druckverlustgrenzen beim EWT - Register
Übersteigen in EWT – Anwendungen die Nennvolumenströme die in Tabelle 11 für Einzelrohre
angegebenen Werte und somit auch die zulässigen Druckverluste, ist entweder ein größerer
Rohrdurchmesser oder es sind weitere parallele EWT – Rohre zu wählen. Grundsätzlich sind
aus energetischer Sicht mehrere parallele EWT – Rohre (sogenannte Register) mit kleinerem
Durchmesser einem EWT – Rohr mit großem Durchmesser vorzuziehen. Auch die
Investitionskosten für EWT – Register sind günstiger als Einzelrohre mit großen
Nenndurchmessern.
EWT - Register sind aufgrund der nötigen Sammlerkanäle hinsichtlich Durchströmung und
Druckverlust komplexer als EWT – Einzelrohre, was bei der Planung unbedingt berücksichtigt
werden muss. Vor allem die Wahl des Querschnittes des Sammelkanals beeinflusst in
Abhängigkeit von der Anzahl der parallel verschalteten Rohre und der Rohrlängen die
gleichmäßige Durchströmung des Registers sowie den vom Register verursachten Druckverlust.
Die Durchströmung des EWT – Registers sowie die auftretenden Druckverluste werden in
diesem Kapitel in Abhängigkeit von nachfolgenden Einflussgrößen behandelt.
·
·
Verschaltungsart (Tichelmann / Nicht Tichelmann)
Anzahl der parallel verschalteten EWT - Rohre
·
·
87
Länge der EWT - Rohre
Sammler- / Verteilerquerschnitt
6.1.1.3.1 Einfluss von Verschaltung, Anzahl der parallelen EWT - Rohre, Rohrlänge und
Sammlerquerschnitt auf die Gleichmäßigkeit der Durchströmung
Für die Verschaltung von EWT – Registern gelten im Allgemeinen die in der Lüftungstechnik
üblichen Schaltungs- und Verrohrungspraktiken. Grundsätzlich werden parallele Rohre –
ähnlich wie in der Hydraulik – entweder nach dem „Tichelmann – Prinzip“ oder „NICHT
Tichelmann – Prinzip“ verschaltet. Abbildung 63 und Abbildung 64 stellen die beiden
Verschaltungsformen für ein EWT – Register dar. Die „Tichelmann - Verschaltung“ zielt
gundsätzlich darauf ab, dass jedes Teilchen des Wärmeträgers von Registerein- bis
Registeraustritt gleiche Längen zurücklegt und somit die parallelen Rohre sehr gleichmäßig
durchströmt werden. Die Luftzufuhr bzw. die Luftabfuhr befinden sich auf der
gegenüberliegenden Seite. Bei der „Nicht Tichelmann - Verschaltung“ befinden sich Zu- und
Abfuhr auf der gleichen Seite des Registers. In der Hydraulik (Wärmeträger Wasser, Sole, etc.)
liefert die Verschaltung „Tichelmann“ gleichmäßigere Durchströmung und wird deshalb in der
Regel angewandt.
Tichelmann - Verschaltung
Abbildung 63: Schematische Darstellung einer Tichelmann - Verschaltung
Nicht Tichelmann - Verschaltung
Abbildung 64: Schematische Darstellung einer „Nicht Tichelmann“ – Verschaltung
Entscheidend für die Durchströmung des Registers sind neben der Rohrlänge
(Reibungsdruckverluste) die Zeta-Werte der T-Stücke beim Abgang bzw. bei der Einmündung
in den Sammelkanal (Stoßdruckverluste). Die Größe dieser Zeta-Werte hängt im Wesentlichen
vom Querschnitts- und Volumenstromverhältnis zwischen Sammler und EWT-Rohr ab.
88
Da das Verhältnis von Stoßdruckverlusten (T-Stücke) zu Reibungsdruckverlusten (Rohre) durch
andere Registergeometrien (D/L) zwischen Luft und Wasser sehr unterschiedlich ist und
zusätzlich die Dichten der Wärmeträger sehr stark differieren, ist der Einfluss der T-Stücke bei
Luft wesentlich größer als bei Wasser. Dies führt dazu, dass das in der Hydraulik
standardisierte Verschaltungsprinzip „Tichelmann“ in der Anwendung mit dem Wärmeträger
Luft schlechtere Durchströmungsergebnisse liefert als die Verschaltung „Nicht Tichelmann“.
Bei der Verschaltung „Nicht Tichelmann“ heben sich beim Medium Luft die Sogwirkungen durch
die Strömungen im Sammler bzw. Verteiler nahezu auf, wodurch sich ein günstigerer
Strömungsverlauf ergibt.
Der Einfluss der Verschaltung, der Anzahl der parallelen Rohre, der Rohrlängen sowie des
Sammlerquerschnittes auf die Durchströmung wird in Abbildung 65 für ein Rohr mit
Nenndurchmesser 200 dargestellt. Dabei sind auf der Ordinate die Anzahl der parallelen Rohre
und auf der Abszisse die Querschnitt des Sammlers / Verteilers aufgetragen. Die dargestellten
Kurven stellen neben den Unterschieden zwischen „Tichelmann“ und „Nicht Tichelmann“ dar,
wie viele Registerrohre bei einem gewählten Sammlerquerschnitt parallel verschaltet werden
können, ohne die Unterschiede in den Volumenströmen der einzelnen Registerrohre über ±
10% (als theoretischer Grenzwert festgelegt) ansteigen zu lassen.
Die Berechnungen für sämtliche in diesem Kapitel folgenden Durchströmungs- und
Druckverlustdiagrammen erfolgten mit dem Rechenwerkzeug „Simulationsprogramm zur
Optimierung von Solarsystemen und Rohrnetzen“ (Hausner, 1994).
Anzahl der möglichen parallelen Rohre DN 200 bei 500 m³/h in Abhängigkeit von der Verschaltung, der
Rohrlänge, und dem Sammler- / Verteilerdurchmesser
20
18
16
14
12
10
8
6
100m Nicht Tichelmann
60m Nicht Tichelmann
4
100m Tichelmann
2
60m Tichelmann
0
150
250
350
450
550
650
750
850
Durchmesser des Sammlers / Verteilers [mm]
Abbildung 65: Anzahl der möglichen parallelen Rohre DN 200 bei 500 m³/h in Abhängigkeit von der
Verschaltung, der Rohrlänge und dem Sammler- / Verteilerdurchmesser
89
Die Kurven der Abbildung 65 werden anhand zweier Beispiele erläutert:
·
Soll ein EWT – Register mit vier parallelen DN 200 Rohren und einer Länge von
60 m realisiert werden, so reicht bei der Verschaltung „Nicht Tichelmann“ ein
Sammlerdurchmesser < DN 250 aus, um die festgelegten maximalen Differenzen in
der Durchströmung von ± 10% einzuhalten. Bei der Verschaltung „Tichelmann“
müsste hingegen zumindest ein Sammlerdurchmesser von 350 mm gewählt werden,
was hinsichtlich der Investitionskosten einen Nachteil darstellt.
·
Wird für die Schaltung „Nicht Tichelmann“ und für eine Rohranzahl von 10 bei 60 m
Rohrlänge für die Einhaltung der definierten Strömungsunterschiede ein
Sammlerdurchmesser von 450 mm benötigt, muss der Sammler bei einer Rohrlänge
von 100 m nur mehr 400 mm betragen. Größere Rohrlängen (stellvertretend für
größere Druckverluste über das EWT – Rohr) erlauben somit geringere
Sammlerquerschnitte bei gleichbleibender Durchströmung.
Dass die für ein DN 200 Rohr gewonnenen Erkenntnisse allgemein Gültigkeit besitzen, geht
aus Abbildung 66 hervor. Verschiedenen Rohrdurchmessern wurden hierfür unterschiedliche
Rohrlängen zugeordnet und die mögliche Anzahl der parallelen Rohre in Abhängigkeit von der
Verschaltung und dem Sammlerquerschnitt wurde dargestellt.
Anzahl der möglichen parallelen Rohre in Abhängigkeit von der Verschaltung, dem Rohrdurchmesser,
der Rohrlänge, und dem Sammler- / Verteilerdurchmesser bezogen auf die Durchströmung
20
18
16
14
12
10
DN 110 30m Nicht Tichelmann
8
DN 110 30m Tichelmann
6
4
2
0
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
1250
1350
1450
1550
1650
1750
1850
Durchmesser des Sammlers / Verteilers [mm]
Abbildung 66: Anzahl der möglichen parallelen Rohre in Abhängigkeit von der Verschaltung, dem
Rohrdurchmesser, der Rohrlänge und dem Sammler-/ Verteilerdurchmesser
In Abbildung 67 wird für ein Rohrregister mit 19 parallelen DN 200 Rohren der Einfluss der
Verschaltungsart („Tichelmann“ oder „Nicht Tichelmann“) auf die Durchströmung der einzelnen
Rohre dargestellt. Der hierfür zugrundegelegte Sammlerdurchmesser beträgt 700 mm. Der
90
Nennvolumenstrom je Einzelrohr sollte 400 m³/h betragen, was einen Gesamtdurchsatz von
7600 m³/h entspricht.
Deutlich ist die ausgeglichenere Strömungsverteilung bei der Variante „Nicht Tichelmann“ zu
erkennen. Die maximale Abweichung vom Nennvolumenstrom von 400 m³/h beträgt hier 8%.
Bei der „Tichelmann“ – Verschaltung übersteigt die Strömungsverteilung ab 16 Rohren die
vorhin definierte 10% Marke, die maximale Abweichung vom Nennvolumenstrom von 400 m³/h
beträgt 16%. Bei einem Sammlerdurchmesser von 700 mm sind diese Unterschiede bei 19
parallelen Rohren in der Durchströmung eher gering. Bleiben die Abweichungen in der
Durchströmung in diesen Bereichen, entstehen dadurch keine negativen Auswirkungen auf die
Erträge von EWT – Registern. Bevorzugte Rohre im Register werden besser durchströmt und
liefern dadurch auch höhere Energieerträge, was die geringeren Erträge der schlechter
durchströmten Registerrohre nahezu ausgleicht. Wird aber der Sammlerdurchmesser bei
gleicher Anzahl paralleler Rohre reduziert, steigen die Unterschiede in der Durchströmung stark
an.
Bei diesen Betrachtungen muss aber unbedingt bedacht werden, dass nur die Einflüsse auf die
Unterschiede in der Durchströmung behandelt wurden und der wichtige Faktor Druckverlust
keine Berücksichtigung fand. Die Ergebnisse aus Abbildung 65 und Abbildung 66 sind somit für
die Registerauslegung bzw. der Wahl der Sammlergeometrie nicht geeignet. Der Einfluss der
Druckverluste auf die Auslegung von EWT – Register wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.
Strömungsverteilung in den Registerrohren DN 200
(Gesamter Volumenstrom=7600 m³/h Rohränge=60m Achsabstand=1,5m)
Tichelmann
Nicht Tichelmann
500
450
Volumenstrom je Rohr [m³/h]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Rohrstrang
Abbildung 67: Strömungsverteilung in einem EWT – Register mit 19 DN 200 Rohren in Abhängigkeit
von der Verschaltungsart. Der Sammlerdurchmesser beträgt 700 mm.
91
6.1.1.3.2 Einfluss von Verschaltung, Anzahl der parallelen EWT - Rohre, Rohrlänge und
Sammlerquerschnitt auf den Druckverlust des Registers
Im vorherigen Kapitel wurden Geometrieeinflüsse auf die Durchströmung der einzelnen
Registerrohre behandelt. Für die Dimensionierung von EWT – Register ist aber der bei
Nennvolumenstrom vom Register verursachte Druckverlust die entscheidende Größe. Denn ist
die Strömungsverteilung in den parallelen Rohren inhomogen, stellt sich durch die stärker
durchströmten Rohre ein höherer Druckverlust als bei homogener Durchströmung ein. Bleibt
der Druckverlust über das gesamte Register – im Vergleich zum Einzelrohr im Rahmen, ist der
Sammlerquerschnitt richtig gewählt und auch die Unterschiede in der Strömungsverteilung
halten sich in Grenzen.
Abbildung 68 bis Abbildung 71 stellen die Druckverluste in Erdregistern mit Rohrquerschnitten
von DN 110 bis DN 400 in Abhängigkeit von der Anzahl der parallelen Rohre, des
Sammlerquerschnittes und der Verschaltungsart (Tichelmann / Nicht Tichelmann) dar. Für
jeden Durchmesser wurde eine hinsichtlich Energieerträge und auftretender Druckverluste
sinnvolle Rohrlänge ermittelt. Der Achsabstand zwischen den Registerrohren ist
querschnittunabhängig gewählt und beträgt konstant 1,5 m. Das zugrundegelegte Rohrmaterial
ist Beton, die Rohrrauhigkeit wurde mit 0,3 mm festgelegt. Wird ein anderes Rohrmaterial mit
anderen Rohrrauhigkeiten verwendet, verschieben sich die Druckverluste der Einzelrohre nach
oben oder unten, der Einfluss des Sammlers (üblicherweise aus Beton) bleibt gleich.
Druckverlust im EWT-Register
(mittlerer Volumenstrom je Rohr=50m³/h DN 110 Länge=30m Rohrrauhigkeit=0,3mm)
Tichelmann (TM) / Nicht Tichelmann (NTM)
60
50
gerades Einzelrohr
Minimaldruckverlust im Register
40
TM / d_Sammler=104mm
30
NTM / d_Sammler=104mm
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Anzahl der parallelen Rohre
Abbildung 68:
Druckverluste in einem EWT – Register mit DN 110 in Abhängigkeit von der Anzahl der
parallelen Rohre und dem Sammlerquerschnitt
Als Vergleichswert wurden in den Diagrammen in Abbildung 68 bis Abbildung 71 bei der
Rohranzahl „0“ die „idealen Druckverluste“, also jene, die nur auf Grund des geraden
Rohrstückes entstehen, aufgetragen. Bei allen Querschnitten sind für das Register deutlich
höhere Druckverluste zu erwarten. Das liegt darin begründet, dass sich im Vergleich zu den
92
Druckverlusten im Einzelrohr beim Register durch die T-Stücke des Verteilers bzw. Sammlers
zusätzlich auftretende Strömungswiderstände einstellen. Der Druckverlust an diesen
Formstücken ist primär von den Querschnitts- und Strömungsverhältnissen abhängig. Kleine dem Registerrohr ähnliche - Sammlerquerschnitte bewirken mit steigender Anzahl der
parallelen Rohre an den T-Stücken sehr hohe Druckverluste. Mit zunehmender Größe des
Sammlerquerschnittes verflachen diese Kurven. Es kann daraus resultierend, bei einem
vorgegebenen Volumenstrom je Registerrohr, eine Trendlinie für den minimal erzielbaren
Druckverlust in einem EWT – Register ermittelt werden. Diese ist von Abbildung 68 bis
Abbildung 71 als rote Linie dargestellt. Die Verschaltungsart (Tichelmann / Nicht Tichelmann)
spielt für den Druckverlust keine bedeutende Rolle.
250
gerades Einzelrohr
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Abbildung 69: Druckverluste in einem EWT – Register mit DN 200 in Abhängigkeit von der Anzahl der
93
200
180
gerades Einzelrohr
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Abbildung 70: Druckverluste in einem EWT – Register mit DN 300 in Abhängigkeit von der Anzahl der
1200
gerades Einzelrohr
1000
800
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Abbildung 71:
Druckverluste in einem EWT – Register mit DN 400 in Abhängigkeit von der Anzahl der
94
6.1.1.3.3 Druckverlustermittlung und Druckverlustgrenzen beim EWT – Register
Wie schon in den vorherigen Kapiteln erwähnt, entsteht bei EWT – Registern durch den
Sammler – im wesentlichen durch die T-Stücke der Einzelrohreinmündungen - ein Druckverlust,
der dem Druckverlust über das Registerrohr hinzuzufügen ist. Diese Strömungswiderstände
können durch sogenannte Zeta-Werte beschrieben werden. Die Größe dieser Zeta-Werte hängt
im Wesentlichen vom Querschnitts- und Volumenstromverhältnis zwischen Sammler und EWTRohr ab und kann bei definierten Querschnitts-Volumenverhältnissen als Konstante betrachtet
werden.
Ähnlich wie bei Einzelrohren (Kapitel 6.1.1.2) können entsprechenden EWT –
Registerrohrdurchmessern günstige Volumenstrombereiche zugeordnet werden (Tabelle 12).
Diese Volumenstrombereiche liegen bei kleinen Rohrdurchmessern in etwa in der
Größenordnung von Einzelrohren. Bei größeren Rohrdurchmessern liegen sie aufgrund der
zusätzlichen Druckverluste im Sammler etwas geringer. Entsprechend des gewählten
Registerrohrdurchmessers und des dazugehörigen Volumenstrombereichs können die
Druckverluste für das Registerrohr beschrieben werden.
Tabelle 12:
Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten / Volumenströme und den zugehörigen
Druckverlusten in EWT – Registerrohren (e = 0,007). Die Druckverluste wurden mit dem
Simulationsprogramm zur „Optimierung von Solarsystemen und Rohrnetzen“ (Hausner,
1994) errechnet.
Registerrohrdurchmesser
Strömungsgeschwindigkeit
Volumenstrom
Druckverlust
[m³/h]
[Pa/m]
[m/s]
DN 110
1,6 – 3,3
50 – 100
0,46 – 1,56
DN 150
1,5 – 4,8
100 – 320
0,24 – 1,88
DN 200
3,0 – 4,7
320 – 500
0,64 – 1,41
DN 250
3,1 – 5,5
500 – 900
0,50 – 1,42
DN 300
3,5 – 6,2
900 – 1600
0,46 – 1,31
DN 350
4,9 – 6,7
1600 –2200
0,74 – 1,31
DN 400
5,3 – 7,2
2200 – 3000
0,74 – 1,30
Wird jedem Registerrohrdurchmesser bzw. jedem Volumenstrombereich eine definierte Anzahl
von parallelen Registerrohren sowie ein definierter Sammlerdurchmesser zugeordnet, so kann
der gesamte Strömungswiderstand des Sammlers/Verteilers mit einem (von der generellen
EWT – Größe unabhängigen) Zeta-Wert beschrieben und somit komfortabel in der Auslegung
von EWT berücksichtigt werden. Aus den Druckverlustberechnungen in Kapitel 6.1.1.3.2 ergibt
sich ein für die Praxis sehr brauchbarer minimaler Zeta-Wert für die beiden EWT – Sammler
von etwa 2 – 2,5. Um aber diesen Zeta-Wert für die Druckverlustermittlung heranziehen zu
können, müssen nachfolgende Geometrieverhältnisse in Verbindung mit dem empfohlenen
Volumenstrombereich, eingehalten werden.
95
Anzahl der möglichen parallelen Rohre um einen z - Wert von 2 – 2,5 bei definiertem
Sammlerdurchmesser nicht zu überschreiten
Tabelle 13:
Sammlerdurchmesser
DN 110
DN 200
DN 300
DN 400
DN 110
1
-
-
-
DN 200
2
1
-
-
DN 300
6
2
1
-
DN 400
9
3
1
1
DN 500
14
4
3
1
DN 600
20
6
3
2
DN 700
-
8
4
2
DN 800
-
10
5
3
DN 900
-
12
7
4
DN 1000
-
15
9
5
DN 1200
-
20
13
6
DN 1400
-
-
17
9
DN 1600
-
-
20
12
DN 1800
-
-
-
15
DN 2000
-
-
-
18
DN 2200
-
-
-
22
Bei Einhaltung der obigen Geometrieverhältnisse sind für die jeweiligen Registerrohrquerschnitte und der dazugehörigen Volumenströme folgende Druckverluste für die beiden
Sammler zu erwarten:
Tabelle 14:
Druckverluste [Pa] durch den Sammler / Verteiler für
Registerrohrquerschnitt und definiertem Volumenstrom (z = 2 – 2,5)
den
jeweiligen
Querschnitt des Registerrohres
Volumenstrom je Rohr
[m³/h]
DN 110
DN 200
DN 300
DN 400
50
~3 - 4
-
-
-
100
~13 – 16,5
-
-
-
400
-
~17,6 – 21,6
-
-
600
-
~39 - 49
-
-
1000
-
-
~17,7 – 22,2
-
1500
-
-
~40,8 – 50,8
-
2000
-
-
~71,4 – 89,4
-
3000
-
-
-
~62 - 78
4000
-
-
-
~110,7 – 138,7
96
Aus Abbildung 72 kann für das jeweilige Durchmesserverhältnis aus Registerrohr und Sammler
jene Anzahl der parallelen Rohre ermittelt werden, die möglich ist, damit der
Widerstandsbeiwert (z - Wert) des Sammlers / Verteilers 2 bzw. die Druckverluste, die in
Tabelle 14 angeführt sind nicht übersteigen. Umgekehrt kann für ein definiertes EWT – Register
mit definierter Registerrohranzahl der nötige Sammlerquerschnitt ermittelt werden, ohne die
Druckverlustgrenzen durch den Sammler zu überschreiten.
Anzahl der möglichen parallelen Rohre in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser (dem zugehörigen
Volumenstrom) und Sammler- / Verteilerdurchmesser bezogen auf die Druckverluste
20
18
16
14
12
10
8
6
DN 110 / 100 m³/h / L=30m
DN 200 / 500 m³/h / L=60m
4
DN 300 / 1500 m³/h / L=60m
2
DN 400 / 3000 m³/h / L=100m
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200
Durchmesser des Sammlers / Verteilers
Abbildung 72: Anzahl der möglichen parallelen Rohre in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und
Sammler-/ Verteilerdurchmesser bezogen auf den zulässigen Druckverlust
6.1.2
Ventilatordimensionierung und Einfluss auf den EWT
6.1.2.1 Einflussgrößen bei der Dimensionierung von Ventilatoren
·
Für die Dimensionierung des Ventilators wird der erforderliche Nennvolumenstrom V sowie der
bei Nennmassenstrom erzielte Druckverlust Dpges des Lüftungssystems benötigt. Wird der
Nennvolumenstrom entsprechend des Einsatzfalles (volumen- personen-, kühllastbezogene
Bestimmung des Luftvolumenstromes – siehe Kapitel 5.4) festgelegt, so setzt sich der
Gesamtdruckverlust Dpges aus den Einzeldruckverlusten der Anlagenkomponenten (Kanalreibung, Kanaleinzelwiderstände und Apparatewiderstände) zusammen.
Die Kanalreibung und die Kanaleinzelwiderstände können aus der Aufschlüsselung der
Luftverteilleitung (inkl. EWT) ermittelt werden. Der größte Anteil der Druckverluste ergibt sich
meist aus der Summe der Apparatewiderstände, wie Filter, Schalldämpfer oder Wärmetauscher. Die Größe dieser Bauteile beeinflusst deren Widerstandbeiwerte und kann in einem
gewissen Bereich frei gewählt werden. Bei geringen Widerständen erhält man zwar einen ruhig
97
laufenden Ventilator, jedoch, aufgrund großer Kanalquerschnitte, teure Apparate, bei großen
Widerständen geräuschvolle Ventilatoren mit größerem Energieverbrauch, aber billigen
Apparaten. Nach VDI 3803 können aus Tabelle 15 Richtwerte für günstige (hinsichtlich
Primärenergiebedarf und Geräuschbelästigung) Strömungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit
von der Betriebszeit des Ventilators entnommen werden.
Tabelle 15: Empfohlene mittlere Luftgeschwindigkeiten in Kanälen in Abhängigkeit von der Betriebszeit
nach VDI 3803
Betriebszeiten
[h/a]
Mittlere
Luftgeschwindigkeiten
< 1500
< 3000
< 6000
< 8760
<4
<3
< 2,5
<2
[m/s]
In Tabelle 16 sind für einige Lüftungsapparate übliche Druckverlustbereiche angeführt. Zu
berücksichtigen bleibt, dass sich die Druckverluste von Filtersystemen bedingt durch
Verschmutzung nach relativ kurzen Betriebszeiten stark erhöhen und somit einer ständigen
Wartung unterliegen. Bei größeren Lüftungsanlagen empfiehlt es sich, den Verschmutzungsgrad des Filters über eine differenzdruckgeregelte Routine zu überwachen.
Tabelle 16: Mittlere Apparatewiderstände (Recknagel et al., 2000)
Bauteil
Mittlerer Widerstand
[Pa]
Grobstaubfilter
40 – 120
Feinstaubfilter
80 - 250
Feinststaubfilter
100 - 350
Lufterwärmer
20 – 100
Luftkühler
50 – 150
Luftbefeuchter
80 – 250
Außenluftklappen
10 – 30
Grundsätzlich sind für den Betrieb von Lüftungsanlagen geräuscharme Ventilatoren mit
möglichst geringen Leistungsaufnahmen einzusetzen. Die Auswahl erfolgt unter Berücksichtigung von Geräuschentwicklung, Gesamtwirkungsgrad hges, Investitions- und
Wartungskosten.
·
Durch den Volumenstrom V und der gesamten Druckerhöhung Dpges ist die Förderleistung des
Ventilators festgelegt. Die Förderleistung ist die theoretische Leistung, die benötigt wird, um das
Medium Luft bei einem Ventilatorwirkungsgrad von 100% zu bewegen. Wird noch der
Wirkungsgrad des Ventilators berücksichtigt, ergibt sich die nötige elektrische Antriebsleistung
des Ventilators.
98
·
PVentilator ,el =
Dp ges × V
h ges
[W]
PVentilator,el
[W]
elektrische Leistungsaufnahme des Ventilators
Dpges
[Pa]
Druckverlust der gesamten Lüftungsanlage
V
[m³/s]
Volumenstrom
hges
[-]
Gesamtwirkungsgrad des Ventilators
·
(Gleichung 27)
Als guter Richtwert für den Strombedarf von kleinen Ventilatoren können die schon in Kapitel
6.1.1.2 erwähnten 0,4 W pro m³ transportiertem Luftvolumen je Stunde gesehen werden.
Ventilatorwirkungsgrade liegen in Abhängigkeit von der Lage des Betriebspunktes und des
gewählten Produktes zwischen 20 und 60%, wobei in ungünstigen Fällen auch Wirkungsgrade
von weniger als 10% möglich sind.
6.1.2.2 Einfluss des Ventilators auf die Effizienz von EWT
Die Differenz zwischen der elektrischen Leistungsaufnahme PVentilator,el und der Förderleistung
stellt die Wärmeleistung dar, die dem Medium Luft durch den Ventilator im Lüftungssystem
zugeführt wird. Strömungsverluste am Ventilatorrad sowie der Wirkungsgrad des Antriebs
definieren diese Verlustleistung, wobei erstere den größeren Anteil haben. Diese auf das
Medium Luft übertragene Verlustleistung führt zu einer Erwärmung desselben. Die
Größenordnung des Temperaturhubs kann je nach Ventilatorgröße und Wirkungsgrad bis zu 3K
betragen. Zur überschlägigen Ermittlung der Temperaturerhöhung kann die nachfolgende
Gleichung (Recknagel et al., 2000) herangezogen werden.
DT »
Dp ges
1200 × h ges
[K]
(Gleichung 28)
DT
[K]
Temperaturerhöhung der Zuluft durch den Ventilator
Dpges
[Pa]
Druckverlust der gesamten Lüftungsanlage
hges
[-]
Gesamtwirkungsgrad des Ventilators
Im Fall von EWT – Anwendungen wirkt sich diese Erwärmung für den Heiz- und Kühlfall
unterschiedlich aus.
Im EWT – Heizfall (siehe Abbildung 73) führt die Verlustwärmeleistung zu einer Nacherwärmung des Fördermediums Luft und wirkt sich, da die Luft ohnedies erwärmt werden müsste,
nicht negativ auf das System aus. Der einzige negative Effekt ist der, dass es sich bei der
Erwärmung durch den Ventilator um eine versteckte Elektroheizung handelt, weshalb aus
ökologischen Gründen bessere Ventilatorwirkungsgrade vorteilhaft wären.
99
T Zuluft
T WRG, aus
T WRG, ein
T EWT, ein
T EWT, aus
Winter (Luftvorwärmung)
18°C
15°C
Temperaturverlauf
der Frischluft
0,2°C
-11,5°C
Luftansaugung
Erdregister
Raum
Wärmerück- Zuluft
gewinnung Ventilator
Abbildung 73: Temperaturverlauf in einer Lüftungsanlage mit EWT und Wärmerückgewinnung im
Heizfall. Deutlich ist die Erhöhung der Zulufttemperatur durch die Verlustleistung des
Ventilators zu erkennen.
Im EWT – Kühlfall (siehe Abbildung 74) führt die Verlustwärmeleistung auch zu einer
Nacherwärmung des Fördermediums Luft. Der Unterschied zum Heizfall ist, dass sich die
Erwärmung negativ auf das verfolgte Kühlkonzept mittels EWT auswirkt. Über den EWT wird
die Zuluft gekühlt, durch die Verlustleistung des Ventilators wird diese wieder erwärmt. Am
Beispiel des EWT - Referenzsystems (Rahmenbedingungen siehe Kapitel 5.1.3) wird
nachfolgend gezeigt, dass bei einem nutzbringenden Temperaturhub von 9,6 K durch den EWT
eine Temperaturerhöhung durch einen praxisüblichen Ventilator von 2,4 K die EWT – Leistung
insgesamt um etwa 25% reduziert. Dieses Beispiel zeigt, dass vor allem bei Anwendungen mit
dem Schwerpunkt „Kühlen“ Ventilatorwirkungsgrade höchste Aufmerksamkeit verdienen.
T Zuluft
T EWT, ein
Temperaturverlauf
der Frischluft
T EWT, aus
Sommer (Kühlung)
29,4°C
19,6°C
Luftansaugung
Erdregister
Zuluft Ventilator
22°C
Raum
Abbildung 74: Temperaturverlauf in einer Lüftungsanlage mit EWT im Kühlfall. Deutlich ist die Erhöhung
der Zulufttemperatur durch die Verlustleistung des Ventilators zu erkennen.
6.2
6.2.1
10 0
Ermittlung des EWT Querschnittes
Leistungen, Energieerträge und Austrittstemperaturen in Abhängigkeit vom
Verhältnis Querschnitt zu Volumenstrom
Wie bereits im Kapitel 5.5.2 und 6.1.1 dargestellt, beschränkt sich der wesentliche Einfluss des
EWT – Rohr Querschnittes auf den Druckverlust. Der Grund liegt darin, dass sich die konträren
Auswirkungen (Änderung der Rohroberfläche und Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten
im Rohr) energetisch nahezu aufheben. Um diesen Zusammenhang nochmals zu
verdeutlichen, wird in Abbildung 75 die erreichbare Leistung (Heiz- und Kühlleistung)
unterschiedlicher EWT – Rohrdurchmesser über dem Volumenstrom aufgetragen. Die Länge
der Rohre und die anderen Einflussgrößen wurden in dieser Darstellung konstant gehalten
(siehe Rahmenbedingungen des Referenzsystems in Kapitel 5.1.3). Dabei ist zu erkennen,
dass die EWT – Leistung bis zu einem Volumenstrom von 1000 m³/h nahezu
querschnittsunabhängig ist, was durch die oben dargestellten Zusammenhänge begründet ist.
Ab 1000 m³/h verflacht die Leistungskurve für DN 110 relativ rasch und verläuft ab 5000 m³/h
waagrecht. In diesem Bereich ist nicht mehr die Konvektion (innerer Wärmeübergang) der
begrenzende Faktor beim Wärmedurchgang, sondern die Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials
lRohr. Ähnliche Verläufe stellen sich versetzt bei den übrigen Durchmessern ein.
EWT - Leistung in Abhängigkeit vom Volumenstrom und Rohrdurchmesser
(bei T_max=29,4°C bzw. T_min=-11,5°C)
(Einzelrohr PVC frei verlegt Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
7000
DN 400 Heizen
6000
5000
Heizleistung
DN 300 Heizen
4000
3000
DN 200 Heizen
2000
DN 110 Heizen
1000
0
-1000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-2000
3500
4000
4500
5000
DN 110 Kühlen
DN 200 Kühlen
-3000
-4000
Kühlleistung
-5000
DN 300 Kühlen
DN 400 Kühlen
-6000
Abbildung 75: EWT – Leistung in Abhängigkeit von Volumenstrom und Rohrdurchmesser
Unabhängig vom Druckverlust wird in dieser Darstellung deutlich, dass aus energetischer Sicht
im Ablösungsbereich der kleinen Durchmesser (Verflachung der Leistungskurven) von den
noch ansteigende Kurven der größeren Rohrdurchmesser, die Grenzen für den jeweiligen
Querschnitt liegen. Bei kleinen Volumenströmen sind kleinere Rohrdurchmesser auch
energetisch günstiger, bei größeren Volumenströmen größere Rohrdurchmesser. Eine
10 1
Vergrößerung des Diagrammabschnittes von 1000 m³/h bis 2000 m³/h lässt dies in Abbildung
76 noch besser erkennen.
EWT - Heizleistung in Abhängigkeit vom Volumenstrom und Rohrdurchmesser
(bei T_max=29,4°C bzw. T_min=-11,5°C)
4500
DN 400 Heizen
4000
DN 300 Heizen
3500
DN 200 Heizen
3000
DN 110 Heizen
2500
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Abbildung 76: Gezoomter Ausschnitt aus dem Diagramm zur Ermittlung der EWT – Leistung in
Abhängigkeit des Volumenstroms für den Bereich von 1000 m³/h bis 2000 m³/h
Der kleinste Querschnitt DN 110 liegt bereits unter den übrigen. Bis zu einem Volumenstrom
von rund 1400 m³/h könnten mit einem DN 200 Rohr die höchsten Leistungen erzielt werden,
und ab 2000 m³/h (am rechten Diagrammrand) übersteigt der DN 400 – Verlauf den vom DN
300 Rohr.
Neben der Ermittlung der Maximalleistung eines EWT kann je nach Einsatzfall auch der
Jahresenergieertrag (Abbildung 77) oder die EWT – Austrittstemperatur (Abbildung 78) als
Auslegungsparameter herangezogen werden. Beim Jahresenergieertrag eines EWT zeigt sich
grundsätzlich ein ähnlicher Verlauf wie bei der EWT - Leistung.
Bei der Auslegung eines EWT auf eine erforderliche Austrittstemperatur (Abbildung 78) zeigt
sich deutlich, dass bei geringen Volumenströmen (gleichbedeutend mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten) die höchsten Temperaturdifferenzen zu erzielen sind, was aber nicht mit
maximalen Energieerträgen gleichbedeutend ist. Ab einem Volumenstrom von rund 1200 m³/h
spielt der Querschnitt für die EWT – Austrittstemperatur nahezu keine Rolle mehr.
10 2
EWT - Jahresenergieertrag in Abhängigkeit vom Volumenstrom und Rohrdurchmesser
(Einzelrohr PVC frei verlegt Länge=50m Tiefe=2m Erde, feucht Dauerbetrieb Graz.dat)
9000
DN 400 Heizen
7500
Heizenergieerträge
6000
DN 300 Heizen
4500
DN 200 Heizen
3000
DN 110 Heizen
1500
0
-1500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
DN 110 Kühlen
DN 200 Kühlen
-3000
DN 300 Kühlen
-4500
Kühlenergieerträge
-6000
DN 400 Kühlen
-7500
Abbildung 77: EWT – Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von Volumenstrom und Rohrdurchmesser
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit vom Volumenstrom und Rohrdurchmesser
(bei T_max=29,4°C und T_min=-11,5°C)
35
T_max
Sommerbetrieb T_max=29,4°C
30
DN 110 Kühlen
25
DN 200 Kühlen
20
DN 300 Kühlen
15
DN 400 Kühlen
10
DN 400 Heizen
5
DN 300 Heizen
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
DN 200 Heizen
-5
DN 110 Heizen
-10
-15
Winterbetrieb T_min=-11,5°C
T_min
Abbildung 78: EWT – Austrittstemperatur in Abhängigkeit von Volumenstrom und Rohrdurchmesser
Die ab diesem Zeitpunkt zunehmend einsetzende Verflachung der Austrittstemperaturkurven
zeigt, dass eine Leistungssteigerung nur mehr durch höhere Volumenströme erreicht werden
kann. Die begrenzenden horizontalen Linien stellen das Maximum der Außenlufttemperatur des
Klimadatensatzes Graz sowohl für den Sommerbetrieb als auch den Winterbetrieb dar.
6.2.2
10 3
Druckverlust und Querschnitt
Kombiniert man die in Kapitel 6.2.1 beschriebenen energetischen Zusammenhänge zwischen
Querschnitt und Volumenstrom mit den zulässigen Druckverlusten (die obere Grenze sollte die
in Kapitel 6.1.1.2 definierten 2 Pa/m nicht übersteigen), ergeben sich günstige
Volumenstrombereiche für den jeweiligen Rohrdurchmesser (Tabelle 11). Reiht man die
Leistungskurven für die einzelnen Rohrdurchmesser und Volumenstrombereiche aneinander,
erhält man einen fließenden Übergang der Querschnittsabstufungen über die gesamte
Bandbreite des Volumenstroms, ohne Einbußen an der Genauigkeit des Diagramms
hinnehmen zu müssen. Abbildung 79 zeigt die aneinandergereihten Leistungskurven für jeden
einzelnen Querschnitt- bzw. Volumenstrombereich in unterschiedlichen Farben.
BASISNOMOGRAMM "LEISTUNG"
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge=50m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
Graz.dat
DN 450
7000
Heizleistung
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-2000
-3000
-4000
-5000
-6000
Kühlleistung
Abbildung 79: Basisnomogramm zur Ermittlung der EWT – Leistung und des geeigneten Rohrdurchmessers in Abhängigkeit vom Volumenstrom
Der Vorteil dieser Darstellung ist, dass sich daraus eine einzige, hinsichtlich Leistung und
Druckverlusten optimierte Kurve mit fließendem Übergang für die unterschiedlichen
Querschnitte ergibt. Die restlichen Einflussparameter (aus Referenzsystem, Kapitel 5.1.3)
werden dabei konstant gehalten.
Mit diesem Diagramm lässt sich zum Beispiel bei einer geforderten Heiz- / Kühlleistung sofort
der dafür erforderliche Volumenstrom und Rohrquerschnitt ermitteln.
10 4
Beispiel: Eine Heizleistung von 2000 W ist gefordert: Man schneidet die Heizleistungskurve bei
2000 W und geht senkrecht auf die Volumenstrom – Achse und erhält rund 500 m³/h. Der
Rohrquerschnitt lässt sich durch die in diesem Diagramm unterschiedlich dargestellten
Farbbereich rasch ermitteln - DN 200.
Die gleiche Handhabung des spezifischen Diagramms gilt auch für den umgekehrten Fall, wenn
man bei gegebenem Volumenstrom auf die erreichbare EWT – Leistung schließen möchte.
Neben dem spezifischen Leistungsnomogramm mit definiertem Optimum zwischen EWTLeistung und Druckverlust können auch spezifische Nomogramme für die Auslegungsgrößen
Jahresenergieertrag und Austrittstemperatur ermittelt werden. Diese sind in Abbildung 80 und
Abbildung 81 dargestellt.
BASISNOMOGRAMM "ENERGIEERTRAG"
Graz.dat
DN 450
10000
Heizenergieerträge
8000
6000
4000
2000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-2000
-4000
-6000
-8000
Abbildung 80: Basisnomogramm zur Ermittlung der EWT – Energieerträge und des geeigneten
Rohrdurchmessers in Abhängigkeit vom Volumenstrom
10 5
BASISNOMOGRAMM "TEMPERATUR"
Graz.dat
DN 450
35
30
25
20
15
10
5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-5
-10
-15
Abbildung 81: Basisnomogramm zur Ermittlung der EWT –Austrittstemperaturen und des geeigneten
Rohrdurchmessers in Abhängigkeit vom Volumenstrom
6.3
6.3.1
Ermittlung der EWT Länge
Rohrlänge
Neben dem Querschnitt wird die Geometrie von EWT durch die Länge bestimmt. Im Gegensatz
zum Querschnitt beeinflusst die Rohrlänge nicht den inneren Wärmeübergang, hat aber sehr
wohl entscheidende Auswirkungen auf den Druckverlust des EWT. Um die Auswirkungen der
Rohrlänge in Verbindung mit dem Querschnitt darstellen zu können, wird jedem Querschnitt in
den nachfolgenden Abbildungen der dazugehörige Volumenstrom und damit der Druckverlust
aus Tabelle 11 (der Grenzwert beträgt 2 Pa/m) zugeordnet. Neben den Vorteilen der
spezifischen Betrachtung, können direkt und einfach die Druckverluste über das EWT –
Einzelrohr ermittelt werden.
In Abbildung 82 sind die Jahresenergieerträge für die Durchmesser DN 110 bis DN 400 mit den
jeweils zugehörigen Volumenströmen in Abhängigkeit von der Rohrlänge dargestellt. Beim
Verlauf des Energieertrages für den Durchmesser DN 110 ist eine deutliche Verflachung der
Kurve über eine Rohrlänge von hundert Metern zu erkennen. Die Luft im EWT wird in diesem
Fall auf ein Temperaturniveau gebracht, das nahezu dem des Erdreichs entspricht und somit
keine weitere Temperaturerhöhung möglich ist. Eine solche Dimensionierung schöpft das
Temperaturpotenzial des Erdreichs nahezu aus.
Für das Rohr mit Nennweite DN 110 werden 50% der Gesamtenergie dabei bereits nach zehn
Metern erreicht. Bei 30 Meter sind es 80%, und will man den Energieertrag um weitere 10% auf
10 6
90% steigern, so sind wiederum 20 Meter Rohr zusätzlich erforderlich. Der selbe Effekt stellt
sich längenverschoben auch für größere Rohrdurchmesser ein.
EWT - Jahresenrgieertrag in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser / Volumenstrom und Rohrlänge
(Einzelrohr PVC frei verlegt Tiefe=2m Erde, feucht Graz.dat)
4000
DN 400 / 4000 m³/h
Heizen
Heizenergieerträge
3500
3000
DN 300 / 2000 m³/h
Heizen
2500
2000
DN 200 / 500 m³/h
Heizen
1500
1000
DN 110 / 100 m³/h
Heizen
500
0
-500
0
20
40
60
80
100
DN 110 / 100 m³/h
Kühlen
-1000
DN 200 / 500 m³/h
Kühlen
-1500
-2000
DN 300 / 2000 m³/h
Kühlen
-2500
-3000
-3500
DN 400 / 4000 m³/h
Kühlen
-4000
Rohrlänge [m]
Abbildung 82: EWT – Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und
der Rohrlänge
Daher ist für jeden Auslegungsfall in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser die optimale Länge
hinsichtlich Energieerträge und Investitionskosten zu ermitteln. Hilfestellung hierzu können
neben den zur Verfügung stehenden Nomogrammen sogenannte Grenzrohrlängen geben. Bei
kleinen Rohrdurchmessern (beispielsweise DN 110, DN 150) kann mit verhältnismäßig kurzen
Rohrlängen das Erdreichpotential gut ausgenutzt werden. Das Optimum zwischen
Energieerträgen und Investitionskosten liegt für diese Rohrdurchmesser bei einer Nutzung des
theoretischen Erdreichpotenzials (Betriebscharakteristik oder thermischer Wirkungsgrad, siehe
Kapitel 5.6) zwischen 50 und 80%. In Tabelle 17 sind für die Rohrdurchmesser DN 110 bis
DN 400 die nötigen Rohrlängen bei Betriebscharakteristiken von 50 und 80% dargestellt.
Tabelle 17:
Nötige Rohrlängen bei Betriebscharakteristiken von 50% bis 80% für verschiedene
Rohrdurchmesser
Ausnutzung des
Erdreichs
Grenzlänge bei
DN 110
Grenzlänge
bei DN 200
Grenzlänge
bei DN 300
Grenzlänge
bei DN 400
50 %
~10 m
~60 m
~120 m
~300 m
80%
~30 m
~100 m
~350 m
~700 m
Deutlich ist zu erkennen, dass sich bei größeren Querschnitten, bei diesen
Betriebscharakteristiken, Rohrlängen ergeben, die theoretischen Charakter haben, in der
Realität aber nicht in Frage kommen. Es sollte deshalb bei größeren Rohrdurchmessern (DN
300, DN 400) aufgrund des meist nicht vorhandenen Verlegefläche, der daraus resultierenden
10 7
Druckverluste und der entstehenden Investitionskosten eine Betriebscharakteristik von unter
50% gewählt werden. Auch die spezifischen Erträge je Meter EWT-Rohr sind bei
Betriebscharakteristiken unter 50% deutlich höher.
Abbildung 83 beschreibt den Einfluss der Größen Volumenstrom, Rohrdurchmesser und der
Rohrlänge auf die Auslegungsgröße „Heiz- bzw. Kühlleistung“. Der Kurvenverlauf ist dem der
Jahresenergieerträge in Abbildung 82 sehr ähnlich.
EWT - Leistung in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser / Volumenstrom und Rohrlänge
5
Heizleistung
DN 400 / 4000 m³/h
Heizen
4
3
DN 300 / 2000 m³/h
Heizen
2
DN 200 / 500 m³/h
Heizen
1
DN 110 / 100 m³/h
Heizen
0
0
20
40
60
-1
80
100
DN 110 / 100 m³/h
Kühlen
DN 200 / 500 m³/h
Kühlen
-2
-3
DN 300 / 2000 m³/h
Kühlen
-4
Kühlleistung
DN 400 / 4000 m³/h
Kühlen
-5
Rohrlänge [m]
Abbildung 83: EWT – Leistung in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und der
Rohrlänge
Der Einfluss der selben Größen auf die Auslegungsgröße „Austrittstemperatur“ wird in
Abbildung 84 dargestellt. Bei der Betrachtung dieses Diagramms muss berücksichtigt werden,
dass die bei kleinen Rohrdurchmessern schon bei kurzen Rohrlängen erreichten
Temperaturdifferenzen zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur nicht direkt auf höhere
Energieerträge schließen lassen, sondern auch der Volumenstrom eine wichtige Rolle spielt.
10 8
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser / Volumenstrom und Rohrlänge
35
32,5
DN 400 / 4000 m³/h
Kühlen
30
27,5
DN 300 / 2000 m³/h
Kühlen
25
22,5
DN 200 / 500 m³/h
Kühlen
20
17,5
15
DN 110 / 100 m³/h
Kühlen
12,5
10
DN 110 / 100 m³/h
Heizen
7,5
5
2,5
DN 200 / 500 m³/h
Heizen
0
-2,5 0
20
40
60
100
DN 300 / 2000 m³/h
Heizen
-5
-7,5
-10
-12,5
80
DN 400 / 4000 m³/h
Heizen
-15
Rohrlänge [m]
Abbildung 84: EWT – Austrittstemperatur in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und
der Rohrlänge
Da der Volumenstrom für größere Rohrdurchmesser auch dementsprechend größer gewählt
wurde (siehe Bildlegende in Abbildung 84), sind Leistung und Energieertrag auch bei geringen
Rohrlängen höher (vergleiche mit Abbildung 82 und Abbildung 83).
6.3.2
Querschnitt, Druckverlust und Länge
Werden die spezifischen Dimensionierungsnomogramme für die Auslegungsgrößen
„Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und „Austrittstemperatur“ aus Kapitel 6.2.2 um den Parameter
„Rohrlänge“ ergänzt, erhält man drei praktikable Nomogramme (Abbildung 85, Abbildung 86
und Abbildung 87) für die selben Größen mit denen die Geometrie des EWT über einen großen
Volumenstrombereich (DN 110 bis DN 400) bei geforderten Auslegungsgrößen einfach zu
bestimmen ist. Nachfolgend wird das Nomogramm für die Auslegungsgröße
„Jahresenergieertrag“ (Abbildung 85) erläutert.
Auf der Abszisse ist der Volumenstrom [m³/h] und auf der Ordinate der Energieertrag [kWh]
aufgetragen. Die oberhalb der Nulllinie aufgetragenen Kurvenscharen stellen die
Heizenergieerträge dar, die unterhalb der Nulllinie die Kühlenergierträge. Für die jeweiligen
Volumenstrombereiche sind, durch Berücksichtigung der in Kapitel 6.1.1.2 ermittelten
Druckverluste, Rohrnenndurchmesser definiert (Linke obere Ecke im Nomogramm). Die
Bereiche für den Luftstrom zwischen den dargestellten Querschnitten DN 110 – DN 400 werden
durch Zwischengrößen DN 150, DN 250, usw. abgedeckt.
10 9
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
15000
13500
12000
10500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
L=100m Heizen
L = 100m
Heizenergieerträge
9000
L=50m Heizen
L = 50m
7500
6000
4500
L = 20m
L=20m Heizen
3000
1500
0
-1500 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-4500
L=50m Kühlen
-6000
L = 50m
-7500
-9000
-10500
L = 100m
L=100m Kühlen
-12000
Abbildung 85: ENERGIEERTRAG – in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und
Länge.
Bei einem geforderten Volumenstrom je EWT – Rohr von 500 m³/h ist beispielsweise ein DN
200 Rohr zu wählen, bei einem Volumenstrom von 2500 m³/h ein DN 350 Rohr.
Der Einfluss der Rohrlänge des EWT auf den Energieertrag wird durch die einzelnen Kurven
dargestellt. Nachfolgend wird ein Beispiel zur Handhabung des Nomogrammes erläutert.
Beispiel: Welchen Jahresenergieertrag liefert ein 100 m langer EWT mit einem geforderten
Volumenstrom von 1000 m³/h?
·
Ein Volumenstrom vom 1000 m³/h erfordert unter der Voraussetzung, dass der
EWT als Einzelrohr realisiert werden soll, einen Querschnitt von DN 250 (siehe
Tabelle links oben im Nomogramm).
·
Beim geforderten Volumenstrom wird eine vertikale Linie gezogen, und der
Schnittpunkt mit der „100 m – Kurve“ ergibt, bei einem Betrieb von 8760 Stunden,
einen Heizenergieertrag von ~6000 kWh/a und einen Kühlenergieertrag von ~4500
kWh/a.
Analog zum Nomogramm „Jahresenergieertrag“ sind auch die Nomogramme „Leistung“ und
„Austrittstemperatur“ in Abbildung 86 und Abbildung 87 handzuhaben. In beiden Darstellungen
wurde ebenso obiges Dimensionierungsbeispiel eingetragen.
11 0
NOMOGRAMM LEISTUNG
13500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
12000
10500
9000
L=100m Heizen
L = 100m
Heizleistung
L=50m Heizen
7500
L = 50m
6000
4500
L = 20m
L=20m Heizen
3000
1500
0
-1500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-3000
L=50m Kühlen
-4500
L = 50m
-6000
-7500
Kühlleistung
L=100m Kühlen
L = 100m
-9000
-10500
Abbildung 86: LEISTUNG – in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Länge
.
NOMOGRAMM AUSTRITTSTEMPERATUR
35
T_max
30
L=20m Kühlen
L = 20m
25
L = 50m
20
L=50m Kühlen
L = 100m
15
L=100m Kühlen
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
10
L=100m Heizen
5
L = 100m
L=50m Heizen
0
0
-5
-10
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Heizen
L = 50m
L = 20m
T_min
-15
Abbildung 87: AUSTRITTSTEMPERATUR
Druckverlust und Länge.
–
in
Abhängigkeit
von
Volumenstrom,
Querschnitt,
6.4
6.4.1
11 1
Ermittlung der EWT – Verlegetiefe
Verlegetiefe
Wie in Kapitel 5.7 ausführlich behandelt, begünstigt eine größere Verlegetiefe den Betrieb von
EWT. Dem entgegen stehen höhere Investitionskosten bei zunehmender Verlegetiefe. Gleich
wie bei anderen Parametern, muss auch bei der Verlegetiefe ein Optimum zwischen
Energieerträgen und Investitionskosten gefunden werden.
In Abbildung 88 sind die Jahresenergieerträge für die Durchmesser DN 110 bis DN 400 mit den
jeweils zugehörigen Volumenströmen in Abhängigkeit von der Verlegetiefe dargestellt. Die
übrigen Parameter entsprechen jenen des Referenzsystems (siehe Kapitel 5.1.3). Aus dieser
Darstellung ist deutlich zu erkennen, dass sich das mit der Tiefe zunehmende
Temperaturniveau des Erdreichs mit höheren Energieerträgen des EWT ausdrückt. Die höchste
Ertragssteigerung wird erreicht, wenn die Verlegetiefe von 1 m auf 2 m geändert wird. Bei
Heizbetrieb sind dadurch Energieertragssteigerungen von 27% (DN 110) bis 14% (DN 400) je
nach Querschnitt möglich. Beim Kühlbetrieb bewegen sich die Ertragssteigerungen von 38%
(DN 110) bis 18% (DN 400) in einem etwas günstigeren Bereich.
Jahresergieerträge in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser
(Einzelrohr PVC frei verlegt Länge = 50m Dauerbetrieb Erde, feucht Graz.dat)
10000
Heizen 4000 m³/h /
DN 400
8000
6000
Heizen 2000 m³/h /
DN 300
4000
Heizen 500 m³/h /
DN 200
2000
Heizen 100 m³/h /
DN 110
0
0
1
2
3
4
-2000
5
6
7
Kühlen 100 m³/h /
DN 110
-4000
Kühlen 500 m³/h /
DN 200
-6000
Kühlen 2000 m³/h /
DN 300
-8000
DN 400
-10000
Verlegetiefe [m]
Abbildung 88: EWT – Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und
der Verlegetiefe
Bei kleineren Rohrquerschnitten können die in größeren Verlegetiefen vorherrschenden
Temperaturniveaus - aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten (siehe Tabelle 11)
- „besser“ ausgenutzt werden. Daher sind auch die prozentuell höheren Energiesteigerungen
(27% bzw. 38%) beim DN 110 Rohr (entspricht einem Volumenstrom von 100 m³/h) möglich.
Mit zunehmender Verlegetiefe nimmt die Steigerungsrate immer mehr ab. So erhöht sich beim
11 2
Übergang von 5 m auf 6 m Verlegetiefe der Heizertrag um 6% - 8% bzw. der Kühlertrag um 8%
- 10%.
Abbildung 89 beschreibt den Einfluss der Größen: Volumenstrom, Rohrdurchmesser und
Verlegetiefe auf die „Heiz- bzw. Kühlleistung“. Der Kurvenverlauf ist dem der
Jahresenergieerträge in Abbildung 88 sehr ähnlich.
EWT-Leistung in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom / Rohrdurchmesser
8000
Heizen 4000 m³/h /
DN 400
6000
Heizen 2000 m³/h /
DN 300
4000
Heizen 500 m³/h /
DN 200
2000
Heizen 100 m³/h /
DN 110
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Kühlen 100 m³/h /
DN 110
-2000
Kühlen 500 m³/h /
DN 200
-4000
DN 300
-6000
DN 400
-8000
Verlegetiefe [m]
Abbildung 89: EWT – Leistungen in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und der
Verlegetiefe
Der Einfluss der selben Größen auf die „Austrittstemperatur“ wird in Abbildung 90 dargestellt.
11 3
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser (bei T_max=29,4°C und T_min=-11,5°C)
35
T_max
30
DN 400
25
DN 300
20
Kühlen 500 m³/h /
DN 200
15
Kühlen 100 m³/h /
DN 110
10
Heizen 100 m³/h /
DN 110
5
Heizen 500 m³/h /
DN 200
0
0
1
2
3
4
-5
5
6
7
Heizen 2000 m³/h /
DN 300
Heizen 4000 m³/h /
DN 400
-10
T_min
-15
Verlegetiefe [m]
Abbildung 90: EWT – Austrittstemperaturen in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser, Volumenstrom und
der Verlegetiefe
IN direktem Zusammenhang mit der Verlegetiefe steht bei der Dimensionierung eines EWT die
Rohrlänge. Durch ein „günstigeres“ Temperaturniveau in größeren Verlegetiefen sind bei
vorgegeben bzw. geforderten Energieerträgen kleinere Rohrlängen möglich. Abbildung 91 zeigt
den Zusammenhang zwischen Verlegetiefe und Rohrlänge bei einem Volumenstrom von 500
m³/h, einem Querschnitt von 200 mm und sonstigen Parametern des Referenzsystems (Kapitel
5.1.3). Beispielhaft wurde die Darstellung für den „Jahresenergieertrag“ gewählt.
Beispiel: Soll ein EWT mit einem geforderten Heizenergieertrag von 2500 kWh ausgelegt
werden, so ergibt im vorliegenden Fall (PVC - Rohr, frei verlegt, DN 200, V=500 m³/h, Erde
feucht, Graz) ein 70 m langes Einzelrohr in einer Tiefe von 1 m den selben Energieertrag wie
ein rund 30 m langes Rohr in einer Tiefe von 5 m.
11 4
EWT - Jahresenrgieertrag in Abhängigkeit von Rohrlänge und Verlegetiefe
(Einzelrohr PVC frei verlegt DN200 V=500m³/h Dauerbetrieb Erde, feucht Graz.dat)
5000
4500
Heizen t=6m
Heizenergieerträge
4000
Heizen t=4m
3500
3000
Heizen t=3m
2500
2000
1500
Heizen t=2m
1000
500
Heizen t=1m
0
-500 0
20
40
60
80
100
Kühlen t=1m
-1000
-1500
Kühlen t=2m
-2000
-2500
Kühlen t=3m
-3000
-3500
Kühlen t=4m
-4000
-4500
Kühlen t=6m
-5000
Rohrlänge [m]
Abbildung 91: EWT – Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von der Rohrlänge und der Verlegetiefe
Neben höheren Energieerträgen erfordern größere Verlegetiefen kürzere Rohrlängen und damit
geringere Investitionskosten für Rohrmaterial und Verlegung. Gleichzeitig erhöht sich mit
zunehmender Verlegetiefe aber der Mehraufwand bei den Aushubarbeiten. Für die Praxis
ergeben sich wirtschaftliche Verlegetiefen für EWT von 1,5 bis 2,5 Meter. Werden EWT tiefer
verlegt, sind Synergien mit Erdarbeiten, die für das zu konditionierende Gebäude nötig sind, zu
nutzen.
6.4.2
Spezifische Dimensionierungsnomogramme – Abhängigkeit von Volumenstrom,
Querschnitt, Druckverlust und Verlegetiefe
Werden die spezifischen Dimensionierungsnomogramme für „Jahresenergieertrag“, „Leistung“
und „Austrittstemperatur“ aus Kapitel 6.2.2 um den Parameter „Verlegetiefe“ ergänzt, erhält
man drei praktikable Nomogramme (Abbildung 92, Abbildung 93 und Abbildung 94) für die
selben Größen, mit denen der Einfluss der Verlegetiefe über einen großen
Volumenstrombereich (DN 110 bis DN 400) einfach zu bestimmen ist. Die Handhabung der
Nomogramme erfolgt gleich wie in Kapitel 6.3.2 erklärt (NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG – in
Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Länge). Statt der Rohrlänge
wird die Verlegetiefe variiert. Die Rohrlänge bleibt stattdessen mit 50 Meter konstant, die
restlichen Parameter entsprechen denen des Referenzsystems (Kapitel 5.1.3).
11 5
EWT - Jahresenergieerträge in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser
(Einzelrohr PVC frei verlegt Länge = 50m Erde, feucht Graz.dat)
10500
Tiefe = 6m
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
9000
7500
Heizen Tiefe=6m
Tiefe = 4m
Heizenergieerträge
Tiefe = 3m
Tiefe = 2m
Heizen Tiefe=4m
Tiefe = 1m
6000
Heizen Tiefe=3m
4500
Heizen Tiefe=2m
3000
Heizen Tiefe=1m
1500
0
Kühlen Tiefe=1m
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-1500
Kühlen Tiefe=2m
-3000
Kühlen Tiefe=3m
-4500
Tiefe = 1m
-6000
Tiefe = 2m
Kühlen Tiefe=4m
Tiefe = 3m
-7500
Tiefe = 4m
Kühlen Tiefe=6m
Tiefe = 6m
-9000
Abbildung 92: ENERGIEERTRAG - in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und
der Verlegetiefe
EWT - Leistung in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom / Rohrdurchmesser
8
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
6
Tiefe = 6m
Heizen Tiefe=6m
Tiefe = 3m
Heizleistung
Tiefe = 1m
4
Heizen Tiefe=4m
Heizen Tiefe=3m
Heizen Tiefe=2m
2
Heizen Tiefe=1m
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-2
Kühlen Tiefe=1m
Kühlen Tiefe=2m
-4
Kühlen Tiefe=3m
Tiefe = 1m
-6
Tiefe = 3m
Kühlen Tiefe=4m
Kühlleistung
Tiefe = 6m
Kühlen Tiefe=6m
-8
Abbildung 93: LEISTUNG - in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und der
Verlegetiefe
11 6
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit von der Verlegetiefe und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser
35
T_max
30
Kühlen Tiefe=1m
25
Kühlen Tiefe=2m
20
Kühlen Tiefe=3m
Kühlen Tiefe=4m
15
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
10
Kühlen Tiefe=6m
Heizen Tiefe=6m
5
Heizen Tiefe=4m
0
Heizen Tiefe=3m
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Heizen Tiefe=2m
-5
Heizen Tiefe=1m
-10
T_min
-15
Abbildung 94: AUSTRITTSTEMPERATUR - in
Druckverlust und der Verlegetiefe
6.5
Abhängigkeit
von
Volumenstrom,
Querschnitt,
Einfluss des Erdreiches auf die Dimensionierung
Die grundsätzlichen Zusammenhänge, sowie die wesentlichen Einflussgrößen auf das
thermische Verhalten des Erdreiches wurden bereits im Kapitel 5.3 (Erdreich) erläutert.
Nachfolgend wird der Einfluss des Erdreichs auf „Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und
„Austrittstemperatur“ mittels Nomogrammen dargestellt.
Werden die spezifischen Dimensionierungsnomogramme für „Jahresenergieertrag“, „Leistung“
und „Austrittstemperatur“ aus Kapitel 6.2.2 um den Parameter „Erdreich“ ergänzt, erhält man
drei praktikable Nomogramme (Abbildung 95, Abbildung 96 und Abbildung 97) für die selben
Größen, mit denen der Einfluss des Erdreichs über einen großen Volumenstrombereich einfach
zu bestimmen ist. Die Handhabung der Nomogramme erfolgt gleich wie in Kapitel 6.3.2 erklärt
(NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG – in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt,
Druckverlust und Länge). Statt der Rohrlänge wird hier das Erdreich variiert. Die Rohrlänge
bleibt stattdessen mit 50 Meter konstant, die restlichen Parameter entsprechen denen des
Referenzsystems (Kapitel 5.1.3).
In Abbildung 95 sind die Auswirkungen der Erdreichtypen auf den Jahresenergieertrag
dargestellt. Wie das Diagramm zeigt, ergeben sich Unterschiede sowohl bei den Heiz- als auch
bei den Kühlenergieerträgen von bis zu 100%. Die höchsten Energieerträge sind bei feuchtem
Erdreich zu erzielen. Dies ist der Fall, wenn die Körnung kleiner als 2 mm ist und somit der
Großteil des durchsickernden Oberflächenwassers gegen die Schwerkraft festgehalten werden
kann (siehe Kapitel 5.3). Die Jahresenergieerträge bei „Erde – trocken“ und „Sand – trocken“
11 7
sind über den gesamten Volumenstrom nahezu ident und liegen daher in Abbildung 95
übereinander. Dasselbe gilt auch für Abbildung 96 und Abbildung 97.
Jahresergieerträge in Abhängigkeit vom Erdreich und Volumenstrom / Rohrdurchmesser
(Einzelrohr PVC frei verlegt Länge = 50m Dauerbetrieb Graz.dat)
9000
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
7500
6000
Heizen Erde, feucht /
a=1,102*10-6 m²/s
Heizenergieerträge
Heizen Sand, feucht /
a=8,403*10-7 m²/s
4500
Heizen Sand, trocken /
a=4,053*10-7 m²/s
3000
Heizen Erde, trocken /
a=2,778*10-7 m²/s
1500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Kühlen Erde, trocken /
a=2,778*10-7 m²/s
-1500
Kühlen Sand, trocken /
a=4,053*10-7 m²/s
-3000
Kühlen Sand, feucht /
a=8,403*10-7 m²/s
-4500
-6000
Kühlen Erde, feucht /
a=1,102*10-6 m²/s
-7500
der Erdreichzusammensetzung
EWT - Leistung in Abhängigkeit vom Erdreich und Volumenstrom / Rohrquerschnitt
(Einzelrohr PVC frei verlegt DN200 Länge=50m Dauerbetrieb Graz.dat)
7
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
6
5
a=1,102*10-6 m²/s
Heizleistung
a=8,403*10-7 m²/s
4
a=2,778*10-7 m²/s
3
2
a=4,053*10-7 m²/s
1
0
-1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
a=4,053*10-7 m²/s
a=2,778*10-7 m²/s
-2
-3
a=8,403*10-7 m²/s
-4
-5
Kühlleistung
a=1,102*10-6 m²/s
-6
Abbildung 96: LEISTUNG - in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und der
Erdreichzusammensetzung
11 8
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit vom Erdreich und Volumenstrom / Rohrdurchmesser
(Einzelrohr PVC frei verlegt DN200 Länge=50m Dauerbetrieb Graz.dat)
35
T_max
30
a=4,053*10-7 m²/s
25
a=2,778*10-7 m²/s
20
a=8,403*10-7 m²/s
15
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
10
a=1,102*10-6 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
5
a=8,403*10-7 m²/s
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
a=2,778*10-7 m²/s
-5
a=4,053*10-7 m²/s
-10
T_min
-15
Abbildung 97: Austrittstemperatur - in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und
der Erdreichzusammensetzung
6.6
Einfluss des Rohrmaterials auf die Dimensionierung
Die grundsätzlichen Anforderungen an das Rohrmaterial wurden bereits im Kapitel 5.8
(Rohrmaterialien) erläutert. Nachfolgend wird der Einfluss des Rohrmaterials auf
„Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und „Austrittstemperatur“ mittels Nomogrammen dargestellt.
„Rohrmaterial“ ergänzt, erhält man drei praktikable Nomogramme (Abbildung 98, Abbildung 99
und Abbildung 100) für die selben Größen, mit denen der Einfluss des Rohrmaterials über
einen großen Volumenstrombereich einfach zu bestimmen ist. Die Handhabung der
Nomogramme erfolgt gleich wie in Kapitel 6.3.2 erklärt (NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG – in
Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Länge). Statt der Rohrlänge
wird hier das Rohrmaterial variiert. Die Rohrlänge bleibt mit 50 Meter konstant, die restlichen
Parameter entsprechen denen des Referenzsystems (Kapitel 5.1.3).
In Abbildung 98 sind die Auswirkungen der unterschiedlichen Rohrmaterialien auf den
Jahresenergieertrag dargestellt. Bis zu einem Volumenstrom vom 500 m³/h (das kommt einem
Rohrquerschnitt von DN 200 gleich) sind die Energieerträge nahezu konstant. Das heißt, bis zu
diesen Dimensionen ist die kostengünstigste Materialvariante zu wählen. Bei größeren
Querschnitten (Volumenströmen) spielt die Leitfähigkeit des Rohrmaterials eine immer stärkere
Rolle und führt bei Querschnitten von DN 400 zu Differenzen von über 40%.
11 9
EWT - Jahresenergieerträge in Abhängigkeit von Rohrmaterial und Volumenstrom /
Rohrdurchmesser
(Einzelrohr frei verlegt Länge=50m Tiefe=2m Dauerbetrieb Erde, feucht Graz.dat)
12000
Heizen Beton (2,0 W/mK)
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
10500
9000
Heizenergieerträge
Heizen Zement (1,4 W/mK)
7500
Heizen PP+MgSi (0,51
W/mK)
6000
Heizen HD-PE (0,35 W/mK)
4500
Heizen PVC (0,16 W/mK)
3000
Heizen PP (0,22 W/mK)
1500
Kühlen PP (0,22 W/mK)
0
-1500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Kühlen PVC (0,16 W/mK)
-3000
Kühlen HD-PE (0,35 W/mK)
-4500
Kühlen PP+MgSi (0,51
W/mK)
-6000
Kühlen Zement (1,4 W/mK)
-7500
-9000
Kühlen Beton (2,0 W/mK)
-10500
Rohrmaterial
EWT - Leistung in Abhängigkeit vom Rohrmaterial und Volumenstrom / Rohrdurchmesser
12
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
10
8
Heizleistung
W/mK)
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-2
3500
4000
4500
5000
-4
W/mK)
-6
-8
Kühlleistung
-10
Abbildung 99: LEISTUNG - in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und
Rohrmaterial
EWT - Austrittstemperatur in Abhängigkeit vom Rohrmaterial und Volumenstrom /
Rohrdurchmesser
35
32,5
12 0
T_max
30
27,5
25
22,5
20
W/mK)
17,5
15
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
12,5
10
7,5
5
2,5
W/mK)
0
-2,5 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
-5
-7,5
-10
-12,5
5000
T_min
-15
Abbildung 100: AUSTRITTSTEMPERATUR Druckverlust und Rohrmaterial
in
Abhängigkeit
von
Volumenstrom,
Querschnitt,
Durch den Einfluss der Leitfähigkeit des Rohrmaterials sollten bei hohen Volumenströmen aus
energetischer Sicht Betonrohre eingesetzt werden. Für Betonrohre sprechen bei größeren
Rohrdimensionen auch geringere Investitionskosten.
Neben den energetischen und wirtschaftlichen Ergebnissen spielen bei EWT-Anwendungen vor
allem die hygienischen Aspekte eine entscheidende Rolle, was bei der Rohrmaterialwahl
unbedingt berücksichtigt werden muss. Wie schon im Kapitel 5.8 dargestellt, müssen sowohl
Betonrohre wie auch Kunststoffrohre möglichst wasser- und gasdicht ausgeführt werden.
Dadurch entstehende Mehrkosten für das Rohrmaterial Beton müssen in die Materialauswahl
miteinbezogen und den Vorteilen dieses Materials gegenübergestellt werden.
6.7
Einfluss des Bypass - Betriebes
In Kapitel 5.9 (Umgehungsschaltung des EWT) wurden die Notwendigkeiten für die Installation
und Aktivierung eines Bypass um den EWT zur direkten Außenluftansaugung angeführt.
Nachfolgend wird ein Nomogramm dargestellt, in dem der Bypass-Betrieb in Abhängigkeit von
der Rohrlänge dargestellt wird. Ein Bypass-Betrieb hat keinen Einfluss auf die
„Maximalleistung“
und
„Maximale
Austrittstemperatur“
sondern
nur
auf
den
„Jahresenergieertrag“. Deshalb wird nachfolgend nur der Jahresenergieertrag in
Nomogrammform dargestellt.
Wird das Dimensionierungsnomogramm für die Auslegungsgrößen „Jahresenergieertrag“
(Abbildung 85) aus Kapitel 6.3.2 mit Aktivierung des Bypass-Betriebes erstellt, erhält man
Abbildung 101. Dieses Nomogramm visualisiert die Einflussgrößen Volumenstrom, Querschnitt,
12 1
Druckverlust, Rohrlänge und die aktivierte Bypass-Schaltung. Die restlichen Parameter
entsprechen dem Referenzsystem aus Kapitel 5.1.3. Die Heizgrenze für das Zuschalten der
Umgehung beträgt 14°C, die Kühlgrenze beträgt 22°C.
EWT - Jahresenergieerträge in Abhängigkeit von der Rohrlänge und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser im Bypassbetrieb (14°C / 22°C)
13500
L = 100m
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
12000
10500
9000
L=100m Heizen
L=50m Heizen
7500
L = 50m
Energieertrag [kWh]
6000
4500
L=20m Heizen
L = 20m
3000
1500
L=20m Kühlen
0
-1500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L = 20m
-3000
L=50m Kühlen
-4500
L = 50m
-6000
L=100m Kühlen
-7500
L = 100m
-9000
Abbildung 101: EWT – Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von der Rohrlänge und dem Volumenstrom /
Rohrdurchmesser im Bypass – Betrieb (Heizgrenze 14°C, Kühlgrenze 22°C)
Verglichen werden können die Unterschiede im Ergebnis durch „Aktivierung des BypassBetriebes“ mit dem Nomogramm in Kapitel 6.3.2 (Abbildung 85).
Wie schon mittels Sensitivitätsanalyse am Referenzsystem (Kapitel 5.9) erklärt, unterscheiden
sich die Heizerträge zwischen der Variante „Bypass - Betrieb“ und „Direktbetrieb“ über den
gesamten Volumenstrombereich nur sehr gering. Dies liegt darin begründet, dass die sinnvolle
Heizgrenztemperatur von 14°C (Außentemperatur) auch ohne Bypass - Betrieb keine höheren
Erträge zulässt, da das Erdreich nur in seltenen Fällen dementsprechendes Temperaturniveau
aufweisen kann.
Andere Ergebnisse liefert der „Bypass - Betrieb“ in Bezug auf die Kühlerträge von EWT. Dieser
führt (wie schon in Kapitel 5.9 erwähnt) im Vergleich zum Dauerbetrieb, unter der Annahme,
dass die Kühlgrenztemperatur bei 22°C liegt, zu einer Verringerung des
Jahreskühlenergieertrages von ~35% bei kleinen Rohrquerschnitten (DN 110) und ~20% bei
größeren Rohrquerschnitten (DN 400). Diese Abweichungsunterschiede in Bezug auf den
Nenndurchmesser entstehen deshalb, da bei den kleineren Rohrdurchmessern kleinere
Volumenströme vorherrschen (größere Temperaturhübe) und damit das Temperaturniveau im
Erdreich schon bei Außentemperaturen unter 22°C nutzbare Kühlerträge bringt. Bei großen
Volumenströmen / Rohrdurchmessern erzielt man die nutzbaren Kühlerträge erst bei
Außentemperaturen über 22°C. Wird die Kühlgrenztemperatur verschoben, stellen sich im
Bypass-Betrieb andere Erträge und somit andere Abweichungen vom Dauerbetrieb ein.
12 2
Müssen die Heiz- und Kühlerträge für einen auszulegenden EWT mit anderen Grenztemperaturen ermittelt werden, ist eine dynamische Simulation mit geeigneten Programmen
(beispielsweise WKM) unumgänglich.
6.8
Einfluss der Lage des EWT
In Kapitel 5.10 (Einfluss des Verlegeortes ) wurden die Rahmenbedingungen für die Verlegung
des EWT unter bzw. seitlich an einem Gebäude diskutiert und die Auswirkungen auf das
Referenzsystem dargestellt. Gebäude beeinflussen den Wärmehaushalt im Erdreich in
zweierlei Hinsicht:
·
·
Der saisonal beeinflußte Energieaustausch zwischen Erdreich und der Umgebung wird
durch ein Gebäude gestört.
Das Gebäude wirkt je nach Nutzung (Raumtemperatur) und Wärmeübergangskoeffizient
der Fundamentplatte bzw. der Kelleraußenwand als Wärmequelle bzw. Wärmesenke.
Aufgrund dieser komplexen Zusammenhänge muss bei der Auslegung eines EWT mit
Gebäudebeeinflussung unbedingt auf geeignete Simulationsprogramme zurückgegriffen
werden (wie beispielsweise WKM). Beispielhaft werden nachfolgend spezifische
Dimensionierungsnomogramme mit EWT-Anordnungen mit fixen Abständen zum Gebäude
dargestellt (als variabel gelten der Volumenstrom, der Querschnitt, die Rohrlänge). Für die
Anordnungsmöglichkeit „EWT unter dem Gebäude“ wird jeweils ein Nomogramm mit den
Abständen von 1 m und 3 m, für die Anordnungsmöglichkeit „EWT an einem Gebäude entlang“
wird jeweils ein Nomogramm mit den Abständen von 1 m und 2 m vom Gebäude, dargestellt.
Die nicht veränderbaren Parameter wurden vom Referenzsystem übernommen. Die Kellertemperatur des beeinflussenden Gebäudes wird verlaufend zwischen 7°C (Winter) und 13°C
(Sommer) angenommen. Der U-Wert der Kellerbodenplatte beträgt 0,5 W/m²K.
6.8.1
EWT unter dem Gebäude verlegt
Abbildung 102 zeigt den erreichbaren Jahresenergieertrag in Abhängigkeit von Volumenstrom,
Querschnitt, Druckverlust und Rohrlänge bei einem Abstand des EWT zur Fundamentplatte von
1 m.
12 3
Rohrdurchmesser
(Einzelrohr unter Gebäude Länge = 20 / 50 / 100m Tiefe=1m Erde, feucht Graz.dat)
13500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
12000
10500
9000
L=100m Heizen
L = 100m
7500
L=50m Heizen
L = 50m
6000
4500
L = 20m
3000
L=20m Heizen
1500
0
-1500
-3000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-4500
-6000
-7500
L = 50m
L=50m Kühlen
L = 100m
-9000
L=100m Kühlen
-10500
-12000
Abbildung 102: Jahresenergieerträge des EWT bei einem Abstand zwischen Fundamentplatte und EWT
von 1 m.
Im Vergleich zur gleichen Darstellung bei frei verlegtem EWT und einer Verlegetiefe von 2 m
(siehe Abbildung 85) stellt sich bei kleinen Volumenströmen (50 m³/h) ein um bis zu 10%
größerer Heizenergiertrag ein. Bei großen Volumenströmen (5000 m³/h) reduziert sich der
Heizenergieertrag um etwa die selbe Größe. Die Kühlerträge liegen generell niedriger. Zu
erklären sind diese Ergebnisse durch die Überlagerung der Wärmeübertragungen aus dem
ungestörten Erdreich und dem Gebäude auf den EWT. Bei geringeren Volumenströmen kann
die Gebäudeabwärme für die Heizenergieerträge besser genutzt werden. Die generell
geringeren Kühlerträge sind durch die Auswirkungen der Gebäudeabwärme bei einem Abstand
von 1 m zu erklären.
Querschnitt, Druckverlust und Rohrlänge bei einem Abstand des EWT zur Fundamentplatte von
3 m.
12 4
Rohrdurchmesser
(Einzelrohr unter Gebäude Länge = 20 / 50 / 100m Tiefe=3m Erde, feucht Graz.dat)
13500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
12000
10500
9000
L = 100m
L=100m Heizen
L = 50m
7500
L=50m Heizen
6000
4500
L = 20m
3000
L=20m Heizen
1500
0
-1500
0
500
1000
1500
2000
2500
-3000
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-4500
L=50m Kühlen
-6000
L = 50m
-7500
-9000
L=100m Kühlen
-10500
L = 100m
-12000
Abbildung 103:
Jahresenergieerträge des
EWT von 3 m.
EWT bei einem Abstand zwischen Fundamentplatte und
Im Vergleich zur analogen Darstellungsform bei frei verlegtem EWT und einer Verlegetiefe von
2 m (siehe Abbildung 85) stellt sich bei kleinen Volumenströmen ein um bis zu 20% größerer
Heizenergieertrag ein. Bei großen Volumenströmen wird der Heizenergieertrag um bis zu 10%
reduziert. Sowohl bei kleinen als auch bei großen Volumenströmen verhalten sich die
Abweichungen der Kühlerträge ähnlich wie die der Heizerträge. Die höheren Energieerträge bei
kleinen Volumenströmen können auf die stärkere Dämpfung der Erdtemperaturen durch das
Gebäude, die geringeren Energieerträge bei hohen Volumenströmen auf verminderte
Nachströmung aus dem umliegenden Erdreich zurückgeführt werden.
6.8.2
EWT neben dem Gebäude verlegt
Querschnitt, Druckverlust und Rohrlänge bei einem Abstand des EWT zur Kelleraußenwand
von 1 m.
12 5
Energieerträge bei T_max=29,4°C und T_min=-11,5°C
(Einzelrohr Typ F Länge = 20 / 50 / 100m Tiefe=2m Erde, feucht Hausabstand=1m)
15000
13500
12000
10500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
L=100m Heizen
L = 100m
9000
L=50m Heizen
7500
L = 50m
6000
4500
L=20m Heizen
3000
L = 20m
1500
0
-1500 0
-3000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-4500
-6000
L = 50m
L=50m Kühlen
-7500
-9000
L = 100m
-10500
L=100m Kühlen
-12000
Abbildung 104:
Jahresenergieerträge des EWT bei einem Abstand zwischen Kelleraußenwand und
EWT von 1 m.
Im Vergleich zur korrespondierenden Darstellung bei frei verlegtem EWT und einer Verlegetiefe
von 2 m (siehe Abbildung 85) stellt sich bei einem Abstand von 1 m zwischen Kelleraußenwand
und EWT sowohl im Heizertrag als auch im Kühlertrag keine nennenswerte Abweichung ein.
Querschnitt, Druckverlust und Rohrlänge bei einem Abstand des EWT zur Kelleraußenwand
von 2 m.
12 6
Energieerträge bei T_max=29,4°C und T_min=-11,5°C
(Einzelrohr Typ F Länge = 20 / 50 / 100m Tiefe=2m Erde, feucht Hausabstand=2m)
15000
13500
12000
10500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
L=100m Heizen
L = 100m
9000
L=50m Heizen
7500
L = 50m
6000
4500
L=20m Heizen
3000
L = 20m
1500
0
-1500 0
500
1000
-3000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
L=20m Kühlen
L = 20m
-4500
L = 50m
-6000
L=50m Kühlen
-7500
-9000
L = 100m
-10500
L=100m Kühlen
-12000
Abbildung 105:
Jahresenergieerträge des EWT bei einem Abstand zwischen Kelleraußenwand und
EWT von 2 m.
Ähnlich der vorigen Darstellung stellt sich im Vergleich zur gleichen Darstellungsform bei frei
verlegtem EWT und einer Verlegetiefe von 2 m (siehe Abbildung 85) bei einem Abstand von
2 m zwischen Kelleraußenwand und EWT sowohl im Heizertrag als auch im Kühlertrag keine
nennenswerte Abweichung ein.
6.9
EWT in Registerform
Die grundsätzlichen Zusammenhänge und Hintergründe für die Errichtung von EWT in
Registerform wurden bereits im Kapitel 5.11 (Registeranordnung) erläutert. Nachfolgend
werden die Einflüsse des Achsabstandes und der Rohranzahl beim EWT-Register auf die
Größen „Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und „Austrittstemperatur“ mittels Nomogrammen
dargestellt.
6.9.1
Einfluss des Achsabstandes beim EWT-Register
„Achsabstand“ ergänzt, erhält man drei praktikable Nomogramme (Abbildung 106, Abbildung
107 und Abbildung 108) für die selben Größen. Mit denen kann der Einfluss des
Rohrachsabstandes über einen großen Volumenstrombereich einfach bestimmt werden. Die
Handhabung der Nomogramme erfolgt wie in Kapitel 6.3.2 erläutert (NOMOGRAMM
ENERGIEERTRAG – in Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und
Länge). Statt der Rohrlänge wird hier der Achsabstand bei einem EWT-Register mit 10
12 7
parallelen Rohren variiert. Die Rohrlänge bleiben mit 50 Meter konstant, die restlichen
Parameter entsprechen denen des Referenzsystems (Kapitel 5.1.3).
In Abbildung 106 sind die Auswirkungen der unterschiedlichen Achsabstände auf den
Jahresenergieertrag je Registerrohr dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass sich bei den
Energieerträgen je Registerrohr keine sehr großen Differenzen einstellen. Bei einem
Achsabstand von 0,5 m ergibt sich im Vergleich zum Einzelrohr eine maximale Ertragseinbuße
von 16%. Ist der Achsabstand 1 m oder größer, liegen die Energierträge je Rohr höchstens 7%
unter denen des Einzelrohrs. Als Ergänzung zum Energieertrag je Rohr wird in Abbildung 107
die Abhängigkeit der EWT-Leistung von den unterschiedlichen Achsabständen dargestellt. Wie
im Diagramm ersichtlich ist, ergeben sich bei kleinen Achsabständen deutlich niedriger
Maximalleistungen. Die Leistungen reduzieren sich gegenüber dem Einzelrohr bei
Achsabständen von 0,5 m um bis zu 38% bei der Heizleistung und 28% bei der Kühlleistung.
Register frei verlegt 10 Rohre PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
9000
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
7500
6000
Einzelrohr Heizen
Heizenergieerträge
a=2m Heizen
Energieertrag je Rohr [kWh]
4500
a=1m Heizen
3000
a=0,5m Heizen
1500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
a=0,5m Kühlen
-1500
a=1m Kühlen
-3000
a=2m Kühlen
-4500
-6000
Einzelrohr Kühlen
-7500
Abbildung 106:
ENERGIEERTRAG je Rohr – für ein EWT-Register mit 10 parallelen Rohren in
Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Achsabstand
12 8
NOMOGRAMM LEISTUNG
Register frei verlegt 10 Rohre PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
7500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
6000
Einzelrohr Heizen
Heizleistung
a=2m Heizen
Leistung je Rohr [W]
4500
a=1m Heizen
3000
a=0,5m Heizen
1500
0
a=0,5m Kühlen
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-1500
a=1m Kühlen
-3000
a=2m Kühlen
Kühlleistung
-4500
Einzelrohr Kühlen
-6000
Abbildung 107:
LEISTUNG je Rohr – für ein EWT-Register mit 10 parallelen Rohren in Abhängigkeit
von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Achsabstand
Register frei verlegt 10 Rohre PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK)
Tiefe=2m
35
T_max
30
a=0,5m Kühlen
25
a=1m Kühlen
Temperatur [°C]
20
a=2m Kühlen
15
Einzelrohr
Kühlen
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
10
Einzelrohr
Heizen
5
a=2m Heizen
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-5
3500
4000
4500
5000
a=1m Heizen
a=0,5m Heizen
-10
T_min
-15
Abbildung 108:
AUSTRITTSTEMPERATUR – für ein EWT-Register mit 10 parallelen Rohren in
Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Achsabstand
6.9.2
12 9
Einfluss der Rohranzahl beim EWT-Register
Die drei Nomogramme (Abbildung 109, Abbildung 110 und Abbildung 111) stellen für die
Größen „Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und „Austrittstemperatur“ den Einfluss der
Rohranzahl bei einem EWT-Register über einen großen Volumenstrombereich (0 – 5000 m³/h)
dar. Bei einem konstant gehaltenen Achsabstand von 1 m wird die Rohranzahl zwischen 5, 10
und 20 variiert. Die übrigen Parameter entsprechen denen des Referenzsystems (Kapitel
5.1.3).
In Abbildung 109 ist die Auswirkung der unterschiedlichen Rohranzahl auf den
Jahresenergieertrag je Registerrohr dargestellt. Der Jahresenergieertrag der verschiedenen
Register ist nahezu ident und weist geringe Abweichungen von bis zu maximal 6% vom
Energieertrag des Einzelrohrs auf.
Die Auswirkungen der Rohranzahl auf die EWT-Leistung (Abbildung 110) hat eine ähnliche
Charakteristik wie die auf den Jahresenergieertrag. Zwischen den unterschiedlichen EWTRegistern herrschen sehr geringe Leistungsunterschiede, gegenüber dem Einzelrohr ergeben
sich Minderleistungen von bis zu 21%. Diese Minderleistungen sind jedoch primär dem
Achsabstand von 1 m zu zuschreiben.
Register frei verlegt a=1m PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
9000
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
7500
6000
Einzelrohr
Heizen
Heizenergieerträge
5 Rohre Heizen
Energieertrag [kWh]
4500
10 Rohre Heizen
3000
20 Rohre Heizen
1500
20 Rohre Kühlen
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-1500
3500
4000
4500
5000
10 Rohre Kühlen
-3000
5 Rohre Kühlen
-4500
-6000
Einzelrohr
Kühlen
-7500
Abbildung 109:
ENERGIEERTRAG je Rohr – für ein EWT-Register mit einem Achsabstand von 1 m in
Abhängigkeit von Volumenstrom, Querschnitt, Druckverlust und Rohranzahl
13 0
NOMOGRAMM LEISTUNG
Register frei verlegt a=1m PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
7500
Einzelrohr
Heizen
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
6000
Heizleistung
5 Rohre Heizen
Leistung [W]
4500
3000
10 Rohre
Heizen
1500
20 Rohre
Heizen
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
20 Rohre
Kühlen
-1500
10 Rohre
Kühlen
-3000
5 Rohre Kühlen
Kühlleistung
-4500
Einzelrohr
Kühlen
-6000
Abbildung 110:
LEISTUNG je Rohr – für ein EWT-Register mit einem Achsabstand von 1 m in
Register frei verlegt a =1m PVC (lRohr=0,23 W/mK) Länge = 50m Erde, feucht (lErde=0,23 W/mK) Tiefe=2m
35
T_max
30
20 Rohre Kühlen
25
10 Rohre Kühlen
Temperatur [°C]
20
5 Rohre Kühlen
15
Einzelrohr
Kühlen
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 500 m³/h --> DN 200
900 - 1600 m³/h --> DN 300
2200 - 3000 m³/h --> DN 400
10
Einzelrohr
Heizen
5
5 Rohre Heizen
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
10 Rohre Heizen
-5
20 Rohre Heizen
-10
T_min
-15
Abbildung 111:
AUSTRITTSTEMPERATUR – für ein EWT-Register mit einem Achsabstand von 1 m in
13 1
6.10 Dimensionierung mittels Basisnomogrammen und Korrekturfaktoren
Wie aus den Kapiteln 5.2 bis 5.11 sowie Kapitel 6.2 bis 6.9 ersichtlich, wird der Betrieb von
EWT von zahlreichen Parametern beeeinflusst. Wurde im Kapitel 5 immer nur eine
Einflussgröße variiert, so wurden bisher im Kapitel 6 schon spezifische Diagramme erstellt,
welche die kombinierte Betrachtung von 3 variablen Einflussgrößen erlauben. Trotzdem ist die
Dimensionierung von EWT mittels dieser Diagramme sehr aufwendig und komplex, da eine
Vielzahl von Diagrammen betrachtet werden muss, die noch zusätzlich alle in Wechselwirkung
zueinander stehen. Um für die wesentlichen Einflussgrößen von EWT eine rasche und
zuverlässige
Dimensionierung
durchführen
zu
können,
wurde
eine
einfache
Dimensionierungsmethode mit Basisnomogrammen und Korrekturfaktoren erarbeitet. Für jede
Auslegungsgröße wie „Jahresenergieertrag“, „Leistung“ und „Austrittstemperatur“ wird in der
Folge ein Basisnomogramm dargestellt und Korrekturfaktoren für die wesentlichen
Einflussgrößen ermittelt. Aus dem Basisnomogramm erhält man eine Grobauslegung, die
anschließend mittels der Korrekturfaktoren an die tatsächlichen Verhältnisse angepasst werden
kann und damit hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Die Handhabung der Nomogramme
wird nachfolgend für jede Auslegungsgröße erläutert. Zusätzlich werden die Basisnomogramme
sowie die Diagramme zur Ermittlung der Korrekturfaktoren als Arbeitsblätter dem Anhang
(Kapitel 11.3) beigefügt.
6.10.1 Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „EWT - Jahresenergieertrag“
Wie bereits vorhin erwähnt, stellt Abbildung 112 ein Basisnomogramm für die Ermittlung von
Heiz- und Kühlerträgen (EBH und EBK) in Abhängigkeit vom Volumenstrom - und damit auch von
Querschnitt bzw. Druckverlust je Meter Rohr - dar. Diesem Basisnomogramm liegt eine
vorläufige Rohrlänge von 50 Meter zugrunde. Die restlichen Parameter entsprechen jenen des
Referenzsystems (Kapitel 5.1.3). Der Eingangsparameter in das Nomogramm ist der
Nennvolumenstrom der Lüftungsanlage. Wird an dieser Stelle im Nomogramm eine Vertikale
gezogen, kann an den Schnittpunkten der Heiz- bzw. Kühlenergiekurven der jeweilige
Energieertrag abgelesen werden. Entsprechend der Tabelle in der linken oberen Ecke des
Nomogramms wird der Querschnitt des EWT - Rohres festgelegt.
13 2
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG I
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) L=50m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
9000
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
7500
6000
Heizenergieerträge (EHB)
L=50m Heizen
4500
3000
1500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-1500
-3000
-4500
L=50m Kühlen
Kühlenergieerträge (EKB)
-6000
-7500
Abbildung 112: BASISNOMOGRAMM ENERGIEERTRAG I (EHB, EKB)
Da diese Ergebnisse aus dem Basisnomogramm für eine Rohrlänge von 50 Meter, eine
Verlegetiefe von 2 Meter, das Erdreich „Erde feucht“, das Rohrmaterial PVC und noch andere
Parameter gelten, müssen diese an die jeweiligen konkreten Verhältnisse angepasst werden.
Dies erfolgt durch die Verwendung von Korrekturfaktoren. Diese, durch zahlreiche
Simulationsrechnungen eermittelten Korrekturfaktoren, für die wesentlichen Einflussgrößen
werden in einfachen Nomogrammen dargestellt. Die wesentlichen Einflussgrößen sind:
·
·
·
·
·
Rohrlänge
Verlegetiefe
Erdreichzusammensetzung
Rohrmaterial
Bypass-Betrieb
Da der Großteil dieser Einflussgrößen in direkter Wechselwirkung zueinander stehen, ist eine
vereinfachte Dimensionierung mit gewissen Ungenauigkeiten verbunden. Erfolgt die
Dimensionierung von EWT mittels nachfolgender Nomogramme, so liegen die zu erwartenden
Fehler unter 10%, was für eine überschlägige Auslegung eine gute Genauigkeit darstellt. Zu
berücksichtigen bleibt zusätzlich, dass diesen Nomogrammen der Klimadatensatz vom Standort
„Graz“ zugrundeliegt. Wie jedoch schon in Kapitel 5.2 behandelt, stellt dieser, mittels
Klimadatengenerator „Meteonorm“ erstellte Wetterdatensatz, ein für Mitteleuropa
durchschnittliches Klima ohne Kühl- bzw. Heizspitzen dar. Wird bei der Auslegung von EWT die
Berücksichtigung von Klimaspitzen benötigt, ist eine alleinige Bearbeitung mittels
Nomogrammen nicht zielführend. In diesen Fällen ist eine dynamische Simulation mit
entsprechenden Programmen (beispielsweise WKM) und den auf den jeweiligen Standort
bezogenen Klimadaten unumgänglich. Die Vorauslegung des zu simulierenden EWT kann aber
trotzdem mittels Nomogrammen erfolgen, was die Anzahl der ansonsten nötigen
Simulationsdurchläufe wesentlich reduziert.
13 3
Die aus dem Basisnomogramm für den Energieertrag (Abbildung 112) ermittelten Heiz- bzw.
Kühlenergien bilden die Eingangsgröße für die weiteren Nomogramme zur Ermittlung der
Korrekturfaktoren. Für jede wesentliche Einflussgröße wird somit ein Korrekturfaktor bestimmt.
Durch Multiplikation der einzelnen Korrekturfaktoren mit dem vorläufigen Heiz- bzw. Kühlertrag
aus dem Basisnomogramm, kann der Energieertrag unter den gewählten Bedingungen ermittelt
werden.
Nachfolgende Nomogramme zur Ermittlung der Korrekturfaktoren für den Jahresenergieertrag,
die auch gesammelt als Arbeitsblätter im Anhang (Kapitel 11.3) enthalten sind, müssen somit
durchlaufen werden.
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG II
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Tiefe=2m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK)
1,8
L = 100m
L = 100m
1,7
L=100m Heizen
1,6
1,5
L=50m Heizen
1,4
1,3
L=20m Heizen
1,2
1,1
L = 50m
L = 50m
1
L=100m Kühlen
0,9
0,8
L=50m Kühlen
0,7
0,6
0,5
L=20m Kühlen
L = 20m
L = 20m
0,4
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
9000
Energieertrag aus NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG I [kWh]
Abbildung 113: NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG II, Korrekturfaktor – Länge (fL)
13 4
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG III
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) L=50m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK)
1,6
Heizen t=6m
1,4
Heizen t=4m
Tiefe =6m
Tiefe = 6m
Tiefe = 4m
1,2
Tiefe = 4m
Tiefe = 3m
Heizen t=3m
Tiefe = 3m
Heizen t=2m
1
Tiefe = 2m
Tiefe = 2m
Tiefe = 1m
Tiefe = 1m
Heizen t=1m
0,8
Kühlen t=6m
0,6
Kühlen t=4m
0,4
Kühlen t=3m
Kühlen t=2m
0,2
Kühlen t=1m
0
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
9000
Abbildung 114: NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG III, Korrekturfaktor – Verlegetiefe (fT)
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG IV
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) L=50m Tiefe=2m
1,3
Erde, feucht --> lErde=2,5 W/mK
Sand, feucht --> lErde=1,0 W/mK
Erde, trocken --> lErde=0,4 W/mK
Sand, trocken --> lErde=0,35 W/mK
a=1,102*10-6 m²/s
1,2
a=8,403*10-7 m²/s
1,1
Erde, feucht
Erde, feucht
1
0,9
a=2,778*10-7 m²/s
0,8
a=1,102*10-6 m²/s
Sand, feucht
Sand, feucht
0,7
Sand, trocken
Heizen Sand, trocken
/ a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
Erde, trocken
0,6
Sand,
Erde, trocken
Kühlen Sand, trocken
/ a=4,053*10-7 m²/s
0,5
a=2,778*10-7 m²/s
0,4
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
9000
Abbildung 115: NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG IV, Korrekturfaktor – Erdreich (fE)
13 5
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG V
Einzelrohr frei verlegt Tiefe=2m L=50m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK)
1,6
PVC
--> lRohr=0,23 W/mK
HD-PE --> lRohr=0,41 W/mK
PP
--> lRohr=0,22 W/mK
Zement --> lRohr=1,40 W/mK
Beton --> lRohr=2,00 W/mK
Beton
Zement
Heizen Beton
1,5
Heizen Zement
Beton
1,4
Heizen HD-PE
Zement
Heizen PVC
1,3
Heizen PP
1,2
Kühlen Beton
HD-PE
HD-PE
1,1
Kühlen Zement
1
PVC, PP
PVC, PP
Kühlen HD-PE
Kühlen PVC
0,9
Kühlen PP
0,8
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
9000
Abbildung 116: NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG V, Korrekturfaktor – Rohrmaterial (fR)
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG VI (BYPASS 14°C / 22°C)
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Tiefe=2m L=50m Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK)
0,85
Korrekturfaktor - Bypass
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
Abbildung 117:
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG VI, Korrekturfaktor – Bypass (fBY) (Heizgrenze
14°C, Kühlgrenze 22°C)
Ist ein Bypass-Betrieb im auszulegenden EWT-Beispiel gefordert, so müssen die Kühlerträge
aus dem Basisnomogramm auch mit dem Korrekturfaktor für den Bypass-Betrieb multipliziert
werden. Die Kühlgrenze wurde für das Nomogramm in Abbildung 117 mit 22°C festgelegt. Die
13 6
Heizerträge werden bei einer Heizgrenztemperatur von 14°C durch den Bypass-Betrieb nicht
nennenswert reduziert, sodass hier kein Korrekturfaktor zu berücksichtigen bleibt.
Der Jahresenergieertrag des auszulegenden EWT errechnet sich somit für die Anwendung
Heizen und Kühlen:
Energieertrag „Heizen“ = Heizenergieertrag aus Basisnomogramm x Längenfaktor x
Tiefenfaktor x Erdreichfaktor x Rohrmaterialfaktor
EH = EBH x fL x fT x fE x fR [kWh]
Energieertrag „Kühlen“ = Kühlenergieertrag aus Basisnomogramm x Längenfaktor x
Tiefenfaktor x Erdreichfaktor x Rohrmaterialfaktor x Bypassfaktor
EK = EBK x fL x fT x fE x fR fBY [kW]
6.10.2 Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „EWT - Leistung“
Identisch zur Vorgangsweise bei der Ermittlung des Jahresenergieertrages mittels
Nomogrammen und Korrekturfaktoren in Kapitel 6.10.1, kann auch die Auslegungsgröße
„Leistung“ behandelt werden. Ausgehend von einem Basisnomogramm, das die Ermittlung
einer vorläufigen Heiz- bzw. Kühlleistung unter Berücksichtigung von Volumenstrom und
Querschnitt ermöglicht, können die wesentlichen Einflussgrößen mittels Korrekturfaktoren
berücksichtigt werden.
Besonders bei der Auslegungsgröße „Leistung“ bleibt zu beachten, dass die dargestellten
Leistungen Maximalwerte sind und diese neben den geometrischen Parametern des EWT und
anderen Einflussgrößen stark von den vorherrschenden Klimaspitzen abhängig sind.
Da ein Bypass-Betrieb für die auftretende Spitzenleistung unerheblich ist, reduziert sich für die
Auslegungsgröße „Leistung“ die zu berücksichtigende Nomogrammanzahl. Alle nachfolgenden
Nomogramme sind als Arbeitsblätter dem Anhang (Kapitel 11.5) zu entnehmen.
13 7
NOMOGRAMM LEISTUNG I
7500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
6000
4500
L=50m Heizen
Heizleistung (LHB)
3000
1500
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-1500
-3000
L=50m Kühlen
Kühlleistung (LKB)
-4500
-6000
Abbildung 118: BASISNOMOGRAMM LEISTUNG I (LHB, LKB)
Mit dem Nennvolumenstrom der Lüftungsanlage kann in Abbildung 118 die Basisheiz- bzw.
Kühlleistung (LHB bzw. LKB) in Verbindung mit dem EWT-Querschnitt ermittelt werden. Diese
Ausgangsgröße aus dem Basisnomogramm stellt die Eingangsgröße für die Nomogramme zur
Ermittlung der Korrekturfaktoren dar (Abbildung 119, Abbildung 120, Abbildung 121 und
Abbildung 122).
13 8
NOMOGRAMM LEISTUNG II
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
1,8
L = 100m
L = 100m
L=100m Heizen
1,6
1,4
L=50m Heizen
1,2
L=20m Heizen
L = 50m
L = 50m
1
L=100m Kühlen
0,8
0,6
L=50m Kühlen
L = 20m
L = 20m
0,4
L=20m Kühlen
0,2
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
Leistung aus NOMOGRAMM LEISTUNG I [W]
Abbildung 119: NOMOGRAMM LEISTUNG II, Korrekturfaktor – Länge (fL)
NOMOGRAMM LEISTUNG III
1,4
Heizen Tiefe=6m
Heizen Tiefe=4m
1,3
Tiefe =6m
Heizen Tiefe=3m
1,2
Heizen Tiefe=2m
Tiefe = 4m
Tiefe = 6m
Tiefe = 4m
Heizen Tiefe=1m
1,1
Tiefe = 3m
Tiefe = 3m
1
Tiefe = 2m
Tiefe = 2m
Kühlen Tiefe=6m
Kühlen Tiefe=4m
Kühlen Tiefe=3m
0,9
Tiefe = 1m
Tiefe = 1m
Kühlen Tiefe=2m
Kühlen Tiefe=1m
0,8
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
Abbildung 120: NOMOGRAMM LEISTUNG III, Korrekturfaktor – Verlegetiefe (fT)
13 9
NOMOGRAMM LEISTUNG IV
1,2
a=1,102*10-6 m²/s
1,1
a=8,403*10-7 m²/s
Erde, feucht
1
Erde, feucht
a=4,053*10-7 m²/s
0,9
a=2,778*10-7 m²/s
0,8
a=1,102*10-6 m²/s
0,7
Sand, feucht
Sand, feucht
a=8,403*10-7 m²/s
0,6
a=4,053*10-7 m²/s
0,5
Sand, trocken
Erde, trocken
Erde, trocken
Sand, trocken
a=2,778*10-7 m²/s
0,4
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
Abbildung 121: NOMOGRAMM LEISTUNG IV, Korrekturfaktor – Erdreich (fE)
NOMOGRAMM LEISTUNG V
Einzelrohr frei verlegt Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
1,6
Beton
Heizen Beton (2,0
W/mK)
PVC
--> lRohr=0,23 W/mK
PP
--> lRohr=0,22 W/mK
1,5
Zement
Beton
Heizen Zement (1,4
W/mK)
W/mK)
Zement
Heizen HD-PE (0,35
W/mK)
1,4
Heizen PVC (0,16
W/mK)
1,3
Kühlen Beton (2,0
W/mK)
1,2
PP+MgSi
PP+MgSi
HD-PE
Kühlen Zement (1,4
W/mK)
HD-PE
W/mK)
1,1
Kühlen HD-PE (0,35
W/mK)
1
PVC, PP
PVC, PP
Kühlen PVC (0,16
W/mK)
0,9
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
Abbildung 122: NOMOGRAMM LEISTUNG V, Korrekturfaktor – Rohrmaterial (fR)
Heizleistung des EWT:
LH = LHB x fL x fT x fE x fR [W]
Kühlleistung des EWT:
LK = LKB x fL x fT x fE x fR [W]
14 0
6.10.3 Dimensionierung nach der Auslegungsgröße „Austrittstemperatur“
Analog zur Vorgangsweise bei der Ermittlung des Jahresenergieertrages bzw. der
Maximalleistung mittels Nomogrammen und Korrekturfaktoren in Kapitel 6.10.1 und 6.10.2,
kann auch die Auslegungsgröße „Austrittstemperatur aus dem EWT“ ermittelt werden. Um eine
entsprechende Darstellung der Korrekturfaktoren zu ermöglichen, wird als direkte
Auslegungsgröße nicht die absolute Austrittstemperatur herangezogen, sondern die
Temperaturdifferenz zwischen EWT-Austritt und EWT-Eintritt (Temperaturhub) definiert.
Ausgehend von einem Basisnomogramm, das die Ermittlung einer Basistemperaturdifferenz für
Heiz- bzw. Kühlbetrieb (Temperaturhub) unter Berücksichtigung von Volumenstrom und
Querschnitt ermöglicht, können die wesentlichen Einflussgrößen mittels Korrekturfaktoren
berücksichtigt werden.
Ähnlich wie bei der Auslegungsgröße „Leistung“ bleibt zu beachten, dass die dargestellten
Temperaturdifferenzen Maximalwerte sind und diese neben den geometrischen Parametern
des EWT und anderen Einflussgrößen stark von den vorherrschenden Klimaspitzen abhängig
sind.
Da ein Bypass-Betrieb für den auftretenden maximalen Temperaturhub unerheblich ist,
reduziert sich für die Auslegungsgröße „Temperaturhub“ die zu berücksichtigende Nomogrammanzahl. Alle nachfolgenden Nomogramme sind als Arbeitsblätter dem Anhang (Kapitel
11.4) zu entnehmen.
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB I
18
16
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
14
12
Heiztemperaturhub (THB)
10
L=50m Heizen
8
6
4
2
0
-2
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-4
-6
-8
-10
L=50m Kühlen
Kühltemperaturhub (TKB)
-12
-14
-16
Abbildung 123: BASISNOMOGRAMM TEMPERATURHUB I (THB, TKB)
14 1
Mit dem Nennvolumenstrom der Lüftungsanlage kann in Abbildung 123 der vorläufige
Temperaturhub in Verbindung mit dem EWT-Querschnitt ermittelt werden. Diese
Ausgangsgröße aus dem Basisnomogramm stellt die Eingangsgröße für die Nomogramme zur
Ermittlung der Korrekturfaktoren dar (Abbildung 124, Abbildung 125, Abbildung 126 und
Abbildung 127).
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB II
Einzelrohr frei verlegt PVC (lRohr=0,23 W/mK) Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
1,8
L = 100m
L=100m Heizen
1,6
1,4
L=50m Heizen
1,2
L=20m Heizen
L = 50m
1
L=100m Kühlen
0,8
0,6
L=50m Kühlen
L = 20m
0,4
L=20m Kühlen
0,2
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Temperaturhub aus NOMOGRAMM TEMPERATURHUB I [°C]
Abbildung 124: NOMOGRAMM TEMPERATURHUB II, Korrekturfaktor – Länge (fL)
14 2
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB III
1,4
Heizen Tiefe=6m
Tiefe =6m
Tiefe = 6m
1,3
Heizen Tiefe=4m
Heizen Tiefe=3m
Tiefe = 4m
1,2
Tiefe = 4m
Heizen Tiefe=2m
Heizen Tiefe=1m
Tiefe = 3m
Tiefe = 3m
1,1
Kühlen Tiefe=6m
1
Tiefe = 2m
Tiefe = 2m
Kühlen Tiefe=4m
Kühlen Tiefe=3m
0,9
Tiefe = 1m
Kühlen Tiefe=2m
Tiefe = 1m
Kühlen Tiefe=1m
0,8
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Abbildung 125: NOMOGRAMM TEMPERATURHUB III, Korrekturfaktor – Verlegetiefe (fT)
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB IV
1,2
a=1,102*10-6 m²/s
1,1
a=8,403*10-7 m²/s
Erde, feucht
1
a=4,053*10-7 m²/s
0,9
a=2,778*10-7 m²/s
0,8
a=1,102*10-6 m²/s
0,7
Sand, feucht
a=8,403*10-7 m²/s
0,6
a=4,053*10-7 m²/s
0,5
Erde, trocken
a=2,778*10-7 m²/s
Sand, trocken
0,4
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Abbildung 126: NOMOGRAMM TEMPERATURHUB IV, Korrekturfaktor – Erdreich (fE)
14 3
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB V
Einzelrohr frei verlegt Erde, feucht (lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
1,6
PVC
--> lRohr=0,23 W/mK
PP
--> lRohr=0,22 W/mK
Heizen Beton (2,0
W/mK)
Beton
Heizen Zement (1,4
W/mK)
1,5
W/mK)
Zement
Heizen HD-PE (0,35
W/mK)
1,4
Heizen PVC (0,16
W/mK)
1,3
1,2
Kühlen Beton (2,0
W/mK)
PP+MgSi
Kühlen Zement (1,4
W/mK)
HD-PE
W/mK)
1,1
Kühlen HD-PE (0,35
W/mK)
1
PVC, PP
Kühlen PVC (0,16
W/mK)
0,9
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Abbildung 127: NOMOGRAMM TEMPERATURHUB V, Korrekturfaktor – Rohrmaterial (fR)
Heiztemperaturhub des EWT:
TH = THB x fL x fT x fE x fR [°C]
Kühltemperaturhub des EWT:
TK = TKB x fL x fT x fE x fR [°C]
14 4
6.11 Leitfaden zur Dimensionierung von EWT mittels Nomogrammen
Bezeichnung des Projekts
Ermittlung des erforderlichen Volumenstroms
Kapitel 5.4.1
Definition des Einsatzzweckes
Schwerpunkt „HEIZEN“
Schwerpunkt „KÜHLEN“
Komfortheizung
Komfortkühlung
Kapitel 6.10.1
Abbildung 105 - 110
Kapitel 6.10.1
Abbildung 105 - 110
Vereisungsvermeidung
der WRG
Raumkühlung
Kapitel 6.10.2
Abbildung 111 - 115
oder
Kapitel 6.10.3
Abbildung 116 - 120
Kapitel 6.10.3
Abbildung 116 - 120
Unterstützungskühlung
Kapitel 6.10.2
Abbildung 111 - 115
oder
Kapitel 6.10.3
Abbildung 116 - 120
Ergebnisse der erforderlichen EWT - Größe aus den
Dimensionierungsnomogrammen
Vergleich mit der zur Verfügung stehenden Verlegefläche
Anpassung zwischen berechneter und baulich möglicher Verlegefläche
Ausführung des EWT
Abbildung 128:
Struktur für die Dimensionierung von EWT mittels der in diesem Planungshandbuch
angeführten Nomogramme
14 5
7 Kosten und Wirtschaftlichkeit
In den bisherigen Kapiteln dominierten erreichbare Leistungen, Jahresenergieerträge und
Austrittstemperaturen den Inhalt dieses Planungshandbuches für EWT. Neben diesen
energetischen Bewertungsgrößen und den Anforderungen an die Lufthygiene (siehe Kapitel 8)
spielen aber auch die Investitionskosten für EWT eine entscheidende Rolle. Sind die
Investitionskosten bekannt, kann mittels dynamischer Methode und unter Berücksichtigung der
Energieerträge der spezifische Energiepreis (in EURO/kWh) errechnet werden. Mit dem
spezifische Energiepreis einer EWT-Anwendung kann er unter Berücksichtigung der
Gleichwertigkeit mit Energiekosten anderer Systemtechniken verglichen werden.
Nachfolgend werden Richtwerte für die Kostenstellen von EWT dargestellt, anhand des
Referenzsystems die EWT-Investitionskosten für drei unterschiedliche Ausführungen ermittelt
und damit die spezifischen Energiepreise mittels dynamischer Methode ermittelt. Die
Diskussion der Ergebnisse sowie der Vergleich mit Energiepreisen von konkurrierenden
Technologien schließen die Arbeiten in diesem Kapitel ab.
7.1
Kosten von EWT
Damit potenzielle Investoren zur Umsetzung von EWT-Anwendungen motiviert werden können,
müssen die entstehenden Investitionskosten bekannt sein. In weiterer Hinsicht ist häufig eine
Beurteilung der Wirtschaftlichkeit des geplanten EWT bzw. die Darstellung des spezifischen
Energiepreises gefordert. Hierfür ist es unumgänglich, Kostenermittlungen durchzuführen. Die
genauesten Ergebnisse können dabei im Ausschreibungsverfahren nach erfolgter
Detailplanung und definierten Leistungsverzeichnissen erzielt werden. Da in diesen Arbeiten
grundsätzlich ein hoher Zeitaufwand der planenden Ingenieure steckt, die Umsetzung der EWTAnwendung in den meisten Fällen aber noch nicht feststeht, empfiehlt es sich vorab mit
überschlägigen Kostenschätzungen zu arbeiten. Um fundierte Kostenschätzungen zu
ermöglichen, wurden nachfolgend einzelne Kostenstellen in EWT-Anwendungen definiert und
hierfür Richtwerte dargestellt. Im allgemeinen können dabei zwei Wege beschritten werden:
·
·
Dokumentation der Anlagenkosten realisierter EWT
Einholung von Anboten für die Errichtung repräsentativer EWT - Anlagen
Die Kostendokumentation von realisierten Anlagen erscheint zwar als die aussagekräftigere
Variante, bedeutet in der Praxis aber einige Problemstellungen und großen Aufwand, wenn
repräsentative Systeme miteinander verglichen werden sollten. Einerseits ist es sehr schwer,
gut dokumentierte Projekte zu finden, die eine Kostenaufstellung in einem geeigneten
Detaillierungsgrad besitzen. Andererseits sind die Systeme im allgemeinen sehr unterschiedlich
konzipiert (Größe der EWT Anwendung, EWT – Lage: unter dem Gebäude, frei verlegt, am
Gebäude angebaut, horizontales Register – vertikales Register, Verlegung im Grundwasser,
Größe des Verlegeortes, etc), was einen direkten Kostenvergleich sehr schwierig macht. Die
enge Verbindung der Arbeiten bei der Umsetzung von EWT mit den Baumeisterarbeiten des
Gesamtgebäudes macht die Dokumentation von Kostengruppen auch nicht einfacher.
Zusätzlich können geringe Erfahrungswerte von Unternehmen im Bereich der Realisierung von
14 6
EWT bzw. Preisdumping in einem Ausschreibungsverfahren zu unrealistischen Systemkosten
führen.
Im Rahmen der Erstellung dieses Planungshandbuches wurden für die Kostenermittlung beide
Varianten herangezogen. So wurden einerseits die Kosten von 20 realisierten EWT – Projekten
(von kleinen Anwendungen in Einfamilienhäusern bis zu großen Anwendungen in
Verwaltungsgebäuden) ausgewertet, andererseits Anbote von deutschen und österreichischen
Bauunternehmen eingeholt. Danach wurden die über Musterausschreibungen erzielten
Ergebnisse mit realen Kostengruppen verglichen und stehen somit zur überschlägigen
Ermittlung von Investitionskosten von EWT zur Verfügung.
Um Übersichtlichkeit zu schaffen, wurden für die Realisierung von EWT nachfolgende
Kostengruppen definiert. Bei der Definition der Kostenstellen wurden nur bauliche Maßnahmen
berücksichtigt. Positionen wie „Planungshonorar“ und „Inbetriebnahme“ wurden nicht
berücksichtigt.
·
·
Erdarbeiten (Aushub und Verfüllung)
·
·
Rohr und Formstücke
Hinterfüllung der Leitungszone (Leitungszone =
Bettung+Seitenverfüllung+Abdeckzone, siehe Kapitel 5.3.3 Hinterfüllmaterialien von
EWT und Verlegerichtlinien)
Sammler / Verteiler, Revisionsschacht
Richtpreise für diese Kostengruppen werden nachfolgend für repräsentative Größenordnungen
von EWT-Anwendungen dargestellt. Alle Kostenangaben sind Einheitspreise exklusive
Umsatzsteuer, die sowohl Material als auch Lohn beinhalten (Basis: Jahr 2000).
7.1.1
Kosten für Erdarbeiten (Aushub und Verfüllung)
Die Kostenstelle „Erdarbeiten“ wurde in vier Untergruppen unterteilt:
·
·
·
·
Mutterboden entfernen
Erdaushub mit Lagerung vor Ort
Erdabtransport
Restgraben verfüllen (mit Aushubmaterial)
Die hierfür erhaltenen Angebote von sechs Bauunternehmen aus Österreich und Deutschland
zeigt, wie in Abbildung 129 ersichtlich, für einige Positionen eine starke Schwankungsbreite.
Die zusätzlich für unterschiedliche Aushubmengen eingeholten Angebote wurden hinsichtlich
guter Vergleichbarkeit auf den spezifischen Preis EURO / m³ Aushubmaterial zurückgerechnet.
14 7
Ausschreibungspreise für die Erdarbeiten
Restgraben verfüllen
Erdabtransport
Erdaushub (Lagerung vor Ort)
0
5
10
15
20
25
30
Einheitspreis [Euro/m³]
Abbildung 129: Einheitspreise für die einzelnen Positionen der Kostenstelle „Erdarbeiten“
Ähnlich der Kostenstelle „Erdaushub“ differierten auch die Firmenanbote für die übrigen
Kostengruppen stark. Sogar bei den Rohrmaterialien stellten sich relativ große Schwankungsbreiten ein. Um sinnvolle Richtwerte vorzugeben, werden in der Folge sämtliche Kostenstellen
mit gemittelten Einheitspreisen dargestellt. Abbildung 130 zeigt die gemittelten spezifischen
Kosten für die Kostenstelle „Erdarbeiten“.
Gemittelte Ausschreibungspreise für die Erdarbeiten
Restgraben verfüllen
Erdabtransport
Erdaushub (Lagerung vor Ort)
0
2
4
6
8
10
12
Abbildung 130:
Gemittelte Einheitspreise für die Kostenstelle „Erdarbeiten“ aus den Ausschreibungserbgebnissen
Die hier dargestellten Positionen sind Kosten, die explizit für die nötigen Erdarbeiten bei der
Verlegung von EWT (beispielsweise für einen frei verlegter EWT) anfallen. Erfahrungswerte
zeigen, dass die Kosten des Erdaushubs durch geschickte Wahl des Verlegeortes und der
14 8
Dimension des EWT deutlich reduziert werden können. Dies ist durch Herstellung von
Synergien mit Aushubarbeiten betreffend das zu konditionierende Gebäude möglich. Da ein
EWT grundsätzlich nur bei der Neuerrichtung von Gebäuden bzw. bei groß angelegten
Sanierungsarbeiten Sinn macht, können somit Erdarbeiten für den EWT und sonstige
Grabarbeiten in der Regel kombiniert werden.
7.1.2
Kosten für die Hinterfüllung der Leitungszone
Wie in Kapitel 5.3.3 (Hinterfüllmaterialien und Verlegerichtlinien) dargestellt, muss der EWT
Rohrbereich zur Vermeidung von Beschädigungen am Rohr bzw. Setzungen ordnungsgemäß
hinterfüllt werden. Für die Kostenermittlung wurden die folgenden 4 Hinterfüllmaterialien
ausgewählt:
·
·
·
Sand 0/4 (Sand mit einer Körnung zwischen 0 und 4mm)
·
Magerbeton
Kies 0/32 (Kies mit einer Körnung zwischen 0 und 32mm)
SSM (Stabilisierte – Sand – Mischung; Patent einer österreichischen Firma; zur
Verflüssigung des Sandes wird nur Wasser und Stabilisierungsmittel verwendet,)
Abbildung 131 zeigt die gemittelten Firmenanbote für die vier Hinterfüllmaterialien. Hinsichtlich
guter Vergleichbarkeit wurde auf den spezifischen Preis EURO / m³ Hinterfüllmaterial
zurückgerechnet.
Gemittelte Ausschreibungspreise für die Hinterfüllung
Sand 0/4
Kies 0/32
SSM
Magerbeton
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Abbildung 131:
Gemittelte Einheitspreise für die Kostenstelle „Hinterfüllung der Leitungszone“ aus den
Ausschreibungsergebnissen
Die geringsten Kosten in dieser Kostenstelle liefert Kies, dichtgefolgt von Sand. Wie bereits in
Kapitel 5.3.3 verdeutlich wurde, sind zur Hinterfüllung der EWT – Rohre feinkörnige Materialien
zu verwenden, damit eine anhaltende Feuchte um die Rohre gewährleistet werden kann und
14 9
somit der Wärmeübergang vom Erdreich auf das Rohr verbessert wird (siehe Kapitel 5.3.2).
Hinterfüllmaterialien mit diesen Eigenschaften (Feinstsand mit Korngrößen <2 mm) bzw. auch
die nötigen Arbeitsleistungen hierzu stellen dabei einen Mehraufwand dar, den es bei der
Errichtung zu berücksichtigen gilt. Die mit Abstand höchsten Kosten in dieser Kostengruppe
entstehen für SSM und Magerbeton. Mit diesen – meist bei EWT-Anwendungen unter einem
Gebäude aus statischen Gründen verwendet - sollte somit äußerst sparsam umgegangen
werden. Auch in solchen Fällen können bei entsprechender Planung durch Kombination von
„Hinterfüllung des EWT“ und „Errichtung einer Gebäudebodenplatte“ wieder kostenminimierende Synergien erzielt werden.
7.1.3
Kosten von EWT-Rohren und Formstücken
Für die Verlegung von EWT sind neben entsprechenden Rohrstücken in Abhängigkeit von der
gewählten Verlegevariante auch Formstücke nötig. Nachfolgend werden sowohl Richtlinien für
Rohrpreise unterschiedlicher Materialien als auch für Formstücke unterschiedlicher Materialien
dargestellt.
7.1.3.1 Kosten von EWT-Rohren
Die kostengünstigsten Lösungen für EWT-Anwendungen können erzielt werden, wenn
handelsübliche Rohrsysteme aus der Abwasser- und Wassertechnik verwendet werden. Dabei
hängen die erzielbaren Preise einerseits vom Rohrmaterial sowie andererseits vom Querschnitt
ab. Nachfolgend (Abbildung 132) werden für zwei Kunststoffrohre sowie für das Beton-Falzrohr
(kaum Unterschiede zum Beton-Glockenmuffenrohr) die Firmenanbote dargestellt. Die
angeführten Einheitspreise beinhalten Material und Lohn (Basis: Jahr 2000).
Vergleich der Einheitspreise für Material und Verlegung der gängigsten Rohrsysteme
60
50
40
30
20
10
PVC - Rohr
PE-HD Dränagenrohr
Beton - Falzrohr
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Rohrnenndurchmesser [mm]
Abbildung 132:
Vergleich der Einheitspreise für die Kostenstelle „Material und Verlegung“ der
gängigsten Rohrsysteme im Jahr 2000
15 0
Bei kleinen Rohrdurchmessern (bis zu DN 150) sind Kunststoffrohre kostengünstiger als
Betonrohre. Dies kann auf die im Vergleich zu Betonrohren sehr einfache Montage bei
gleichzeitig günstigen Rohrpreisen zurückgeführt werden. Betonrohre erfordern aufgrund ihres
großen Gewichtes und der deshalb kurzen Einzelrohrlängen (1m oder 2,3m Stücke) höhere
Lohnanteile. Ab einem Durchmesser von 200 mm setzt sich dann der günstige Rohrpreis von
Beton durch und erzielt im Einheitspreis (Material und Lohn) günstigere Ergebnisse. Dabei
muss aber die Problematik der Wasser- und Gasdichtigkeit bei Betonrohren berücksichtigt
werden. Bei DN 300 ist dann PVC teurer als PE.
Zu berücksichtigen bleibt, dass die Aufwendungen für das Rohrmaterial bzw. deren Verlegung
bis zu 50% der gesamten EWT – Kosten ausmachen können. Es ist somit erhöhtes Augenmerk
auf die richtige Materialwahl zu legen. Durch den zusätzlichen Einfluss der Rohreigenschaften
auf den EWT – Energieertrag und die Hygiene werden die nutzbaren Möglichkeiten
eingeschränkt.
Um die Bandbreite der möglichen Rabattstaffeln von Rohrsystemen aufzuzeigen, werden zum
Vergleich nachfolgend die Listenpreise für unterschiedliche Rohrsysteme dargestellt. Die in
Abbildung 132 dargestellten Einheitspreise für Material und Lohn liegen in etwa in der gleichen
Größenordnung wie die Listenpreise der reinen Rohrmaterialien aus Abbildung 133.
Listenpreise der Rohrmaterialien
60
Preis [EURO/m Rohr]
50
40
Betonrohr
PE-HD Dränagenrohr
30
PVC Rohr
20
10
0
100
150
200
250
300
400
Nenndurchmesser [mm]
Abbildung 133: Listenpreise für die gängigsten Rohrsysteme (Basis: Jahr 2000)
7.1.3.2 Kosten von Formstücken
Formstücke werden für die Verbindung von Rohrsystemen benötigt. Dabei muss berücksichtigt
werden, dass vor allem bei größeren Nenndurchmessern die anteiligen Kosten für Formstücke
sehr groß werden. Grundsätzlich soll schon die Planung von EWT-Anwendungen auf ein
Mindesterfordernis an Formstücken abzielen. Nachfolgend werden die Einheitspreise (Material
15 1
und Lohn) für Formstücke unterschiedlicher Materialien und Dimension dargestellt (Basis: Jahr
2000).
Ausschreibungspreise für Bogen mit 45°- Formstücke (HD-PE/PVC/Beton-Falzrohr)
200
180
160
140
120
100
80
60
Bogen 45° (PE-HD)
40
Bogen 45° (PVC)
20
Bogen 45° (Beton-Falzrohr)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Abbildung 134: Einheitspreise für 45° Bögen (Basis: Jahr 2000)
Die Abbildung 134, Abbildung 135 und Abbildung 136 zeigen deutlich, dass sämtliche Bögen
aus dem Material PE wesentlich höhere Einheitspreise ergeben als vergleichsweise aus PVC
oder Beton. PVC-Bögen sind etwa gleichpreisig mit Beton-Bögen. 15°-Bögen sind für das
Material Beton nicht erhältlich (Abbildung 136).
Ausschreibungspreise für Bogen mit 90°- Formstücke (HD-PE/PVC/Beton-Falzrohr)
250
200
150
100
50
Bogen 90° (PE-HD)
Bogen 90° (PVC)
Bogen 90° (Beton-Falzrohr)
0
50
100
150
200
250
300
350
Abbildung 135: Einheitspreise für 90° Bogen
400
450
15 2
Ausschreibungspreise für Bogen mit 15° - Formstücke (HD-PE/PVC)
300
250
200
150
100
50
Bogen 15° (PE-HD)
Bogen 15° (PVC)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Abbildung 136: Einheitspreise für 15° Bögen
Abbildung 137: Einheitspreise für Doppelsteckmuffen für die Materialien PE und PVC
Ausschreibungspreise für die Doppelsteckmuffen (PVC/PE-HD)
120
100
80
60
40
20
Doppelsteckmuffe PVC
Doppelsteckmuffe PE-HD
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Abbildung 137: Einheitspreise für Doppelsteckmuffen
In Abbildung 138 sind die Einheitspreise (Material und Lohn; Basis: Jahr 2000) für
Rohrdurchführungssysteme dargestellt. Diese Formstücke sind nötig, wenn eine wasserdichte
Einmündung von EWT-Rohren in Gebäude oder in Sammelkanäle benötigt wird.
15 3
Ausschreibungspreise für Rohrdurchführungen
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Abbildung 138: Einheitspreise für Rohrdurchführungssysteme
Formstücke (Bögen, Muffen, Putzschächte, RDS, etc.) sollten hinsichtlich der Kostenminimierung nur dort eingesetzt werden, wo nicht anders möglich. Vielfach sind
kostengünstigere Alternativen denkbar.
7.1.4
Sammler / Verteiler
Wie im Kapitel 5.11 (Registeranordnung) erwähnt, benötigen EWT-Register einen Verteil- bzw.
Sammelkanal. Die häufigste Form des Sammlermaterials ist Ortbeton. Da Sammler in
unterschiedlichsten Formen – unter Einhaltung der in Kapitel 6.1.1.3 angegebenen
Verschaltungsrichtlinien - realisiert werden können, ist es grundsätzlich schwierig, allgemein
gültige Größen zur Abschätzung der Sammlerkosten zu definieren. Aus diesem Grund wurde
nachfolgend der Einheitspreis (Material und Lohn) für beispielsweise drei 12 m lange Sammler
mit unterschiedlichen Querschnitten dargestellt. Bei anderen Sammlergeometrien müssen die
Kosten über ein Ausschreibungsverfahren ermittelt werden, da Abbildung 139 in solchen Fällen
nur Anhaltswerte liefert.
15 4
Ausschreibungspreise für die Sammler und Verteiler
Verteilschacht 12*1,0*1,0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Einheitspreis [Euro/Stück]
Abbildung 139: Einheitspreise für Beton – Sammler / Verteiler
Neben der Verwendung von Ortbeton besteht auch die Möglichkeit einen Sammler mit
Großbetonrohren bzw. –schächten auszuführen. Um hier jedoch aussagekräftige Kosten zu
erhalten, müssen die Verhältnisse vor Ort bekannt sein, um danach den Aufwand (Verlegung,
Abdichtung, Herstellung der Anschlüsse) ermitteln zu können und in der Folge die hierfür
anfallenden Kosten mit der Variante „Ortbeton“ vergleichen zu können.
Bei kleinen Sammlern (< DN 500) besteht zusätzlich die Möglichkeit einer
Kunststoffausführung. Bis zu drei Anschlüsse < DN 200 können kostengünstig an Fertigschächte angeschlossen werden. Bei einer höheren Anschlusszahl sind konkrete Anbote
einzuholen, da nur mehr Spezialanfertigungen möglich sind.
Nachfolgend werden zur gängigen Sammlerausführung mit Ortbeton und Rohrdurchführungssystemen noch alternative Möglichkeiten der Sammlerausführungen im Überblick
dargestellt:
·
Fertigschächte aus Beton aus der Abwassertechnik (runder oder rechteckiger
Querschnitt) mit Dichtringen (ev. Teerpappe bei Stößen) und Kernbohrungen.
·
kleine Kunststoffschächte aus der Abwassertechnik (Fertigschächte mit max. 3 (-4)
Abzweigungen max. DN 200 und einem Sammlerdurchmesser von DN 400)
·
kleine Betonschächte (Fertigschächte mit 1 (-2) Abzweigungen max. DN 200 und
einem Sammlerdurchmesser von DN 600) (siehe Abbildung 140).
·
Sonderfertigungen in Kunststoff (gerade Rohre mit Kernbohrungen
aufgeschweißten Verbindungsrohren) (siehe Abbildung 140).
und
15 5
Abbildung 140: Das linke Bild zeigt einen Betonschacht DN 500 mit einer Abzweigung DN 200, das
rechte Bild einen PE-Sammler als Sonderanfertigung (Quelle des rechten Bildes: Energie
System Technik).
Wie bei der Wahl des Rohrmaterials, steht bei der Sammlerausführung die Dichtheit gegenüber
Wasser, Gase und Ungeziefer im Vordergrund.
7.2
Wirtschaftlichkeit von EWT
Die Wirtschaftlichkeitsrechnung dient als Entscheidungsgrundlage bei Investitionsvorhaben.
Dabei können im Fall von EWT-Anwendungen einerseits unterschiedliche Ausführungen
(Materialien, Größen, etc.) und andererseits EWT-Systeme direkt mit konventionellen Systemen
zur Bereitstellung von Wärme bzw. Kälte verglichen werden. Dabei werden die jährlichen
Gesamtkosten (in EURO) bzw. die spezifischen Gesamtkosten (in EURO/kWh) nach einer
dynamischen Methode bestimmt.
7.2.1
Modell der Wirtschaftlichkeitsberechnung
Als Berechnungsmethode wurde die Annuitätenmethode nach VDI 2067 gewählt. Diese Art der
Wirtschaftlichkeitsanalyse beruht auf der Bestimmung der durchschnittlichen jährlichen Kosten
bzw. Kosteneinsparungen über die Nutzungsdauer, unter Berücksichtigung der Veränderung
des Zeitwertes des Geldes (dynamische Methode). Von zwei möglichen Varianten ist diejenige
die kostengünstigere bzw. wirtschaftlichere, welche über die Nutzungsdauer die geringeren
durchschnittlichen Jahreskosten aufweist.
Erforderliche Eingangsdaten für eine solche Wirtschaftlichkeitsrechnung sind im wesentlichen
(LEEMANN, 1992):
·
·
·
·
die Investitionskosten I der untersuchten Vorhaben
die Nutzungsdauer n der Investition
die jährlichen Betriebskosten A der Investition, d.h. die Energiekosten und die
Wartungs- und Unterhaltskosten
die jährlichen Betriebskosteneinsparungen N gegenüber dem IST-Zustand, d.h. die
Einsparungen an Energiekosten bzw. für Wartung und Unterhalt
·
·
15 6
der Zinssatz i (Kalkulationszinssatz)
die jährliche Teuerungsrate e
Für die Berechnung der durchschnittlichen jährlichen Kosten gilt folgende Gleichung:
K = I × a + A× d ×a
[EURO / a]
Gleichung 29
K
[EURO / a] durchschnittliche jährliche Kosten
I
[EURO]
Investitionskosten der untersuchten Vorhaben
a
[-]
Annuitätenfaktor; berechnet sich aus dem Zinssatz i und der
Nutzungsdauer n
a=
(1 + i )n × i
(1 + i )n - 1
[-]
A
[EURO / a] jährliche Betriebskosten A der Investition
d
[-]
Gleichung 30
Diskontierungssummenfaktorfaktor; berechnet sich aus dem
Zinssatz i, der Teuerungsrate e und der Nutzungsdauer n
(1 + ir )n - 1
d=
(1 + ir )n × ir
ir » i - e
[-]
Gleichung 31
[%]
Gleichung 32
ir
[%]
Realzinssatz; stellt die über die allgemeine Teuerungsrate e
hinausgehende Verzinsung dar und ergibt sich näherungsweise
aus obiger Gleichung
e
[%]
Teuerungsrate
d*a
[-]
wird auch als Mittelwertfaktor m bezeichnet
Unter Berücksichtigung der nachfolgenden Randbedingungen (Tabelle 18) können für
Investition in EWT-Anlagen die jährlichen Kosten K ermittelt werden.
15 7
Tabelle 18: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durch Ermittlung der spezifischen Jahreskosten
Parameter
Bez.
Lebensdauer der Anlage
EWT – Energieertrag
n [a]
Wert
50
He [kWh / a]
Kühlertrag
Kü [kWh / a]
Aufgrund der Positionierung
muss der EWT dem Gebäude
zugeordnet werden und somit
eine
Lebensdauer
von
mindestens 50 Jahren besitzen.
ENutz = He + Kü
ENutz [kWh / a]
Heizertrag
Anmerkungen
errechnet sich aus Aushub Verfüllung, Rohren,
Formstücken, Sammlern,
Hinterfüllung, Arbeit
Anlageninvestitionskosten
Ianl [EURO]
EWT – Planungskosten
P [EURO]
Förderungen
F [EURO]
Zusatzkosten
Zu [EURO]
Kosten für Filter,...
I [EURO]
I=Ianl + P – F + Zu
Verbleibende Investitionskosten
Kapitalgebundene Kosten
Nominalzinssatz
i [%]
6
(Statistisches Jahrbuch
Österreich, 1999)
Teuerungsrate
e [%]
1,7
(Statistisches Jahrbuch
Österreich, 1999)
Realer Zinssatz
ir [%]
4,3
ir » i – e (Leemann, 1992)
Annuitätenfaktor
a [-]
0,0634
a=
20,4224
(1 + ir )n - 1
d=
(1 + ir )n × ir
Diskontierungssummenfaktor
Kapitalgebundene Kosten
d [-]
KKa [ECU / a]
(1 + i ) n × i
(1 + i ) n - 1
KKa = I * a
Verbrauchsgebundene Kosten
Kosten für den
Ventilatorbetrieb
KVent [EURO / a]
K Vent =
PVent
× BEWT × k Strom
hVent
·
Förderleistung
PVent [W]
·
Volumenstrom
Druckverlust durch EWT
V [m³/s]
DpEWT [Pa]
Ventilatorwirkungsgrad
hVent [-]
Betriebszeit des EWT
BEWT [h / a]
Stromkosten
kStrom [EURO /kWh]
PVent = V × Dp EWT
Verbrauchsgebundene Kosten
15 8
Kverbr [EURO / a]
Kverbr= KVent×a×d
Betriebsgebundene Kosten
Wartung- und
Instandhaltungskosten
Betriebsgebundene Kosten
Summe der jährlichen Kosten
spezifischer Mischpreis
(Wärme und Kälte)
WI [EURO]
KBetr [EURO /a]
K [EURO / a]
kEWT [EURO / kWh]
WI = 0,02 × I (Leeman, 1992)
KBetr = WI × a × d
K=KKa+KVerbr+KBetr
k EWT =
K
E Nutz
Die durchschnittlichen jährlichen Kosten setzen sich aus den kapitalgebundenen Kosten, den
verbrauchsgebundenen Kosten sowie den betriebsgebundenen Kosten zusammen. Stellt man
ein Verhältnis zwischen den durchschnittlichen jährlichen Kosten K und dem EWTEnergieertrag ENutz her, erhält man den spezifischen Energiepreis kEWT (Mischpreis aus Wärme
und Kälte).
7.2.2
Berechnung der spezifischen Energiepreise für das Referenzsystem
Für die speziellen Rahmenbedingungen des in Kapitel 5.1.3 definierten Referenzsystems, wird
in diesem Kapitel der spezifische Energiepreis für die Errichtung des EWT-Systems unter
Berücksichtigung von drei unterschiedliche Rohrmaterialien (PVC, PE und Beton) bestimmt.
Der Hintergrund für die Variation des Rohrmaterials liegt darin, dass dieses in Abhängigkeit von
der Projektgröße bis zu 50% der gesamten Investitionskosten ausmachen kann. Abbildung 141
zeigt die Verlegesituation des Referenz-EWT.
Abbildung 141: Verlegesituation des EWT - Referenzsystems
Die für die Wirtschaftlichkeitsrechnung erforderlichen Eckdaten der drei Vergleichsvarianten
sind der Tabelle 19 zu entnehmen. Im speziellen beinhaltet diese Tabelle die unterschiedlichen
15 9
Energieerträge sowie die Unterschiede in den benötigten Komponenten und Formstücken,
verursacht durch die drei betrachteten Rohrmaterialien.
Tabelle 19: Wesentliche Eckdaten zum EWT - Referenzsystem für die wirtschaftliche Betrachtung
Variante 1
Bau- und Verlegeart
Rohrmaterial
Variante 2
Variante 3
unter freiem Gelände verlegtes Einzelrohr
PVC
PE-HD
Rohrdurchmesser
Beton
DN 200
Rohrlänge
50 m
Mittlere Verlegetiefe
2m
Mittlere Grabenbreite
0,5 m
gewählte Formstücke
2
x
45°
Bögen
und
1 2 x 45° Bögen
Rohrdurchführungssystem (RDS)
feinkörniger Sand 0/4
Hinterfüllmaterial
Energieerträge aus der Simulation [kWh / a]
Heizenergieertrag
2667
2747
2908
Kühlenergieertrag
2067
2143
2290
Mit den Eckdaten der Vergleichsvarianten können die für die Ermittlung des spezifischen
Energiepreises erforderlichen Kostengruppen (kapital-, verbrauchs- und betriebsgebundene
Kosten) ermittelt werden.
7.2.2.1 Kapitalgebundene Kosten
Die Kapitalgebundene Kosten, bestehend aus den Abschreibungen und den Zinsen, sind jene
Kosten, die für die Nutzung eines Investitionsobjektes und die Beanspruchung des investierten
Kapitals entstehen. Die jährlichen Abschreibungen entsprechen dem Wertverlust, den die
Anlage durch seine Nutzung erleidet. Der Zins ist der Preis für die Beanspruchung von Kapital.
In der Wirtschaftlichkeitsrechnung werden Abschreibung und Zins gewöhnlich nicht getrennt
berechnet, sondern die Kapitalkosten werden als Annuität ermittelt, was einen über die
Nutzungsdauer der Investition gleichbleibenden, jährlichen Betrag bedeutet. Die Annuität kann
als jener konstante Jahresbetrag bezeichnet werden, der die Rückzahlung und Verzinsung des
eingesetzten Kapitals über die Nutzungsdauer gewährleistet.
Unter Vernachlässigung der Liquidationskosten
kapitalgebundenen Kosten KKa nach folgender Formel:
K Ka = I × a
[EURO / a]
berechnen
sich
die
jährlichen
Gleichung 33
16 0
n
(
1 + i) × i
a=
(1 + i )n - 1
[-]
Gleichung 34
Mittels der in Kapitel 7.1 definierten Kostenstellen und durch Musterausschreibungen
erhaltenen Kostenfunktionen können kapitalgebunden Kosten für die drei Vergleichsvarianten
errechnet werden (siehe Tabelle 20).
Tabelle 20: Investitions- und Kapitalgebundene Kosten für die drei Vergleichsvarianten
Menge
Variante 1 (PVC)
[EURO]
Variante 2 (PE-HD)
[EURO]
Variante 3 (Beton)
[EURO]
Mutterboden abheben 5
m³
17,08
17,08
17,08
Erdaushub
45
m³
503,62
503,62
503,62
EWT - Rohr
50
m
810,30
908,41
690,39
Rohr hinterfüllen
7
m³
170,42
170,42
170,42
Ansaugschacht
1
Stk.
145,35
145,35
145,35
Restgraben auffüllen
43
m³
178,12
178,12
178,12
Formstücke (2 x 45°)
2
Stk.
31,98
120,64
62,21
1
Stk.
43,60
43,60
36,34
1900,47
2087,24
1803,52
0,0634
0,0634
0,0634
KKa [EURO/a] 120,57
132,42
114,42
Rohrdurchführung
1
Gesamte
Investitionskosten
I
Annuitätenfaktor (laut
a [-]
Tabelle 18)
Kapitalgebundene
Kosten
Abbildung 142 zeigt die Zusammenstellung der Gesamtinvestitionskosten für das
Referenzsystem in Abhängigkeit von drei verschiedenen Rohrmaterialien. Den größten Posten
macht für alle drei Varianten das Rohr inkl. Verlegung aus. Den zweitgrößten Posten stellen die
Erdarbeiten dar. Unterschiede zwischen den einzelnen Kostengruppen gibt es nur beim
Rohrmaterial inkl. Lohn sowie bei den Formstücken inkl. Lohn. Die Unterschiede der
Gesamtinvestitionskosten zwischen den einzelnen Materialien sind für die Größenordnung des
EWT-Referenzsystems eher gering. Beton liefert die geringsten Investitionskosten gefolgt von
PVC und PE.
1
Variante 1 / 2 (PVC / PE-HD): Rohrdurchführungssystem (RDS DN 200)
Variante 3 (Beton): Abdichtung zwischen Rohr und Wand mittels Dichtungsmaterialien
16 1
Investitionskostenvergleich bei Ausführung des Referenzsystems mit verschiedenen
Rohrmaterialien
2500
Mutterboden abheben
Erdaushub
Rohre hinterfüllen (Sand)
Ansaugschacht
EWT - Rohr
Formstücke (2x45°)+RDS
Restverfüllung
2000
1500
1000
500
0
PVC
PE-HD
BETON
Rohrmaterial
Abbildung 142:
Investitionskostenvergleich bei Ausführung des Referenzsystems mit verschiedenen
Rohrmaterialien
7.2.2.2 Verbrauchsgebundene Kosten
Die verbrauchsgebundenen Kosten umfassen jene Kosten, die durch den Verbrauch von
Energie beim Betrieb der Vergleichssysteme entstehen. Im vorliegenden Fall werden durch den
EWT Druckverluste verursacht. Diese müssen vom Ventilator überwunden werden und führen
anteilig zu höheren Stromkosten. Diese Stromkosten werden als verbrauchsgebundene Kosten
folgendermaßen berücksichtigt:
K Verbr = K Vent × a × d
K Vent =
PVent
× BEWT × k Strom
hVent
[EURO / a]
Gleichung 35
[EURO / a]
Gleichung 36
KVent
[EURO / a]
Stromkosten für den Ventilatorbetrieb zur Überwindung des
EWT – Druckverlustes
PVent
[W]
anteilige, durch den EWT erforderliche, Förderleistung
hVent
[%]
BEWT
[h / a]
Betriebsstunden des EWT
kStrom
[EURO / kWh] Stromkosten
16 2
·
PVent = V × Dp EWT
[W]
·
V = 500 m³/h
laut Annahme
DpEWT = 63 Pa
für eRohr=0,007 (PVC / PE-HD)
DpEWT = 82 Pa
für eRohr=0,3 (Beton)
Gleichung 37
Die Basisdaten sowie die Berechnung der verbrauchsgebundenen Kosten sind in Tabelle 21
zusammengefasst.
Tabelle 21: Ermittlung der verbrauchsgebundene Kosten für die drei Vergleichsvarianten
Bez.
Variante 1
(PVC)
Variante 2
(PE-HD)
Variante 3
(Beton)
Anmerkung
Förderleistung
PVent
[W]
8,75
8,75
11,39
Gleichung 35
hVent
[-]
0,4
0,4
0,4
Recknagel
al., 2000
Betriebsstunden
BEWT
[h / a]
8760
8760
8760
Dauerbetrieb
Stromkosten
kStrom
[€ /kWh]
0,1453
0,1453
0,1453
Annahme
KVent
[EURO]
27,85
27,85
36,25
Gleichung 34
Annuitätenfaktor
a
[-]
0,0634
0,0634
0,0634
Tabelle 18
d
[-]
20,4224
20,4224
20,4224
Tabelle 18
Verbrauchsgebundene
Kosten
KVerbr
[EURO/a] 36,09
36,09
46,97
Gleichung 33
Kosten
für
Ventilatorbetrieb
den
et.
Aufgrund der höheren Rohrrauhigkeit von Betonrohren stellt sich auch für den Beton-EWT ein
höherer Druckverlust ein. Daraus resultieren höhere Kosten für den Ventilatorbetrieb und somit
höhere verbrauchsgebundene Kosten für das EWT-Material Beton.
7.2.2.3 Betriebsgebundene Kosten
Die betriebsgebundenen Kosten, auch als Wartungs- und Instandhaltungskosten bezeichnet,
setzen sich aus Personalkosten sowie gewissen Materialkosten (Hilfsstoffe, Ersatzteile)
zusammen. In der Regel werden diese in Prozent der gesamten Investitionskosten angegeben
und können aus der Fachliteratur bzw. aus bereits gemachten Erfahrungen angenommen
werden. Im vorliegenden Fall wurden die Wartungs- und Instandhaltungskosten aus der
Fachliteratur (Leemann, 1992) mit 2% der Investitionskosten angenommen. Somit ergeben sich
die betriebsgebundenen Kosten nach Gleichung 38.
16 3
K Betr = WI × a × d
[EURO / a]
Gleichung 38
Die Darstellung der Zahlenwerte sowie die Berechnung der betriebsgebundenen Kosten kann
in Tabelle 22 nachvollzogen werden.
Tabelle 22: Ermittlung der betriebsgebundenen Kosten für die drei Vergleichsvarianten
Bez.
Investitionskosten
I
Wartungs- und InstandWI
haltungskosten
Variante 1
(PVC)
Variante 2
(PE-HD)
Variante 3
(Beton)
Anmerkung
2087,24
1803,52
Tabelle 20
[EURO/a] 38,01
41,74
36,07
Tabelle 18
[EURO]
1900,47
Annuitätenfaktor
a
[-]
0,0634
0,0634
0,0634
Tabelle 18
d
[-]
20,4224
20,4224
20,4224
Tabelle 18
Betriebsgebundene
Kosten
KVerbr
[EURO/a] 49,25
54,09
46,74
Gleichung 36
Grundsätzlich kann gesagt werden, dass für den Vergleich der drei EWT-Materialien die
Wartungs- und Instandhaltungskosten nicht unbedingt mit den Investitionskosten konform
gehen. Beton weist mit den geringsten Investitionskosten die geringsten betriebsgebundenen
Kosten auf. Aufgrund der Hygieneproblematik bei Betonrohren können häufigere
Wartungsarbeiten beim EWT-Material Beton entstehen, wodurch umgekehrtes der Fall sein
müsste. Um für dieses Beispiel mit den Literaturwerten konform zu gehen, wurde, wie schon
erwähnt, mit 2% der Investitionskosten gerechnet.
7.2.2.4 Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsrechnung
Nach Ermittlung der jährlichen Kosten (zusammengesetzt aus kapital-, betriebs- und
verbrauchsgebundenen Kosten) in Tabelle 20, Tabelle 21 und Tabelle 22 und den Heiz- bzw.
Kühlenergieerträgen der drei Vergleichsvarianten (Tabelle 19) können die spezifischen Kosten
je Kilowattstunde ermittelt werden. Da die jährlich anfallenden Kosten nicht explizit auf die
Winter- bzw. Sommererträge aufgeteilt werden können, wird in Tabelle 23 ein Mischpreis aus
Wärme- und Kältepreis ermittelt.
Die Ermittlung der spezifischen Energiepreise zeigt, dass die drei verglichenen Varianten nur
geringfügig voneinander abweichen. Zunehmend größere Unterschiede zwischen den
verwendeten Materialien sind bei größeren Rohrdurchmessern zu erwarten (siehe Kapitel 7.1).
Wird die Variante 1 (PVC) als Vergleichssystem herangezogen, so ergeben sich für die
Variante 2 (PE-HD) 5% höhere spezifische Kosten und für die Variante 3 (Beton) um 8%
geringere Kosten. Bei Betonrohren muss aber auch an dieser Stelle nochmals auf die
Problematik der Lufthygiene hingewiesen werden. Kann bei gleichen Investitionskosten eine
absolute Dichtheit der verlegten Betonrohre vom ausführenden Unternehmen gewährleistet
werden, so sind Betonrohre bei der Realisierung von EWT vorzuziehen. Kann diese Garantie
16 4
nicht übernommen werden, ist eine gesicherte Lufthygiene geringeren spezifischen
Energiepreisen vorzuziehen.
Tabelle 23: Ermittlung der spezifischen Kosten [EURO / kWh] der drei Vergleichsvarianten
Bez.
Variante 1 Variante 2
(PVC)
(PE-HD)
Variante 3 Anmerkung
(Beton)
Kapitalgebundene
Kosten
KKa
[EURO / a]
120,57
132,42
114,42
Tabelle 20
Verbrauchsgebundene
Kosten
KVerbr
[EURO / a]
36,09
36,09
46,97
Tabelle 21
Betriebsgebundene
Kosten
KBetr
[EURO / a]
49,25
54,09
46,74
Tabelle 22
[EURO / a]
205,91
222,60
208,13
Tabelle 18
[kWh / a]
4743
4890
5198
Tabelle 19
0,0455
0,0400
Tabelle 18
Summe der jährlichen
K
Kosten
EWT - Energieertrag
ENutz
spezifischer Mischpreis
kEWT
(Wärme und Kälte)
[EURO/ kWh] 0,0434
Wie die Wirtschaftlichkeitsrechnung für das Referenzsystem zeigt, kann bei EWT –
Kleinanlagen durchaus ein spezifischer Wärme- bzw. Kältepreis erzielt werden, der im Bereich
der gängigen Primärenergieträger (Öl, Erdgas, Biomasse,....) liegt bzw. diese deutlich
unterbietet (elektrischer Strom).
Bei größeren EWT – Anlagen zur Raumkühlung bzw. zur Unterstützungskühlung können
zusätzlich zur Reduktion des Energieverbrauchs von konventionellen Klimatisierungsgeräten
entweder die gesamten Investitionskosten (bei vollständiger Substitution des konventionellen
Klimagerätes) oder Teile der Investitionskosten (um jene Differenz der Investitionskosten, um
die das konventionelle, kleinere Klimatisierungsgerät kostengünstiger ist) dem EWT-System
gegengerechnet werden. Bei entsprechender Planung und Nutzung von Synergien
(beispielsweise mit den Bauarbeiten am zu konditionierenden Gebäude) sind auch bei großen
EWT-Anwendungen durchaus konkurrenzfähige spezifische Energiepreise zu erzielen.
16 5
8 Mögliche Belastung der Raumluft durch die Luftführung über EWT
Da EWT eine Komponente der Lüftungsanlage darstellen, müssen neben energetischen
Anforderungen auch lufthygienische Anforderungen eingehalten werden. In zahlreichen
Veröffentlichungen zu EWT wird festgehalten, dass es im Frühjahr bzw. in den
Sommermonaten zur Kondensatbildung im EWT kommt und daraus resultierend optimale
Voraussetzungen für den Wachstum von Mikroorganismen (Pilzen, Pilzsporen, Bakterien)
geschaffen werden. Aber nur vergleichsweise wenige lufthygienische Untersuchungen bzw.
Arbeiten sind bekannt, die Auskunft geben, inwieweit Mikroorganismen in EWT tatsächlich eine
Belastung der Zuluft darstellen. In der Folge werden drei Studien zu diesem Thema diskutiert:
Die umfangreichsten Untersuchungen zur mikrobiellen Belastung und Lufthygiene in EWT
wurden an der ETH Zürich, Fachbereich Umwelthygiene (Flückiger et. al., 1997), durchgeführt.
Innerhalb dieser Arbeiten wurden 12 EWT unterschiedlicher Nutzung, Größe und Ausführung
untersucht. Dabei handelt es sich um vier kleine EWT für Anwendungen in Einfamilienhäusern
(Nennvolumenströme zwischen 120 m³/h und 240 m³/h), zwei EWT für Mehrfamilienhäuser
(800 m³/h und 2800 m³/h) sowie sechs relativ großer EWT an Gebäuden mit unterschiedlicher
Nutzung
(Schulhaus,
Bürogebäude,
Lebensmittelgeschäft,
Restaurant).
Die
Nennvolumenströme für diese sechs Anwendungen liegen zwischen 3500 m³/h und
26000 m³/h. Drei der Anlagen bestehen aus Zementrohren, neun aus Kunststoffrohren.
Vom deutschen Passivhaus-Institut wurde anhand der vier Passiv-Häuser in DarmstadtKranichstein (mit EWT) eine Studie zum selben Thema erstellt und untersucht neben der
mikrobiellen Belastung der Raumluft auch die Belastung durch andere (gasförmige und
partikelförmige) Verunreinigungen (Feist, 1997).
Lufthygienische Untersuchungen am energieautarken Solarhaus in Freiburg (Scherrer, et. al.,
1995) sind Inhalt einer zweiten deutschsprachigen Studie. Der in diesem Projekt eingesetzte
EWT besteht aus drei parallelen PVC-Rohren mit einer Länge von je 9 Metern.
Nachfolgend werden die Ergebnisse dieser drei Studien zusammengefasst und Empfehlungen
für die Errichtung von lufthygienisch unbedenklichen EWT gegeben.
8.1
Belastung durch Mikroorganismen (Schimmelpilze und Sporen, Bakterien)
·
Schimmelpilze
Das Vorkommen von Schimmelpilzen in der Außenluft unterliegt jahreszeitlichen
Schwankungen. Die höchsten Konzentrationen werden im Sommer gemessen. Die
Konzentration der Schimmelpilze in der Innenluft liegt in der Regel deutlich tiefer als
in der Außenluft. Sie ist abhängig von der Konzentration in der Außenluft sowie vom
Wohnverhalten, d. h. der Raumbelegung und der Raumnutzung. Bauphysikalische
und
konstruktive
Bauwerksmängel
können
Schimmelpilzkontaminationen
begünstigen. Raumlufttechnische Anlagen, insbesondere Luftwäscher und befeuchter, können Quellen und Verbreitungswege für Schimmelpilze in der
Innenluft darstellen.
Nur wenige Schimmelpilze sind gesundheitsschädlich. Ist der Abwehrmechanismus
eines Körpers geschwächt, können verschiedene Pilze (z. B. Aspergillus,
16 6
Penicillium) Infektionen hervorrufen. Einige Stoffwechselprodukte können
Vergiftungen verursachen. Wird ein Organismus wiederholt hohen Konzentrationen
an Pilzsporen ausgesetzt, erhöht sich das Risiko allergischer Reaktionen.
·
Bakterien
Bakterien verschiedenster Arten sind in der Natur, vorwiegend im Boden weit
verbreitet. Sie können in Wassertröpfchen und an Partikel gebunden in die
Atmosphäre gelangen. Bakterienquellen in der Innenluft sind vorwiegend Menschen
und Tiere. Besonders beim Niesen und Husten, aber auch beim Sprechen werden
viele Bakterien freigesetzt. Aufgewirbelter Staub und Hautschuppen enthalten
ebenfalls Bakterien. Einige wenige Arten können pathogen wirken.
Der bevorzugte Temperaturbereich liegt für die meisten Bodenbakterien und Schimmelpilze
zwischen 20 und 35°C. Viele Schimmelpilze und einige Bakterien wachsen jedoch noch bei
Temperaturen bis gegen den Gefrierpunkt. Die von den Pilzen gebildeten Sporen sind äußerst
kälte- und zum Teil auch hitzeresistent.
Abbildung 143: Häufigkeit der relativen Feuchte bei drei bestimmten Mindesttemperaturen am EWTAustritt am DB-Gebäude in Hamm, Deutschland.
Ein wichtiger Faktor für die Entwicklung von Schimmelpilzen und Bakterien ist die Verfügbarkeit
von Wasser. Daneben spielen die Temperatur, der pH-Wert und die chemische
Zusammensetzung des Substrats eine Rolle. Viele Sporen überleben lange Trockenperioden.
Zwei Nährstoffquellen bieten sich für Mikroorganismen in den Rohren an: Die sichtbaren
organischen Staubablagerungen, die mit den Organismen in die Rohre gelangen sowie die
Baumaterialien selbst.
Abbildung 143 und Abbildung 144 zeigen die Häufigkeit der relativen Feuchten, die bei drei
bestimmten Mindesttemperaturen am EWT-Austritt realisierter und über ein Jahr gemessener
16 7
EWT-Anlagen auftreten. Diese beiden Abbildungen spiegeln übliche Temperatur- und
Feuchteverhältnisse am EWT-Austritt wieder.
Relative Feuchten zwischen 90 und 100 Prozent (was auf Kondensatausfall schließen lässt)
treten am EWT-Austritt des DB-Gebäudes in Hamm, Deutschland, bei Austrittstemperaturen
über 15°C noch für knapp 200 Stunden im Jahr auf, bei Temperaturen über 20°C noch etwa 10
Stunden und bei Temperaturen über 25°C gar nicht mehr.
Ähnlich wie beim DB-Gebäude in Hamm treten relative Feuchten zwischen 90 und 100 Prozent
am EWT-Austritt eines Passivhauses in Neuenburg, Deutschland, bei Austrittstemperaturen
über 15°C noch für knapp 170 Stunden im Jahr auf, bei Temperaturen über 20°C noch etwa 10
Stunden und bei Temperaturen über 25°C gar nicht mehr.
Aus diesen beiden Darstellungen wird deutlich, dass das Zusammentreffen der für das
Wachstum von Mikroorganismen begünstigenden Faktoren – hohe Temperaturen und
Kondensatanfall – eher selten der Fall ist. Trotzdem ist insbesondere in den Frühjahrs- und
Sommermonaten ein mikrobielles Wachstum, aufgrund der Temperatur, der relativen
Luftfeuchtigkeit und der damit eintretenden Kondensation im EWT, möglich und zu erwarten.
Abbildung 144: Häufigkeit der relativen Feuchte bei drei bestimmten Mindesttemperaturen am EWTAustritt an einem Passivhaus in Neuenburg, Deutschland.
8.1.1
Luftkeimzahlbestimmung und Messpunkte
Für die Probenahme wurden in den Untersuchungen sogenannte Impact-Sampler benutzt. Die
Luft wird bei dieser Methode durch Schlitze oder Löcher auf die Oberfläche von Nährböden
aufgeblasen. Für Pilze und Bakterien kommen dabei verschiedene Nährböden zum Einsatz.
Diese Nährplatten werden dann bei Raumtemperatur oder im Brutschrank während einiger
16 8
Tage inkubiert. Die dann gewachsenen Kolonien wurden aufgrund makroskopischer
Eigenschaften in Gruppen eingeteilt und gezählt.
Bei allen Anlagen der schweizer Studie wurden jeweils nahezu zeitgleich Proben der Innenund der Außenluft genommen. Typischerweise werden die Proben an folgenden Orten
gesammelt:
·
·
·
in der Außenluft möglichst nahe der Ansaugstelle
in der Erdregisterluft vor den Filtern und dem Wärmetauscher. Bei einigen Anlagen
wurden zudem im begehbaren Sammelkanal Proben entnommen
in der Zuluft, direkt vor einer Eintrittsstelle in einen Raum
Bei einigen Anlagen wurden zudem in der Raumluft Proben entnommen oder Proben des
Filtermaterials analysiert.
8.1.2
Ergebnisse
8.1.2.1 Gesamtkeimzahlen in der Außenluft, der Erdregisterluft und der Zuluft
Die Keimkonzentrationen vor den Ansaugstellen lagen im Rahmen der üblicherweise in der
Außenluft festgestellten Keimzahlen für die jeweiligen Jahreszeiten und wurden durch die
lokalen Witterungs- und Umgebungsfaktoren beeinflusst. In der Erdregisterluft hatten die
Konzentrationen der Luftkeime im allgemeinen abgenommen. Die Resultate der einzelnen
Erdregisteranlagen zeigten, dass die deutlichsten Abnahmen in den größeren Bauten auftraten.
In den Einfamilienhäusern wurden zum Teil die höchsten Konzentrationen in der Erdregisterluft
gemessen. Die tiefsten Keimkonzentrationen wurden in der Zuluft festgestellt. Die Keimzahlen
wurden je nach Qualität der eingebauten Filter reduziert.
8.1.2.2 Jahrezeitliche Abhängigkeiten
Eine besonders deutliche saisonale Abhängigkeit zeigten die Pilzkonzentrationen in der
Außenluft. Diese lagen im Winter sehr tief. Mit steigender Temperatur und beginnender
Vegetationsperiode nahmen auch die Konzentrationen der Pilzsporen in der Außenluft zu und
erreichten ihr Maximum im Sommer. Die jahreszeitliche Abhängigkeit der Bakterienkeime in der
Außenluft ist weniger ausgeprägt. Bei vielen Messungen lag die Bakterienkonzentration in der
Außenluft im Sommer tiefer als in den Übergangszeiten. Die Schwankungen der
Außenluftkonzentrationen sind in der Erdregisterluft noch sichtbar. Nachdem die Luft aber die
Filter passiert hat, sind die Unterschiede zwischen den Jahreszeiten äußerst gering. Besonders
bei Anlagen mit Feinstaubfiltern (EU5 oder besser) war die Keimkonzentration in der Zuluft
ganzjährig sehr tief.
8.1.2.3 Schimmelpilze
Die Pilzkonzentrationen nehmen bei den meisten Anlagen von der Außenluft bis nach dem
Erdregister ab. Die Abnahmen sind größtenteils auf eine Reduktion von Cladosporium
zurückzuführen, was eine Veränderung der prozentualen Anteile der einzelnen Gattungen zur
16 9
Folge hat. Erstaunlicherweise erreichen sowohl Penicillium wie auch Aspergillus nach dem
Erdregister vieler Einfamilienhäuser höhere Konzentrationen als in der Außenluft. Neben der
Erklärung, dass sich diese Pilze in den Rohren vermehren können, ist es auch möglich, dass
ihre sehr kleinen Sporen leichter mit dem Luftstrom mitgetragen werden, als die größeren
Sporen von Cladosporium und Alternaria.
In der Zuluft war Cladosporium meist nur in den Sommermessungen deutlich der häufigste Pilz.
Daneben gelangten oft Penicillium, Aspergillus und selten andere Pilze mit der Zuluft in die
Räume. Abbildung 145 zeigt den Mittelwert der Pilzbelastung von drei schweizer EWTAnwendungen (Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus und Schulhaus) für die vier Jahreszeiten.
Gemessen wurde hierfür an der Außenluft, nach dem Erdregister (vor den Filtern) und in der
Zuluft. Nur im Sommer kann im Mittelwert dieser drei betrachteten Objekte eine erhöhte
Pilzbelastung im Vergleich zur Außenluft festgestellt werden. Die Zuluft blieb vom Anstieg der
Belastung im EWT aber völlig unbetroffen.
Abbildung 145: Die Pilzbelastung in KBE (koloniebildende Einheiten je Kubikmeter Luft) als Mittelwert
dreier schweizer Objekte (Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, Schule) an drei
Messpunkten im System für die vier Jahreszeiten dargestellt
Der jahreszeitliche Gang ist klar zu erkennen. Die Konzentrationen nach dem EWT liegen meist
unter denen der Außenluft, die der Zuluft stets unter denen der Außenluft.
8.1.2.4 Bakterien
Auch bei den Bakterien war in fast allen Fällen eine Abnahme im Erdregister festzustellen. Die
Anteile der einzelnen Bakteriengruppen an der Gesamtkonzentration blieben dabei wenig
verändert. Hingegen erhöhte sich bei den im Sommer untersuchten Einfamilienhäusern die
Konzentration der Actinomyceten bis nach dem Erdregister, sodass auch die Gesamtkeimzahl
17 0
in der Erdregisterluft höher als in der Aussenluft war. Dies könnte bedeuten, dass sich diese Art
bei den hohen Luftfeuchtigkeiten, die im Sommer in den Rohren erreicht werden, vermehren
kann.
Die Zuluft nach dem Filter enthält nur noch sehr wenige Bakterienkeime.
Abbildung 146: Die Bakterienbelastung in KBE (koloniebildende Einheiten je Kubikmeter Luft) als
Mittelwert dreier schweizer Objekte (Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, Schule) an drei
Messpunkten im System für die vier Jahreszeiten dargestellt
8.1.3
Erkenntnisse
8.1.3.1 Einfluss der Konstruktion des EWT
Bei allen Auswertungen zeigt sich sehr deutlich, dass große Unterschiede bei den
Gesamtkeimzahlen, wie auch in der Verteilung auf einzelne Organismengruppen, zwischen den
EWT in Einfamilienhäusern und den größeren Anlagen bestehen. Einfamilienhäuser sind
häufiger von einer Veränderung in der Zusammensetzung der Mikroflora betroffen und die
Reduktion der Keimzahlen im EWT fällt deutlich geringer aus. Die Studie der ETH Zürich
(Flückinger et. al., 1997) zeigt eine Korrelation zwischen der angesaugten Luftmenge (m³/h)
und der relativen Konzentrationsabnahme der Luftkeime. Kein Unterschied besteht zwischen
den Anlagen mit Zement- und Kunststoffrohren bezüglich einer Abnahme der
Bakterienkonzentration. Die Pilzkonzentrationen wurden in den Anlagen mit Zementrohren im
Mittel um 10% stärker reduziert als in den Anlagen mit Kunststoffrohren.
17 1
8.1.3.2 Einfluss der Filter
Die Konzentrationen der Pilzsporen in der Zuluft scheinen im Gegensatz zu den
Bakterienkonzentrationen durch die Filterqualität stark beeinflusst zu werden. Bei
Feinstaubfiltern (EU5 und besser) nimmt die Pilzkonzentration um 80-100% ab, bei
Grobstaubfiltern 40-80%. Die Bakterienkonzentrationen werden generell weniger reduziert und
zwischen Feinstaub- und Grobstaubfiltern ist ein weniger deutlicher Unterschied sichtbar. So
nimmt die Bakterienkonzentration in der Zuluft im Vergleich zur EWT-Luft in allen Anlagen mit
einem Feinstaubfilter um 50 bis 100%, mit einem Grobstaubfilter um 0 bis 80% ab.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zuluft je nach Filterqualität deutlich weniger
Bakterien und Pilzsporen enthält als die Außenluft. Da Pilze meist von außen in die Innenräume
eindringen, ist die Konzentration in den belüfteten Räumen deutlich tiefer als in der Außenluft.
Die Bakterienkonzentrationen können in der Innenluft auch bei sehr keimarmer Zuluft bei
starker Belegung hohe Werte erreichen.
8.2
8.2.1
Nicht mikrobielle Luftbelastung
Gasförmige Verunreinigungen
Hier wird vor allem die Radon-Belastung der Raumluft diskutiert. Radon ist ein Edelgas, das in
den Zerfallsketten von Uran und Thorium auftritt und selbst radioaktiv zerfällt. Quellen des
Radons sind das Erdreich (über Kellerboden und -Wände und über die Oberfläche des EWT)
und die im ganzen Gebäude verwendeten Baumaterialien. Die Messungen in Darmstadt
ergaben in der Raumluft des Gebäudes mit EWT stets niedrigere Radon-Konzentrationen als in
der Raumluft konventioneller Wohngebäude. Die Radon-Konzentrationen in der Wohnraumluft
lagen auch deutlich unter jenen in der Kellerluft. Durch die sehr luftdichte Bauausführung des
Passivhauses wirken sich die höheren Konzentrationen im Keller nicht auf die Wohnräume aus.
Zusammen mit dem kontinuierlichen (kleinen) Luftwechsel von minimal 25m³/h je Person ist
durchgängig eine sehr geringe Radonbelastung gewährleistet. Für EWT besteht der Anspruch
auf eine möglichst gasdichte Ausführung.
8.2.2
Flüchtige organische Verbindungen (VOC)
Zu diesen Stoffen zählen u. A. chlorierte Kohlenwasserstoffe, Aromate, Alkane, Terpene und
Formaldehyd. In den vier Wohneinheiten in Darmstadt lag die Konzentration dieser Verbindungen stets unter den Werten in vergleichbaren konventionellen Gebäuden. Dies wird zum
Teil auf die bewusste Baustoff- und Produktwahl zurückgeführt, zum anderen wieder auf die
permanente Lüftung, die eine Ansammlung dieser Schadstoffe in den Innenräumen verhindert.
8.2.3
Partikelförmige Verunreinigungen (Staub)
Beim Staubgehalt der Raumluft liessen sich in Darmstadt keine signifikanten Unterschiede zu
anderen (konventionellen) Wohnräumen feststellen. Als Hauptquelle für Staub gelten die
Aktivitäten der Bewohner eines Gebäudes.
8.3
17 2
Empfehlungen
Bei Planung und Bau von EWT sollte auf gute Zugänglichkeit aller Komponenten (Ansaugstelle,
EWT-Rohre und Sammler, Lüftungsanlage, Lufteinlässe in die Räume etc.) geachtet werden.
Dies erleichtert die Überwachung und eine periodische Reinigung.
Die Außenluftfassung sollte möglichst immissionsfrei sein. Quellen großer Mengen von
Luftkeimen (z. B. Kompostieranlagen) sollten in der Nähe vermieden werden. Eine erhöhte
Ansaugöffnung ist immer vorzuziehen, um das Ansaugen von Mikroorganismen und Staub aus
Bodennähe zu vermeiden. Die Ansaugstelle sollte frei von dichter Bepflanzung sein und
gereinigt werden können.
Aufgrund der klimatischen Bedingungen in den Rohren ist im Frühjahr und im Sommer mit
Kondensatanfall zu rechnen. Es ist daher wichtig, dass die Rohre mit einem Gefälle verlegt
werden, sodass das Wasser abfließen kann. Innen gerippte Rohre sollten nicht verwendet
werden, da sich das Ansammeln kleinster Wassermengen nicht verhindern lässt. Es ist
ebenfalls wichtig, dass der Untergrund sorgfältig verdichtet wird, damit sich die Rohre nicht
stellenweise absenken können. Damit kein Hang- oder Grundwasser in die EWT dringen kann,
sollen Querschächte und Rohre möglichst in trockenem Erdreich oder absolut wasserdicht
ausgeführt werden.
evtl. Schacht
zur Beobachtung
AußenluftAnsaugung
AußenluftAnsaugung
Lüftungsgerät
Lüftungsgerät
Lüftungsgerät
AußenluftAnsaugung
EWT
EWT
Kondensat frei abtropfend
in Abfluß leiten oder
in Drainageschicht ableiten
Kondensat in Sickerschacht
oder Drainageschicht
Achtung: Grundwasser darf nicht
in den EWT hineindrücken
Leerpumpen mit Tauchpumpe mit
Füllstandmesser oder evtl. in Drainageschicht versickern lassen
Achtung: Grundwasser darf nicht
in den EWT hineindrücken
Abbildung 147: Kondensatableitung; das in den Führjahrs- und Sommermonaten anfallende Kondensat
(in Verbindung mit hohen Temperaturen der Nährboden für mikrobiellen Wachstum) ist
durch richtige Verlegung des EWT abzuführen (Bildquelle: Energie Effizientes Bauen EB
2/2000)
Die Studie des Passivhaus-Instituts empfiehlt sogar den kondensationsfreien Betrieb des EWT.
Dies erfordert beim Sommerbetrieb der Lüftungsanlage eine Umgehung des EWT, die an etwa
30 Tagen des Jahres notwendig wird. Diese Tage bilden keinen großen zusammenhängenden
Zeitraum, sondern verteilen sich über die Periode Mai bis September. Diese Lösung erscheint
allerdings nur für Wohngebäude praktikabel zu sein. In Bürogebäuden kann vor allem bei einem
darauf ausgelegten Lüftungskonzept im Sommer nicht mehrere Tage auf die Luftkühlung über
den EWT verzichtet werden. Auch gibt es bisher aus keiner der untersuchten Anlagen, die auch
mit möglicher Kondensation betrieben werden, Messwerte, die auf ein bedenklich starkes
mikrobielles Wachstum im EWT hindeuten.
Die Filter vor dem Wärmetauscher sollten Pilzsporen (2-5 mm) von Aspergillus und Penicillium,
die im EWT wachsen können, zurückhalten. Empfehlenswert ist deshalb der Einsatz von
Feinstaubfiltern. Wenn möglich sollte bereits eine erste Filterstufe bei der Außenluftansaugung,
das heißt vor dem EWT, installiert werden. So könnte die Ablagerung von Staub und
Mikroorganismen in den Rohren reduziert werden.
17 3
9 Demonstrationsprojekte und Messergebnisse
9.1
Bürogebäude „Neues Tor am Rathaus – Aalen“ (Transsolar)
Das Bürogebäude wurde im Jahr 2000 generalsaniert. Mit dem Energie- und Lüftungskonzept,
das im wesentlichen auf der Zuluft- und Abluftführung über eine Doppelfassade, den
Luftkollektoren sowie der Lüftung über den EWT basiert, konnte der spezifische
Heizenergieverbrauch auf 30 kWh/m² beheizte Nutzfläche und Jahr reduziert werden. Der EWT
wird im Wesentlichen zur Luftkühlung im Sommer verwendet, im Winter wird die
Luftvorwärmung für einen Teil (Pavillon) des Gebäudes durchgeführt. Für den hygienischen
Luftwechsel wurde ein Gesamtvolumenstrom von 4.500 m³/h ermittelt. Wenn im Sommer hohe
Kühllasten anfallen, wird der Volumenstrom auf 14.000 m³/h erhöht.
Abbildung 148: Süd- Ostansicht des
Bürogebäudes. Im Bild ist deutlich die
Doppelfassade ersichtlich
Die Luftführung für die Kühlung im
Sommer wurde beim vorliegenden
Projekt so gestaltet, dass die Luft
über das Flachdach angesaugt,
senkrecht nach unten in das zweite
Untergeschoss und durch den EWT
geführt wird. Die gekühlte Luft wird
in weiterer Folge in das Treppenhaus eingeblasen. Mittels Kleinventilatoren werden die Büros vom Treppenhaus aus mit Frischluft versorgt. Die beiden
Erdkanäle – je einer im Gebäudeteil West und Ost – sind im Gebäude integriert (siehe
Abbildung 148). Die Verlegetiefe beträgt für den EWT zwischen 0,5m und 7m, wobei dieser auf
zwei Ebenen geführt ist. Die Dimensionen
des Erdreichwärmetauschers wurden im
Hinblick auf die vorhandene sommerliche
Kühllast festgelegt. Zur Realisierung
gelangten zwei betonierte Kanäle mit einer
Abmessung von 0,6 x 0,8 m und einer
Länge von 70 m für den Kanal im
Gebäudeteil West und einer Länge von 30
m für den Kanal im Gebäudeteil Ost. Beide
Kanäle sind bekriechbar.
Abbildung 149: Erdkanal Gebäudeteil West
17 4
Die für die Erdreichwärmetauscher durchgeführten Simulationen zeigten Kühlleistungen bis zu
35 kW. Damit ergibt sich ein Kühlenergieertrag von 9.000 kWh/a. In Kombination mit der
Nutzung der Nachtkälte (Querlüftung mit kühler Außenluft) übernimmt der Erdreichwärmetauscher die Deckung der gesamten Kühllast im Sommer.
Temperatur [°C]
Die Simulationsergebnisse werden durch die Vermessung des EWT überprüft. Abbildung 150
zeigt eine Auswertungen (Juni 2000) der Außenluft und die Luftaustrittstemperatur im
Treppenhaus (Gebäude
32
Ost und West). Durch
30
das
Fehlen
eines
28
Bypasses ist für die
26
Nachtstunden der Ef24
fekt des Heizens aus
22
dem Diagramm ersicht20
lich. Hingegen würde
18
mit
einem
Bypass
16
dieser
Effekt
nicht
14
auftreten
und
eine
12
bessere Nachkühlung
4.6.00 0:00
11.6.00 0:00
18.6.00 0:00
25.6.00 0:00
möglich.
Tage im Juni
Aussentemperatur
Abbildung 150:
Istwert Zuluft
Treppenhaus West
Istwert Zuluft
Treppenhaus Ost
Gemessener
Temperaturverlauf
vom
4.6.2000
bis
25.06.2000.
Die
Erdreichwärmetauscheraustrittstemperatur steigt bei Umgebungstemperaturen von
über 30°C teilweise auf 28°C
Technische Daten zum Erdreichwärmetauscher:
Volumendurchsatz:
Normalbetrieb
Betrieb bei Kühlspitzen:
4.500 m³/h
14.000 m³/h
Bauart:
Betonierte Kanäle
Sammelschächte:
Keine
Rohrmaterial:
-----
Gesamtlänge:
1 x 70 lfm (eine Umlenkung) EWT Gebäude West
1 x 30 lfm EWT Gebäude Ost
Achsabstand:
----
Kanalabmessungen:
0,6 x 0,8 m
Verlegetiefe:
0,5 m unter dem Kellerfundament
3,8 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
Wohnungsbau Aalen GmbH., Aalen, Deutschland
Architekt:
Projektgruppe Isin, Deutschland
Gesamtenergiekonzept und Planung
des Erdreichwärmetauschers:
TRANSSOLAR Energietechnik GmbH., Stuttgart,
Deutschland
Haustechnik:
k. A.
9.2
17 5
Bürogebäude Gniebel (Transsolar)
Das 1995 errichtete Büro- und Verwaltungsgebäude „Gniebel“ mit einer Nutzfläche von etwa
1000 m² hat einen spezifischen Heizenergieverbrauch von 60 kWh/m² Nutzfläche und Jahr. Im
Wesentlichen zur Kühlung, aber auch zur Luftvorwärmung im Winter wurde im Energiekonzept
ein EWT berücksichtigt. Diesem ist eine zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung
nachgeschaltet.
Abbildung 151: Südansicht des
Bürogebäudes Gniebel
Der Erdwärmetauscher ist in
3-Teilstränge unterteilt, die in
der Lüftungszentrale zusammengeführt werden. Die Luft
wird durch den entlang des
Kellers und der Untergeschosse gebauten EWT über
den Zuluftventilator angesaugt
und nach der WRG und dem zentralen Vorerhitzer mit 20°C ins Atrium eingeblasen. Der
Volumenstrom beträgt im Winter 8000 m³/h und im Sommer 24000 m³/h, das bedeutet einen 1
bzw. 3-fachen Luftwechsel bezogen auf die Bürofläche. Dabei wird die Luft immer über den
Erdreichwärmetauscher angesaugt, da ein Bypassbetrieb nicht möglich war. Der
Erdreichwärmetauscher in diesem Objekt erfüllt im Wesentlichen zwei Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
Kühlung der Zuluft im Sommer
auf
der
Fortluftseite
der
im
Die Dimensionen des Erdreichwärmetauschers wurden im Hinblick auf die vorhandene
sommerliche Kühllast festgelegt. Zur Realisierung gelangten 3 Teilstränge, die in Beton
ausgeführt und begehbar sind. Kanal 1 und 3
haben eine Länge von je 40 m, Kanal 2 hat
eine Länge von 50 m.
Abbildung 152: Prinzip der Sommerlüftung. Die
Außenluft wird durch die drei Erdreichwärmertauscherkanäle angesaugt und in das Atrium
eingeblasen. Über Luftkanäle gelangt die gekühlte
Frischluft in die Büroräume, und wird von dort
abgesaugt.
17 6
Die für den EWT durchgeführten Simulationen zeigten Kühlleistungen bis zu 18 kW. In
Kombination mit der Nutzung der Nachtkälte (Querlüftung mit kühler Außenluft) übernimmt der
EWT die Deckung der Kühllast im Sommer. Zusätzlich zur Deckung der sommerlichen
Kühllasten wird der EWT zur Heizungsunterstützung im Winter herangezogen.
Volumendurchsatz:
Normalbetrieb
Bauart:
Betonierter Kanal
Sammelschächte:
Keine
Rohrmaterial:
Beton
Gesamtlänge:
2 x 40 und 1 x 50 lfm
8.000 m³/h
24.000 m³/h
Achsabstand:
Kanalabmessung:
Kanal 1: 1 x 3,5 m Kanal 2 und 3: 0,8 x 2 m
Verlegetiefe:
3 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
Grundstücksgesellschaft Gniebel, Deutschland
Architekt:
Kaufmann, Deutschland
TRANSSOLAR Energietechnik GmbH., Stuttgart,
Deutschland
Haustechnik:
k. A.
9.3
17 7
Passivhaussiedlung „50 Morgen“ (Trippe und Partner)
Die Wohnhausanlage 50 Morgen besteht aus insgesamt 28 Passivhäusern mit einer
Wohnnutzfläche von 120m² bis 150m² und wurde in Trockenbauweise ausgeführt. Der
Restheizenergiebedarf
beträgt
13,5 kWh/m² Wohnfläche und
Jahr. Sowohl Beheizung als auch
Kühlung erfolgt dezentral für jedes
Reihenhaus mit einer Lüftungsanlage und Wärmerückgewinnung,
Für den hygienischen Luftwechsel
wurde ein Gesamtvolumenstrom
von 180 m³/h ermittelt.
Abbildung 153: Südansicht der Passivhaussiedlung
Den dezentralen Lüftungsanlagen ist ein unter dem Keller verlegter (die mittlere Verlegetiefe
beträgt rund 1,5 m) EWT in Registerform vorgeschaltet. Dieser erfüllt im Wesentlichen zwei
Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
auf
der
Fortluftseite
der
im
Die Dimensionen des Erdreichwärmetauschers wurden im Hinblick auf Luftvorwärmung im
Winter ausgelegt. Zur Realisierung gelangten je 2 parallele PVC-Rohre mit DN 150 und einer
Rohrlänge von je 13 m.
Abbildung 154: Schema der Lüftungsanlage
Um
während
des
Sommerbetriebes
keine
Rückwärmung der, durch den EWT vorgekühlten Luft
zu bewirken, ist ein Bypass vorgesehen.
Die für die Erdreichwärmetauscher im Rahmen der
Dimensionierung durchgeführten Simulationen zeigten
sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall einen
Temperaturhub von rund 11 K. Damit kann bei einer
minimalen Außentemperaturen von –13°C zu jeder
Zeit eine Eisfreihaltung der Wärmerückgewinnung
gewährleistet werden.
17 8
Technische Daten zum Erdreichwärmetauscher (pro Reihenhaus):
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom
180 m³/h
Bauart:
Rohrregister mit Kuststoffsammler
Sammelschächte:
Keine
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
2 x 13 lfm
Achsabstand:
0,7 m
Rohrdurchmesser:
0,15 m
Verlegetiefe:
Projektpartner:
Bauherr:
4 B Holzelemente Wohlfarth GmbH., Marxzell, Deutschland
Architekt:
Winkler und Bahm, Karlsruhe, Deutschland
T.P.I. TRIPPE + PARTNER, Karlsruhe, Deutschland
Haustechnik:
T.P.I. TRIPPE + PARTNER, Karlsruhe, Deutschland
9.4
17 9
Institutsgebäude der GIPS-SCHÜLE Stiftung (Rentschler & Riedesser)
Der Erdreichwärmetauscher des Institutsgebäudes für Bauphysik, das 1999 bezogen wurde,
wird vom Betreiber zu Versuchszwecken eingesetzt. Da die Betriebszeiten des EWT von den
Versuchszyklen abhängen, ist dieser auch nicht für die Kühlung bzw. Beheizung des
Institutsgebäudes vorgesehen. Der EWT kann je nach Verschaltung als Rohrregister mit vier
Rohren und einer Länge von 30 m bis zum Einrohrerdreichwärmetauscher mit einer Länge von
120 m variiert werden. Die Rohre sind als PVC-Rohre mit einer Nennweite von DN 250
ausgeführt. Durch den, entlang des Gebäudes verlegten EWT kann ein maximaler
Gesamtvolumenstrom 900 m³/h gefördert werden. Je nach Bedarf ist der Volumenstrom
zwischen 30 und 100% variierbar. Die zwei Sammelschächte aus Beton haben eine
Abmessung von 1,5 x 1,5 x 3 m und sind begehbar. In diesen Schächten wird auch die
Änderung der Verschaltung
des EWT vorgenommen. Die
aus dem EWT austretende
Luft
wird
ohne
weitere
Nachbehandlung
und
Konditionierung in die Halle
des Technikums eingeblasen.
Abbildung 155:
Verschaltung
Schema
der
Die zu erwartende Leistungsfähigkeit des EWT wurde in der Planungsphase mittels Simulationen ermittelt. So können bei
den Versuchen in Abhängigkeit von der hydraulischen Verschaltung des EWT maximale Heizund Kühlleistungen von 3,5 bzw. 3,3 kW erreicht werden. Daraus resultieren Heizenergie- und
Kühlenergieerträge von 4.000 bzw.
2.900 kWh/a.
Abbildung 156: Verlegung der EWT
Rohre. Der EWT wird ausschließlich für
Versuchszwecke verwendet.
18 0
Volumendurchsatz:
Normalbetrieb
900 m³/h
5000 m³/h
Bauart:
Rohrregister mit betonierten Sammelschächten am EWT
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
2 begehbare Sammelschächte mit 1,5 x 1,5 m
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
4 x 30 lfm
1 x 120 lfm
Achsabstand:
1,0 m horizontal und 1,0 m vertikal
Rohrdurchmesser:
0,25 m
Verlegetiefe:
1,5 m unter dem Umgebungsniveau (Ebene 1)
Projektpartner:
Bauherr:
GIPS – SCHÜLE – Stiftung, Stuttgart, Deutschland
Architekt:
k. A.
Konzept und Planung des
Erdreichwärmetauschers:
Frauenhofer-Gesellschaft-IBP Stuttgart. und
Rentschler & Riedesser, Stuttgart, Deutschland
Haustechnik:
9.5
18 1
Stadtsaal Gleisdorf (AEE INTEC)
Der neu errichtete Stadtsaal in Gleisdorf, der zu einem Veranstaltungszentrum gehört, wurde im
Frühjahr 2001 fertiggestellt. Das Gebäude ist als konventioneller Hallenbau mit einer
südorientierten Glasfassade konzipiert. Aufgrund der im Objekt benötigten Kühlleistungen,
verursacht durch interne Gewinne (Personenbelegung, Beleuchtung, etc.) und passiver
Gewinne über die Südwestfassade, wurde ein EWT zur Luftkühlung eingeplant. Im
vorliegenden Projekt wird der EWT als Vorstufe für eine Klimaanlage für den Stadtsaal
verwendet. Durch den EWT kann die Kühlgrundlast gedeckt und somit das Klimatisierungsgerät
entsprechend kleiner dimensioniert werden. Beheizung als auch Kühlung erfolgen über die
zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, wobei der maximale Gesamtvolumenstrom
rund 20.000 m³/h beträgt. Der EWT erfüllt bei diesem Objekt im wesentlichen zwei Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
Kühlung der Zuluft im Sommer zur Unterstützung des Klimatisierungsgerätes
auf
der
Fortluftseite
der
im
Die Dimensionen des EWT wurden im Hinblick auf die Abdeckung der Kühlgrundlast festgelegt.
Der Erdreichwärmetauscher besteht aus 8 parallelen und jeweils 80 m langen PVC-Rohren. Die
Rohre mit einer Nennweite von 400 mm sind im Mittel in einer Erdreichtiefe von 2 m verlegt. Die
Luftzuführung zu den Rohren erfolgt über 4 Ansaugtürme, d.h. für je zwei Rohre ein
Ansaugturm. Zusätzlich sind noch zwei Ansaugtürme direkt am Gebäude errichtet, sodass der
EWT über einen Bypass umgangen werden kann, wenn dies die Witterungsbedingungen
verlangen
(vor
allem
in
der
Übergangszeit).
Der
Sammelschacht
am
Erdreichwärmetauscheraustritt ist aus Blech, weist eine Länge von 9 m auf und ist mit
Revisionsöffnungen versehen.
Dieser EWT wird im Zuge eines nationalen Forschungsprojektes detailliert vermessen und soll
unter anderem Aufschlüsse über die Vorgänge im, vom EWT beeinflussten, Erdreich liefern.
Abbildung 157: Schematische Darstellung
der EWT - Verlegung
Da der EWT zum Zeitpunkt der Berichtslegung noch nicht in Betrieb ist, liegen derzeit nur
Simulationsergebnisse über seine Leistungsfähigkeit vor. So können maximale Heiz- und
Kühlleistungen von rund 51 bzw. 57 kW erreicht werden.
18 2
Abbildung 158: Ansaugturm und ein PVC-Rohr. Die acht
parallelen PVC-Rohre weisen eine Nennweite von 400 mm
auf. Die Verlegetiefe der Rohre beträgt im Mittel 2 m.
Volumendurchsatz:
Normalbetrieb
20.000 m³/h
Bauart:
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
4 Ansaugtürme am Erdreichwärmetauschereintritt
1 Sammelschacht am Erdreichwärmetauscheraustritt mit 9
m Länge
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
8 x 80 lfm
Achsabstand:
1,5 m
Rohrdurchmesser:
0,4 m
Verlegetiefe:
1,5 m bis 2,0 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
Stadtgemeinde Gleisdorf, A-8200 Gleisdorf
Architekt:
Architekturbüro Lidl & Lechner, A-8200 Graz
AEE INTEC, A-8200 Gleisdorf
Haustechnik:
TB Herbst, A-8200 Gleisdorf
9.6
18 3
Pflegeheim „Gradmann Haus“ – Stuttgart (Rentschler & Riedesser)
Das sich zur Zeit in Bau befindliche Pflegeheim mit einer Nutzfläche von ca. 1.800 m² hat einen
spezifischen Heizenergieverbrauch von ca. 80 kWh/m² beheizte Nutzfläche und Jahr. Im
Energiekonzept des Pflegeheims wurde ein EWT vorgesehen, der sowohl zur Beheizung als
auch zur Kühlung verwendet wird. Der Nennvolumenstrom der zentralen Lüftungsanlage wurde
mit 4.900 m³/h ermittelt, wobei der Volumenstrom je nach Bedarf zwischen 50 % und 100 %
des Nennvolumenstroms variiert werden kann.
Der zentralen Lüftungsanlage ist ein teilweise im freien Gelände und teilweise unter dem
Gebäude verlegter EWT in Registerform vorgeschaltet. Dieser erfüllt im wesentlichen zwei
Aufgaben:
·
·
Vorwärmung der Zuluft im Winter
Dem EWT ist ein Heizregister ohne Wärmerückgewinnung nachgeschaltet, dass die Zuluft auf
die erforderliche Temperatur nacherwärmt.
Bei dem vorliegenden Projekt wurden 2 x 2 parallele PVC-Rohre mit DN 300 und einer
Rohrlänge von 80 m realisiert.
Abbildung 159: Schema der
Lüftungsanlage
Die Sammelschächte aus
Beton weisen eine Länge von 1,8 m auf und sind begehbar. Zusätzlich zum EWT ist ein Bypass
installiert, über den bei ungünstigen Betriebsbedingungen – z.B. wenn beim Kühlen die
Umgebungstemperatur tiefer als die Austrittstemperatur des EWT ist oder wenn beim Heizen
die Umgebungstemperatur höher als die Austrittstemperatur des EWT ist – die Frischluft
angesaugt wird. Zur Dimensionierungsunterstützung des Erdreichwärmetauschers wurden in
der Planungsphase Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem im
vorliegenden Projekt installierten EWT Kühlleistungen bis zu 12,9 kW und Heizleistungen bis zu
15,5 kW möglich sind. Daraus resultieren Kühlenergieerträge von 12.660 kWh/a und
Heizenergieerträge von 13.520 kWh/a. In Kombination mit der Nutzung der Nachtkälte
(„Nachtspülung“ mit kühler Außenluft) übernimmt der EWT die Deckung der gesamten Kühllast
im Sommer.
18 4
Abbildung 160: Verlegung des EWT. Es
wurden je 2 PVC Rohre parallel in zwei
Ebenen verlegt.
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom
Variabilität:
4.900 m³/h
2.450 bis 4.900 m³/h
Bauart:
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
2 Sammelschächte mit je 1,8 m Länge
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
4 x 75 lfm
Achsabstand:
1m
Rohrdurchmesser:
0,3 m
Verlegetiefe:
Projektpartner:
Bauherr:
Erich und Liselotte Gradmann Stiftung, Stuttgart,
Deutschland
Architekt:
Herrmann und Bosch, Stuttgart, Deutschland
Haustechnik:
9.7
18 5
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme – Freiburg (Rentschler & Riedesser)
„Vorbildliches Bauen mit der Sonne“ ist das Motto des Institutsneubaus des Fraunhofer Institut
für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg das 2001 fertiggestellt wurde. Das Gebäude hat
eine Nutzfläche von 6.474 m². Das Energiekonzept des Gebäudes setzt auf Energieeinsparung
und effiziente Energieversorgung. So erfolgt die Stromproduktion mittels Blockheizkraftwerk
(230 kW el) und eine Photovoltaikanlage (20 kWpeak). Da das Institutsgebäude zu rund zwei
Drittel aus Labors besteht und in diesen eine hohe Anforderung an die Konstanz des
Raumklimas gefordert ist, war auf die Erarbeitung des Lüftungskonzepts besonderer Wert zu
legen.
Aus diesem Grund wurde neben einer
Absorptionskältemaschine ein EWT für
die Zuluftversorgung der Küche, des
Seminarraums und des Atriums
installiert, über welches auch die
umliegenden Büros belüftet werden.
Die Kühlung und Beheizung erfolgt
über die Lüftungsanlage.
Abbildung 161: Modellbild des Institutsgebäudes des Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme (ISE) in Freiburg
Der Volumenstrom variiert je nach Nutzung zwischen 3.000 und 6.000 m³/h. Zusätzlich kann
der EWT mittels Bypass umgangen werden. Der EWT ist zum Großteil unter der
Gebäudefundamentplatte in einer mittleren Verlegetiefe von rund 5,5 m unter dem Umgebungsnivau verlegt. Dieser erfüllt im wesentlichen zwei Aufgaben:
·
·
Die Dimensionen des EWT wurden im Hinblick auf die vorhandene sommerliche Kühllast für die
erwähnten Gebäudeteile festgelegt. Zur Realisierung gelangten 7 parallele PE-Rohre mit
DN 250 und einer Rohrlänge von
je 100 m. Die zwei Sammelschächte aus Beton weisen eine
Länge von je 4 m auf und sind
begehbar.
Abbildung 162: Schematische
Darstellung des Lüftungshydraulikkonzepts
18 6
Der gesamte, dem Gebäude
zugeführte Luftvolumenstrom wird
vorgefiltert. Ein Teilstrom wird vor
dem EWT abgezweigt und für die
Belüftung
der
Laborräume
verwendet.
Abbildung 163: Detailansicht der PERohre mit Reinigungsöffnung
Da der EWT noch nicht in Betrieb ist, liegen derzeit nur Simulationsergebnisse über seine
Leistungsfähigkeit vor. Entsprechend der Simulation werden maximale Heiz- und
Kühlleistungen von 17 bzw. 17,6 KW erwartet. Daraus resultieren Heizenergie- und
Kühlenergieerträge von 16.900 bzw. 21.500 kWh/a. Die Außenluft wird nur im Sommer und im
Winter durch den EWT geführt. In den Übergangszeiten wird die Außenluft über den Bypass in
das Gebäude eingebracht. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird der EWT wird im
Rahmen eines Forschungsprojektes detailliert vermessen.
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom 6.000 m³/h
Variabilität:
3.000 bis 6.000 m³/h
Bauart:
Rohrregister mit betonierten Sammelschächten am
EWT Ein- und Austritt
Sammelschächte:
2 begehbare Sammelschächte mit je 4 m Länge
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
Polyethylen
7 x 100 lfm
Achsabstand:
0,5 m
Rohrdurchmesser:
0,25 m
Verlegetiefe:
0,60 bis 1,8 m unter dem Kellerfundament
Projektpartner:
Bauherr:
Fraunhofer Gesellschaft, München, Deutschland
Architekt:
DISSING+WEITLING, Kopenhagen, Dänemark
Fraunhofer ISE, Gruppe Solares Bauen, Freiburg,
Deutschland
Haustechnik:
9.8
18 7
Bürogebäude der Landesversicherungsanstalt Schleswig – Holstein (Rentschler &
Riedesser)
Das Bürogebäude der Landesversicherungsanstalt Schleswig – Holstein mit einer Nutzfläche
von 21.500 m² wurde 1996 bezogen. Zentrum des Neubaus ist die schräg verglaste
Eingangshalle, die neben der guten Tageslichtnutzung zusätzlich im Winter ein großes
Potenzial für die passive Solarenergienutzung bietet. Im Sommer birgt sie hingegen die Gefahr
der Überhitzung. Mit dem EWT wird mit minimaler Technik eine Überhitzung verhindert. Bei
diesem Konzept dient der EWT vorwiegend der Kühlung. Der maximal mögliche
Gesamtvolumenstrom beträgt 20.000 m³/h.
Abbildung 164: Bürogebäude der
Landesversicherungsanstalt Schleswig
– Holstein mit dem Ansaugturm für den
EWT im Vordergrund.
Der EWT ist als betonierter Kanal
mit einer Abmessung von 2 x 1 m
ausgeführt, in einer Verlegetiefe
von 5 m verlegt und wird teilweise
unter der Fundamentplatte der
Eingangshalle geführt.
Dieser erfüllt im wesentlichen zwei Aufgaben:
·
·
Vorwärmung der Frischluft im Winter, wobei keine Heizregister nachgeschaltet sind.
In der Grundfunktion wird der Kanal durch natürliche Konvektion durchströmt. Für den Abzug
der Fortluft wurde am Hochpunkt der Halle ein
Solarkamin installiert. Der Solarkamin ist als
Kollektor ausgebildet, sodass die Thermik im
Kamin zu einer höheren Luftförderleistung
führt. Die Luftförderleistung ändert sich
einerseits in Abhängigkeit von der solaren
Einstrahlung und kann andererseits über
Klappen geregelt werden. Für die Luftspülung
in der Nacht ist im Erdkanal ein Bypass mit
einem Schubventilator installiert, der bei
Bedarf Luft durch den EWT fördert.
Abbildung 165: Schematische Darstellung der
Verschaltung des EWT
18 8
Im Winterfall erfolgt eine kontrollierte Belüftung durch den Erdreichwärmetauscher, wobei die
Raumwärme durch eine Fußbodenheizung bzw. Rippenrohrheizkörper erfolgt.
Abbildung
Ventilator
166:
Bypasskanal
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom
20.000 m³/h
Mit Drehzahlregelung sind 50% oder 100% des
Nennvolumenstroms möglich
Bauart:
Betonkanal
Sammelschächte:
Keine, der gesamte Betonkanal ist begehbar
Rohrmaterial:
Beton
Gesamtlänge:
1 x 120 lfm
Achsabstand:
----
Kanalabmessung:
1x2m
Verlegetiefe:
5 m unter dem Umgebungsniveau, der EWT-Kanal
liegt teilweise im Grundwasser
Projektpartner:
Bauherr:
Landesversicherungsanstalt Schleswig-Holstein, Lübeck,
Deutschland
Architekt:
Behnisch & Behnisch, Stuttgart, Deutschland
Planung des Solarkamin und des
Erdreichwärmetauschers:
Transsolar, Stuttgart, Deutschland
Haustechnik:
mit
9.9
18 9
„Mehrgenerationenzentrum“ – Stuttgart (Rentschler & Riedesser)
Ein Mehrgenerationszentrum in Stuttgart (Deutschland) mit einer Nutzfläche von 5.200 m²
befindet sich derzeit in der Ausführung und wird einen spezifischen Heizenergieverbrauch von
70 kWh/m² Wohnfläche und Jahr erreichen. Im Energiekonzept ist zur Luftvorwärmung bzw. zur
Luftkühlung ein EWT vorgesehen. Sowohl Beheizung als auch Kühlung erfolgen über die
zentrale Lüftungsanlage ohne Wärmerückgewinnung. Der Nennvolumenstrom der
Lüftungsanlage wurde mit 12.000
m³/h
ermittelt,
wobei
der
Volumenstrom je nach Bedarf
zwischen 50 % und 100 % des
Nennvolumenstroms
variiert
werden kann.
Abbildung 167: Modell des Objektes
Der zentralen Lüftungsanlage ist ein teilweise unter freiem Gelände und teilweise unter dem
Gebäude verlegter Erdreichwärmetauscher in Registerform vorgeschaltet. Dieser erfüllt im
Wesentlichen zwei Aufgaben:
·
·
Abbildung
2:
Lüftungsanlage
Schema
der
Der EWT hat einen Sammler für
den Lufteintritt. Auf halber Länge
teilt sich der EWT in zwei
Rohrregister mit jeweils vier bzw.
acht Rohren auf. Vier Rohre
versorgen den Gebäudeteil B mit
einem Volumenstrom von 3.500
m³/h. Das Rohrregister mit acht
Rohren versorgt den Gebäudeteil C/D mit einem Volumenstrom von 8.300 m³/h. In den
Gebäudeteilen wird die Luft durch separate Zentralgeräte angesaugt und in den Flurbereich
eingeblasen. Bei Heizenergiebedarf wird die Zuluft mittels Heizregister auf Solltemperatur
gebracht. Die Dimensionen des EWT wurden im Hinblick auf die vorhandene sommerliche
19 0
Kühllast festgelegt. Zur Realisierung gelangten 12 parallele PVC-Rohre mit DN 300 und einer
Rohrlänge von je 90 m. Die drei Sammelschächte aus Beton weisen eine Länge zwischen 2 m
und 5 m auf und sind begehbar.
Zusätzlich zum EWT ist ein Bypass installiert, über den die Zuluft bei ungünstigen
Betriebsbedingungen des Erdreichwärmetauschers angesaugt wird. Zur Dimensionierungs
unterstützung des EWT wurden in der Planungsphase Simulationen durchgeführt. Die
Ergebnisse zeigen, dass mit dem im vorliegenden Projekt geplanten EWT Kühlleistungen bis zu
31,6 kW und Heizleistungen bis zu 48
kW möglich sind. Daraus resultieren
Kühlenergieerträge von 26.300 kWh/a
und
Heizenergieerträge
von
50.500 kWh/a. In Kombination mit der
Nutzung
der
Nachtkälte
(„Nachtspülung" mit kühler Außenluft)
übernimmt der Erdreichwärmetauscher die Deckung der gesamten
Kühllast im Sommer.
Abbildung 168: Installation des
Erdreichwärmetauschers in 2 Ebenen
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom Bauteil B 3.500 m³/h
Nennvolumenstrom Bauteil C/D 8.300 m³/h
Variabilität
Nennvolumenstroms
50% oder 100% des
Bauart:
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
3 begehbare Sammelschächte mit 2 m bis 5 m Länge
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
12 x 90 lfm
Achsabstand:
0,4 m
Rohrdurchmesser:
0,3 m
Verlegetiefe:
Projektpartner:
Bauherr:
Leben und Wohnen, Stuttgart, Deutschland
Architekt:
Drei Architekten und Partner, Stuttgart, Deutschland
Haustechnik:
19 1
9.10 Wohnhausanlage Sagedergasse in Wien (Architekturbüro G.W. Reinberg)
Die 1998 fertiggestellte Wohnhausanlage in der Sagedergasse in Wien mit einer Nutzfläche von
940 m² besteht aus neun Wohneinheiten, einem Büro
sowie einem Geschäft. Das Objekt hat einen
gehobenen Wärmedämmstandard und dadurch einen
spezifischen Heizenergiebedarf von 40 kWh/m²
beheizte Nutzfläche und Jahr. Neben der passiven
(Wintergärten) und der aktiven (Warmwasserbereitung)
Sonnenenergienutzung erfolgt die Beheizung als auch
Kühlung über die zentrale Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung. Für den hygienischen Luftwechsel wurde ein Gesamtvolumenstrom von
2.000 m³/h ermittelt.
Abbildung 169: Süd- Ostansicht der Wohnhausanlage
Sagedergasse in Wien mit der Luftansaugung für den EWT
im Vordergrund (Bildquelle: Steiner, Wien)
Der zentralen Lüftungsanlage ist ein EWT
vorgeschaltet, der als Einzelrohr ausgeführt und entlang des Gebäudes verlegt ist. Die mittlere
Verlegetiefe beträgt 2,0 m unter Umgebungsniveau. Der EWT erfüllt im Wesentlichen zwei
Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
auf
der
Fortluftseite
der
im
Die Dimensionen des EWT wurden basierend auf den hygienisch notwendigen Luftwechsel
festgelegt. Zur Realisierung gelangte ein PVC-Rohr mit DN 500 und einer Rohrlänge von rund
46 lfm. Das Rohr ist direkt einem Kreuzstromwärmetauscher vorgeschaltet.
Die Drehzahl und damit der Volumenstrom können über die Ventilatoren in drei Stufen variiert
werden. Damit besteht die Möglichkeit, den Volumenstrom zwischen 25%, 50% oder 100% des
Gesamtmassenstroms
von 2.000 m³/h einzustellen.
Abbildung 170: Schematische Darstellung des
Lüftungskonzeptes
19 2
Am EWT in der Sagedergasse
durchgeführte
Messungen
(Messperiode Jänner 2000 bis
Dezember
2000)
zeigten
Kühlleistungen bis zu 4 kW.
Zusätzlich zur Deckung der
sommerlichen Kühllasten erbrachte der Erdreichwärmetauscher im Jahr 2000 eine
Heizungsunterstützung
von
rund 2.000 kWh.
Eintrittstemperatur
Mehrfamilienwohnbau Sagedergasse
Temperaturverläufe 12. - 19. 1. 2001
Austrittstemperatur
Erdtemperatur - ungestört, 2 m
15
10
5
0
-5
-10
12.01.01 00:00
13.01.01 00:00
Abbildung 171:
14.01.01 00:00
15.01.01 00:00
16.01.01 00:00
17.01.01 00:00
18.01.01 00:00
19.01.01 00:00
Gemessene Temperaturverläufe von 12.01.2001 – 19.01.2001; Es ist deutlich zu
erkennen, dass die EWT – Austrittstemperatur deutlich über den geforderten –4°C zur
fortluftseitigen Vereisungsvermeidung der Wärmerückgewinnung leibt. Die ungestört
Erdreichtemperatur liegt um rund 6°C über der Austrittstemperatur; das
Temperaturniveau des Erdreiches wird somit zu rund 45% ausgenutzt.
Volumendurchsatz:
Nennvolumenstrom
2.000 m³/h
Mit Drehzahlregelung sind 25%, 50%, 100% des
Nennvolumenstroms möglich
Bauart:
Einzelrohr
Sammelschächte:
Keine
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
1 x 45,85 lfm
Achsabstand:
-----
Rohrdurchmesser:
-----
Verlegetiefe:
2 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
AH – Gemeinnützige Siedlungs- Genossenschaft
Altmannsdorf-Hetzendorf, Wien, Österreich
Architekt:
Architekturbüro W. Reinberg, Wien, Österreich
Baumgartner, Dübendorf, Schweiz
Engels und Jung, Bergisch Gladbach, Deutschland
Haustechnik:
Ökoplan, Wien, Österreich
19 3
9.11 Schule Weyarn (Energie System Technik)
Das Schulgebäude im Niedrigenergiestandard hat eine Nutzfläche von 1.850 m² und wurde in
den Jahren 2000/2001 errichtet. Durch den erhöhten Wärmdämmstandard wird ein spezifischer
Heizenergiebedarf von 34 kWh/m² beheizte Nutzfläche und Jahr angestrebt erreicht. Neben der
Niedrigenergiebauweise stellt das Lüftungskonzept in das der EWT und eine
Wärmerückgewinnung integriert einen wesentlichen Baustein des Energiekonzeptes dar.
Sowohl Beheizung
als auch
Kühlung erfolgen über die zentrale
Lüftungsanlage. Je nach Klassenbelegung und Schulbetrieb, wird
der Luftvolumenstrom zwischen
4.500 und 14.800 m³/h variiert. In
den Ferien und in der Nacht ist die
Lüftung abgeschaltet.
Schulgebäudes im Niedrigenergiestandard
Der zentralen Lüftungsanlage ist ein teilweise unter freiem Gelände und teilweise unter dem
Gebäude verlegter EWT in Registerform vorgeschaltet. Dieser erfüllt zwei Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
auf
der
Fortluftseite
der
im
Abbildung 173: Betriebsweise des Erdreichwärmetauschers im Sommer: Im Sommer wird die Frischluft
über den EWT angesaugt, die Abluft durch die Dachfenster der Glaskuppel abgeführt.
Basis der Dimensionierung des EWT war die vorhandene sommerliche Kühllast. Zur
Realisierung gelangten 40 parallele PE-Rohre mit DN 200 und einer Rohrlänge von je 33 m.
Die 40 Rohre sind auf 4 Ebenen zu je 10 parallelen Rohren verlegt, wobei die Verlegetiefe für
die erste Ebene 1,5 m und die vierte Ebene 3,5 m beträgt. Die zwei Sammelschächte aus
Beton sind begehbar und weisen eine Länge von 10 m auf. Der eingesetzte Ventilator ist mit
der Wärmerückgewinnungseinheit im Technikraum installiert. Der EWT wird im Rahmen eines
19 4
EU-Forschungsprojektes vermessen. Zur Zeit liegen noch keine Auswertungsergebnisse vor.
Bei der Planung wurde die Dimensionierung des EWT mit Simulationen unterstützt. Anhand der
Simulationsergebnisse
können
maximale Heiz- und Kühlleistungen
von 37 bzw. 34 KW erreicht
werden. In Kombination mit der
Nutzung der Nachtkälte (Massenspülung mit kühler Außenluft)
übernimmt der EWT bei diesem
Objekt die Deckung der gesamten
Kühllast im Sommer.
Abbildung 174: Verlegung des Erdreichwärmetauschers. Links im Bild
sind die betonierten begehbaren
Sammelschächte zu sehen. Bei diesem
Bauabschnitt wird das Rohrregister der
zweiten Ebene verlegt.
Volumendurchsatz:
Variabler Volumenstrom
4.500 bis 14.800 m³/h
Volumenstrom Abhängig von der Belegung (Ferien,
Schulzeit)
Bauart:
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
Rohrmaterial:
Polyethylen (PE), doppelwandig außen gerippt und innen
glatt
Gesamtlänge:
40 x 39 lfm
Achsabstand:
0,8 m vertikal und horizontal
Rohrdurchmesser:
0,2 m
Verlegetiefe:
Projektpartner:
Bauherr:
Gemeinde Weyarn, Weyarn, Deutschland
Architekt:
Sitka u. Kaserer Team 4 Architekten, Kaprun, Österreich
Ingenieurbüro EST, Miesbach, Deutschland
Fraunhofer Institut für Solarenergieforschung, Freiburg,
Deutschland
Haustechnik:
19 5
9.12 Betriebsgebäude der Fa. EMW Rohrformtechnik – Türkenfeld (Energie System
Technik)
Das im Jahr 2000 errichtete Wohn-, Bürogebäude mit angrenzender Werk- und Lagerhalle mit
einer Nutzfläche von ca. 3.000 m² hat einen spezifischen Heizenergieverbrauch von 50 kWh/m²
Nutzläche und Jahr. Im Energiekonzept des Objektes wurden zwei EWT, einer für die Werkund Lagerhalle (EWT 1) und einer für das Wohn- und Bürogebäude (EWT 2) vorgesehen. Die
beiden Erdreichwärmetauscher werden sowohl zur Beheizung als auch zur Kühlung verwendet.
Eine Wärmerückgewinnung ist nicht installiert, da die Fortluft, bevor sie über den Abluftkamin in
die Umgebung abgegeben wird, für
die Temperierung der Lagerhalle
Verwendung findet. Der maximale
Volumenstrom für den EWT 1
beträgt 10.000 m³/h jener für den
EWT 2 5.000 m³/h.
Abbildung 175: Ostansicht des WohnBürogebäudes mit angrenzender Werkund Lagerhalle
Für beide EWT, die teilweise unter freiem Gelände und teilweise unter dem Gebäude verlegt
sind, ist eine zentrale Lüftungsanlage installiert. Beide EWT sind in Registerform ausgeführt
und in einer mittleren Verlegetiefe von rund 2 m verlegt. Die EWT bei diesem Gewerbeobjekt
erfüllen folgende Aufgaben:
·
·
Vorwärmung der Frischluft im Winter
Die vorhandene sommerliche Kühllast diente als Grundlage für die Dimensionierung des EWT.
Zur Realisierung gelangten für den EWT 1 20 parallel geführte PE-Rohre mit einem
Abluftkamin
Nenndurchmesser von DN 200 und
einer Rohrlänge von 39 m. Der EWT
Lager
28°C
2 besteht aus 10 parallel geführten
27°C
PE-Rohren
mit
den
gleichen
Abmessungen.
Brandschutzklappe
Ansaugung
EWT
direkte
Ansaugung
als Abluftkonvektor
3 Überströmöffnungen
18°C
+28°C
60-70°C
31°C
27°C
Montage
Grobfilter
Grobfilter
26°C
EWT
+18°C
Gebläse Lufterhitzer
+17°C
außer Betrieb
Abluftbetrieb
18°C
Abbildung 176: Lüftungsschema für den
Sommerfall: Der Erdreichwärmetauscher
wird zur Kühlung und Trocknung der
Ansaugluft genützt. Die Raumluft wird
teils über die Werkshalle ins Freie
abgeführt, teils zur Belüftung des Lagers
verwendet.
19 6
Der EWT 1 ist mit zwei bekriechbaren betonierten
Sammelschächten mit einer Länge von 13,2 m ausgeführt.
Der Sammelschacht des EWT 2 ist nur auf der
Luftaustrittsseite als Betonschacht ausgeführt.
Die für die EWT durchgeführten Simulationen zeigten
Kühlleistungen bis zu 18 kW. In Kombination mit der
Nutzung der Nachtkälte (Massenspülung mit kühler
Außenluft) übernimmt der Erdreichwärmetauscher die
Deckung der Kühllast im Sommer. Zusätzlich zur Deckung
der sommerlichen Kühllasten wird der EWT zur
Heizungsunterstützung verwendet.
Abbildung 177: Verlegung des Rohrregisters. Im Vorder- und
Hintergrund sind die beiden Sammelschächte ersichtlich
Technische Daten zum Erdreichwärmetauscher 1 (EWT1) und 2 (EWT2):
Volumendurchsatz:
EWT 1: Nennvolumenstrom
EWT 2: Nennvolumenstrom
10.000 m³/h
5.000 m³/h
Bauart:
EWT 1: Rohrregister mit betonierten Sammelschächten am
EWT Ein- und Austritt
EWT 2: Rohrregister mit betoniertem Sammelschacht am
EWT Austritt und PE Sammelrohr am EWT Eintritt
Sammelschächte:
EWT 1: 2 begehbare Sammelschächte mit je 13,2 m Länge
EWT 2: 1 begehbarer Sammelschacht mit 6,6 m und ein PE
Sammelrohr mit 6,6 m Länge
Rohrmaterial:
Polyethylen (PE)
Gesamtlänge:
EWT 1: 20 x 39 lfm
EWT 2: 10 x 39 lfm
Achsabstand:
EWT 1 und 2: 0,6 m
Rohrdurchmesser:
EWT 1 und 2: 0,2 m
Verlegetiefe:
EWT 1 und 2: 2 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
Familie Eberl, Türkenfeld, Deutschland
Architekt:
Werkstatt für Architektur & Gestaltung, Wolfratshusa,
Deutschland
Fraunhofer Institut für Solarenergieforschung, Freiburg,
Deutschland
Haustechnik:
19 7
9.13 Bürogebäude Energie- und Innovationszentrum – Weiz (AEE INTEC)
Das 1999 errichtete Büro- und Verwaltungsgebäude „Weizer Energie- und Innovationszentrum“
(2000 m² Nutzfläche) erfüllt mit einem spezifischen Restheizenergiebedarf von 15 kWh/m²
Nutzfläche und Jahr das Passivhauskriterium. Sowohl Beheizung als auch Kühlung erfolgt über
die zentrale Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung. Für den
hygienischen Luftwechsel wurde
ein
Gesamtvolumenstrom
von
3200 m³/h ermittelt.
„Weizer
Energieund
Innovationszentrums“
Der zentralen Lüftungsanlage ist
ein, unter dem Keller verlegter (die mittlere Verlegetiefe beträgt rund 3,5 m) EWT in
Registerform vorgeschaltet. Dieser erfüllt zwei Aufgaben:
·
Winterbetrieb
·
auf
der
Fortluftseite
der
im
Die Dimensionen des EWT wurden
auf
Basis
der
vorhandenen
sommerlichen Kühllast festgelegt.
Zur Realisierung gelangten 15
parallele PVC-Rohre mit DN 200
und einer Rohrlänge von 28 m.
Abbildung 179: Verlegung der 15
parallelen PVC-Rohre unter der
Fundamentplatte des Gebäudes
Die zwei Sammelschächte aus Beton weisen eine Länge von je 10 m auf und sind begehbar.
Die eingesetzten Ventilatoren wurden den für den Kühlbetrieb ausgelegt, sodass bei extremen
Außentemperaturen im Sommer der Gesamtvolumenstrom 5.000 m³/h betragen kann. Am EWT
in Weiz durchgeführte Messungen (Messperiode Jänner 2000 bis Dezember 2000) zeigten
Kühlleistungen bis zu 18 kW. In Kombination mit der Nutzung der Nachtkälte („Nachtspülung“
19 8
mit kühler Außenluft) übernimmt der EWT die Deckung der gesamten Kühllast im Sommer. Als
besonders wichtig stellte sich für den Erdreichwärmetauscher in Weiz die nächtliche
Regeneration des Erdreichs während der Nachtkühlung mit kalter Außenluft heraus. Zusätzlich
zur Deckung der sommerlichen Kühllasten erbrachte der EWT im Jahr 2000 eine
Heizungsunterstützung von rund 12.300 kWh. Dabei bleibt aber zu berücksichtigen, dass der
EWT in der Heizperiode nur zu Bürozeiten beaufschlagt wurde und außerhalb der Bürozeiten
Energie- und Innovationszentrum Weiz
ein
Umluftbetrieb
mit
T-Eintritt
Temperatur- und Leistungsverläufe 21. 8.2000
(Volumenstrom ~4000 m³/h)
T-Austritt
minimalem
Frischluftanteil
35
15
EWT-Leistung
vorherrschte.
30
10
25
5
20
0
15
-5
10
-10
5
-15
0
21.08.00 05:00
-20
21.08.00 09:00
21.08.00 13:00
21.08.00 17:00
21.08.00 21:00
Abbildung 180: Gemessener Temp-eratur- und Leistungsverlauf am 21.08.00. Die Erdreichwärmetauscheraustrittstemperatur steigt bei Umgebungstemperaturen von über 30°C nicht über
22,5 °C. Die maximale Leistung beträgt ca. 5 kW über einen Zeitraum von 4 Stunden
Abbildung
181:
gemessene
Energieerträge des EWT im
Energieund
Innovationszentrum Weiz, Jahr 2000 (Messkonzept,
Installation
und
Auswertung, AEE INTEC)
19 9
Energie- und Innovationszentrum Weiz
EWT-Leistung und Austrittstemperatur in Abhängigkeit von Eintrittstemperatur; Jahr 2000
15
30
Austrittstemperatur
10
EWT-Leistung
25
5
20
0
15
-5
10
-10
5
-15
0
-10
-20
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Eintrittstemperatur [°C]
Abbildung 182:
Auswertung der Messungen am EWT des Energie- und Innovationszentrums Weiz für
das Jahr 2000; im Heizbetrieb ist durch die Auffächerung der „Leistungswolke“ in vier
Teilbereiche der Lüftungsfahrplan mit variablem Volumenstrom zu erkennen
Volumendurchsatz:
Normalbetrieb
3200 m³/h
5000 m³/h
Bauart:
Ein- und Austritt
Sammelschächte:
Rohrmaterial:
Gesamtlänge:
15 x 28 lfm
Achsabstand:
0,5 m
Rohrdurchmesser:
0,2 m
Verlegetiefe:
0,5 m unter dem Kellerfundament
Projektpartner:
Bauherr:
Weizer Energie- und Innovationszentrum
Liegenschaftsverwaltungs GmbH A-8160 Weiz
Architekt:
Architekturbüro Andexer / Moosbrugger, A-8010 Graz
AEE INTEC, A-8200 Gleisdorf
Haustechnik:
TB Sonnek, A-8160 Weiz
20 0
9.14 Verwaltungsgebäude der Deutschen Bahn AG in Hamm (ISE)
Für die ca. 190 Mitarbeiter der DB-Netz AG entstand in Hamm/Westfalen ein neues
Verwaltungsgebäude.Der kompakte Baukörper umschließt vom 1. bis 4. Obergeschoß u-förmig
ein nach Osten geöffnetes Atrium. Das Erdgeschoß unterhalb des Atriums wird durch
Oberlichter beleuchtet und ist thermisch vom Luftraum darüber abgetrennt. Der Luftraum soll
als Pufferzone nicht beheizt werden. Der Gebäudegrundriss ist in verschiedene funktionale
Bereiche gegliedert: Im Westen befinden
sich in einem eingestellten Riegel
Nebenflächen und Infrastruktur. Der
südliche und nördliche Teil des Gebäudes
ist mit unterschiedlichen Bürotypen
eingerichtet. Das Erdgeschoß dient im
Wesentlichen als Servicebereich. Unterkellert ist das Gebäude nur im Westen.
Dort sind Lager- und Technikräume
untergebracht.
Abbildung 183: Ostansicht des Verwaltungsgebäudes der Deutschen Bahn AG in Hamm
Im Mittelpunkt der Planung stand ein weitgehend natürlich belüftetes und belichtetes
Bürogebäude ohne aktive Klimatisierung der Regelbüros. Durch einen darauf abgestimmten
Gebäudeentwurf und das Zusammenspiel von effektivem Sonnenschutz, freien Sichtbetondecken, natürlicher Lüftung und dem EWT wird der sommerlichen Überhitzung
entgegengewirkt. Das Atrium ist wesentlicher Bestandteil des Belüftungs- und
Belichtungskonzepts.
Im Sommer werden die direkt an die Außenluft grenzenden Büros in der Regel durch
Fensterlüftung belüftet. Innere Bürozonen werden mechanisch mit Zu- und Abluft versorgt,
wobei der EWT die Zuluft vortemperiert. Die an das Atrium grenzenden Räume beziehen ihre
Frischluft über das Atrium als Zuluftraum, das ebenfalls mit im EWT „gekühlter“ Luft belüftet
wird. In extremen Sommerperioden werden auch die Büros an den Außenfassaden über das
Lüftungssystem
und
den
EWT
versorgt. Nach Büroschluss entlädt
eine
Nachtlüftung
die
Speichermassen, vor allem die
freiliegenden
Sichtbetondecken.
Außenluft strömt direkt oder via EWT
in die Büros und verlässt das Gebäude
über Dach bzw. über das Atrium.
Abbildung 184: Verlegung der EWT Rohre.
In Summe wurden 2100 m Rohr verlegt.
20 1
Abbildung 185: Auswertung der
Messergebnisse im Jahr 2000
für das Verwaltungsgebäude
der Deutschen Bahn in Hamm.
Auf der x-Achse wurde die
EWT – Eintrittstemperatur, auf
der y-Achse der Temperaturhub durch den EWT aufgetragen.
Massendurchsatz:
Nennvolumenstrom
21.000 m³/h
Bauart:
Mehrfach entlang der Kellerwände gefaltetes
Rohrregister
Sammelschächte:
Rohrmaterial:
PE-Rohr
Gesamtlänge:
16 x 130 lfm und 10 x 70 lfm
Achsabstand:
0,65 m
Rohrdurchmesser:
0,2 m und 0,3 m
Verlegetiefe:
2 m bis 4 m unter dem Umgebungsniveau
Projektpartner:
Bauherr:
Unternehmensgruppe Roland Ernst, D-51149 Köln
Architekt:
Architrav Architekten, D-76185 Karlsruhe
Universität Karlsruhe – ftba, D-76128 Karlsruhe
Haustechnik:
HPM Leiß-Frank GbR, D-68549 Ilvesheim
20 2
10 Literaturverzeichnis:
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Problematik der Bestimmung thermischer Erdparameter. HLH Bd. 51 Mai 2000.
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EN 1610: Europäische Norm zur „Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen- und
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Bausteine
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Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Grundlagen und Kostenberechnung;
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VDI-Richtlinie 3803, 1986:
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Zimmermann, M.: Handbuch der passiven Kühlung. EMPA Dübendorf, 1999.
20 7
11 Anhang
11.1 H, x - (Mollier) Diagramm
Abbildung 186: : h, x – (Mollier) Diagramm / feuchte Luft 1bar (Recknagel, Sprenger, Schramek 2000)
20 8
11.2 Diagramm zur Druckverlustermittlung für das gerade rauhe Rohr
Abbildung 187: : Druckverlustermittlung bei geraden, rauen Rohrstücken (Recknagel, Sprenger,
Schramek 2000
Abbildung 188: Nomogramm Energieertrag I
-7500
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
9000
0
500
1500
1000
Heizenergieerträge
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
2500
3000
2000
3500
4000
4500
5000
L=50m Kühlen
L=50m Heizen
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG I
20 9
11.3 Arbeitsblätter zur einfachen Dimensionierung von EWT mittels Basisnomogramm
und Korrekturfaktoren nach der Auslegungsgröße „EWT - Jahresenergieertrag“
Energieertrag [kWh]
Abbildung 189: Nomogramm Energieertrag II
-7500
L = 20m
L = 50m
L = 100m
-4500
1500
4500
-1500
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
7500
L = 20m
L = 50m
L = 100m
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG II
PVC
( lRohr=0,23 W/mK) Tiefe=2m Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK)
verlegt
frei
Einzelrohr
L=20m Kühlen
L=50m Kühlen
L=100m Kühlen
L=20m Heizen
L=50m Heizen
L=100m Heizen
21 0
Abbildung 190: Nomogramm Energieertrag III
-7500
Tiefe = 1m
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe =6m
-6000
-4500
-1500
0
1500
3000
4500
-3000
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
6000
7500
9000
Tiefe = 1m
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe = 6m
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG III
Einzelrohr frei verlegt PVC ( lRohr=0,23 W/mK) L=50m Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK)
Kühlen t=1m
Kühlen t=2m
Kühlen t=3m
Kühlen t=4m
Kühlen t=6m
Heizen t=1m
Heizen t=2m
Heizen t=3m
Heizen t=4m
Heizen t=6m
21 1
Abbildung 191: Nomogramm Energieertrag IV
-7500
Erde, trocken
Sand, trocken
Sand, feucht
Erde, feucht
-6000
-4500
-1500
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
0
1500
3000
4500
-3000
Erde, feucht --> l Erde =2,5 W/mK
Sand, feucht --> l Erde =1,0 W/mK
Erde, trocken --> lErde =0,4 W/mK
Sand, trocken --> l Erde =0,35 W/mK
1,3
6000
7500
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG IV
Einzelrohr frei verlegt PVC ( lRohr=0,23 W/mK) L=50m Tiefe=2m
9000
Sand,
trocken
Erde, trocken
Sand, feucht
Erde, feucht
a=2,778*10-7 m²/s
Kühlen Sand, trocken
/ a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
a=2,778*10-7 m²/s
Heizen Sand, trocken
/ a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
21 2
Abbildung 192: Nomogramm Energieertrag V
-7500
PVC, PP
HD-PE
Zement
Beton
-6000
-4500
-1500
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0
1500
3000
4500
-3000
--> lRohr=0,23 W/mK
PVC
--> lRohr=0,22 W/mK
PP
Zement --> l Rohr=1,40 W/mK
1,6
6000
7500
9000
PVC, PP
HD-PE
Zement
Beton
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG V
Einzelrohr frei verlegt Tiefe=2m L=50m Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK)
Kühlen PP
Kühlen PVC
Kühlen HD-PE
Kühlen Zement
Kühlen Beton
Heizen PP
Heizen PVC
Heizen HD-PE
Heizen Zement
Heizen Beton
21 3
-7000
-6000
Korrekturfaktor - Bypass
Abbildung 193: Nomogramm Energieertrag VI (Bypass 14°C/22°C)
-4000
-3000
-2000
-5000
-1000
NOMOGRAMM ENERGIEERTRAG VI (BYPASS 14°C / 22°C)
Einzelrohr frei verlegt PVC ( lRohr=0,23 W/mK) Tiefe=2m L=50m Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK)
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0
21 4
Korrekturfaktor - Bypass [-]
Abbildung 194: Nomogramm Temperaturhub I
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
1000
1500
500
2500
3000
2000
3500
4000
4500
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
5000
L=50m Kühlen
L=50m Heizen
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB I
21 5
und Korrekturfaktoren nach der Auslegungsgröße „Temperaturhub“
Temperaturhub [°C]
Abbildung 195: Nomogramm Temperaturhub II
-16
-14
-12
-10
-6
-4
-2
0
2
L = 20m
L = 50m
L = 100m
4
6
8
10
-8
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
12
14
16
18
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB II
Einzelrohr frei verlegt PVC ( lRohr=0,23 W/mK) Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
L=20m Kühlen
L=50m Kühlen
L=100m Kühlen
L=20m Heizen
L=50m Heizen
L=100m Heizen
21 6
Abbildung 196: Nomogramm Temperaturhub III
-16
Tiefe = 1m
-14
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe =6m
-12
-10
-6
-4
-2
0,8
0
2
4
6
8
10
-8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
12
14
16
18
Tiefe = 1m
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe = 6m
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB III
Kühlen Tiefe=1m
Kühlen Tiefe=2m
Kühlen Tiefe=3m
Kühlen Tiefe=4m
Kühlen Tiefe=6m
Heizen Tiefe=1m
Heizen Tiefe=2m
Heizen Tiefe=3m
Heizen Tiefe=4m
Heizen Tiefe=6m
21 7
-16
-14
Abbildung 197: Nomogramm Temperaturhub IV
-12
-10
-6
-4
-2
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
0
2
Sand, trocken
Erde, trocken
Sand, feucht
Erde, feucht
4
6
8
10
-8
Erde, feucht --> l Erde=2,5 W/mK
Sand, feucht --> l Erde=1,0 W/mK
Erde, trocken --> l Erde=0,4 W/mK
Sand, trocken --> l Erde=0,35 W/mK
12
14
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB IV
16
18
a=2,778*10-7 m²/s
a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
a=2,778*10-7 m²/s
a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
21 8
-16
Abbildung 198: Temperaturhub V
-14
-12
-10
-6
-4
-2
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
0
2
PVC, PP
HD-PE
PP+MgSi
Zement
Beton
4
6
8
10
-8
PVC
--> lRohr=0,23 W/mK
--> lRohr=0,22 W/mK
PP
12
14
NOMOGRAMM TEMPERATURHUB V
Einzelrohr frei verlegt Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
16
18
Kühlen PVC (0,16
W/mK)
Kühlen HD-PE (0,35
W/mK)
W/mK)
Kühlen Zement (1,4
W/mK)
Kühlen Beton (2,0
W/mK)
Heizen PVC (0,16
W/mK)
Heizen HD-PE (0,35
W/mK)
W/mK)
Heizen Zement (1,4
W/mK)
Heizen Beton (2,0
W/mK)
21 9
Abbildung 199: Nomogramm Leistung I
-6000
-4500
-3000
-1500
0
1500
3000
4500
6000
7500
0
500
Kühlleistung
1000
Heizleistung
50 - 100 m³/h --> DN 110
320 - 580 m³/h --> DN 200
1100 - 2000 m³/h --> DN 300
2700 - 4000 m³/h --> DN 400
1500
2500
3000
2000
3500
4000
4500
5000
L=50m Kühlen
L=50m Heizen
NOMOGRAMM LEISTUNG I
22 0
und Korrekturfaktoren nach der Auslegungsgröße „EWT - Leistung“
Leistung [W]
Abbildung 200: Nomogramm Leistung II
-6000
L = 20m
L = 50m
L = 100m
-4500
-3000
0
1500
3000
-1500
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
4500
6000
7500
L = 20m
L = 50m
L = 100m
NOMOGRAMM LEISTUNG II
l
Einzelrohr frei verlegt PVC ( Rohr=0,23 W/mK) Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
L=20m Kühlen
L=50m Kühlen
L=100m Kühlen
L=20m Heizen
L=50m Heizen
L=100m Heizen
22 1
Abbildung 201: Nomogramm Leistung III
-6000
Tiefe = 1m
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe =6m
-4500
-3000
0
1500
3000
-1500
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
4500
6000
7500
Tiefe = 1m
Tiefe = 2m
Tiefe = 3m
Tiefe = 4m
Tiefe = 6m
NOMOGRAMM LEISTUNG III
Kühlen Tiefe=1m
Kühlen Tiefe=2m
Kühlen Tiefe=3m
Kühlen Tiefe=4m
Kühlen Tiefe=6m
Heizen Tiefe=1m
Heizen Tiefe=2m
Heizen Tiefe=3m
Heizen Tiefe=4m
Heizen Tiefe=6m
22 2
Abbildung 202: Nomogramm Leistung IV
-6000
Erde, trocken
Sand, trocken
Sand, feucht
Erde, feucht
-4500
-3000
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
0
1500
3000
-1500
Erde, feucht --> l Erde =2,5 W/mK
Sand, feucht --> l Erde =1,0 W/mK
Erde, trocken --> l Erde =0,4 W/mK
Sand, trocken --> l Erde =0,35 W/mK
4500
6000
NOMOGRAMM LEISTUNG IV
7500
Sand, trocken
Erde, trocken
Sand, feucht
Erde, feucht
a=2,778*10-7 m²/s
a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
a=2,778*10-7 m²/s
a=4,053*10-7 m²/s
a=8,403*10-7 m²/s
a=1,102*10-6 m²/s
22 3
Abbildung 204: Nomogramm Leistung V
-6000
PVC, PP
HD-PE
PP+MgSi
Zement
Beton
-4500
-3000
0
1500
3000
PVC
--> lRohr=0,23 W/mK
PP
--> l Rohr=0,22 W/mK
-1500
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
4500
6000
PVC, PP
HD-PE
PP+MgSi
Zement
Beton
NOMOGRAMM LEISTUNG V
Einzelrohr frei verlegt Erde, feucht ( lErde=2,5 W/mK) Tiefe=2m
7500
Kühlen PVC (0,16
W/mK)
Kühlen HD-PE (0,35
W/mK)
W/mK)
Kühlen Zement (1,4
W/mK)
Kühlen Beton (2,0
W/mK)
Heizen PVC (0,16
W/mK)
Heizen HD-PE (0,35
W/mK)
W/mK)
Heizen Zement (1,4
W/mK)
Heizen Beton (2,0
W/mK)
22 4

Handbuch zur Planung und Ausführung von luftdurchströmten

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