Die Geothermie und hier besonders die Tiefengeothermie wird in der Zukunft eine der der Säulen der Energieversorgung sein. Die hydrothermale Geothermie als Wärmequelle könnte nach Abschätzung von Forschern rund ein Viertel des Gesamtwärmebedarfs in Deutschland decken. So will man z. B. in Hamburg-Wilhelmsburg in Zukunft 5.000 Haushalte mit Erdwärme aus der Tiefe versorgen.
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 |
- Tiefenbohrung
- Flächenkollektor
- Grabenkollektor
- Erdwärmesonden
- Wärmekörbe
- Aqua-Wärmetauscher
- Abluftkollektor
- Förderbrunnen-Schluckbrunnen
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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. |
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Systeme für die Nutzung geothermischer Energie |
Quelle: TU Clausthal |
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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. |
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Nach Erdwärme-Bohrung - Eine Stadt zerreißt + Leben zwischen den Rissen |
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Tiefengeothermie - Tiefenbohrung |
Die Tiefengeothermie wird in der Zukunft eine der der Säulen der Energieversorgung sein. Die hydrothermale Geothermie als Wärmequelle könnte nach Abschätzung von Forschern rund ein Viertel des Gesamtwärmebedarfs in Deutschland decken. So will man z. B. in Hamburg-Wilhelmsburg in Zukunft 5.000 Haushalte mit Erdwärme aus der Tiefe versorgen.
Mit den Systemen der Tiefengeothermie wird die geothermische Energie über Tiefenbohrungen erschlossen und kann direkt (ohne Niveauanhebung) genutzt werden. |
Bei der Tiefengeothermie unterscheidet man hydrothermale und petrothermale Systeme. |
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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. |
Hydrothermale
Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie
e.V. |
Aufbau eines geothermischen Informationssystems für Deutschland |
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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.
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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Petrothermale Geothermie - GtV - Bundesverband Geothermie e.V. |
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Temperaturkarten Deutschlands unterschiedlicher Tiefen - Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik |
Rechtliche Grundlagen für die Genehmigung geothermischer Anlagen - Andreas Große |
Tiefengeothermie-Bohrungen im Kristallin |
Tiefengeothermie - BMU |
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Flächenkollektor |
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Flächenkollektor |
Quelle: Max-Planck Institut IPP, Foto: Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk |
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Kompaktabsorber |
Quelle: Berning, Fa. Elektro-Schulten |
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Spiralkollektor |
Quelle: www.betatherm.info |
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Grabenkollektor |
Quelle: www.sbk-neuenstein.de |
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die neue Wärmequelle Terra Q600
(Boden-Klima-Tauscher) |
Quelle: systemhaus-energie |
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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. |
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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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Ringgrabenkollektor |
Ringgrabenkollektor - Slinky-Verlegung
Quelle: RGK e.U. |
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Der Ringgrabenkollektor setzt sich für die Nutzung von Erdwärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe immer mehr durch. Er ist eine effiziente und günstige Variante gegenüber Flächenkollektoren oder Erdwärmesonden. Zur Verlegung von Flächenkollektoren
ist eine großflächige Abtragung der Grundstückfläche erforderlich.
Für Erdsonden muss eine aufwendige und teure Bohrung bis zu 100 m Tiefe vorgenommen werden. Als günstige
Alternative bietet der Ringgrabenkollektor mit einer vergleichsweise geringer Erdbewegung die Möglichkeit der Eigenleistung. So können z. B. für ein Einfamilienhausneubau die Kosten der Erdwärmepumpenanlage inklusive Ringgrabenkollektor unter 12.000 Euro liegen. Dabei müssen aber unbedingt die Vorschriften der Arbeitsicherheit für den Grabenbau beachtet werden.
Technisch gesehen ist ein Ringgrabenkollektor ein Flächenkollektor in Grabenform mit einer Slinky-Verlegung (in Schlaufen übereinander liegend verlegt) der Rohre auf dem Grabenboden (oder auch
in schräger oder senkrechter Anordnung) und turbulenter Strömung (Verwirbelung der Kühlflüssigkeit im Rohr).
 Vor bzw. bei der Planung der Nutzung von Erdwärme müssen auf jeden Fall die rechtlichen Vorgaben des Vorhabens beachtet werden.
Viele Behörden verlangen ein Protokoll einer Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung (z. B. Kontraktionsverfahren). |
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Beispiel eines Ringgrabenkollektors
>>> hier ausführlicher <<< |
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Erdwärmekörbe |
Quelle: Betatherm |
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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. |
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Aqua-Warmetauscher
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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. |
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Schema-AquaGeoThermie |
Quelle: Wavin GmbH |
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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. |
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Erdwärmesonden |
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Eine andere Art von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde"
(EWS) . Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den Bereich "Tiefen-Geothermie". und unterliegt besonderen Vorschriften. |
A bis Z der Erdwärme |
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. |
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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 |
Probleme
mit CO2-Diffusion in Erdsonden |
| Studie über CO2-Diffusion |
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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
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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.
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Schema für den Spül- und Füllvorgang |
Quelle: AWP |
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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. |
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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 % |
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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
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. DannFüllpumpe 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
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| Druckprüfung von Erdwärmesonden
aus Polyethylen |
Eineeingebaute 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). |
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| 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). |
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| 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 |
Anpassen der Druckprüfung nach DIN V 4279-7 für Erdwärmesonden aus PE - Ernst Rohner Geowatt AG |
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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. |
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Abluftkollektor |
Quelle: Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH |
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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. |
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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. |
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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)
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Quelle: Junkers - Bosch Thermotechnik GmbH |
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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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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. |
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 |
Nutzung
der Erdwärme mit dem GEOHIL-System |
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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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Energetische
Konzepte - Innocalor - MichaeI ViernickeI |
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