Geothermie
Erdw%E4rmesonden
Aqua-W%E4rmetauscher
Fl%E4chenkollektor
W%E4rmek%F6rbe
 
ALK
Brunnen
Tiefenbohrungr
Geothermie ist der Sammelbegriff für die oberflächennahe Geothermie und Tiefengeothermie. Die Temperatur dicht unter der Erdoberfläche beträgt im Mittel etwa 10 °C und nimmt zum Erdinneren hin um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Die VDI 1998 beschreibt die geothermische Energie als die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde und wird deshalb als "Erdwärme" bezeichnet. Die Erdwärme ist keine regenerative Energieform, da sie sich nicht erneuert. Ihr Potential wird aber noch für Jahrmillionen nutzbar sein, somit ist sie nach menschlichen Maßstäben eine regenerative Energiequelle.

Gegenüber den anderen erneuerbaren Energieträgern (Solarenergie, Bioenergie, Wasserkraft, Windenergie, Photovoltaik) ist die Geothermie grundlastfähig, da sie unabhängig von den Jahreszeiten und immer verfügbar ist.

Zu der Geothermie gehören folgende Systeme
  • Flächenkollektor
  • Erdwärmesonden
  • Wärmekörbe
  • Aqua-Wärmetauscher
  • Abluftkollektor
  • Förderbrunnen-Schluckbrunnen
  • Tiefenbohrung
Oberflächennahe Erdwärmenutzungssysteme sind Erdkollektoren, die in Tiefen bis 5 m die „Erdwärme“ nutzen. Dazu zählen auch erdberührte Betonbauteile, die als Teil eines Bauwerks horizontal oder vertikal Energie entnehmen oder abgeben. Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren in das System mit eingebunden werden. Die einzelnen Sondenkreise der Erdwärmekollektoren haben meist eine Rohrlänge zwischen 100 m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze ab 1 m unter Geländeoberkante.
Systeme für die Nutzung geothermischer Energie
Quelle: TU Clausthal
Sie können im normelen Wohnungsbau zum Heizen und Kühlen verwendet werden und sollten aus energetischen Gründen nicht überbaut werden. Die höchsten Entzugsleistungen haben sie beim Einbau in feuchte wasserspeichernde Gesteine bzw. in Gesteine mit durchströmtem Grund- bzw. Niederschlagswasser. Tiefenbedingt haben sie in der Regel jedoch keinen direkten Kontakt zum Grundwasser. Geringe Entzugsleistungen zeigen sich durch die geringe Wärmeleitfähigkeit in trockenen (wasserfreien) Gesteinen. Bei dem Einsatz von Brunnen (Förderbrunnen- Schluckbrunnen) wird das Grund- bzw. Oberflächenwasser direkt genutzt.
Tiefengeothermie ist die Nutzung der Erdwärme in Abteufungen ("Brunnen" bzw. Hohlräume bis 5 km Tiefe) ab ca. 400 m. Diese kann direkt für Heizzwecke genutzt werden oder die Energie wird bei höheren Temperaturen für die Stromerzeugung genutzt. Das kann in Form von Hot-Fractured-Rock-Anlagen (HFR [Wärme aus heißem, trockenen Gestein]) oder Anbohrung von Aquiferen (Grundwasserleiter) geschehen.
 
 

Flächenkollektor

Quelle: Max-Planck Institut IPP, Foto: Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk
Kompaktabsorber
Quelle: Berning, Fa. Elektro-Schulten
Spiralkollektor
Quelle: www.betatherm.info
Grabenkollektor
Quelle: www.sbk-neuenstein.de
die neue Wärmequelle Terra Q600
(Boden-Klima-Tauscher)
Quelle: systemhaus-energie
Beim Flächenkollektor wird der gesamte Oberboden bis auf die gewünschte Einbautiefe abgeschoben. Auf dem entsprechend vorbereiteten Untergrund werden ähnlich einer Fußbodenheizung PE-Rohr-Schlingen ausgelegt und fixiert. Die Rohrenden werden in einem Sammelschacht, getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen Armaturen zusammengefasst. Danach werden die PE-Schlingen wieder mit Erdreich überdeckt.
Kompaktabsorber sind eine Variante des Flächenkollektors, diese bestehen aus vorgefertigten polymervernetzten Kapillarrohrmatten. Das System arbeitet nach dem Low-flow-Prinzip, also mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein optimaler Wärmeentzug aus dem Erdreich gewährleistet werden soll. Im Vergleich zu den konventionellen Flächenkollektoren soll der Flächenbedarf für den Kompaktabsorber geringer sein.
Der Spiralkollektor ist für den flächigen und grabenförmigen Einbau geeignet. Der Unterschied liegt lediglich in der Form der Kollektorleitung. Wie der Name es schon vermuten lässt, verlaufen die Leitungen in horizontalen Spiralen. Dieser Verlauf wird erzielt, in dem die gewickelte Kollektorleitung senkrecht auf dem präparierten Untergrund aufsetzt und seitlich (senkrecht zur Wickelachse) die Spirale so auseinander zieht, dass sich die Windungen jeweils überlappen.
Für den Grabenkollektor wird ein Graben mit schrägen Wänden ausgehoben, der bis über 3 m tief sein kann. An dessen Wandflächen werden PE-Rohre in einem Abstand von ca. 10 cm horizontal verlegt und fixiert. Danach wird der Graben wieder verfüllt. Eine neue Art von Grabenkollektor ist die senkrechte Variante, der in eine 3 m tief gefräste Rinne eingebaut werden.
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Quelle: AKA-Freiberg
Quelle: FRANK GmbH

 

 
 
 Wärmekörbe
Erdwärmekörbe
Quelle: Betatherm

Erdwärmekörbe sind üblicherweise kegelförmig gewickelte Erdwärmesonden. Die Körbe haben in der Regel eine Höhe zwischen ca. 1 und 3 m, der obere Durchmesser liegt bei ca. 2 m. Die Sondenlänge variiert je nach Korbgröße zwischen 100 und 300 m. Die Körbe können einzeln oder in gleichgroße Gruppen zusammengefasst werden. Für den Einbau der Körbe wird ein ausreichend dimensioniertes Loch ausgehoben, der Korb darin eingebracht und anschließend das Loch wieder verfüllt. Eine optimale Anbindung der PE-Leitungen mit dem wiederverfüllten Erdreich erreicht man durch das Einschlämmen des Bodens mit Wasser.

 
 
 Aqua-Warmetauscher
Quelle: Wavin GmbH
Die Hauptbestandteile des AquaGeoThermie-Systems sind der AquaGeoKollektor und eine Sole-Wärmepumpe. Die Kollektorrohre befinden sich in einer wasserdichten Wanne, in der das Erdreich über zugeführtes Regenwasser feucht gehalten wird. Überschüssiges Regenwasser wird abgeführt und versickert. Eine Drainage in Verbindung mit einer Anstauvorrichtung sorgt für den dosierten Abfluss des durch den Wärmeentzug abgekühlten Regenwassers.
Durch die gezielte Zufuhr von Regenwasser wird kontinuierlich Energie in das Kollektorfeld eingetragen. So wird die spezifische Entzugsleistung deutlich erhöht. Der Vorteil: Der Kollektor kann im Vergleich zu herkömmlichen Flächenkollektoren deutlich kleiner bemessen werden und ist somt für kleine Grundstücke geeignet.

 

Schema-AquaGeoThermie
Quelle: Wavin GmbH

Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten werden als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet. Materialauswahl und Herstellung unterliegen grundsätzlich den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Der Bodeneingriff ist vergleichbar mit der Errichtung eines unterkellerten Gebäudes. Bei geringen Grundwasserflurabständen kann dies zu einem Eingriff ins Grundwasser führen, der anzeigepflichtig ist und eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert (§ 3 Abs. 1 Nr. 5 und Abs. 2 WHG).
Die unvorhergesehene Erschließung (unbefugt oder unbeabsichtigt) von Grundwasser hat der Unternehmer der Wasserbehörde unverzüglich anzuzeigen und die Arbeiten, die zur Erschließung geführt haben, einstweilen einzustellen. Die Wasserbehörde trifft die erforderlichen Anordnungen (§ 37 Abs. 4 WG und § 35 Abs. 2 WHG).
In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gilt die jeweilige Schutzgebietsverordnung. Geothermische Anlagen sind nach § 19 Abs. 2 WHG in Verbindung mit der jeweiligen Schutzgebietsverordnung in den Wasserschutzgebietszonen I und II sowie in wasserwirtschaftlichen Vorrangflächen.
In den Zonen III/ IIIA/ IIIB der Wasser- und Heilquellenschutzgebiete sowie in wasserwirtschaftlichen Vorbehaltsflächen können Erdwärmekollektoren unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden.

Diese Regelungen können in verschiedenen Bundesländern unterschiedlich sein.

 
 
 Erdwärmesonden
Bohrarbeiten
Quelle: Brunnenbau Hartmann
Quelle: Fa. Systherma GmbH
Quelle: Terra Umweltwärmesonde GmbH
Eine andere Art von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde" (EWS) . Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den Bereich "Tiefen-Geothermie". und unterliegt besonderen Vorschriften.
Die besondere Konstruktion z. B. der Terra-Umweltwärmesonde besteht darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht. Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½ größere Oberfläche.
Das ermöglicht eine größere Wärmeaufnahme und dadurch kann bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen Doppel U Sonden) die Vor - und Rücklauftemperatur soweit angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich gefahren werden kann.
Bei der Terra-Umweltwärmesonde verläuft die absteigende Flüssigkeit in einem isolierten zentralen Rohr. Die geothermische Wärme wird daher von den aufsteigenden Satellitenrohren auf der gesamten Sondenlänge aufgenommen. Um die Unterschiede der Wärmeübertragung in den Sonden zu verdeutlichen, wird in der Abbildung der Wärmefluss durch die roten Pfeilen dargestellt.
 
CO2-Diffusion
Die meisten Erdwärmesonde sind aus PE-Rohren hergestellt. Dieser Kunststoff hat sich aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und seiner dauerhaften Haltbarkeit zum Bau von Erdwärmesonden seit Jahren bewährt. Allerdings sind diese Rohrarten aufgrund ihres molekularen Gefüges für Gase mehr oder weniger durchlässig. PE-Rohre können besonders gut von Kohlendioxid (CO2) durchdrungen werden. So ist die Diffusionsrate von Kohlendioxid rund doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. Somit kann sich in der Sole bei hohen Drücken in der Sonde bis zur Sättigung anreichern.
Ein an der Wärmepumpe installierter Luftabscheider kann die bei geringerem Druck ausgasende Kohlendioxidmenge nicht abscheiden. Der Schaum wandert zum Verdampfer der Wärmepumpe und reduziert erheblich die Entzugsleistung. Dies führt nach kurzer Zeit zur Störabschaltung der Wärmepumpe.
Damit die Ausgasung möglichst gering gehalten wird, sollte der Druck an der höchsten Stelle der Anlage möglichst hoch sein. Was bei der Auslegung des MAG's beachtet werden muss.
Quelle: Prof. Dr.-Ing. W. Ameling
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Das zirkulierende Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) wird als Wärmequelle für eine Wärmepumpe verwendet und dort im Verdampfer abgekühlt. Dabei ist die Sondenpumpe für bis zu 20 % des Stromverbrauchs der gesamten Wärmepumpenanlage verantwortlich. Bei einer richtige Auslegung kann der Stromverbrauch auf unter 10 % gesenkt werden. Hier sind die wichtigsten Auslegungsgrössen:

• Auslegung der Temperaturspreizung von Sondenvorlauf zu Sondenrücklauf
• Durchmesser der Erdwärmesonden
• Richtige Dimensionierung der Sondenverteiler und Zuleitungen
• Sondenlänge und Anzahl Sonden
• Wahl des Sondenflüssigkeit (reines Wasser oder Wasser-Frostschutz-Gemisch)
• Wahl der richtigen Sondenpumpe

Wenn die Erdwärmesonden tief genug gebohrt sind, dann sollte die  Temperatur des Sondenrücklaufs (die in die Erdsonde einströmende Sole) nie unter den minimal nötigen Wert der Wärmepumpe sinken.
Die Auslegung der Anlage setzt sich aus den Druckverlusten der Sonde, dem WP-Verdampfer, Verteiler, Volumenstrommesser und weiteren Bauteilen (z. B. Luftabscheider) zusammen. Grundlage für die Berechnung ist der Nennmassenstrom.
Bei dem Füllen von Erdwärmesondenanlagen werden häufig Fehler gemacht, die dazu führen, dass die geforderte Heizleistung nicht vollständ erbracht wird oder die Anlage total ausfällt. Folgende Dinge müssen besonders beachtet werden:
Nach dem Einbau der Erdwärmesonde darf kein Schmutz (Sand, Kiesel) in den Sondenkreislauf gelangen.  Die Rohrenden (Sondenkopf) müssen unmittelbar nach dem Einbau von der zuständigen Bohrfirma gut verschlossen werden (PE-Schweisskappe oder sehr gutes Klebeband). Verunreinigungen können bei der Umwälzpumpe oder beim Verdampfer der Wärmepumpe grosse Schäden verursachen.
Die richtig berechnete Menge Frostschutzmittel muss dem Füllwasser in einer Mischvorrichtung gut durchmischt direkt eingefüllt werden, damit aufgrund der Zähflüssigkeit des Konzentrates einzelne Erdwärmesonden nicht abgeschnitten werden. abgeklemmt werden und Sonden mit zu wenig Frostschutzmittel oder der Verdampfer nicht einfrieren können. Hierzu muss ein Misch- / Füllfass und eine Jetpumpe eingesetzt werden.
Wenn die Solekonzentration von der Berechnung abweicht, kann zu Frost- und Korrosionsschäden kommen.
 
Schema für den Spül- und Füllvorgang
Quelle: AWP
Vor dem Füllen der Erdwärmesondenanlage ist unbedingt der Vordruck des Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) zu prüfen bzw. einzustellen (0.5 bis 1.5 bar oder nach Angabe des WP-Herstellers). Der Einbau eines Kappenventils für die Spülung und spätere Wartungen ist immer sinnvoll.
Vor dem Füllen der Sonden müssen die Umwälzpumpe und der Verdampfer mit sauberem Leitungswasser mit Druck von Verunreinigungen durch Schweissperlen, Sand,  Kiesel und Schmutz (Ziehfettbeläge, Rostteilchen) gespült. Erst danach darf jeder Kreis der Anlage einzeln gespült und entlüftet werden. Die Spülzeit (2 bis 0 Minuten oder bis blasernfreies sauberes Wasser zurückkommt) ist von dem Spüldruck, der Nennweite und der Länge der Rohrleitungen abhängig.
Nach dem Spülen ist der ganze Erdwärmesondenkreis mit Leitungswasser gefüllt.
Beispiel
Übliche Inhalte für Erdwärmesonden ergeben sich aus den üblichen Rohrdurchmessern (Inhalt pro Meter bei Polyethylen-Rohr (PE) mit folgenden Nennweiten: DN 32 (32 x 2.9 mm) > 2.16 Liter (4 x 0.539 Liter), DN 40 (40 x 3.7 mm) > 3.36 Liter (4 x 0.838 Liter)
Die erforderliche Durchmischung mit 100%-igem Frostschutzkonzentrat ist folgender Maßen vorzunehmen:
140 m Doppel-U-Erdwärmesonden mit einem Durchmesser von DN 32; erforderliche Konzentration > 25 %
  •   Berechnung des Volumens eines Erdwärmesondenkreises; eine Doppel-UErdwärmesonde besteht aus zwei Kreisen! Ein Erdwärmesondenkreislauf mit je einem Vor- und einem Rücklauf hat ein Volumen von 302.4 Liter (140 m x 2.16 l/m)
  •   Anteil des notwendigen Frostschutzkonzentrates: 75.6 Liter (25 % von 302.4 Liter)
  •   Damit sich das Konzentrat im Fass mischen kann, müssen zusätzliche 40 Liter Gemisch ins Fass geleert werden (10 Liter Konzentrat und 30 Liter Wasser). Als Hilfe sind am Fass Volumenmarkierungen anzubringen.
  •  Das bereitgestellte Frostschutzkonzentrat ist ins Mischfass zu leeren.
  •  Die Schieber zum Verdampfer schliessen.
  •  Die Absperrhähne eines Stranges (nicht beide Stränge der Erdwärmesonde) öffnen.
  •  Den Entleerschlauch aus dem Fass nehmen und in einen Abfluss legen.
  •  Die Füllpumpe (Jetpumpe mit genügend Leistung) einschalten und laufen lassen, bis nur noch 40 Liter im Fass sind. Dann Füllpumpe sofort abschalten. Aus dem Entleerschlauch fliesst während dieses Vorgangs das überflüssige Leitungswasser in den Abfluss.
  •  Den Entleerschlauch ins Fass stecken und die Füllpumpe erneut einschalten und so lange laufen lassen, bis sich das Frostschutzkonzentrat und das Wasser gut vermischt haben. Die benötigte Zeit beträgt ca. das 6-fache der Spülzeit.
  •  Die Füllhähne beim Entleerschlauch und anschliessend beim Erdwärmesondenverteiler schliessen. Über das Überdruckventil (2.5 bar) fliesst das überflüssige Gemisch zurück in das Fass. Die Füllpumpe abschalten. Im Fass befinden sich noch beinahe 40 Liter Gemisch. Ein Teil wurde durch die Expansion der Erdwärmesonden aufgenommen.
  •  Bei relativ langen Erdwärmesonden und bei schlechter Mischung spricht das Überdruckventil beim Fass an und verbessert damit das Mischen.
  •  Die Mischung für jeden weiteren Kreis einer Erdwärmsondenanlage ist wie vorstehend vorzunehmen
  •   Wenn alle Erdwärmesondenkreise gefüllt sind, müssen noch die Verbindungsleitungen zur Wärmepumpe und der Verdampfer der Wärmepumpe gefüllt werden. Zu diesem Zweck sind alle Hähne zu den Erdwärmesonden zu schliessen und die Hähne zum Verdampfer zu öffnen. Sorgfältig wird nun der Rest des Gemisches über den Hahn am Füllschlauch hineingepumpt. Das Wasser im Verdampfer entweicht über den Entleerschlauch. Sobald am Entleerschlauch Frostschutzgemisch austritt (Farbänderung), ist der Hahn zu schliessen. Über den Pumpendruck wird das Ausdehnungsgefäß bis auf vorgesehenen Druck gefüllt. Zuletzt ist der Hahn am Füllschlauch zu schliessen. Es besteht nun Gewähr dafür, dass die Erdwärmesondenanlage schmutzfrei, mit richtiger Konzentration und auf korrekten Betriebsdruck (0,5 bar über Vordruck des Ausdehnungsgefässes) gefüllt ist. Quelle: Technische Merkblätter AWP
Druckprüfung von Erdwärmesonden aus Polyethylen
Eine eingebaute Erdwärmesonde kann im Gegensatz zu einer horizontalen Trinkwasserinstallation visuell nicht überprüft werden. Es ist vor der Übergabe eine Dichtigkeitsprüfung durchzuführen. Wobei man in der Praxis davon ausgeht, dass die Rohre ohne Verbindungsstellen normalerweise dicht sind, aber trotztdem geprüft werden müssen und darüber ein Protokoll ausgefertigt werden muss..

Da die Erdsonden aus Polyethylen-Rohre (PE) heutzutage sehr tief gebohrt werden, ergibt sich ein relativ hoher statischer Druck am Erdwärmesondefuß. Außerdem muss beachtet werden, dass die Kunststoffrohre unter Belastung kriechen. Das bedeutet, dass auch in einer dichten Erdwärmesonde der Fülldruck in der Sonde langsam abfällt, dadurch ist die Unterscheidung zu einer undichten Anlage schwierig.

Der Nenndruck der Erdwärmesondenrohre ist 16 bar, was eine Tiefe von 160 m entspricht. Wenn jetzt noch der Überdruck (bis 3 bar > Prüfdruck der 1,5fache Druck = 4,5 bar) der an der Oberfläche vorhandenen Bauteile dazugerechnet wird, dann wären nur Tiefen von 130 m nach den üblichen Prüfverfahren möglich. Für die Druckprüfung ist eine kurzfristige Überschreitung des Nenndruckes zulässig.
Zur Feststellung der Dichtheit muss die Anlage luftfrei gespült werden und die Flüssigkeitstemperatur der Umgebung anpassen und die oberirdischen Rohrleitungen und Bauteile dürfen nicht der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt sein. Wenn ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch vorgesehen ist, wird dieses erst nach der Druckprüfung eingefüllt.
Beispiel einer Druckprüfung
Ablauf der Druckprüfung in Anlehnung an DIN V 4279-7. Für die Praxis wurde ein Protokoll (Diagramm) erstellt, in dem die einzelnen Schritte protokolliert werden. Quelle: Bundesamts für Energie BFE
1
Entspannungsphase: Beim Einbau der Erdwärmesonde und beim Durchflusstest wird nur ein geringer Differenzdruck auf das Rohr aufgebracht. Auf die Entspannungsphase kann darum verzichtet werden, ausser wenn nach einer Druckprüfung eine Nachprüfung gemacht werden muss.
60 Minuten
entfällt üblicherweise
2
Druckaufbauphase: Druck aufbringen. Die Erdwärmesonde muss so schnell wie möglich auf 12 bar gebracht werden, d.h. diese Testphase darf 10 Minuten nicht überschreiten
10 Minuten maximal
3
Druckhaltephase: Eventuell nachpumpen. Während 10 Minuten ist der Druck auf 12 bar zu halten. Mindestdruck während dieser Zeit 10 bar. Der Druck wird protokolliert.
10 Minuten
4
Ruhezeit: Je nach Messapparatur werden die Hähnen zu den Erdwärmesonden geschlossen. Der Druck wird protokolliert. Der Druckabfall  darf maximal 30% betragen.
60 Minuten
5
Druckabsenkphase: Für eine Druckabsenkung von 2 bar, Wasser ablassen. Die Menge und der Druck werden protokolliert. Die Menge darf nicht mehr sein, als in Tabelle 3 aufgeführt. Falls die Wassermenge grösser ist, ist Luft im Kreislauf. Der Test muss inkl. Entspannungsphase wiederholt werden (zurück zu 1).
 
6
Kontraktionsphase: Die Erdwärmesonde zieht sich zusammen. Der Druck steigt wieder an. Der Druck wird im 10 Minuten Rhythmus protokolliert. Der Druck darf nicht abfallen, d.h. er sollte leicht ansteigen oder gleich bleiben. Fällt er hingeben messbar ab, ist das System undicht. In diesem Falle sind das Prüfgerät und die Verbindungen zuerst selber zu überprüfen.
Anschliessend ist die Prüfung für jeden Kreis einzeln durchzuführen. Die Entspannungsphase ist zu beachten (zurück zu 1).
Bei mit elektronischen Druckfühlern aufgenommen Druckkurven ist bezogen auf das Maximum ein Druckabfall von mehr als 0.1 bar nicht zulässig (Rauschen).
 
7
Die in DIN V 4279-7 vorgesehene Verlängerung bis total 1.5 Stunden mit einem maximal zulässigen Druckabfall von 0.25 bar, ist für Erdwärmesonden nicht sinnvoll, da in der Praxis auch bei dichten Erdwärmesonden vielfach ein grösserer Druckabfall gemessen wird (bis ca. 0.4 bar in 1.5 Stunden). Damit dient diese Verlängerung nicht zur Klärung, ob eine Leckage vorliegt, oder ob der Druckabfall durch die Ausdehnung des PE Materials verursach wird. Aus diesem Grund entfällt diese zeitliche Verlängerung für vertikale Erdwärmesonden.
1.5 Stunden
Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenkreisläufen - Huber A., Ochs M., Huber Energietechnik AG
 A bis Z der Erdwärme - Brunnenbau R. Hartmann
 
 
 Abluftkollektor
Der Abluftkollektor (ALK) ist ein Lüftungsgerät mit dem der Luftwechsel einer Wohnung sichergestellt wird. Mit der Abluftentfernung wird im Winterbetrieb die Sole, die aus einem Erdkollektor oder einer Erdwärmesonde kommt, (vor)erwärmt, was die Effizienz steigert. Der Abluftkollektor führt Abluft aus Räumen mit hohem Lüftungsbedarf, so z. B. Küche, Bad oder WC, ab. Außenluft strömt über Außenwandventile in die Räume nach.
Abluftkollektor
Quelle: Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH
Die warme Abluft (Fortluft) strömt im Abluftkollektor durch einen Wärmetauscher und wärmt die Sole für die Wärmepumpe vor. Dadurch muss die Wärmepumpe nur noch eine geringere Temperaturdifferenz überbrücken. Sie benötigt also weniger elektrische Energie und ihre Leistungszahl (e, COP) steigt.
Beispiel
Die Kühlleistung des Abluftkollektors im Nennbetrieb beläuft sich auf ca. 1,2 kW. Damit kann die Sole von 10 °C auf 11,3 °C erwärmt werden und die Wärmepumpe arbeitet entsprechend effizienter.
Wenn im Sommer Kühlkonvektoren oder eine Klimadecke zur Kühlung der Räume eingesetzt werden, arbeitet diese Anlage am besten mit einer möglichst kalten Sole. Eine Soleerwärmung durch den Abluftkollektor ist in diesem Fall nicht sinnvoll. Deswegen hat der ALK eine Sommer- oder Winterbetriebschaltung. Im Sommerbetrieb arbeitet der Abluftkollektor ausschließlich als Lüfter. Es läuft nur das Gebläse, die integrierte Solepumpe ist ausgeschaltet.
 
Schema - Abluftkollektor
AB Auffangbehälter
ALK Abluftkollektor
EWP Erdwärmepumpe
MAG Membran-Ausdehnungsgefäß
MAN Manometer
PALK Pumpe Abluftkollektor
P3 Solepumpe
RV Rückflussverhinderer
SV Sicherheitsventil
19 Wärmequelle (z.B. Erdsonde)
Quelle: Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH
 
 
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.
Saug-Schluckbrunnen-Anlagen
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
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.

 

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.
GEOHIL-System im Aquifer
Geohil-Sytem
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
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

 

Standing Column Well
Quelle: Innocalor - MichaeI ViernickeI
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

 

 

 

Energetische Konzepte - Innocalor - MichaeI ViernickeI
 
 
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
Schema für eine Dublette bei der hydrogeothermischen Nutzung
Quelle: Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik
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.
Hydrothermale Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie e.V.
Quelle: GtV - Bundesverband Geothermie e.V.

 

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.
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.
Petrothermale Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie e.V.
Temperaturkarten Deutschlands unterschiedlicher Tiefen - Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik
 
 
Brunnenbau
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.
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.

Die richtige Brunnenart zur Wasserförderung (Kleinbrunnen) hängt von folgenden Faktoren ab

  • Beschaffenheit des Untergrundes
  • Gewünschte Fördermenge
  • Nutzung des Wassers (Trinkwasser, Brauchwasser, Mineralwasser)
  • Tiefe des Grundwasserleiters (Aquifer)
Das Brunnenwasser kann durch eine elektrische Tauchpumpe, Handpumpe, 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.
Die Brunnenarten werden nach der Art der Herstellung eingeteilt.

Schachtbrunnen

 
 
Quelle:
Ein Schachtbrunnen ist von alters her 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. 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
Rammbrunnen - Schlagbrunnen
 
 
Quelle:

Der Rammbrunnen (Schlagbrunnen) kommt hauptsächlich dort zum Einsatz, wo Menschen einen Brunnen für die private Versorgung nutzen wollen. Das Grundwasser darf nicht tiefer als 8 m und der Boden muss leicht zu durchdringen sein. Der Brunnen wird mit entsprechedem Gerät in den Boden gerammt.

Vorteile:
- Günstige, einfache und schnelle Art, um einen Brunnen anlegen zu lassen
Nachteil:
- Grundwasserspiegel darf nicht tiefer als 8 Meter sein
Bohrbrunnen
 
 
Quelle:
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.

Vorteil:
- Kann Tiefenwasser fördern, das besonders gut gefiltert ist

Nachteile:
- Nur mit schwerer Bohrgerät zu erstellen
- Undichte Fassungen können schnell zu erhöhten Belastungen führen
Spülbrunnen
 
 
Quelle:

Ein Spülbrunnen wird das Loch förmlich in den Boden gespült. Mithilfe einer leistungstarken Pumpe wird das Erdreich Millimeter für Millimeter rausgespült.

Vorteil:
- Die hat Bei vielen Bodenbeschaffenheiten ist die Spülmethode gegenüber den anderen Bohrmethoden vorteilhafter
Nachteil:
- Der Spülbrunnen im Vergleich zu anderen Brunnenbauarten teurer
 
 
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