Brunnen
werden aus zwei verschiedenen Gründen gebaut. Einerseits gibt es
den Brunnen zur Wasserförderung
zur Trinkwasser- oder Brauchwassernutzung
(WC-Spülung, Gartenbewässerung) und andererseits werden Brunnen
zur Nutzung der Geothermie (Förderbrunnen-Schluckbrunnen,
Tiefenbohrung)
gebraucht. Für den Brunnenbau gibt es den Beruf der Brunnenbauer/in. |
Ein Wasserbrunnen
ist eine Aushöhlung oder eine Struktur, die im Boden geschaffen
wird, um auf Grundwasser in den Grundwasserleitern
(Aquifer) zuzugreifen. Ein Brunnen kann auch eine Ergänzung
zur Regenwassernutzung
darstellen, um "Trockenzeiten" zu überbrücken. Bei
dem Erstellen eines Brunnens können
unter besonderen Gegebenheiten je nach Bodenbeschaffenheit Gase
(z. B. CO2, Methan [Faulgase], Radon) austreten.
Hier sollte bei dem Verdacht auf Gasaustritt eine Gasanalyse
durchgeführt werden. |
| Das Bohren
oder Spülen von Brunnen, die
das Grundwasser berühren oder beeinflussen, ist bei der unteren
Wasserbehörde anzeigepflichtig. Eine
Genehmigung und die Erlaubnis für die Inbetriebnahme für den
Brunnen muss nicht eingeholt werden. Es besteht nur eine Anzeigepflicht.
In den Bundesländern sind die Bedingungen für den Bau eines
Grundwasserbrunnens unterschiedlich geregelt. Es gibt
aber auch Ämter, die geben ihre Erlaubnis erst,
wenn ein entsprechendes Gutachten vorliegt. Die Behörde
kann auch darüber Auskunft geben, in welcher Tiefe Grundwasser
ansteht, welche Qualität es hat und wozu es verwendet werden kann.
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Für die öffentlichen
Wasserversorgungsanlagen ist der Wasserversorger
durch gesetzliche Auflagen verpflichtet, die Anlagen
regelmäßig durch Sachverständige, Gutachter und/oder
ein eigenes Labor auf den hygienischen und
technischen Zustand zu überprüfen
zu lassen bzw. zu überprüfen. Bei der Eigenwasserversorgung
(Einzelwasserversorgungsanlage) ist der Betreiber
für den technischen und hygienischen
Zustand und die Qualität seines Trinkwassers verantwortlich. |
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Ein Brunnen,
der für eine Trinkwassernutzung betrieben werden
soll und dessen Wasser an Zweite und Dritte weitergegeben wird, sollte
immer von einer konzessionierten Fachfirma errichtet
werden. Diese sind in der Lage, den Brunnen fachgerecht
zu planen, zu bohren und und die Technik
zu installieren. Außerdem übernehmen sie
auch die Gewährleistung. |
Die richtige Brunnenart
zur Wasserförderung (Kleinbrunnen)
hängt von folgenden Faktoren ab
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- Beschaffenheit des Untergrundes
- Gewünschte Fördermenge
- Nutzung des Wassers (Trinkwasser, Brauchwasser,
Mineralwasser)
- Tiefe des Grundwasserleiters (Aquifer)
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Das Brunnenwasser
kann durch eine elektrische Tauchpumpe, Handpumpe
(Schwengelpumpe),
vertikale Turbinenpumpe oder mechanische Pumpe
(z.B. Wasserpumpenwindmühle) gefördert werden. Aber auch ein
mechanisches oder eigenhändiges Schöpfen
mit einem Behälter (z. B. Eimer) ist möglich. |
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| Die Brunnenarten werden
nach der Art der Herstellung eingeteilt. |
| Schachtbrunnen
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Ein Schachtbrunnen
ist den meisten als typischer Brunnen bekannt.
Er wird auch heutzutage noch als Brunnen für die Gartenbewässerung
genutzt. Bei Fertigteilschachtbrunnen werden Schachtringe
bis maximal 6 Meter abgesenkt. Bei der Ortbetonbauweise
erfolgt ein stufenweises Ausbetonieren des zylindrischen
Raumes. |
Die Abteufung
in die Grundwasser führende Schicht
kann als vertikale Schachtung oder durch eine Sprengung
erfolgen. Wenn das Bodenmaterial es zulässt, kann auf
einen stabilisierenden Ausbau des Brunnens verzichtet werden.
Ansonsten werden Brunnenringe oder ein
gemauertes Ziegelmauerwerk verwendet. Genügend
groß ausgelegt wirkt der Schacht
als Wasserspeicher. |
Für
die Trinkwassergewinnung wird er nicht mehr genutzt. |
Vorteile:
- In Gegenden mit wenig Grundwasser wird dieser Brunnen
gebaut und genutzt werden, da er durch die große Sammelfläche
im Schacht für diese Gegebenheit gut geeignet ist
- Er wirkt sehr dekorativ (oft steht auch nur ein Brunnenkopf
im Garten) |
Nachteil:
- Für den Bau ist viel Material und Aufwand notwendig
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Sodenbrunnen
Der Sodenbrunnen (Sodbrunnen) ist
ein Schachtbrunnen
bis in die Grundwasser führenden Schichten reicht. Sie wurden
mit Soden gebaut und nachträglich mit einer Aussteifung aus Holzgeflechten
oder durch einen Holzrahmen verstärkt. Nach der Schöpfmethode
unterscheidet man zwischen Zieh- und Wippgalgenbrunnen.
Da aber das Grundwasser im Marschenland salzhaltig, teilweise sogar
zusätzlich schwefelhaltig ist, war es in den meisten Fällen
zur Trinkwasserversorgung der Bewohner nicht geeignet und konnte nur
dann für das Vieh verwendet werden, wenn es mit Regenwasser zu
Brackwasser wurde.
Sod
Die Sod (Sad > Grube) ist eine einfache Süßwasserzisterne,
die flaschenförmig im Kleiboden
(Sedimentation von Schlickwatt), mit Soden (viereckige
Grasnarben- oder Torfstücke) oder Ziegelsteinen verkleidetet,
angelegt ist und Regenwasser aufnimmt. Die schmale Öffnung wird
mit einem Holzdeckel abgedeckt, um das Eindringen von Salzwasser zu
verhindern. Das Wasser wird mit Eimern, die an Brunnenbäumen
oder einfachen Schöpfstangen hängen, gefördert. |
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| Die Nordseemarschen
haben keine Süßwasserquellen und auch kein
brauchbares Grundwasser. Um Trinkwasser für die
Bewohner und Wasser für das Vieh aufzufangen,
gab/gibt es spezielle Einrichtungen. So besteht z. B. auf der Halbinsel
Eiderstedt und den Halligen im nordfriesischen
Wattenmeer das Grundwasser bzw. Oberflächenwasser
aus Salzwasser (in St. Peter-Ording ist es außerdem
schwefelhaltig). Erst mit der Wasserversorgung aus dem Geestland wurden
diese Gebiete (Eiderstedt ab 1962, Hallig Hooge ab 1968, Hallig Gröde
ab 1976) mit Trinkwasser versorgt.
Mehr zur Wasserversorgung
im nordfriesischen Marschenland |
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| Schlagbrunnen
- Rammbrunnen |
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| Der Schlagbrunnen
(Rammbrunnen) kommt hauptsächlich
dort zum Einsatz, wo Menschen einen Brunnen für die
private Versorgung nutzen wollen. Das Grundwasser
darf nicht tiefer als 7 m und der Boden
muss leicht zu durchdringen sein. Der Brunnen wird durch
das Einschlagen (Rammen)
oder Einpressen eines Rohres mit einem
geringem Durchmesser (< DN 80) in den oberflächennahen
Grundwasserleiter hergestellt. Da mit dieser Brunnen nur
eine geringe Wassermenge gefördert werden kann und
die Lebensdauer begrenzt ist, wird er heute nur noch selten
verwendet. |
Mithilfe eines Stahlrohres
mit einem spitzen Ende wird der Schlagbrunnen
angelegt. An der Spitze befindet sich außerdem ein
Rammbrunnenfilter. Dieses Stahlrohr wird
dann in die Erde gerammt, bis die Wasserschicht erreicht
ist. Danach wird über eine Pumpe, die elektrisch oder
manuell (Hebel) betrieben wird, Wasser gefördert. In
der Regel ist dieser Brunnen nicht für die Trinkwassergewinnung
geeignet. |
Vorteile:
- Günstige, einfache und schnelle Art, um einen Brunnen
anlegen zu lassen |
Nachteil:
- Grundwasserspiegel darf nicht tiefer als 8 Meter sein |
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| Bohrbrunnen |
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Ein Bohrbrunnen
kann große Wassermengen aus nahezu
jeder Tiefe fördern. Die Herstellung
erfordert schweres Gerät, wobei der Mindestdurchmesser
meist erst bei über 10 cm anfängt. Mit dem Brunnen
wird das Wasser aus tiefen Schichten (Tiefenwasser)
gefördert. das durch die vielen Erdschichten besonders
gefiltert wird und daher in den meisten Fällen eine
gute Qualität hat. Er wird ab ca. 20 m) angewandt und
besteht aus einem Filterrohr mit Filterkies
und Förderrohrleitung. |
Bei den Bohrbrunnen
unterscheidet man zwischen |
- Vertikalfilterbrunnen
- Horizontalfilterbrunnen
- Artesische Brunnen
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Bei dem
Vertikalfilterbrunnen wird das Bohrloch senkrecht
in die Tiefe eingebracht. Im Gegensatz zum Schachtbrunnen
eignet er sich zur Entnahme von Wasser aus verschiedenen
wasserführenden Bodenschichten. Das heißt,
dass durch den Ausbau der Bohrung mit Filter-
und Vollrohren das Wasser aus den
gewünschten Schichten entnommen werden kann. Dadurch
kann das Wasser aus Tiefen von mehreren 100 m in große
Mengen z. B. aus eiszeitlichen Rinnen gefördert werden. |
Bei den Horizontalfilterbrunnen
sind die Filterrohre waagerecht in den
wasserführenden Schichten eingebracht,
die in einen Sammelschacht münden.
Sie werden hauptsächlich zur Förderung großer
Wassermengen verwendet. |
| Vorteil:
- Kann Tiefenwasser fördern, das besonders gut gefiltert
ist |
Nachteile:
- Nur mit schwerer Bohrgerät zu erstellen
- Undichte Fassungen können schnell zu erhöhten
Belastungen führen |
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| Wie funktioniert ein eigener Brunnen? |
Artesischer
Brunnen 
Quelle: Peter Müller - Brunnenbauforum.de
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Artesischer
Brunnen
Der artesische Brunnen wird in
einer Senke unterhalb des Grundwasserspiegels
durch eine Bohrung in den Grundwasserleiter
abgeteuft. Diese Leiter haben einen Druckspiegel
über Geländeoberfläche (gespannt)
und dadurch ein artesisches (freies) Überlaufen
des Grundwassers. Der Druck entsteht durch
die bestimmte Position der beiden Schichten (Schräg-
oder Senklage).
Dieses "hydraulische Potential" ist so hoch, dass
das Wasser von selbst (ohne Pumpen) bis zur Erdoberfläche
oder höher aufsteigt.
Damit das Wasser nicht frei ablaufen kann, wird es durch
eine Absperrvorrichtung entnommen.
Damit ein artesischer Brunnen funktioniert
muss ein gespanntes Grundwasser vorhanden
sein und eine wasserführende Gesteinsschicht
(Grundwasserleiter) durch eine wasserundurchlässige
Gesteinsschicht nach oben abgedichtet werden. Diese
großräumige geologische Struktur
des Grundwasserleiters ermöglicht den Aufbau von hydrostatischem
Druck (z. B. zwischen schräg abfallenden Gesteinsschichten
oder in einer schüsselförmigen Senke). Das Grundwasser
steigt nach dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße
im Bohrloch bzw. im Schacht maximal bis zur Höhe der
freien (ungespannten) Grundwasseroberfläche in der
wasserführenden Schicht, wenn man den Grundwasserleiter
mit gespanntem Grundwasser anbohrt. Liegt dieses Niveau
höher als die Erdoberfläche am Brunnen, spritzt
das Grundwasser unter Druck aus dem Untergrund nach oben.
Im Gegensatz zu einer artesischen
Quelle wird ein artesischer Brunnen
immer künstlich hergestellt.
Der
Artesische Brunnen - Brunnenbauforum.de |
Bei einer
ausreichenden Wassermenge kann der Brunnen auch zur Stromerzeugung
genutzt werden. |
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Artesischen
Brunnen sind bereits viele
Jahrhunderte v. Chr. in China, Nordafrika und in Vorderasien gebohrt
worden. In Europa wurde der erste derartige Brunnen im Jahre 1126 in
der Landschaft Artesien, dem Gebiet Artois im Norden
Frankreichs, im Département Pas-de-Calais, bekannt und danach
benannt. Seit dieser Zeit wurde gezielt nach gespanntem Wasser
gesucht.
Die Voraussetzungen für artesische
Brunnen sind dort vorhanden, wo Wasser von bergigen Höhen
in die Tiefe fließt, ein großes Grundwasserreservoir
bildet und nicht gleichmäßig abfließen
kann. Deshalb sind artesische Brunnen z. B. in den
Oasen der Wüsten in Nordafrika
besonders interessant sind. Hier fließt das Wasser aus dem Atlasgebirge
am Nordrand der Sahara viele hundert Kilometer auf einer wasserundurchlässigen
Gesteinsschicht unter dem Wüstensand in die Sahara hinein und gelangt
dann in einer Oase nur wenige Meter unter der Erdoberfläche nach
oben.
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Fossiles
Wasser
Vorräte an fossilem Wasser mit
einem Alter bis zu 40.000 Jahre, die wasserwirtschaftlich
genutzt werden können, befinden sich in den Sedimentationsbecken
des Sahararaumes, wo sie zunehmend zur Wasserversorgung der dichter
besiedelten nordafrikanischen Küstenregionen oder zur landwirtschaftlichen
Bewässerung genutzt werden.
Fossiles Wasser (Grundwasser) kann
- aus früheren niederschlagsreichen Zeiten
in Lagerstätte in großen Tiefen eingelagert sein. Dieses
Wasser wird nicht mehr durch aktuellen Niederschläge erneuert
und hat somit nicht mehr am atmosphärischen Wasserkreislauf
teilgenommen
- synsedimentär in Grundwasserleitern eingeschlossenes
Wasser sein
Der Nachweis von fossilem Wasser
kann anhand der Halbwertszeit der vorhandenen Isotope (z.B. Tritium,
14C) bestimmt werden. Fossile Wässer haben sich in größerer
Menge in Beckenstrukturen der alten Kontinentalschilde erhalten.
Ein Beispiel hierfür sind die Grundwasservorkommen
in den nubischen Sandsteinen der Ostsahara, die aufgrund
von 14C-Datierungen (radiometrischen Datierung) feuchteren
Perioden des Neolithikums bzw. generell des Pleistozäns zugeordnet
werden können. Der letzte große Wassernachschub kam vor ca.
10.000 Jahren, als in Europa die jüngste Eiszeit
zu Ende ging und eine Warmzeit anbrach. Hier lagerten sich in Nord-
und Südeutschland fossiles Grundwasser ab. Damals
schmolzen die Gletscher und große Wassermengen verdunsteten. Die
Wolken des afrikanischen Monsuns brachten Regen bis in das heutige Kerngebiet
der Sahara. Unter der größten Wüste der Erde lagern
große fossile Grundwasservorräte. Das
älteste Wasser (25 Millionen Jahre alt), das in
kristallinem Gestein gefunden wurde, stammt aus einem 2,8 Kilometer
tiefen Bergwerk in Südafrika.
Fossiles Grundwasser gibt es auch
im Mittleren Westen der USA: Hier
erstreckt sich unter den Staaten Nebraska, Kansas, Colorado, Oklahoma,
Texas und New Mexico ein riesiger Grundwasserspeicher (Ogallala-Aquifer).
Der aus Sand- und Kiesablagerungen bestehende Gesteinsschutt hat einst
insgesamt 3.450 km3 Grundwasser gespeichert.
Diese Wasservorräte sind sehr
groß, aber begrenzt. Denn die angezapften Vorkommen haben
keine Zuflüsse mehr und sind nach dem Abbau unwiederbringlich
verloren.
Grundwasser:
Ressource im Verborgenen
Nordafrika:
Die Wüste schwimmt |
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Eiszeitliche Rinnen |
Eiszeitliche Rinnen (Buried Valleys) sind eine besondere
Art von Trinkwasserspeicher, die während der Eiszeit entlang der Nordseeküste
entstanden sind. Dies sind verborgene Rinnen, die bis zu 500 Meter in der Tiefe sein können und riesige Mengen Grundwasser
aufbewahren. Dieses Wasser wird in der Zukunft aufgrund des immer häufiger auftretenden Trockenzeiten bzw.
fehlenden versickernden Regenwassers immer wichtiger für die Trinkwasserversorgung.
So bekommt z. B.
Eiderstedt das Trinkwasser aus Rantrum (Nähe Husum) aus sieben Brunnen mit Tiefen bis zu 120 m. Ein Teil des
Grundwassers wird aus einer eiszeitlichen Rinne gefördert. Ein weiterer Anteil ist versickertes Regenwasser,
das durch unterschiedliche Erdschichten "vorgereinigt" wird.
Vor gut 400.000 Jahren während der Elster-Eiszeit waren Nordeuropa,
die Ostsee, die Nordsee und Teile Grossbritanniens von Eis bedeckt. Dadurch entstanden ausgeschürfte Wannen (z. B.
die Elbtal-Wanne 100×20 km) und Rinnen (100×5 km), die bis 500 m tief in den Untergrund reichen. Beim Abschmelzen des Eises haben
sich große Eisstauseen gebildet, in denen sich großflächig von Norddeutschland bis in die Niederlande Schluff und
Ton bis zu 150 m Mächtigkeit abgelagert haben.
Eiszeitliche Rinnen
Neben den durch salinartektonische Vorgänge entstandenen Salzstöcken und deren Randsenken existieren im Untersuchungsgebiet
weitere markante geologische Strukturen. Dabei handelt es sich um die sogenannten eiszeitlichen Rinnen, die im Gegensatz zu den Salzstrukturen
vergleichsweise junge geologische Formen darstellen (
Anl. 2.1). Sie entstanden im Verlauf der Elster-Kaltzeit, der ältesten, in Schleswig-Holstein flächenhaft nachweisbaren Vereisung des Pleistozäns (s.
Tab. 2.2). Zur Entstehung der eiszeitlichen Rinnen hat es in der Vergangenheit verschiedene Theorien gegeben. Wahrscheinlich ist, dass in erster
Linie Schmelzwässer für die Erosionsvorgänge verantwortlich waren neben Prozessen der Glazialerosion durch das Gletschereis selbst. Diese Schmelzwässer
drangen über Spalten bis zur Basis der elstereiszeitlichen Gletscher und schnitten sich dann dort, unter hohem hydrostatischen Druck stehend, auf ihrem Weg bis
zum Eisrand tief in den präglaziären (jungtertiären) Untergrund ein. Die so entstandenen Rinnen sind teilweise weniger als einen Kilometer breit und bis zu mehreren
Zehnerkilometern lang. Im Raum Südwest-Holstein erreicht die Rinnenbasis häufig Tiefen von mehr als -200 Meter NN. Die Ellerbeker und die Duvenstedter Rinne
sind in weiten Bereichen tiefer als -300 Meter NN, an ihren tiefsten Stellen liegt die Basis sogar unter -400 Meter NN. Beispielsweise belegten seismische Messungen
(
Anlage 2.2), die in der Nähe von Bevern durchgeführt wurden, dass sich dort die eiszeitlichen Sedimente über eine Breite von fast einem Kilometer tiefer
als 300 Meter unter Gelände bis in die Unteren Braunkohlensande eingeschnitten haben. Die Hohlformen der Rinnen wurden zum überwiegenden Teil schon während
der Spätphase der Elster-Kaltzeit und der anschließenden Holstein-Warmzeit wieder verfüllt. Quelle: Wolfgang Scheer
Untersuchungsprogramm zur Ermittlung des nutzbaren Grundwasserdargebotes im schleswig-holsteinischen Nachbarraum zu
Hamburg, Südwest-Holstein - Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein
Entwurf Landschaftsrahmenplan für den Planungsraum III - BOB SH Landesplanung
Geologische (eiszeitliche) Rinnen der Elster-Kaltzeit im Kreis Pinneberg
Während der Elster-Kaltzeit wurden tiefe rinnenartige Hohlformen unter dem Eis in den Untergrund gefräst. Diese besitzen eine große Bedeutung
für die heutige wasserwirtschaftliche Nutzung der Grundwasserleiter. Im Untergrund des Kreises Pinneberg finden sich mehrere dieser "pleistozänen Rinnen", die bis in über
300 Meter Tiefe hinabreichen. Sie sind häufig mit sandig-kiesigem Material gefüllt, so dass sie schon früh als Brunnenstandorte genutzt wurden. Die Wasserwerke Renzel
der Stadtwerke Pinneberg und neuerdings auch das Wasserwerk Barmstedt besitzen Brunnen in solchen Rinnen (weiterhin das inzwischen eingestellte Wasserwerk
Pinneberg-Hasenmoor sowie das Wasserwerk Hamburg-Schnelsen).
Ebenfalls in der Elster-Kaltzeit wurde der Lauenburger Ton abgelagert. Dieses Sediment, welches am Boden von Eisstauseen gebildet wurde,
verhindert oder verringert in vielen Bereichen – z. B. in den Rinnen – einen Austausch zwischen den tieferen und flacheren Grundwasserleitern. Die Elbe diente im jüngeren
Eiszeitalter immer wieder als Abflussbahn für die Gletscher-Schmelzwässer ausgroßen Teilen des südlichen Ostseeraumes. Vor allem in der Weichsel-Kaltzeit wurde zunächst
ein über 50 Meter tiefes Tal erodiert und später teilweise mit Sanden und Kiesen wieder aufgefüllt, sie bilden heute einen ergiebigen Grundwasserleiter. In der Gegenwart
(Holozän) entstanden Klei- und Torfschichten, die diesen Grundwasserleiter bedecken und vor Verunreinigung schützen. Die Klei-Schicht wurde in den Überflutungsräumen
der Elbe durch die Ablagerung feinster Trübstoffe bei Hochwasser gebildet. Der heutige Elbstrom bildet den wichtigsten Vorfluter für die Grundwasserleitsysteme im Süden
Holsteins. Ein in den weichselkaltzeitlichen Grundwasserleitern der Elbmarsch bzw. im Übergangsbereich zur Geest förderndes Wasserwerk ist das Wasserwerk Haseldorfer
Marsch der Hamburger Wasserwerke GmbH.
Schematischer geologischer Profilschnitt von der Geest in die Marsch
mit Angabe der Filterstellungen der Wasserwerke im Kreis Pinneberg
Quelle: Umweltbehörde FHH 1997, verändert A. Grube
Wasserwirtschaftliche Nutzung von Grundwasser - Kreis Pinneberg, Fachdienst Umwelt, Öffentlichkeitsarbeit - Autor: Dr. Alf Grube
Grundwasser in verborgenen Tälern - DLF
Erkundung der geologischen Zusammenhänge in tiefen eiszeitlichen Rinnensysteme - Wolfgang Scheer, Jens Kröger und Reinhard Kirsch
Mangelware Wasser - RESET gemeinnützige Stiftungs-GmbH |
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| Spülbrunnen |
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| Ein Spülbrunnen
wird das Loch förmlich in den Boden gespült. Hier
wird das Bohrloch mit einer Spezialpumpe
und Spüllanze durch Wasserdruck erzeugt.
Das dabei hervorgespülte Erdreich gibt Aufschluss darüber,
in welcher Erdschicht man sich gerade befindet. Ist die
wasserführende Kiesschicht erreicht, so ist dies in
der Regel die richtige Tiefe, um einen Kunststofffilter
an einer Steigleitung hinabzulassen. |
Vor dem Spülvorgang
sollte mit einem Erdbohrer vorgebohrt werden.
Dadurch kann der Spülfilter einfacher in das Erdreich
eingebracht werden. Der Spülfilter
(Spüllanze) wird mit hohem Wasserdruck in die Erde
gespült. Die Wassermenge und die Höhe des Wasserdrucks
ist von der Art des Bodens und von seinem Verfestigungsgrad
abhängig. Durch das Wegspülen
der Sande und Kiese aus der Umgebung der Spülspitze
wird sie weiter nach unten gedrückt werden. So rechnet
man z. B. bei lockerem feinen Sand mit
4 bar Spülwasserdruck und bei festem
feinen Sand mit 8 bar. |
Vorteil:
- Bei vielen Bodenbeschaffenheiten ist die Spülmethode
gegenüber den anderen Bohrmethoden vorteilhafter |
Nachteil:
- Der Spülbrunnen im Vergleich zu anderen Brunnenbauarten
teurer |
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| Ziehbrunnen |
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Ziehbrunnen
mit Seilwinde |
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Die Ziehbrunnen
gehören zu den ältesten Schöpfeinrichtungen.
Sie erleichtern den Wassertransport aus dem Brunnenschacht. In
Mitteleuropa wird eine Ziehvorrichtung
verwendet, bei der ein Seil oder eine Kette auf einem kleinen
Rundholz aufgewickelt wird. Die Arbeit wird durch
Räder, Seile und Zugtiere (Esel, Büffel, Kamele) erleichtert.
Bei größeren Wassermengen, z. B. zum Tränken von
Viehherden wird das Wasser durch einen Schwingbaum,
z. B. bei Brunnen im gesamten Steppengürtel Eurasiens, verwendet.
Neben dem Einsatz der Hebelwirkung über
den Schwingbaum erleichtern Gegengewichte
die Arbeit. |
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Ziehbrunnen
mit Schwingbaum |
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| Springbrunnen |
ich arbeite dran |
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| Schwengelpumpe |
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Handschwengelpumpe |
| Quelle:
Wetterauer Pumpenbau GmbH |
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Schwengelpumpen
(Kolbenpumpen) eignen sich zur Wasserförderung
aus Rammbrunnen, Bohrbrunnen
oder Schachtbrunnen durch Handbetrieb.
Sie benötigen also keine elektrische Energie. Da diese Pumpen
nicht frostsicher sind, muss das Wasser im Winter
abgelassen werden.
Bei der Inbetriebnahme oder einer
längeren Standzeit sollte die Pumpe mit
Wasser aufgefüllt oder die Manschette in Wasser gelegt werden.
Ein Kolben, der durch eine
Ledermanschette abgedichtet wird, im Inneren
des Pumpenkörpers ist mit dem Schwengel
verbunden. Nach dem Einfüllen von Wasser
wird durch das Anheben des Schwengel öffnet sich das Einlassventil
in der Pumpe und Wasser strömt aus der Saugleitung
in den Pumpenkörper. Wenn der Schwengels
heruntergedrückt wird, öffnet sich das Auslassventil
und das Wasser strömt aus dem am Pumpenkörper integriertem
Pumpenauslauf ins Freie.
Das Wasser kann aus einer Tiefe
von bis zu 7 Metern angesaugt werden. Die Förderleistung
von 10 bis 40 Litern pro Minute
ist von der Tiefe, Kraft und Ausdauer des Bedieners abhängig.
Rammbrunnen
mit Schwengelpumpe - Brunnenandi e.K
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Diese Schwengelpumpe
ist Bestandteil einer Anlage auf einem Spielplatz
am Strand in Tönning mit der Kinder (aber auch Erwachsene)
die Funktion der Pumpe und einer Archimedischen
Schraube spielend kennenlernen
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| Geschichte
der Brunnen |
Brauchbares Trinkwasser
war schon immer die Grundlage des menschlichen
Lebens. Es wurde aus Fließgewässern, Seen, Wasserlöchern
oder aus Quellen entnommen. |
Aus dem Mittelmeerraum sind Brunnen
aus der Zeit um 8000 v. Chr. bekannt. So stammt z.
B. der heute unter dem Meeresspiegel gelegene Brunnen von Atlit Yam
(Israel) aus dem 6. Jahrtausend v. Chr. oder die
ein wenig später in Mylouthkia auf Zypern angelegten Brunnen.
Ein Qanat
(Khanat, Chattara, Kanat, Karez, Kenayat, Felladj, Foggara) sind horizontrale
Brunnen, die im persischen, arabischen und Mittelmeerraum
schon seit 2000 v. Chr. angewandt werden. |
Die ersten Brunnen
in Mitteleuropa wurden ca. 5600 und 4900 v. Chr. gebaut.
Dadurch wurden die Siedlungen unabhängig von den oberirdischen
Wasserstellen. Archäologen haben in Sachsen-Anhalt einen rund 7.500
Jahre alten hölzernen
Kastenbrunnen aus der Jungsteinzeit
freigelegt. |
| Archäologen des LVR-Amtes
für Bodendenkmalpflege im Rheinland haben bei Merzenich-Morschenich
(Kreis Düren) den bislang tiefsten aus der Jungsteinzeit stammenden
Trinkwasserbrunnen Europas entdeckt. Hierbei handelt es sich um eine
7.100 Jahre alte Eichenkonstruktion. |
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Membrandruckbehälter
für Brunnenwasserförderung |
Ein Membrandruckbehälter
wird in (fast) allen Brunnenanlagen zur Kompensierung
von Druckschlägen und nicht wie die Membrandruckausdehnungsgefäße
in Heizungs-, Solar- und Kühlanlagen zur Kompensierung der unterschiedlichen
Volumen durch schwankende Temperaturen eingesetzt. In den Gefäßen
befindet sich ein elastischer Ballon (Membran)
aus EPDM oder BUTYL. Der Druckbehälter
ist mit Luft oder besser mit Stickstoff
gefüllt (Vordruck) und presst die Membran zusammen.
Das in die Membran einströmende Wasser komprimiert den Stickstoff.
Sollte sich nun der Wasserdruck durch Entnehmen von Wasser an der
Zapfstelle absinken, presst das komprimierte Gas das Wasser wieder
aus den Behälter. Dies vermeidet starke Druckschwankungen,
die Beschädigung von anderen Bauteilen
durch Druckschläge oder/und das Auslösen
von Überdruckventilen (Sicherheitsventile).
Das Arbeitsprinzip bei Brunnendruckbehälter
in Kombination mit mit einem Druckschalter ist, dass
alles Wasser aus dem Behälter ins Leitungsnetz gepresst wird,
und erst danach wird die Pumpe wieder eingeschaltet und der Vorgang
wiederholt sich. Somit sollte der Vordruck der Stickstofffüllung
(Vordruck) immer gleich hoch wie der Einschaltdruck
der Pumpe sein. Dadurch wird eine maximale Ausnutzung
des Volumens des Druckbehälters erreicht. |
Um möglichst
wenige Ein- und Abschaltungen
der Pumpen eines Wasserversorgungssystems
zu erreichen und das Wasserschlagproblem
im Leitungsnetz zu verringern, sollte ein Druckbehälter
installiert werden.
Die Dimensionierung des Membrandruckbehälters
sollte nach folgender Formel durchgeführt
werden:
Quelle: GRUNDFOS GMBH
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Quelle:
Bosswerk GmbH & Co. KG / Besler Makina Ltd. |
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| Auch zur Nutzung der Geothermie
werden verschiedene Brunnen eingesetzt. |
| Förder-(Saug-)
und Schluckbrunnen |
Die Grundlage
für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe (W-W-WP)
ist das Grundwasser, da dieses geringe Temperaturschwankungen
( 7 bis 12 °C) hat. Dadurch ist auch ein monovalenter Betrieb
möglich. Diese Anlagen sind grundsätzlich durch die "Untere
Wasserbehörden" genehmigungspflichtig. |
Diese Anlagen
benötigen einen Förderbrunnen bzw. Saugbrunnen
und einen Schluckbrunnen. Für einen einwandfreien
Betrieb ist eine bestimmte Wassermenge (Heizleistung
der Wärmepumpe) mit brauchbarer Qualität
und passender Temperatur notwendig. |
Die Erschließung
und der Wartungsaufwand dieses Systems ist gegenüber
den Sole- und Luft-Wärmepumpen
groß und es sind erhebliche Baumaßnahmen
für den Förder- und Schluckbrunnen, Rohrleitungssystem, Brunnenkopf
und Brunnenpumpe notwendig. Wenn die Wasserqualität
nicht ausreichend ist, dann kann z.B. bei zu viel Eisen und Mangan in
Grundwasser eine Verockerung der Brunnenanlage auftreten,
was wiederum zum Totalausfall der Wärmepumpe
führen kann. Danach musste die Anlage regeneriert
oder neu errichtet werden. In vielen Fällen muss ein Wärmetauscher
(Systemtrennung) eingebaut werden. Diese Brunnensysteme
sind nur bis Tiefen von 20 m wirtschaftlich. |
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Saug-Schluckbrunnen-Anlagen |
Quelle:
Innocalor - MichaeI ViernickeI |
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Funktionsweise: |
Das Grundwasser
wird dem Förderbrunnen durch eine
Brunnenpumpe entnommen. Dabei muss die
Brunnenleistung muss eine Dauerentnahme für den minimalen
Wasserdurchfluss der Wärmepumpe gewährleisten.
Das Grundwasser wird nun zur Wärmepumpe geleitet, hier
wird die Wärme entzogen. Das abgekühlte Grundwasser
wird dem Schluckbrunnen, welcher in Grundwasserflussrichtung
hinter dem Entnahmebrunnen gebohrt wurde, wieder zugeführt.
Der Schluckbrunnen muss die gleich Wassermenge aufnehmen
können wie dem Förderbrunnen entnommen wird. |
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Verockerung |
Versickerndes Regenwasser sammelt sich nach
dem Durchdringen durch mehrerer Bodenschichten auf einer wasserhaltenden Schicht. Sauerstoff,
der im Regenwasser enthalten ist, wandelt sich aufgrund chemischer Prozesse zu Kohlendioxid um. Dieses reagiert mit dem
bereits vorhandenem Grundwasser. Dadurch entsteht Kohlensäure, die zwei Bodenelemente
(wasserlösliches Eisen und Mangan [gelöste Eisen- [Fe2+] oder Manganionen [Mn2+]) löst. Bei erneutem
Sauerstoffnachschub durch nachsickerndem Regenwasser oxidieren diese beiden Elemente und flocken
aus. Auch durch eine sehr intensive Nutzung eines Brunnens kann Sauerstoff durch schnell und viel fließendes
Wasser "eingespült" werden.Die in der Regel braun gefärbten Ausflockungen setzen sich an den Filterrändern,
Schlitzen und im fortgeschrittenen Stadium auch an den Filterkiessteinen fest. Wenn hier das Brunnenwasser zur Nutzung einer Wasser-Wasser-
Wärmepumpe genutzt wird, dann setzen die Ausflockungen den Verdampfer der Wärmepumpe zu. Hier ist dann eine
Systemtrennung mit einem Zwischen- bzw. Trennwärmetauscher
notwendig. |
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Brunnenverockerung
Mikrobielle Verockerung |
Ein erhöhtes Eisenvorkommen im Boden oder einer Brunnenbewehrung beschleunigt das Verockern.
Eine Verockerung ist die Ablagerung von sich
schwerlösenden Eisen- und Manganverbindungen aus dem Wasser. Es gibt chemische und biologische
Reaktionen. Bei der chemischen Verockerung oxidieren zweiwertige Eisen- und Manganionen (gelöste Eisen-
[Fe2+] oder Manganionen [Mn2+]) durch den im Wasser vorhandenen Sauerstoff zu drei- und vierwertigen
Eisen- oder Manganverbindungen. Bei biologischen Verockerungen (bakterielle Fällung von Eisen/Mangan) führt
die Lebenstätigkeit von Eisen- und Manganbakterien zu den leistungsmindernden Verockerungen
(Biofilmbildung). Da diese biologischen Prozesse nicht durch die Ausbaumaterialien
beeinflussbar sind, handelt es sich bei dieser Form um die häufigste Art einer Brunnenalterung oder einer
Dichtsetzung von Wärmetauschern. |
Pumpenverockerung |
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Brunnenalterung | Brunnenverockerung - Winkelnkemper GmbH
Brunnenregenerierung und Pumpenservice - Wassermeister.de / Vulkan-Verlag GmbH
Brunnenalterung - GtV Service GmbH
Betrieb und Instandhaltung von Brunnen und Unterwassermotorpumpen
- Dipl.-Ing. Thomas Kühn, Stadtwerke Kiel AG, SWKiel Service GmbH |
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Offene
Anlagen werden in direktem Kontakt des Wärmeträgers mit dem
Erdreich betrieben, wodurch sich die effektive Wärmetauscherfläche
erheblich vergrößert und nahezu verlustfrei die Temperatur
des Erdreich zur Verfügung gestellt werden kann. Dazu wird über
einen Förderbrunnen Grundwasser gefördert und in einen Verpressbrunnen
reinjeziert. Diese Anlage sind auch als "Hot-Dry-Rockverfahren"
beruht auf diesem Prinzip. Hier ist die Verpressung
ausreichend großer Volumen allerdings nicht immer zu realisieren.
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Eine Sonderform
der Zirkulation zwischen zwei Brunnen ist die Zirkulation zwischen zwei
übereinander gelegenen Filterstrecken im "Grundwasserzirkulationsbrunnen",
der auch zur Dekontamination von verseuchten Untergründen eingesetzt
wird. Der Druckausgleich in einem solchen System und andere konstruktive
Merkmale verhindern chemische Reaktionsprozesse und Ausfällungsreaktionen.
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GEOHIL-System
im Aquifer |
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Geohil-Sytem |
Quelle:
Innocalor - MichaeI ViernickeI |
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Die Leistung
eines Grundwasserzirkulationsbrunnen definiert
sich im Wesentlichen aus der Grundwasserströmung
und dem Kaliber der wassserführenden
Schicht. Sie erfordert ab ca. 20 kW eine numerische Simulation
zur sicheren Bestimmung der langfristigen Entzugsleistung. |
Ist der
Untergrund nicht stabil genug kann der
Ringraum mit Kies verfüllt werden,
muss dann aber durch Shunt-Rohre mit zusätzlichen Wegsamkeiten
ausgerüstet werden, um den Volumendurchsatz zu gewährleisten.
Gleichzeitig wird damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Strömungsprofil des Ringraum erzielt und damit der
Wärmeeintrag gesteigert. Diese Technologie wurde unter
dem Namen "Geohil" entwickelt. |
Das Geohil-System
hat in Erweiterung zur Standing-Column-Well eine Verfüllung
des Ringraum mit einem porösen Medium, in der Regel
Kies, durch den die Bohrung dauerhaft stabilisiert wird
und eine Durchmischung des absinkenden Mediums, und damit
optimaler Kontakt zur Bohrungswand erzwungen wird. |
Der hydraulische
Widerstand des Kies erfordert den Einbau von zusätzlichen
Rohren, die die Rücklaufströmung begünstigen.
Die Wärmeisolation des Förderrohres steigert die
effektive Wärmetauscher-Länge. |
Ausbau
der Geohil-Energiequellen, Dimensionierung von Teufe, Bohrkaliber,
Umwälzrate und Filtern sind abhängig von den geologischen
Verhältnissen und trotz zahlreicher bislang gebauter
Anlagen weiter in der Erforschung. Während bislang
mit Erfahrungswerten projektiert wurde, forschen wir in
Berlin an den Grundlagen der Wärmeübertragung
in offenen Erdwärmeanlagen, Simulationsverfahren und
Optimierung der Anlagenkomponenten.
Quelle: Innocalor |
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Standing
Column Well |
Quelle:
Innocalor - MichaeI ViernickeI |
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Die Standing-Column-Wells
sind eine in Amerika verbreitete Form der Erdwärmetauscher-Anlagen,
bei denen in einem offenen Bohroch das abgekühlte Wasser
im direkten Kontakt mit dem Erdreich in die Tiefe sinkt
und erwärmt durch ein zentrales Förderrohr
zu Tage gepumpt wird. |
Diese Bauform
ist an spezielle geologische Formationen gebunden, diese
muss standstabil sein und darf nicht durch Lösung oder
Abrieb vom zirkulierenden Medium angegriffen werden. |
| Durch die
hydraulische Verbindung mit dem Wasser gesättigten
Erdreich kann ein Teilentzug des zirkulierenden Wassers
("bleeding") erfolgen und die Entzugsleistung
gesteigert werden |
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| Grundwasser |
Wassergewinnung nach Wasserarten
Quelle:Statistisches Bundesamt
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Nach der
DIN 4049 wird "unterirdisches Wasser" als Grundwasser bezeichnet, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und
dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich
von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten
Reibungskräften bestimmt wird.
Grundwasser unterliegt nur der Gravitationskraft und dem hydrostatischen Druck. Es bewegt sich (fließt)
vorwiegend horizontal durch die Hohlräume der Erdrinde.
Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch
die Oberflächenspannung sowie durch Kapillareffekte gebundene unterirdische
Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser).
Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser.
Die "Hohlräume der Erdrinde" sind je nach
geologischer Beschaffenheit des Untergrunds: Poren (Klastische Sedimente
und Sedimentgesteine wie z. B. Sand, Kies, Schluff), Klüfte (z.
B. Granit, Quarzit, Gneiss, Sandsteine) oder durch Lösung entstandene
große Hohlräume (z. B. Kalkstein). Man unterscheidet: Porengrundwasser, Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.
Grundwasser nimmt am Wasserkreislauf teil. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen
Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als fossiles Grundwasser bezeichnet, z. B. das unter der
Sahara.
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Eiszeitliche Rinnen (Buried Valleys) sind eine besondere Art von Trinkwasserspeicher, die während der Eiszeit entlang der Nordseeküste entstanden sind. Dies sind verborgene Rinnen, die bis zu 500 Meter in der Tiefe sein können und riesige Mengen Grundwasser aufbewahren. Dieses Wasser wird in der Zukunft aufgrund des immer häufiger auftretenden Trockenzeiten bzw. fehlenden versickernden Regenwassers immer wichtiger für die Trinkwasserversorgung.
Grundwasser nimmt am Wasserkreislauf teil. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als "Fossiles Grundwasser" bezeichnet, z. B. das unter der Sahara.
Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch die Oberflächenspannung sowie durch Kapillareffekte gebundene unterirdische Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser). Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser. |
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| Qanat
- horizontraler Brunnen |
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Ein
Qanat (Khanat, Chattara, Kanat,
Karez, Kenayat, Felladj, Foggara) sind horizontrale
Brunnen, die im persischen, arabischen
und Mittelmeerraum schon seit 2000 v.
Chr. angewandt werden. Sickergallerien
schneiden grundwasserführende Schichten
an. Mit diesen Stollensystemen
wird in Gebirgsregionen arider (trockene) bis
semiarider (halbtrockenen) Gebiete Grundwasser
erschlossen und als Trink-
bzw. Bewässerungswasser
in die Siedlungsgebiete und Bewässerungsflächen
geleitet. Das fließende Wasser kann auch
zum Antrieb einer Wassermühle
mit einem Pelton (Turbinenartiges Wasserrad)
eingesetzt werden. |
Qanate bestehen
aus zum Teil mannshohen Sammelstollen
(Freispiegelleitung, Freispiegelkanal),
die, um Erosion zu vermeiden, mit geringem
Gefälle (1 bis 2 %) hergestellt
werden. Die Belüftung
der Stollen bestehen aus senkrechten
Luftschächten (in Abständen
von 20 bis 200 m und bis einer Tiefe von 150
m), die während der Bauzeit auch dem
Abtransport des Bodenmaterials und als Einstieg
zur Reinigung der Stollen dienen. Durch den
Aushub entstehen Erdhügel („Maulwurfshügel“),
an denen der Verlauf des Qanats an der Erdoberfläche
sichtbar ist. Die Herstellung
erfolgt auch heute noch überwiegend von
Hand mit einfachen Geräten
(Hammer, Meißel, Ledersäcken, Seilzüge,
Lot, Schlauch-Wasserwaage) und kann einige
Jahrzehnte in Anspruch nehmen.
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Ein Qanat kann
in Verbindung mit einem Windturm (Malqaf) oder Windfänger
(Badgir) in den heißen Regionen (persischer, arabischer
und Mittelmeerraum) zur Kühlung (Free Cooling) von Gebäuden
eingesetzt werden.
Bei einem Windturm (Malqaf) wird die Temperaturdifferenz zwischen
der nächtlichen kalten Außenluft und der warmen Innenluft
genutzt. Der Kamineffekt sorgt auch ohne Wind für einen
Luftaustausch durch Fensteröffnungen und Windturm. Die
Masse des Gebäudes (Wände, Decken, Fußboden)
werden abgekühlt.
Bei dem Windfänger (Badgir) wird bei Windanfall durch einen
zweiten Lüftungskanal zusätzlich kalte Luft in das
Gebäude transportiert. Der Staudruck auf der der Windrichtung
zugewandten Seite (Luv) drückt die kalte Luft in das Gebäude.
Liegt der statische Druck in der strömenden Luft unter
dem natürlichen Luftdruck, kann die unter natürlichem
Luftdruck stehende Raumluft auf der Windschattenseite (Lee)
abgeführt werden.
Durch die Einbindung eines Qanats in das Lüftungssystem
kann die Kühlleistung zusätzlich erhöht und auch
am Tage wirksam werden. Die Außenluft wird über einen
Lüftungsschacht des Qanats dem Qanatkanal zugeführt
und von dort über einen Kanal in das Gebäude transportiert.
Hier wird die Verdunstungskühlung (adiabatische Kühlung)
wirksam, die im Qanat durch das Vorbeistreichen der Luft an
der Wasseroberfläche stattfindet. Außerdem kühlt
die Luft auch an den kalten Qanatwänden ab. |
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| Tiefengeothermie
- Tiefenbohrung |
Mit den
Systemen der Tiefengeothermie wird die geothermische
Energie über Tiefenbohrungen erschlossen
und kann direkt (ohne Niveauanhebung) genutzt
werden. |
Bei der
Tiefengeothermie unterscheidet man |
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Schema
für eine Dublette bei der hydrogeothermischen Nutzung |
Quelle:
Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik |
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Hydrothermale
Systeme mit niedriger Enthalpie
(Wärmeinhalt): Hier wird die im Untergrund vorhandene
Flüssigkeit direkt oder über
Wärmetauscher zur Verwendung in
Nah- und Fernwärmenetzen, zur landwirtschaftlichen
oder industriellen Nutzung oder für balneologische
(therapeutische) Zwecke verwendet. Hiebei handelt es
sich um Aquifere mit heißem (> 100 °C),
warmem (60 -100 °C) oder thermalem (> 20 °C)
Wasser. Ab 100 °C ist auch eine Verstromung möglich. |
Hydrothermale
Systeme mit hoher Enthalpie
(Wärmeinhalt): Hier wird die im Untergrund vorhandene
Flüssigkeit direkt oder über
Wärmetauscher zur Verwendung von
Dampf- oder Zweiphasensystemen zur Stromerzeugung verwendet.
Diese Geothermie ist in Deutschland nicht (noch) nicht
vorhanden, wird aber z. B. in Island flächendeckend
verwendet. |
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Schema
- Petrothermale Geothermie |
Quelle:
GtV - Bundesverband Geothermie e.V. |
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Petrothermale
Systeme: Hier wird in der Regel die Energie,
die im Gestein in drei bis sechs Kilometern
Tiefe gespeichert ist, genutzt. Energie,
die im tiefen dichten Gestein eines Grundgebirge vorhanden
ist, wird mit der Hot-Dry-Rock -Technik
(HDR) bzw. Enhanced Geothermal System
(EGS) zur Stromerzeugung verwendet. Mit geschlossenen
tiefen Erdwärmesonden wird im beliebigen Gestein
die Enerbie zur Wärmeversorgung eingesetzt.
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Hydraulische
und chemische Stimulationsverfahren
(Enhanced Geothermal Systems - EGS) erzeugen Risse und
Klüfte im Gestein. Dadurch wird die Wasserdurchlässigkeit
erhöht oder erst geschaffen und es entsteht ein
künstlicher Wärmetauscher.
Durch die Injektionsbohrung wird unter
hohem Druck Wasser in das Gestein eingepresst, wo es
sich erhitzt und anschließend über die Förderbohrung
wieder nach oben fließt. |
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