Optimierte Geothermie mit hydraulisch abgeglichenen Erdwärmesonden

Die Geothermie zählt mit der Sonnenenergie zu den unerschöpflichen erneuerbaren Energieressourcen. Die Wärmequelle Erdreich wird dabei über Erdwärmesonden (vertikal) oder Erdwärmekollektoren (horizontal) erschlossen. Um die geeignete Art des Wärmeentzugs zu bestimmen, sind Kenntnisse über die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse sowie über die thermischen Eigenschaften des Untergrundes eine wesentliche Voraussetzung. Weit verbreitet ist die Erschließung mittels Erdwärmesonden, durch die ab einer Tiefe von etwa 15 bis 20 m ein ganzjährig weitgehend konstantes Tempera-turniveau verfügbar ist.

Wärmepumpe und Geothermie - Favorit mit vielen Vorteilen

Geothermische Wärmepumpenanlagen zählen inzwischen auch für größere Neubauten von Wohnbau- und Gewerbeobjekten zu den Favoriten unter den Heizsystemen. Die Wärmequelle Erdreich wird über Erdsondenfelder erschlossen. Im Kreislauf zwischen Wärmepumpe und Erdsonde zirkuliert Sole als Wärmeträgerflüssigkeit, die beim Durchströmen die Erdwärme aus der Tiefe holt. Die einzelnen Solekreise zwischen Sondenverteiler und Erdwärmesonden müssen einregulierbar und absperrbar sein.

Der Bau einer Erdwärmesondenanlage setzt eine wasserrechtliche Erlaubnis voraus, die im Regelfall durch ein Bohrunternehmen bei der zuständigen Wasserbehörde gestellt wird. Mit Sondentiefen, die üblicherweise im Bereich zwischen 30 und 100 m liegen, kann abhängig von der Beschaffenheit des Untergrundes von einer maximalen Wärmeentzugsleistung bis 50 W/m ausgegangen werden.

Ein von Taconova für den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern entwickeltes Abgleichventil gewährleistet den wirtschaftlichen Betrieb einer Erdwärmesondenanlage und schützt den Untergrund durch einen gleichmäßigen Wärmeentzug vor zu hohen thermischen Belastungen.

Produktfoto des Abgleichventils
Quelle: Taconova
Taconova hat mit dem "TacoSetter Hyline" das Sortiment der Abgleichventile um eine Ausführung in Kunststoff für Einregulierung, Durchflusskontrolle und Absperrung von geothermischen Solekreisläufen erweitert.

Funktion

Im Primärkreislauf zwischen Wärmepumpe und Erdwärmesonde zirkuliert ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel als Wärmeträgerflüssigkeit (Sole), das beim Durchströmen dem umgebenden Erdreich Wärme entzieht. Die Wärmepumpenanlage bildet zusammen mit dem Heizsystem den Sekundärkreislauf, in welchem die Wärme der Soleflüssigkeit auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Ein großer Vorteil dieser Energietechnik ist die Möglichkeit, Heizung und Kühlung mit einem System abzudecken. Im Kühlbetrieb werden Erdsonden für die freie bzw. passive Kühlung genutzt.

Prinzipschema der Solekreisläufe von Erdsondenfeldern.
Quelle: Taconova
Hydraulisch abgeglichene Solekreisläufe von Erdsondenfeldern sorgen auch bei unterschiedlichen Anbindelängen für eine gleichmäßige Wärmeentzugsleistung.

Solekreisläufe erfordern hydraulischen Abgleich

Für den effizienten Betrieb geothermischer Wärmepumpenanlagen ist der richtig bemessene Wärmeentzug aus dem Erdreich die wichtigste Einflussgröße. Um die nötige Wärmeentzugsleistung zu erreichen, verteilt sich die Erschließung der Wärmequelle Erdreich bei größeren Gebäuden auf mehrere Erdsondenstränge. Zwischen den einzelnen vertikalen Sondensträngen ist ein Mindestabstand einzuhalten. Für Anlagen bis 30 kW und Sondenlängen bis 100 m hat sich allgemein ein Abstand von 10 m bewährt. Der Soleverteiler bildet das Bindeglied zwischen Wärmepumpenanlage und Erdwärmesonden und wird im Regelfall außerhalb des Gebäudes installiert, zum Beispiel in einem Betonschacht.

Das Abgleichventil
Quelle: Taconova
Für die Installation von geothermischen Solekreisläufen werden vorwiegend Rohrsysteme aus Kunststoff eingesetzt. Das Abgleichventil "TacoSetter Hyline" lässt sich durch G-Normgewinde in marktübliche Kunststoffrohrsysteme einbinden.

Durch die erforderlichen Abstände der Sonden untereinander ergeben sich unterschiedliche Anbindelängen zum Verteiler bzw. Sammler der Solekreisläufe. Daraus resultieren unterschiedliche Druckverluste, die einen hydraulischen Abgleich der einzelnen Solekreisläufe erfordern. Um einen gleichmäßigen Wärmeentzug aus den Sondensträngen zu erzielen, ist deshalb die Einregulierung der Soll-Volumenströme am Soleverteiler erforderlich. Die für erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen geltende VDI-Richtlinie 4640 Blatt 2 fordert hierzu im Abschnitt 5.2.4, für die einzelnen Sondenstränge entsprechende Reguliereinrichtun-gen zur Einregulierung der Durchflussmenge vorzusehen [1]. Damit kann für jede Erdwärmesonde die gleiche Wärmeentzugsleistung erzielt werden, was auch die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage ist.

Schutz des Untergrunds bei Erdsondenanlagen

Der hydraulische Abgleich von Erdwärmesonden­anlagen ist darüber hinaus erforderlich, um eine zu hohe thermische Belastung des Untergrundes zu vermeiden. So fordern die durch Gesetzgebungen (z.B. Landeswassergesetz) bestimmten wasserrechtlichen Grundlagen, dass eine Vereisung der Sondenanlage als Folge eines zu hohen Wärmeentzuges zu vermeiden ist. Dadurch sollen im Bereich zwischen Außenwand der Erdwärmesonde und der Bohrloch-Hinterfüllung Frost-/Tau-Wechsel verhindert werden. Aus Sicht der Gesetzgebung soll damit der Untergrund vor Schäden, wie der Entstehung von Verwerfungen oder der Bildung von Durchlässigkeiten, geschützt werden. Aus diesem Grund geben zum Beispiel auch die Landesumwelt­ministerien die Empfehlung, die Verteileranlage hydraulisch einzuregulieren [2].