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.

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.

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.

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].

Für den Anlagen­betrieb haben Frost-/Tau-Wechsel die Folge, dass zwischen Sonde und Hinterfüllung Lücken entstehen, die den Wärmeübergang aus dem umgebenden Untergrund erheblich verschlechtern können. Ein hydraulischer Abgleich der Solekreisläufe bewirkt außerdem im Kühl­betrieb (reversibler Betrieb der Wärmepumpe oder passive Kühlung mit Umwälzpumpe) eine gleichmäßige Ableitung der überschüssigen Wärme in das Erdreich, das bei Kühlbetrieb als Wärmesenke dient. Dadurch ist auch während der warmen Jahreszeit eine gleichmäßige Regeneration des Untergrundes gewährleistet.

Direkte Kontrolle der Durchflussmenge

Die einzelnen Solekreise zwischen Sonden­verteiler und Erdsondensträngen müssen nach den Vorgaben der geltenden Regelwerke einreguliert werden können und auch absperrbar sein. Für den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern werden in der Praxis Abgleichventile zur Einregulierung der Durchflussmengen eingesetzt. Damit kann für jeden Erdsondenstrang die der rechnerisch zugrunde gelegten Wärmeentzugsleistung entsprechende Durchflussmenge einreguliert werden.

Das für den hydraulischen Abgleich von Soleverteilern konzipierte Strangregulierventil "TacoSetter Hyline" ermöglicht die Einstellung des Soll-Durchflusswertes direkt in l/min, so dass keine Einstellwerte ermittelt werden müssen. Die geforderte Durchflussmenge wird über ein leichtgängiges Schrägsitzventil einjustiert und kann danach sofort an der Skala des integrierten Messkörpers zur Kontrolle abgelesen werden.

Das von Taconova komplett neu entwickelte Abgleichventil wird aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Da im Anwendungsbereich der Geothermie Kunststoffrohrsysteme vorherrschend sind, lässt sich das Abgleichventil mit marktüblichen flachdichtenden Verschraubungsteilen mit G-Normgewinde in die Installation integrieren. Dies erspart spezielle Übergangsadapter, reduziert die Anzahl der Dicht­stellen und erlaubt zudem eine werkzeuglose Montage, da die Verschraubungen nur von Hand angezogen werden müssen.

Fazit

Geothermische Wärmepumpensysteme stehen auch mit großen Heizleistungen zur Verfügung und sind zwischenzeitlich auch für größere Objekte eine häufig gewählte Art der Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien. Für diesen Einsatzbereich wird die Wärmequelle Erdreich über Erdwärmesonden erschlossen. Für die in größeren Objekten benötigten Wärmeleistungen sind dafür Erdsondenfelder mit mehreren Sondensträngen erforderlich. Durch die verschiedenen Anbindelängen zum Soleverteiler er-geben sich unterschied­liche Druckverluste in den Strängen. Durch den hydraulischen Abgleich wird in allen Sondensträngen die gleiche Wärmeentzugsleistung erzielt. Für den Anwendungsbereich Geothermie konzipierte Abgleichventile ermöglichen durch die Kompati­bilität zu Kunststoffrohrsystemen eine einfache In­stallation sowie eine einfache Einregulierung der geforderten Durchflussmenge.

Literatur

[1] VDI 4640 Blatt 2, Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen; September 2001/Entwurf Mai 2015.

[2] Wärmepumpen-Checkliste – Empfehlungen für Planung, Ausführung und Betrieb von Wärmepumpen-Heizungsanlagen; Ministerium für Umwelt, Klima und Energiemanagement Baden-Württemberg; 2012.