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Spitzenlastdeckung des neuen Campus der HSLU in Horw

Timon Suter

Titel

Spitzenlastdeckung des neuen Campus der HSLU in Horw

Autor/in

Datierung

20.01.2023

Beschreibung

Abstract Deutsch
Im Rahmen des Projekts «neuer Campus Horw» wird untersucht, wie die thermischen Spitzenlasten
der Gebäude des neuen Campus gedeckt werden können. Das Konzept sieht vor den Campus an das
Seewassernetz anzuschliessen und so thermisch zu versorgen. Im Sommer kann das Seewasser
direkt zum Kühlen genutzt werden, im Winter dient es als Quelle für die Wärmepumpe. Als
thermische Spitzenlastdeckung wird eine Speicherlösung gesucht, damit man von fossilen
Brennstoffen und auch von anderen zusätzlichen Energieträgern unabhängig ist.
Basierend auf den Wettbewerbsunterlagen des Projekts «Gravity» wird ein Gebäudemodell erstellt,
welches für eine thermische Simulation des Campus dient. Als Klimadaten sind dabei drei
Klimaszenarien hinterlegt; ein aktuelles Szenario basierend auf Daten aus der jüngeren
Vergangenheit und zwei Zukunftsszenarien für den Zeitraum rund um 2060. Eines dieser
Zukunftsszenarien stellt dabei ein Jahr dar, bei dem der Klimaschutz konsequent durchgesetzt wird
und stetig die CO2-Ausstösse reduziert werden. Das andere Zukunftsszenario stellt ein Jahr dar, bei
dem keine Klimaschutzmassnahmen umgesetzt werden und der jährliche CO2-Ausstoss stetig steigt.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit aktuellen Klimadaten ein hoher Heizwärmebedarf und ein mittlerer
Klimakältebedarf anfällt. In Zukunft wird der Heizwärmebedarf sinken und der Klimakältebedarf
steigen. Die Intensität dieser Tendenz ist abhängig davon, wie stark die Klimaschutzmassnahmen ab
dem heutigen Zeitpunkt global umgesetzt werden.
Diese Ergebnisse werden in einem Modell hinterlegt, welches die Energieströme des Systems
simuliert und optimiert. Das Ziel dieser Simulation ist es, den nötigen Energieinhalt des Speichers für
die thermische Spitzenlastdeckung in Abhängigkeit der Erzeugerleistung zu ermitteln. Die
energetische Betrachtung zeigt auf, dass für die Bestimmung der Speichergrösse das normale
Klimaszenario im Heizfall ausschlaggebend ist, im Kühlfall ist es das Zukunftsszenario ohne
Klimaschutzmassnahmen. Des Weiteren ist ab einer Wärmepumpenleistung von 150 kW lediglich ein
Speicher notwendig, da es keine Überschneidung zwischen dem Heiz- und Kühlbetrieb gibt.
Um die volumetrische Grösse und die Geometrie eines solchen Speichers zu bestimmen, wird eine
Speichersimulation durchgeführt. Dazu wird das notwendige Volumen eines sensiblen
Wasserspeichers in Abhängigkeit der Erzeugerleistung und der Speicherhöhe ermittelt. Ein Speicher
mit der Höhe von maximal 2.5 m und einem maximalen Volumen von 5'000 m³ könnte im bereits
bestehenden Bunker unterhalb der Mensa untergebracht werden. Somit müsste kein zusätzliches
Volumen für den Speicher geschaffen werden. Durch die Speichersimulation wird ersichtlich, dass ein
reiner Wasserspeicher mit einem Volumen von rund 1'675 m³ in Kombination mit einer
Wärmepumpenleistung von 300 kW und einer Speicherhöhe von 2.5 m den Heiz- wie auch den
Kühlfall ideal abdeckt. Bei gleicher Höhe und einer Wärmepumpenleistung von 250 kW würde es für
den ausschlaggebenden Heizfall einen 4’400 m³ grossen Speicher benötigen. Dieses Volumen könnte
durch die Integration eines Phase-Change-Materials, welches seinen Schmelzpunkt bei ca. 35 °C hat,
reduziert werden. Eine erste rechnerische Abschätzung zeigt auf, dass ein Speicher mit einem Volumen von rund 2'400 m³ und einer Speicherhöhe von 2.5 m in Kombination mit einer
Wärmepumpe von 250 kW sich für den Heiz- und Kühlfall eignet. Dementsprechend gäbe es zwei
verschiedene Lösungen, wie ein Speicher in den Bunker integriert werden kann.
Der Entscheid auf welche Klimaszenarien der Speicher ausgelegt werden soll, ist noch offen. Zudem
bietet sich eine Systemerweiterung mit der Integration des Brauchwarmwassers an, um die
Energieeffizienz des Systems weiter zu erhöhen.

As part of the project "Neuer Campus Horw", an investigation is being carried out into how the
thermal peak loads of the buildings on the new campus can be covered. The concept is to connect
the campus to the lake water network and thus supplying it with thermal energy. In summer, the
lake water can be used directly for cooling, in winter it serves as a source for the heat pump. As a
thermal peak load coverage, a storage solution is sought so that the campus is independent of fossil
fuels and also of other additional energy sources.
Based on the competition documents of the project "Gravity" a building model is created, which is
used for a thermal simulation of the campus. Three climate scenarios are used as climate data; a
current scenario based on data from the recent past and two future scenarios for the period around
the year 2060. One of these future scenarios represents a year in which climate protection is
consistently implemented and CO2-emissions are constantly reduced. The other future scenario
represents a year in which no climate protection measures are implemented and annual CO2
emissions steadily increase. The results show that with current climate data there is a high heating
demand and a medium cooling demand. In the future, the heating demand will decrease and the
cooling demand will increase. The intensity of this trend depends on the extent to which climate
protection measures are implemented globally from the present time.
These results are stored in a model that simulates and optimizes the energy flows of the system. The
goal of this simulation is to determine the necessary energy content of the storage system for
thermal peak load coverage as a function of the generated thermal power. The energetic
consideration shows, that the normal climate scenario in the heating case is decisive for the
determination of the storage size, in the cooling case it is the future scenario without climate
protection measures. Furthermore, from a heat pump capacity of 150 kW only one storage tank is
necessary, since there is no overlap between the heating and cooling operation.
In order to determine the volumetric size and the geometry of such a storage tank, a storage
simulation is carried out. For this purpose, the necessary volume of a sensible water storage is
determined as a function of the generated thermal power and the storage height. A storage tank with
a maximum height of 2.5 m and a maximum volume of 5'000 m³ could be accommodated in the
already existing bunker below the canteen. Thus, no additional volume would have to be created for
the storage tank. The storage simulation shows that a pure water storage tank with a volume of
about 1'675 m³ in combination with a heat pump capacity of 300 kW and a storage height of 2.5 m
ideally covers the heating as well as the cooling case. With the same height and a heat pump
capacity of 250 kW, a 4’400 m³ storage tank would be required for the decisive heating case. This
volume could be reduced by integrating a phase change material, which has its melting point at
approx. 35 °C. A first mathematical estimation shows that a storage tank with a volume of about
2'400 m³ and a storage height of 2.5 m in combination with a heat pump of 250 kW is suitable for
the heating and cooling case. Accordingly, there would be two different solutions how to integrate a
storage tank into the bunker.
The decision on which climate scenarios the storage tank should be designed for is still open. In
addition, a system extension with the integration of the domestic hot water is an option to further
increase the energy efficiency of this system.

Urheberrechtshinweis