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Global application, performance and risk analysis of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)

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[Quelle: http://d-nb.info]

Aufgrund des jahreszeitlichen Versatzes zwischen Wärmeangebot und -nachfrage herrscht im Bereich der gemäßigten Klimazone weniger ein Energie- als ein Speicherproblem. Die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern, auch genannt Aquiferspeicherung (ATES), zeichnet sich im Vergleich zu anderen Speichertechnologien durch geringe Speicherkosten und hohe Speicherkapazitäten aus. Deshalb ist die Technologie in den vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus gerückt. Allerdings gibt es nur sehr wenige Informationen über die weltweite Verbreitung sowie die Art der Nutzung von ATES. Folglich ist der Einfluss unterschiedlicher Marktbarrieren auf eine weltweite Kommerzialisierung der Technologie noch weitgehend unbekannt. Ziel der ersten Studie ist es deshalb, einen Überblick über die historische Entwicklung sowie die weltweite ATES Nutzung zu geben. Auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Konzepte und Nutzungsformen zusammengefasst und diskutiert. Mit einer 50-jährigen Entwicklungsgeschichte befinden sich derzeit weltweit mehr als 2.800 ATES Systeme im Einsatz. Über 99% aller ATES sind Niedrigtemperaturspeicher (LT-ATES) mit einer Speichertemperatur von < 25°C. 85% aller Aquiferspeicher befinden sich in den Niederlanden, weitere 10% in Schweden, Belgien und Dänemark. Diese Unterschiede in der globalen Aquiferspeicherentwicklung lassen sich weniger durch Untergrund-spezifische Faktoren, als vielmehr durch sozioökonomische und legislative Marktbarrieren erklären. In Studie 2 wird basierend auf den Monitoringdaten von 73 niederländischen Anlagen die technischen Leistungsdaten und energetische Effizienz von LT-ATES untersucht sowie Optimierungsmöglichkeiten diskutiert. Mit einer durchschnittlichen Entnahmetemperatur von 10 °C im Sommer und rund 15 °C imWinter ist die Differenz zwischen Entnahme- und Einspeisetemperatur (DT) mit 3-4 K deutlich geringer als ursprünglich geplant. Dies ist weniger auf Speicherverluste im Untergrund, als auf eine ineffiziente Beladung des Speichers durch die gebäudeseitige Heizungs- und Klimatisierungsanlage zurückzuführen. Zudem wird im Durschnitt nur 50% des Untergrundes genutzt, der jeweils von der Genehmigungsbehörde für die geothermische Nutzung freigegeben wurde. Eine exakte Analyse des erwarteten Energieverbrauchs sowie ein effizientes Zusammenspiel zwischen ATES und Gebäude sind deshalb entscheidend um eine nachhaltige Nutzung von LT-ATES weltweit zu gewährleisten. Im Gegensatz zu LT-ATES birgt die Speicherung von Temperaturen über 40-50 °C (HT-ATES) deutliche höhere Risiken. In Studie 3 werden deshalb potentielle Risken von HT-ATES Projekten basierend auf den Erfahrungen vergangener Projekte identifiziert und von Geothermieexperten analysiert. Eine online Umfrage unter 38 internationalen Experten hat gezeigt, das technische Risiken weniger kritisch eingeschätzt werden als insbesondere rechtliche, soziale oder organisatorische Risiken. Dies bestätigen die Erfahrungen aus vergangenen HT-ATES Projekten, wo hohe Wiedergewinnungsraten erzielt, und die technische Machbarkeit erfolgreich demonstriert werden konnte. Schwerwiegende Probleme waren dagegen häufig auf schwankende oder sinkende Energiebedarfe oder einen Verlust der Wärmequelle zurückzuführen. Bei einer zu erwarteten Laufzeit von über 30 Jahren, ist es deshalb entscheidend, ganzheitliche Energiekonzepte zu entwickeln, die sowohl sich verändernde Randbedingungen im Bereich der Wärmequelle, als auch Wärmesenke berücksichtigen. Ein projekt-spezifisches Risikomanagement ist deshalb essenziell und sollte auch in der Forschung stärker Berücksichtigung finden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aquiferspeicherung ein hohes Potenzial hat, bedeutende Energiemärkte zu erschließen. Sowohl im Bereich LT ATES als auch HT-ATES bedarf es allerdings weitere Forschung, um eine flächendeckende Kommerzialisierung voranzutreiben: Im Niedrigtemperaturbereich sollten zukünftige Studien darauf abzielen, die Betriebseffizienz weiter zu optimieren. Dies betrifft (1) die Interaktion zwischen Untergrund und Gebäude sowie (2) ein urbanes Untergrundmanagement, wo durch die Schaffung von Synergien benachbarter Untergrundnutzer der verfügbare Raum noch nachhaltiger genutzt werden soll. Für HT-ATES sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich um die betriebliche Stabilität zu erhöhen. Die Forschung sollte sich daher nicht nur auf die Gestaltung des Untergrundes konzentrieren, sondern auch auf die Entwicklung von ganzheitlichen Energiekonzepten. Dies sollte auch die Identifizierung potentieller Wärmequellen und -senken sowie die Berücksichtigung langfristiger politischer, technischer und gesetzlicher Änderungen während einer ATES-Lebensdauer von 30 Jahren umfassen.

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Bücher, Broschüren

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einschließlich Trinkwasser- und Kältetechnik sowie Energiekonzepte
2020, o. Ang. v. S., Hardcover
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Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Band Edition Recknagel
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Seit über 100 Jahren setzt das Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik den Maßstab für die Wissensvermittlung in der HLK-Branche. Das für HLK-Planer und Ingenieure unverzichtbare Nachschlagewerk dokumentiert den letzten Stand der technischen Entwicklung und der rechtlichen Vorgaben in der Heizungs-, Lüftungs-, Trinkwasser-, Klima- und Kältetechnik. Die nun 78., grundlegend überarbeitete Auflage enthält das neue Hauptkapitel "Trinkwassertechnik". Neben einer Einführung in alle wesentlichen Aspekte der Trinkwassertechnik finden sich auch Ausführungen zu Anforderungen an die Planung, Aufbau, Bestandteile und Berechnung von Trinkwasserinstallationen und Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen. Auch das Hauptkapitel Energiekonzepte wird um Betrachtungen auf Quartiersebene erweitert. Die Mehrplatzversion des "Recknagel" ist auch als Datenbank gestütztes Lizenzangebot erhältlich.

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Recknagel - Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 2017/2018, CD-ROM
Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, Band Edition Recknagel
Neues Hauptkapitel 'Trinkwassertechnik'
78., überarb. Aufl.
2016, 2700 S., m. zahlr. Abb. 213 mm, Hardcover
Vulkan Verlag

 

 

Seit über 100 Jahren setzt das Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik den Maßstab für die Wissensvermittlung in der HLK-Branche. Das für HLK-Planer und Ingenieure unverzichtbare Nachschlagewerk dokumentiert den letzten Stand der technischen Entwicklung und der rechtlichen Vorgaben in der Heizungs-, Lüftungs-, Trinkwasser-, Klima- und Kältetechnik. Die nun 78., grundlegend überarbeitete Auflage enthält das neue Hauptkapitel "Trinkwassertechnik". Neben einer Einführung in alle wesentlichen Aspekte der Trinkwassertechnik finden sich auch Ausführungen zu Anforderungen an die Planung, Aufbau, Bestandteile und Berechnung von Trinkwasserinstallationen und Auslegung von Trinkwassererwärmungsanlagen. Auch das Hauptkapitel Energiekonzepte wird um Betrachtungen auf Quartiersebene erweitert. Die Mehrplatzversion des "Recknagel" ist auch als Datenbank gestütztes Lizenzangebot erhältlich.

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Bernhard Weyres-Borchert, Bernd-Rainer Kasper
Solare Wärme
BINE-Fachbuch
Technik - Planung - Hausanlage
2015, 168 S., 139 farb. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Band geht neben den Basics der Solarthermie (samt Kollektoren, Heizungsanlage und Speichertechnik) speziell auf Solarthermie in Neu- und Altbauten ein. Dafür fokussieren sich die Autoren auf den Komfort, die Wirtschaftlichkeit und die Anlagendimensionierung. Ein weiterer Schwerpunkt bildet die sogenannte "Solarisierung" im Bestand: die teilweise oder komplette Sanierung eines Altbaus, die Heizkesseloptimierung, der Denkmalschutz und die aktuelle EnEV. Vorgestellt werden auch die Themen Mehrfamilienhäuser/Geschosswohnungsbau und die hierbei zu erfüllenden Anforderungen.

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Claus Meier
Phänomen Strahlungsheizung
Reihe Technik
Ein humanes Heizsystem wird rehabilitiert
3., Aufl.
2014, 141 S., 16 Abb., 14 Tab. 220 mm, Softcover
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Durch Denkfehler und fragwürdige Interpretationen wird Strahlungswärme in Theorie und Praxis falsch eingeschätzt und vehement benachteiligt. Dies führt bei vielen Beteiligten zwangsläufig zu irrigen Vorstellungen und fehlerhaften Empfehlungen. Die Strahlungsheizung steht im Visier einer weitgehend die Konvektionsheizung favorisierenden Heizungsindustrie, die ihre einmal errungenen Märkte trotzig zu verteidigen versucht. Hier gilt es, Licht in das Dunkel einer anzustrebenden vorteilhaften und humanen Heiztechnik, der Strahlungsheizung, zu bringen. Zum Inhalt: - Aufgabe und Zustand der Wissenschaft; - Die Physik der Strahlung; - Irrtümer der Heizungsbranche; - DIN-Standortbestimmung; - Die Praxis der Strahlungsheizung.

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Forschungsberichte

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Ansgar Beuth, Achim Hamann
Hemmnisse und Potenziale der Abwasserwärmenutzung zur Gebäudeheizung - technische, wirtschaftliche, planerische und rechtliche Aspekte
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3123
2019, 120 S., 63 Abb. u. 1 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Es ist festzustellen, dass das Potenzial der Abwasserwärmenutzung bisher nicht in dem bestmöglichen Maße genutzt zu werden scheint, obwohl ausgereifte Technologien zur Verfügung stehen. Demnach ist der Kernfrage nachzugehen, welche Hemmnisse und Anreize im Zusammenhang bei der Abwasserwärmenutzung vorliegen und welche Strategien zur Beseitigung technischer, wirtschaftlicher, planerischer und rechtlicher Hemmnisse zur Einbeziehung der Abwasserwärmenutzung in den Wärmemarkt formuliert werden können. Dazu waren die Akteure der Immobilienwirtschaft, des Hochbaus bzw. der Bauwirtschaft im Allgemeinen zu identifizieren, die bei der Entwicklung, der Planung, dem Bauen und Betreiben von Immobilien beteiligt sind. Um deren Erfahrungen und Standpunkte zu nutzen, kam methodisch eine thematisch strukturierte Online-Befragung mit einem Höchstmaß an Datensicherheit in Frage. Festgestellt wurde, dass Defizite bezüglich Erfahrungen, Informationsbezug und Kenntnissen zu Investitionskosten und Wirtschaftlichkeit bestehen. Daraus leiten sich die Strategien und Handlungsfelder ab aus denen dann Handlungsempfehlungen zur Steigerung der Anwendungsfälle der Abwasserwärmenutzung formuliert wurden.

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Thomas Braun, Jörg Franke
Baustoff-integrierte Flächenheizung (BiFH)
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3177
2019, 109 S., 114 Abb. u. 22 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Forschungsarbeiten bestanden darin, mit Hilfe eines kaltaktiven Atmosphärendruckplasmas und Metallpulver eine Heizstruktur additiv auf Oberflächen im wohnlichen Umfeld aufzutragen. Ziel war es, die elektrische Flächenheizung bereits in Gipskartonplatten oder alternativen typischen Baustoffen zu integrieren und die aufgedruckten Strukturen dabei als elektrische Widerstandsheizung einzusetzen. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wurde dafür die Plasma-Coating-Technologie verwendet, welche es erlaubt, auf einer Vielzahl von Materialien elektrisch leitende Strukturen in beliebiger Form aufzubringen. Mit Hilfe von Plasma und Metallpulver bestehend aus Mikro- bzw. Nanopartikeln kann eine dauerhafte Verbindung auf einem dreidimensionalen Basismaterial entstehen. Dadurch ist die Integration einer Heizung direkt am Baumaterial in nur einem Arbeitsschritt, innerhalb weniger Sekunden, möglich.

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Angele Tersluisen, Klara Bauer, Kamyar Nasrollahi, Mozhgan Shirani, Johannes Modersohn, Felix Reiter, Günter Pfeifer, Annette Rudolph-Cleff
Untersuchung zur rechnerischen Bilanzierung solarer Luftheizsysteme und -konstruktionen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2983
2016, 147 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Häuser werden, um Wärmeverluste zu reduzieren, gedämmt. Es gibt jedoch auch Häuser, die Verluste reduzieren, indem sie über die Gebäudehülle Wärmeenergie erzeugen. Luftkollektorkonstruktionen nutzen den Glashauseffekt und wandeln Licht in Wärme um. Als Hüllfläche an Gebäuden statt klassischer Wärmedämmung eingesetzt, können Luftkollektoren einerseits mit einer ruhenden Luftschicht für die notwendige Dämmwirkung sorgen und so Verluste reduzieren, andererseits Wärmeenergie bereitstellen und Gewinne generieren. Gemäß DIN V 18599 fließen solare Gewinne über opake sowie über transparente Bauteile in die Bilanz eines Gebäudes bzw. einer Zone ein. Die Bilanzierung von solaren Gewinnen über mehrschichtige, solare Gewinne generierende Bauteile wie Luftkollektoren, ist bislang nicht möglich.

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Raphael Lechner, Nicholas O'Connell, Markus Brautsch
Identifikation von Einsatzmöglichkeiten und Potentialen der Zündstrahltechnologie zur Verbesserung der Anlageneffizienz und Wirtschaftlichkeit von BHKW-Anlagen mit experimenteller Überprüfung der Vorteile an einer Pilotanlage unter realen Bedingungen im P. raxisbetrieb. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2943
2015, 141 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Nach dem Stand der Technik bei erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerken werden vorwiegend Gas-Otto-Motoren als Antriebsaggregate eingesetzt. Damit werden üblicherweise elektrische Wirkungsgrade von kleiner 40 Prozent erreicht. Als Alternative wurden v. a. im Biogasbereich Zündstrahlmotoren entwickelt, die nach dem Dieselprinzip arbeiten und elektrische Wirkungsgrade von größer 40 Prozent erreichen. Insbesondere bei Anwendungen bei denen der Stromerzeugung ein hoher Wert beigemessen wird (z.B. wenn eine hohe Einspeisevergütung erzielt werden kann) können mit Zündstrahlmotoren wirtschaftliche Vorteile erzielt werden. Ziel des Projektes ist es, die erwarteten Vorteile der Zündstrahltechnologie unter realen Bedingungen an einer Pilotanlage experimentell zu überprüfen und die Praxistauglichkeit unter realen Betriebsbedingungen nachzuweisen. Darüber hinaus soll ggf. erforderlicher weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf identifiziert werden.

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Heiko Werdin, Bert Oschatz
Erarbeitung eines Verfahrens zur energetischen Bewertung von Wärmepumpen für EnEV und DIN V 18599. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2814
2012, 94 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das novellierte Verfahren zur energetischen Bewertung von Wärmepumpen stützt sich weiterhin auf die Temperaturklassen, die mit den Prüfpunkten nach EN 14511 identisch sind. Über die Häufigkeit der jeweiligen Temperaturen werden Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Temperaturklassen festgelegt. An Hand der Betriebsart der Wärmepumpe (parallel, teilparallel, alternativ) wird bestimmt, welcher energetische Anteil bedingt durch das Klima von einem zweiten Wärmeerzeuger übernommen werden muss. Dabei werden die Bivalenztemperatur und die Heizgrenze durch ein neues Rechenverfahren bestimmt. In Abhängigkeit der Kennwerte (Leistungen bei Normprüfpunkten) und der Regelung der Wärmepumpe (stufig, stufenlos) sowie möglicher Nichtnutzungszeiten des Gebäudes und Abschaltzeiten des EVU werden anschließend Laufzeiten der Wärmepumpe für den Kombibetrieb, Heizbetrieb und Trinkwassererwärmung berechnet. Reicht die zur Verfügung stehende Heizzeit der Wärmepumpe für die einzelnen Betriebszustände nicht zur Deckung des energetischen Bedarfes aus, muss die Differenz vom zweiten Wärmeerzeuger übernommen werden. Abschließend werden die Endenergieaufnahme, die Wärmeerzeugerverluste, die Erzeugernutzwärmeabgabe, die Hilfsenergie, der regenerative Energieertrag und die Arbeitszahl berechnet. Die Ergebnisse des neuen Verfahrens wurden mit der VDI 4650 verglichen. Dabei zeigt sich, dass bei Niedertemperatursystemen, wie z.B. FBH mit 35/28/20, die Jahresarbeitszahlen der VDI 4650 und der DIN V 18599 vergleichbar sind. Bei höheren Systemtemperaturen ist festzustellen, dass die DIN V 18599 geringere Arbeitszahlen errechnet als die VDI 4650.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Schellhorn, Martin
Neue Heizgeräte versprechen Durchbruch beim Wasserstoff. Serie zur Wasserstoffheizung, Teil 3 (kostenlos)
Bundesbaublatt, 2022

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Werdin, Heiko; Marx, Uwe
Energe?tische Bewertung von Wärmepumpen. VDI? 4650 Blatt?1. Tl.1. Beschreibung des Verfahrens (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2021

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Beck, Michael; Großeschmidt, Henning
Temperieranlagen für Gebäude
Der Maueranker, 2021

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Koop, Dittmar
Hybrid mit zwei Holzarten. Scheitholz-Pellet-Kombikessel (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2021

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Obermoser, Edina
Kühlen und Heizen mit Eis. Wohnhaus Aumühle / Aumühle, Deutschland / Buero Bechtloff (kostenlos)
Architektur / Fachmagazin, 2020

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Highlights aus dem Programm 2022