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 ANALYSE HORIZONTALER UND VERTIKALER ERDWÄRMESONDEN

D. SZABLINSKI

Maxburgring 27a

D-76887 Bad Bergzabern

 

E-mail: darius@szablinski.de

 

 

 

ZUSAMMENFASSUNG:
Für die Wärmeaufnahme aus der Erdtiefe werden Erdwärmesonden bzw. Erdkollektoren eingesetzt. Die Erdkollektoren werden im Prinzip bis 2 m Tiefe verlegt und im Unterschied zu Erdsonden wird hier auch die in der Erdoberfläche gespeicherte Sonnenenergie ausgenutzt. Bei kleinen Gebäuden reicht die Ausnutzung der Wärme aus einer Tiefe von bis zu ca. 100 m aus. Bei großen Wohnkomplexen ist der Energieaufwand großer. Die Erdwärme wird hier in der Regel als zusätzliche Wärmequelle zu dem bestehenden konventionellen Heizsystemen genutzt.
Die Dimensionierung der horizontalen und vertikalen Erdwärmesonden umfasst die Berechnung des Wärmebedarfs für die Heizung sowie Warmwasserbereitung für Gebäude, Definition der mit Erdwärmesonden gekoppelten Wärmepumpe (Bestimmen der Leistungszahl), Bestimmen des Wärmeträgers sowie Berechnung der Fläche der Erdwärmesonde.

 

 

1. EINFÜHRUNG

 

Die Erdwärmetechnik basiert hinsichtlich des Wärmebedarfs auf der Wärmeaufnahme aus unterschiedlichen Erdtiefen. Bei kleinen Gebäuden reicht die Ausnutzung der Wärme aus einer Tiefe von bis zu ca. 100 m aus. Bei großen Wohnkomplexen ist der Energieaufwand großer. Die Erdwärme wird hier in der Regel als zusätzliche Wärmequelle zu dem bestehenden konventionellen Heizsystemen genutzt. Die Energie des Erdreichs kann auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Das Verfahren wird in einer Tiefe von bis zu ca. 7000 m durchgeführt ( Hot-Dry-Rock-Verfahren, Bild 1).

 

 

Bild 1: Hot-Dry-Rock-Verfahren

 

Im Erdkörper nimmt die Temperatur mit zunehmender Tiefe mit durchschnittlich 30 °C pro 1 km zu (geothermischer Gradient). In Gebieten, wo der geothermische Gradient höher bzw. tiefer als 30 °C / km liegt, spricht man von geothermischen Anomalien. Die Ursachen dafür liegen u.a. in der Nähe zu vulkanischen Quellen.

Für den globalen Wärmehaushalt der Erde sind folgende drei Energieanteile von besonderer Bedeutung:

q die Gravitationsenergie,

q die Ursprungswärme,

q die von radioaktiven Isotopen im Verlaufe des Erdalters freigesetzte Energie.

Die natürlichen Energieressourcen sind in verschiedenen Erscheinungsformen vorhanden, z.B. trockenem Heißdampf, Naß- oder Sattdampf, Heißwasser, Warmwasser, Druckwasser. Die günstigsten Voraussetzungen für die direkte Stromerzeugung bietet trockener Heißdampf. Es gibt zusätzlich Energiequellen, die nicht in jedem Fall eine Bohrung benötigen und sehr oft mit vulkanischer Aktivität auftreten.

Erdwärmesonden arbeiten in unterschiedlichen Bodenarten. Die Wärmegewinnung hängt von der Bodeneigenschaften ab. Die folgende Tabelle 1 stellt typische Temperaturänderungen und Dichten mit zunehmender Tiefe dar:

 

Tabelle 1: Eigenschaften der Erde

 

 

Tiefe in km

Dichte in kg/dm³

Temperatur in °C

Erdkruste

0 bis 30

2 bis 3

bis 1000

Erdmantel

bis 3000

3 bis 5,5

1000 bis 3000

Erdkern

bis 6370

10 bis 13

3000 bis 5000

 

2. ARTEN VON ERDWÄRMESONDEN UND SCHALTUNGSKONZEPTEN

 

Im Prinzip lassen sich Wohngebäude durch Erdwärmesonden bzw. Erdkollektoren ausreichend beheizen. Die Erdwärmesonden arbeiten in einer Tiefe von bis zu ca. 100 m und bei Temperaturen von 8 bis 15 °C. Erdkollektoren werden in 1,2 bis 2 m Tiefe verlegt und im Unterschied zu Erdsonden wird hier auch die in der Erdoberfläche gespeicherte Sonnenenergie ausgenutzt.


Es gibt verschiedene Arten von Erdwärmesonden:


Bild 2: Anordnungen der Erdwärmesonden

 


Bild 3: Prinzipschema einer Erdwärmesonden-Anlage

 


 

3. WÄRMEPUMPE

 

Erdwärmesonden werden mit Absorptions- bzw. Kompressionswärmepumpen gekoppelt, um den Wärmestrom aus dem Erdreich für Heizungszwecke zu gewinnen. Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe stellt Abbildung 4 vor.

Im Verdampfer findet die Wärmeaufnahme aus der Umwelt statt. Als Energiebasis für Wärmepumpen dienen vier Arten von Umgebungswärme:

 

Bild 4: Wärmepumpenprozeß der Kompressionswärmepumpe

 

q Energie aus dem Erdreich,

q Energie aus der Luft,

q Energie durch direkte Sonnenstrahlung,

q Energie aus dem Grundwasser.

Das Arbeitsmittel wird im Verdampfer verdampft und dann verdichtet. Die im Verdampfer aufgenommene Wärme und die durch Verdichten zugeführte Wärme wird im Kondensator wieder an den Wasserstrom abgegeben. Das Arbeitsmittel wird anschließend über ein Expansionsventil in den Verdampfer zurückgeführt.

 

Die Dimensionierung von Wärmepumpen wird in zwei Schritten durchgeführt:

q Bestimmen des Wärmebedarfs des Gebäudes nach DIN 4701,

q Bestimmen der Leistungszahl der Wärmepumpe - dabei ist zu beachten, daß alle monovalent betriebenen Wärmepumpenanlagen ( Wärmepumpe arbeitet als alleiniger Wärmeerzeuger ) immer den gesamten Gebäudewärmebedarf decken müssen. Die Auslegung muß dabei bezüglich der kältesten anzunehmenden Wintertag erfolgen.

 

§ Leistungszahl der Wärmepumpe in kW:

 

                              A =    Qlwp / Pel                     (1)

 

Qlwp - vom Verflüssiger im Augenblick abgegebene Wärmeleistung.

Pel - dem Elektromotor im Augenblick zugeführte elektrische Leistung.

§ Jahresleistungszahl in kWh:

 

                              B =  Qwp / Wel                       (2)

 

Qwp - von der Wärmepumpenanlage innerhalb eines Jahres abgegebene Wärmemenge.

Wel - die der Wärmepumpenanlage innerhalb eines Jahres zugeführte elektrische Arbeit.


Bild 5: Dimensionierung monovalenter Wärmepumpen

 

4. DIMENSIONIERUNG DER ERDWÄRMESONDEN

 

Der Ausgangswert der Berechnung wird Fläche der Erdwärmesonde vorausgesetzt. Die Berechnung folgt in 6 Schritten.

Bild 6: Berechnungsalgorithmus für Erdwärmesonden

 

5. WÄRMEBEDARF

 

Die Berechnung des Wärmebedarfs für die Heizung eines Gebäudes wird in der DIN 4701 „Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden“ definiert.

Als Ergebnis wird die Wärmemenge für alle einzelnen Räumen in W/m2 bestimmt. Zusätzlich muß die erforderliche Wärmemenge für die Warmwasserbereitung und die Zirkulationsverluste in Rohrleitungen berechnet bzw. geschätzt werden.

Auf der Basis des Wärmebedarfs wird die Wärmepumpe demissioniert.

 

 

6. WÄRMETRÄGER

 

Als Wärmeträger für Erdwärmesonden werden unterschiedliche Flüssigkeiten auf Basis von Propylenglykol, Monoethylenglykol, Äthandiol eingesetzt. Das Medium muß gute Eigenschaften gegen Korrosion (PH- Wert ca. 7), einen Siedepunkt von ca. 150 °C und einen Stockpunkt von ca. -40 °C besitzen. Heute werden verschiedene verbesserte Wärmeträger auf dem Markt angeboten, z.B. Antifrogen, Glysantin, Glythermin.

Solen werden wegen der Korrosion der einzelnen Elementen des Heizunssystems nicht mehr angewendet.

 

 

7. ENERGETISCH RELEVANTE GEOLOGISCHE KENNWERTE

 

Tabelle 2: Energetisch relevante geologische Kennwerte

 

Bodenart

Wärmeleitfähigkeit

l

[W/mK]

Dichte

r

[kg/m3]

Wärmekapazität

cp

[kJ/kg K]

Thermodiffusion

 a

[m2/h]

Trockener sandiger Boden

0,346

1440

0,84

0,00102

Feuchter sandiger Boden

0,865

1600

1,05

0,00186

Trockener lehmiger Boden

0,865

2000

0,84

0,00186

Feuchter lehmiger Boden

1,300

2100

0,96

0,00232

 

Das Ergebnis der gesamten Berechnung ist die Fläche der Erdwärmesonde für eine bestimmte Wärmepumpe und den gerechneten Wärmebedarf. Als Beispiel wird die Lösung für horizontale Erdwärmesonden dargestellt.

 

 

8. ALLGEMEINE ANGABEN ZUR BERECHNUNG

 

§ Außentemperatur                                                               -10 °C

§ Wärmebedarf für Warmwasserbereitung und Heizung         165 kWh/d

§ Leistungszahl der Wärmepumpe                                          2,9

§ Wärmeträger                                                                      Glycol

§ Rohrmaterial                                                                       Polyethylen

§ Durchmesser der Rohrleitung                                              0,0421 m

§ Wärmeleitfähigkeit des Bodens

Ø Feuchter lehmiger Boden                                                   1,3 W/mK

Ø Trockener lehmiger Boden                                                0,865 W /mK

Ø Trockener sandiger Boden                                                0,346 W/mK

Bild 7: Ergebnisse der Berechnung für horizontale Erdwärmesonden

 

In Abhängigkeit von der Bodenart sowie Sondenfläche werden unterschiedliche Wärmemenge aus der Erdtiefe erzeugt. Die beste Voraussetzungen für die Wärmeerzeugung bietet feuchter lehmiger Boden. Der große Einfluß auf die Erdwäemegewinnung haben: Material der Erdwärmesonden, Wärmeträger sowie eingesetzte Wärmepumpe.

Der Vorteil einer Erdwärmesonden-Anlage ist Umweltfreundlichkeit. Der Nachteil bildet noch sehr hoher Preis, der für 6 kW Heizleistung ca. 20.000 DM incl. Bohrung beträgt.

 

 

 

LITERATUR

 

1.     VDI_GET: Erdwärme Teil IV der Reihe Regenerative Energien, Düsseldorf 1998

2.     Bine, Nr.3 Bonn, April 1991

3.     Hans Rau: Geothermische Energie, 1996

4.     RWE Bau – Handbuch, Technischer Ausbau 1998

5.     BOSE; PARKER; MCQUISTON: DESIGN DATA MANUAL FOR CLOSED – LOOP GROUND – COUPLED HEAD PUMP SYSTEMS, OKLAHOMA 1985

6.     Vogel, Laasch: Haustechnik, 1995

7.     DIN 4701: Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden.

 

 

 

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