Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0035;Geothermie
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Dock Midfield de l'aéroport de Zürich: mesure et optimisation des pieux échangeur
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Dock Midfield ist der neue Terminal E des Flughafens von Zürich, 500 m lang und 30 m breit. Er ist zwischen den Pisten im Rahmen der 5. Ausbauetappe des Flughafens gebaut worden. In Anbetracht schlechter geologischer Bedingungen (sumpfiges Gelände, das durch Seeablagerungen gebildet wurde), musste das Gebäude auf 440 Fundationspfählen gebaut werden. Die stehenden Gross-Pfähle von 90 bis 150 cm Durchmesser sind in die ebene Grundmoräne eingebunden, die in ungefähr 30 Meter Tiefe liegt. Mit dem Ziel, Energie zur Heizung und zum Kühlen des Gebäudes zu gewinnen, werden mehr als 300 Pfähle als Energiepfähle benutzt. Das Gebäude ist im Herbst 2003 in Betrieb genommen worden. Die Messungen der Energienutzung mit den Pfählen haben im Oktober 2004 für eine Dauer von 2 Jahren begonnen. Probleme mit dem Aufzeichnen der Messwerte mit dem Gebäudeautomationssystem und einem Messbus haben viel mehr Aufwand verursacht als vorgesehen, was den Start der Messungen verzögerte. Nach Verbesserungen ist es nun möglich, alle erforderlichen Messwerte aufzuzeichnen. Alle Messungen sind kontrolliert und für die ganze Messperiode analysiert worden, das heisst von Oktober 2004 bis September 2006. Die Energiebilanz des Systems und insbesondere der jährliche Bedarf an Heiz- und Kühlenergie sind nahe den Werten, die während der Planungsphase berechnet wurden. Ebenfalls ist die Effizienz des Systems sehr gut. Dies bestätigt die Notwendigkeit und den Nutzen einer detaillierten und sorgfältigen Planung dieser Art von Energiesystemen und eines Auslegeverfahrens, das detaillierte Studien sowie zwei geothermische Respond-Tests umfasste und auf dynamischen thermischen Simulationen des Gebäudes und des Systems mit den Energiepfählen basiert. Die detaillierten Messungen dieses Systems haben es ermöglicht, PILESIM2 zu entwickeln, die Version 2 des Programms PILESIM. Die Betriebsart Direktkühlung an das Erdreich (Geocooling) kann nun besser bei der Berechnung berücksichtigt werden. Die Validierung der berechneten Werte mit den Messwerten ist sehr zufrieden stellend. Die Messungen von Oktober 2005 bis September 2006 zeigen, dass die Wärmepumpe (WP), dimensioniert für eine Wärmeleistung von 630 kW, mehr als 70% an den Heizenergiebedarf des Gebäudes (3'020 MWh pro Jahr) beiträgt. Der Rest (max. Heizleistungsbedarf ca. 1.6 MW) wird mit Fernwärme gedeckt. Der Bedarf an Energie für die Kühlung interner Lasten (1'170 MWh pro Jahr), wird zu 53% mit Geocooling gedeckt, zu 32% wird die Kühlenergie als Abwärme zur Deckung von gleichzeitig vorhandenem Heizenergiebedarf genutzt. Die restlichen 15% werden mit der Wärmepumpe gedeckt, die auch als Kältemaschine genutzt werden kann. Die Abwärme wird dann mit Kühltürmen auf dem Dach an die Umgebung abgegeben. Mit Geocooling werden 40% der mit der WP entzogenen Wärme wieder dem Erdreich zugeführt. Damit wird der Untergrund ausreichend regeneriert, um ein langfristiges Funktionieren des Systems zu garantieren. Im Heizbetrieb ist pro Laufmeter Pfahl die durchschnittliche Leistung 45 W/m und die gewonnene jährliche Energie 183 kWh/m. Im Kühlbetrieb (Direktkühlung) betragen diese Werte 16 W/m und jährlich 74 kWh/m. Die Leistungszahlen des Systems sind sehr gut. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) der WP beträgt 3,9. Die jährliche Effizienz beim Geocooling, definiert als gewonnene Kühlenergie dividiert durch die elektrische Energie für die Umwälzpumpen, ist mit einem Wert von 60 aussergewöhnlich hoch. Die jährliche globale Effizienz des Systems, definiert durch die erzeugte thermische Energie (Wärme und Kälte), geteilt durch die ganze elektrische Energie (Kompressorantrieb und Hilfsenergie), ist 5,1. Ein Verbesserungspotential besteht beim Verteil-Kreislauf der internen Kühlung. Es könnte im Idealfall erreicht werden, dass die WP nicht als Kältemaschine in Gang gesetzt werden muss. Dann würde die globale Wirksamkeit des Systems von 5,1 auf 5,7 steigen. Die Vorlauftemperatur im Kühlverteil- Kreislauf, die momentan auf 14 °C festgelegt ist, müsste leicht erhöht und der hydraulische Abgleich des Kreislaufes verbessert werden. Eine Simulation mit PILESIM2, bei der die Parameter mit den Messungen validiert wurden, erlaubt es zu zeigen, dass es genügen würde, die Vorlauftemperatur auf 16-17 °C und die Rücklauftemperatur auf 19-20 °C anzuheben, um den Kältemaschinenmodus nicht mehr zu benötigen. Das System erreicht auch ökonomisch ausgezeichnete Werte. Die Gestehungskosten der thermischen Energie (Wärme und Kälte) betragen berechnet 6 Rp./kWh, was mit den 8 Rp./kWh eines konventionellen Systems verglichen werden kann. Die zusätzliche Investition ist in etwa 8 Jahren amortisiert.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Istituto di Sostenibilità Applicata all'Ambiente Costruito, SUPSI
Hochschule Wädenswil, Abteilung Facility Management
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Pahud,Daniel
Pahud,Daniel
Hubbuch,Markus
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Schlussbericht
(Englisch)
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The Dock Midfield is the new terminal E of the Zürich airport. The building (500 m long and 30 m wide) has been built inside the runway’s triangle in the framework of the 5th development phase of the airport. The upper ground layer is composed of lake deposits. It is thus too soft to support the loads of the building. They are supported by 440 foundation piles. The piles stand on moraine, which lies at a depth of about 30 m. With large diameters comprised between 1 to 1.5 meters, the concrete piles are cast in place. More than 300 piles have been converted into energy piles in order to contribute to the heating and cooling of the building. This latter was completed in autumn 2003. Measurements of the energy pile system begun in October 2004 for a 2 years period. Problems with data acquisition required much more work to process the measurements. Corrections have been done to fill the measurement holes. All the measurements were checked and analysed for the two measurement years, thus from October 2004 until September 2006. The system heat balance, and in particular the annual heating and cooling demands are close to the design values. Furthermore the thermal performances of the system are very good. This confirms the necessity and the suitability of a detailed and careful design process for this type of system. The design procedure has been based on detailed studies, involving response test analysis, thermal dynamic simulations of the building and the energy pile system. Thanks to the detailed measurements of the system, the elaboration of PILESIM2, version 2 of PILESIM, has been realised. The geocooling mode is better taken into account in the calculation. The comparison of the calculations with measurements is very satisfactory. With the measurements from October 2005 until September 2006, the heat pump, sized to deliver a heating power of 630 kW, brings more than 70% of the building heating (3’050 MWh/year). The rest is covered with district heating (the peak power load for heating is about 1.6 MW) . The cooling demand is caused by the necessity to evacuate the internal loads (1’170 MWh/year). It is covered by geocooling (53%), by satisfying contemporaneous heating requirements (32%) and with the heat pump used as a cooling machine (15%). Waste heat of this latter is dumped in the environment with a cooling tower on the building roof. It doesn’t disturb the geocooling production. Geocooling amounts to 40% of the extracted heat from the ground in winter. It is providing a thermal recharge of the ground which is sufficient to allow a normal operation of the system in the long term. Expressed per linear meter pile, the mean extracted power and annual energy are established to respectively 45 W/m and 183 kWh/(m y). For the heat injection values, thus for geocooling operation, these values are 16 W/m and 74 kWh/(my). The system performance indexes are excellent. The heat pump annual performance coefficient is measured to 3.9. The geocooling annual efficiency is defined by the ratio of the geocooling energy by the electric energy consumed by the circulation pumps. The measured value is exceptionally high with a value of 60. The global annual system efficiency, defined by the ratio of the total heating and cooling energy delivered by the system over the total electric energy used to make it run, circulation pumps included, is measured to 5.1. A improving potential lies in the cooling distribution. The potential is quantified by supposing that the cooling machine does not need to be operated. With this assumption the global annual system efficiency would increase from 5.1 to 5.7. This would imply that the forward fluid temperature in the cooling distribution, set at the moment to 14°C, should be increased and the setting of the hydraulic circuit improved. A PILESIM2 simulation, performed with calibrated parameters to reproduce measurements, indicates that a forward fluid temperature of 16-17 °C in the cooling distribution, with a return fluid temperature of 19-20 °C, is enough to avoid the cooling machine operation. The economical performances of the system are excellent. The cost of the delivered thermal energy (heating and cooling) is calculated to 6 ct./kWh. It can be compared to 8 ct./kWh, the energy cost of a conventional solution. The additional investment of the pile system is paid back in about 8 years.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Istituto di Sostenibilità Applicata all'Ambiente Costruito, SUPSI
Hochschule Wädenswil, Abteilung Facility Management
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Pahud,Daniel
Pahud,Daniel
Hubbuch,Markus
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le Dock Midfield est le nouveau terminal E de l’aéroport de Zürich. Avec une longueur de 500 m sur une largeur de 30 m, il a été construit dans le triangle des pistes dans le cadre de la 5e étape de développement de l’aéroport. En raison de mauvaises conditions géologiques (terrain meuble formé par d’anciens fonds lacustres), le bâtiment a dû être construit sur 440 pieux de fondation. Les pieux sont de gros diamètres (de 90 à 150 cm) et sont fichés dans une couche de moraine de fond située à environ 30 mètres de profondeur. Dans le but de contribuer au chauffage et au refroidissement du bâtiment, plus de 300 pieux sont utilisés en pieux énergétiques. Le bâtiment a été mis en service en automne 2003. Les mesures de l’installation utilisant les pieux énergétiques ont débuté en octobre 2004 pour une durée de 2 ans. Des problèmes avec l’acquisition des mesures réalisée avec le système de contrôle du bâtiment ont demandé beaucoup plus d’effort pour leur traitement. Des corrections ont été apportées pour combler les trous de mesure. Toutes les mesures ont été contrôlées et analysées pour les deux ans de mesure, soit d’octobre 2004 à septembre 2006. Le bilan énergétique du système, et en particulier les demandes d’énergie annuelles de chauffage et de refroidissement sont proches des valeurs établies durant la phase de planification. D’autre part, les performances thermiques du système sont très bonnes. Ceci confirme la nécessité et le bien fondé d’une planification détaillée et soigneuse de ce type de système, et d’une procédure de dimensionnement basée sur des études détaillées, qui ont inclus deux tests de réponse géothermiques, des simulations thermiques dynamiques du bâtiment et du système avec pieux énergétiques. Les mesures détaillées du système ont permis la mise au point de PILESIM2, la version 2 de PILESIM. Le mode de refroidissement par geocooling est mieux pris en compte et la confrontation des calculs avec les mesures est très satisfaisante. Les mesures d’octobre 2005 à septembre 2006 ont montré que la pompe à chaleur (PAC), dimensionnée pour délivrer une puissance thermique de 630 kW, contribue pour plus de 70% au chauffage du bâtiment (3'020 MWh/an), le reste étant couvert par du chauffage à distance (la demande de puissance de chauffage de pointe est d’environ 1.6 MW). La demande de refroidissement est causée par la nécessité d’évacuer les charges internes (1'170 MWh/an). Elle est couverte par geocooling (53%), en satisfaisant des besoins de chauffage simultanés (32%) et avec la PAC utilisée comme machine frigorifique (15%). Les rejets thermiques de cette dernière sont évacués par une tour de refroidissement sur le toit du bâtiment et ne compromettent pas la production de froid par geocooling. La production de geocooling représente 40% de l’énergie extraite en hiver par la PAC. Elle assure ainsi une recharge thermique suffisante du terrain, indispensable pour garantir un fonctionnement à long terme du système. Rapportées par mètre linéaire de pieu, la puissance moyenne et l’énergie annuelle extraite ont été établies à respectivement 45 W/m et 183 kWh/(m an). En injection de chaleur, et donc pour le geocooling, ces valeurs sont de 16 W/m et 74 kWh/(m an). Les indices de performance du système sont excellents. Le coefficient de performance annuel de la PAC est mesuré à 3.9. L’efficacité annuelle de geocooling, définie par le rapport de l’énergie de geocooling sur l’énergie électrique consommée par les pompes de circulation, est exceptionnellement élevée avec une valeur de 60. L’efficacité globale annuelle du système, définie par le rapport de l’énergie thermique de chauffage et de refroidissement sur l’énergie électrique totale pour le faire fonctionner, pompes de circulation incluses, est de 5.1. Un potentiel d’amélioration existe avec la distribution de refroidissement. Il est quantifié en supposant que la machine frigorifique n’aie pas besoin d’être mise en marche. Avec cette hypothèse l’efficacité globale du système augmenterait de 5.1 à 5.7. Ceci impliquerait que la température de départ dans la distribution de refroidissement, fixée actuellement à 14°C, puisse être augmentée et le réglage du circuit hydraulique amélioré. Une simulation avec PILESIM2, dont les paramètres ont été calibrés sur les mesures, permet de montrer qu’il suffit de pouvoir distribuer l’énergie de refroidissement à 16-17°C, avec un retour à 19-20°C, pour ne pas avoir besoin d’enclencher la machine frigorifique. Les prestations économiques du système sont excellentes. Le coût de l’énergie thermique délivrée (en chaud et en froid) est calculé à 6 ct./kWh, que l’on peut comparer à celui de 8 ct./kWh pour une solution conventionnelle. L’investissement supplémentaire du système avec pieux est remboursé en plus ou moins 8 ans.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Istituto di Sostenibilità Applicata all'Ambiente Costruito, SUPSI
Hochschule Wädenswil, Abteilung Facility Management
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Pahud,Daniel
Pahud,Daniel
Hubbuch,Markus
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Italienisch)
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Il Dock Midfield é il nuovo terminal dell’aeroporto di Zurigo, situato all’interno del triangolo formato dalle tre piste di decollo e costruito nell’ambito dei lavori di sviluppo dell’aeroporto (quinta tappa). Questa struttura ha una lunghezza di 500 m per una larghezza di 30 m. Lo stabile è costruito sopra 440 pali di fondazione a causa delle cattive condizioni geologiche del terreno (terreno mobile formato da materiale alluvionale). I pali di fondazione hanno un grande diametro (da 90 a 150 cm) e sono piantati in uno strato di morena di fondo situata a ca. 30 metri di profondità. Più di 300 pali di fondazione sono utilizzati come pali energetici per contribuire al riscaldamento e al raffreddamento dell’edificio, che è utilizzato dall’autunno del 2003. Il rilevamento delle misure dell’installazione che utilizza dei pali energetici è iniziato in ottobre 2004 per una durata di 2 anni. Il trattamento delle misure realizzate con il sistema di controllo dell’edificio è stato particolarmente laborioso a causa di problemi di acquisizione. Sono state quindi apportate delle correzioni per colmare le misure mancanti. Tutte le misure sono state controllate e analizzate per i due anni di acquisizione da ottobre 2004 a settembre 2006. Il bilancio energetico del sistema e in particolare i fabbisogni energetici annuali per il riscaldamento e il raffreddamento sono vicini ai valori stabiliti durante la fase di progettazione. Inoltre, le prestazioni termiche del sistema sono molto buone. Questo fatto conferma la necessità e l’utilità di una progettazione dettagliata e curata di questo tipo di sistema e di una procedura di dimensionamento basata su studi dettagliati. Questi studi includono due test di risposta geotermica, delle simulazione termiche dinamiche dell’edificio e del sistema con pali di fondazione energetici. I rilievi dettagliati dell’impianto hanno permesso la messa a fuoco di PILESIM2, la versione 2 di PILESIM. Il modo di raffreddamento per geocooling è meglio preso in conto e il confronto dei calcoli con i rilievi è molto soddisfacente. I rilievi da ottobre 2005 a settembre 2006 hanno mostrato che la pompa di calore (PdC), dimensionata per fornire una potenza termica di 630 kW, contribuisce per più di 70% al riscaldamento dell’edificio (3’020 MWh/an), il resto essendo coperto tramite il riscaldamento a distanza (il fabbisogno di potenza termica massima per il riscaldamento è di ca. 1.6 MW). Il fabbisogno di raffreddamento è causato dalla necessità di evacuare i carichi interni (1'170 MWh/an). È soddisfatto con il geocooling (53%), tramite fabbisogno contemporaneamente di riscaldamento (32%) e con la PdC utilizzata come macchina frigorifera (15%). I scarti termici di quest’ultima sono scaricati da una torre di raffreddamento sul tetto dell’edificio e non perturbano la produzione di freddo tramite geocooling. Il geocooling ammonta a 40% dell’energia estratta dalla PdC durante l’inverno. Assicura cosi una ricarica sufficiente del terreno, indispensabile per garantire il funzionamento a lungo termine dell’impianto. Se rapportate per metro lineare di palo di fondazione, la potenza media e l’energia annuale estratta sono rispettivamente di 45/m e di 183 KWh/(m an). Per quanto riguarda l’immissione di calore tramite geocooling, questi valori sono di 16 W/m e di 74 KWh/(m an). Gli indici di prestazione energetiche sono eccellenti. Il coefficiente di prestazione annuale (COPA) della PdC è di 3.9. L’efficienza di geocooling, definita con il rapporto tra l’energia di geocooling e l’energia elettrica consumata dalle pompe di circolazione, è eccezionalmente elevata con un valore di 60. L’efficienza globale annuale del sistema, definita con il rapporto dell’energia termica di riscaldamento e di raffreddamento, su l’energia elettrica totale per farlo funzionare, pompe di circolazione incluse, è di 5.1. Esiste un potenziale di miglioramento attraverso la distribuzione del raffreddamento ipotizzando che la macchina frigorifera non entri in funzione. Attraverso questa ipotesi, l’efficacia globale del sistema aumenterebbe da 5.1 a 5.7. Questo implica che la temperatura di partenza nella distribuzione di raffreddamento, fissata attualmente a 14°C, possa essere aumentata e la taratura del circuito idraulico migliorato. Una simulazione con PILESIM2, con i parametri calibrati sulle misure, permette di mostrare che basta poter distribuire l’energia di raffreddamento a 16-17°C, con un ritorno a 19-20°C, per non avere bisogno di accendere la macchina frugifera. Le prestazioni economiche del sistema sono eccellente. Il costo dell’energia termica fornita (in caldo e in freddo) è calcolato a 6 ct./kWh. Quello può essere paragonato a 8 ct./kWh, il costo dell’energia di una soluzione convenzionale. L’investimento supplementare dell’impianto con i pali è rimborsato in circa 8 anni.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Istituto di Sostenibilità Applicata all'Ambiente Costruito, SUPSI
Hochschule Wädenswil, Abteilung Facility Management
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Pahud,Daniel
Pahud,Daniel
Hubbuch,Markus
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