Gebr. Mengis AG - Bohrunternehmung
 

Schlossstrasse 3, CH-6005 Luzern
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  GEOTHERMIE LEXIKON
 
Erdwärmesonden:
 
   

Erdwärmesonden sind in der Schweiz und in weiten Teilen Mittel- und Nordeuropas verbreitete Wärmequellenanlage. Ihr Flächenbedarf ist gering und sie nutzen ein konstantes Temperaturniveau. Es handelt sich bei Erdwärmesonden um vertikale oder schräge Bohrungen, in die U-Rohre aus HDPE-Kunststoff eingebracht werden. Anschliessend wird die Bohrung mit einer speziellen quellfähigen, dauerhaften und abdichtenden Suspension verfüllt. Erst dadurch ist die Funktionsfähigkeit einer Erdwärmesondenanlage gewährleistet und ein guter Wärmeübergang sichergestellt. Die HDPE Kunststoffrohre dienen nun als Wärmetauscher über die Wärme dem Untergrund entnommen wird. In der Schweiz werden die Sonden bis in Tiefen von 360 m niedergebracht. Erdwärmesonden werden in Anlagen unterschiedlicher Grösse eingesetzt, angefangen bei ein oder zwei Sonden zur Beheizung von Einfamilienhäusern bis hin zu Multibohrlochsystemen zur Versorgung von Büro- und Gewerbebauten oder ganzen Wohnsiedlungen, usw.



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Geothermal – Response – Test:
 
   

Der Thermal Response Test ist ein geeignetes Mittel zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds und des thermischen Bohrlochwiderstands (bzw. der Wärmeleitfähigkeit der Bohrlochverfüllung).

Für die Auslegung von Erdwärmesonden ist die Kenntnis der thermischen Eigenschaften des Untergrunds eine wesentliche Voraussetzung. Während bei kleinen Anlagen die Werte entsprechend der VDI 4640 meist geschätzt werden und bei der Auslegung entsprechend Sicherheiten berücksichtigt werden müssen, oder die Auslegung gleich nach Erfahrungswerten vorgenommen wird, sind für grössere Anlagen Untergrunduntersuchungen bis hin zu Probebohrung(en) erforderlich. Über eine solche Probebohrung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds anhand von zwei Verfahren bestimmen:
• Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an möglichst ungestörten Proben (z.B. Bohrkerne); dabei sind alle wesentliche gesteinsspezifische Einheiten des Bohrprofils zu beproben und vor allem auch der natürliche Wassergehalt der Proben zu erhalten. (erheblicher Aufwand)
• Bestimmung durch einen thermischen Response-Test (an einer fertig eingebauten Erdwärmesonde); Vorteile sind hier die Messung über die gesamte Bohrlochlänge, die Einbeziehung der Bohrlochverfüllung und damit eine Aussage über die Qualität der Erdwärmesonde, und die ungestörten Untergrundverhältnisse einschliesslich evtl. vorhandenen Grundwasserflusses.

Mit dem Thermal Response Test steht nunmehr ein Instrument zur Verfügung, das bereits bei mittelgrossen Erdwärmesondenanlagen eine Optimierung und Absicherung der Auslegung durch direkt vor Ort ausgeführte Messungen ermöglicht.


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Geothermie, was ist das?:
 
   

Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (Syn.: Erdwärme).
Der Wärmeinhalt der Erde würde unseren heutigen Weltenergiebedarf für 30 Millionen Jahre decken. Mit menschlichen Massstäben gerechnet sind also die in der Erde gespeicherten Energievorräte genauso unerschöpflich wie die der Sonne.
In Mitteleuropa nimmt die Temperatur in den obersten Erdschichten durchschnittlich um etwa 3 °C pro 100 m zu. Im obersten Erdmantel herrschen etwa 1.200 °C, im Erdkern sind es wahrscheinlich 6.000 °C. Unmittelbar an der Erdoberfläche werden die Temperaturen fast ausschliesslich durch die Sonne und das Regenwasser bestimmt. Da der Boden die Wärme schlecht leitet, ist spätestens unterhalb von 15 – 20 m Tiefe kein Einfluss der Sonne mehr festzustellen.
Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energieträgern besitzt die Geothermie einen bedeutenden Vorteil: Sie steht unabhängig von Tages- und Jahreszeit oder den herrschenden Klimabedingungen immer zur Verfügung. Da sie direkt vor Ort zu erschliessen ist, benötigt man keine aufwendigen Transportsysteme. Durch Vermeidung eines konventionellen Verbrennungsprozesses wird direkt keine CO2-Emission erzeugt, ausser evtl. für den Antrieb einer Wärmepumpe. Inzwischen verfügen wir über Technologien, die es uns ermöglichen, die vorhandenen Ressourcen praktisch überall zu nutzen.


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Grundwasserwärmepumpen:
 
   

Abhängig vom Standort lässt sich Grundwasser über Brunnen entnehmen und direkt dem Wärmepumpenverdampfer zuleiten. Es muss jedoch wieder in den Untergrund eingeleitet werden, so dass neben Förderbrunnen auch Schluckbrunnen einzurichten sind. Grundwasserwärmepumpen können relativ hohe Wärmequellentemperaturen nutzen und vermeiden Wärmetauschverluste im Untergrund. Das wirkt sich günstig auf die Jahresarbeitszahlen aus. Bei grösseren Anlagen sind diese Systeme daher Erdwärmesonden wirtschaftlich überlegen. Allerdings ist ihr Betrieb im Grundwasserbereich nicht immer unproblematisch, es muss eine entsprechend konstante Wasserführung sowie eine entsprechende Wasserqualität am Standort zur Verfügung stehen.


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Kühlen und Klimakälte:
 
   

Das in Mitteleuropa angetroffene Temperaturniveau macht den nahen Untergrund auch für die Bereitstellung von Klimakälte interessant. Er kann daher über Erdwärmesonden, Energiepfähle usw. direkt, also ohne Einschaltung einer Wärmepumpe zur Raumkühlung herangezogen werden. Dabei wird nur das System zirkulierende Wärmeträgermedium genutzt, bzw. mit Pumpen im Gebäude umgewälzt Der Energieaufwand beschränkt sich auf den Stromverbrauch eben dieser Pumpen. Herkömmliche Aggregate zur Erzeugung von Klimakälte entfallen.

Der Wirtschaftlichkeit von erdgekoppelten Wärmepumpen kommt die direkte oder wärmepumpengestützte Kühlung sehr entgegen, sie können nun beides leisten: Heizen und Kühlen. So können in Einzelfällen bereits die Investitionskosten günstiger sein als wenn eine Heizung und eine getrennte Anlage zur Erzeugung von Klimakälte angeschafft werden müssen.


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Leistungszahl versus Arbeitszahl:

Zur Beurteilung der energetischen Effizienz des Wärmepumpen (Kälte)- Prozesses wird das Verhältnis der vom System abgegebenen Nutzwärme zu der dem System zugeführten Energie ermittelt. Dazu werden zwei verschiedene Kennzahlen unterschieden:

 Leistungszahl: Das Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand wird als Leistungszahl bezeichnet. Sie kennzeichnet die Effizienz der Wärmepumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt bei definierten Rahmenbedingungen wie beispielsweise der Vorlauftemperatur und stellt deshalb nur einen Momentanwert dar.

 Arbeitszahl: Sie bezeichnet das Verhältnis zwischen erzeugter Energie in Form von Heizarbeit (kWh) und der eingesetzten elektrischen Arbeit (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (i. d. R. ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Massstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten.

Beide Werte sind im Wesentlichen von der zu überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizsystem abhängig. Sie steigen unter anderem mit einer hohen Wärmequellentemperatur und niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizsystem. Die Jahresarbeitszahl wird zusätzlich durch systemtechnische Abstimmung der Komponenten, den Anteil der Warmwasserbereitung am Gesamtwärmebedarf und durch das Nutzerverhalten beeinflusst.

Moderne Wärmepumpen weisen inzwischen beim Betrieb mit einer Erdwärmesondenanlage und einer Niedertemperaturheizung Jahresarbeitszahlen von 4 auf, das heisst sie stellen viermal soviel Heizwärme bereit, wie sie elektrische Arbeit zu deren Gewinnung benötigen.


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Die Wärmepumpe stellt Heizwärme zur Verfügung, indem sie Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres nutzbares Niveau fördert, beispielsweise von 10 °C Erdwärme auf 35-40 °C nutzbare Wärme. Weil sich Energie nicht ohne äussere Einflüsse auf ein höheres Temperaturniveau umwandeln lässt, muss weitere Energie hinzugefügt werden. Das leistet i. d. R. die mechanische Antriebsenergie für den Kompressor.

1) Verdampfer
Die Umweltenergie aus der Luft, der Erde oder dem Wasser (z.B. 10 °C) bringt das in der Wärmepumpe zirkulierende, FCKW-freie Medium bsp. R 407 c, das einen sehr tiefen Siedepunkt aufweist, zum Verdampfen.

2) Verdichter/ Kompressor
Der i.d.R. elektrisch angetriebene Kompressor bringt das verdampfte Medium auf hohen Druck und ein hohes Temperaturniveau.

3) Kondensator
Die Energie nun auf einem hohen Temperaturniveau wird an das Heizungsmedium abgegeben. Das gasförmige Medium (Arbeitsmittel/ Kältemittel) wird wieder flüssig.

4) Expansionsventil
Im Expansionsventil wird der Druck abgebaut.

Das Prinzip der Wärmepumpe entspricht dem Prinzip eines Kühlschrankes, an dessen Rückseite ebenfalls Wärme produziert wird. Der Kühlschrank kühlt einen kleinen, begrenzten Luftraum und erwärmt gleichzeitig einen aus Sicht des Kühlschrankes unendlichen Luftraum. Die Wärmepumpe kühlt umgekehrt nicht gezielt einen kleinen Luftraum, sondern eine aus Sicht einer Wärmepumpe unerschöpfliche Wärmequelle, die von der Kühlung durch die Wärmepumpe nicht beeinflusst wird (entsprechende Auslegung bei Erdsonden erforderlich), während sie gleichzeitig einen kleinen, begrenzten Luftraum erwärmt. Der Kreislauf einer typischen Wärmepumpe (Kompressionswärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb) besteht aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels. Dieses Kältemittel befindet sich im Verdampfer zunächst im flüssigen Zustand, wobei die Temperatur der umgebenden Wärmequelle höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels. Dadurch bedingt findet eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Kältemittel statt, wodurch dieses genügend Energie erhält, um zu verdampfen. Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf kontinuierlich an, welcher beim Verdichten auf ein mehrfaches verdichtet und dabei erhitzt wird. Er gibt die Wärme im Kondensator an den Wärmenutzer ab (z.B. Rücklauf der Heizung), wobei die Temperatur des Wärmenutzers unter der Verflüssigungstemperatur des Kältemitteldampfes liegt. Das nunmehr wieder flüssige Kältemittel verliert durch ein Expansionsventil soviel Druck und Temperatur, dass das Niveau wieder unter die Temperatur der Wärmequelle sinkt, so dass im Verdampfer wiederum Wärme aus der Wärmequelle aufgenommen werden kann. Bei der Absorptionswärmepumpe macht man sich in Abweichung davon den Effekt zunutze, dass bei der Absorption eines Kältemittels in einem Lösungsmittel Absorptionswärme frei wird, so dass auf die Erwärmung durch Verdichtung verzichtet werden kann. Eine Absorptionswärmepumpe kann durch verschiedene eingesetzte Kältemittel als ein- oder zweistufiges Verfahren ausgelegt werden mit der Option, Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus zur Verfügung zu stellen. Absorptionswärmepumpen sind für den privaten Gebrauch (EFH) noch nicht geeignet.

Wärmepumpen sind insgesamt durch die konsequente Weiterentwicklung aller Komponenten und Systeme ausgereift. Kompakte Einheiten enthalten alle Bauteile, die eine schnelle Montage und eine fehlerfreie Installation sicherstellen. Die Qualität steht der konventionellen Heizsysteme in nichts nach.

Erdgekoppelte Wärmepumpen werden heute bereits von Energieversorgern im Contracting in Konkurrenz zu Gas- und Ölfreuerungsanlagen zu vergleichbaren Preisen angeboten.


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Tiefe Erdwärmesonde:

Das Prinzip der tiefen Erdwärmesonde (>400/ 500 m Tiefe) wurde Anfang der 90er Jahre erstmals in der Schweiz erprobt. Damals wollte man alte oder nicht fündige Bohrungen, z.B. aus der Erdöl- und Erdgassuche weiter nutzen. Seit 1994 arbeitet eine solche fast 3000 m tiefe Erdwärmesonde in Prenzlau (Brandenburg). Sie entstand ebenfalls aus einer schon vorhandenen Bohrung. Die aus ihr gewonnene Energie wird in das Fernwärmenetz der Stadtwerke eingespeist. Da dieses jedoch mit höheren Temperaturen betrieben wird, als die Bohrung liefert, ist eine Wärmepumpe zur Aufheizung zwischengeschaltet. Moderene Wohnbauten werden mittlerweile so gebaut, dass sie nur wenig Heizenergie benötigen und die Heizung selbst mit viel geringeren Temperaturen auskommt. Deshalb kann das in der Bohrung erhitzte Wasser auch direkt Energie in die Gebäude liefern und kehrt dann ausgekühlt in die Tiefe zurück um sich dort erneut zu erwärmen und erspart den Einsatz einer Wärmepumpe.

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Verteiler und Horizontale Anschlussarbeiten:
 
   

Nach Fertigstellung der Erdwärmesondenbohrung, wird die Erdwärmesonde eingebaut und anschliessend mit einer speziellen quellfähigen, dauerhaften und abdichtenden Suspension verfüllt. Erst dadurch ist die Funktionsfähigkeit einer Erdwärmesondenanlage gewährleistet und ein guter Wärmeübergang sichergestellt. Anschliessend wird ein Rohrgraben in etwa 0.8 – 1.5 m Tiefe (0,3 m unterhalb der Frostgrenze) zum Gebäude erstellt. Die nun einzeln oder über Y-Stücke angeschweissten Rohrleitungen werden zum Gebäude leicht ansteigend in einem Sandbett verlegt. Dadurch können die Leitungen sowie die Erdwärmesonden gut entlüftet werden. Die Leitungen werden bei mehreren Erdwärmesonden auf einen Verteiler geführt. Dieser sollte auch für spätere Revisionen zugänglich angeordnet werden, z.B. in eigenen Verteilerschächten oder Kellerfenster-Schächten. Sämtliche verlegte Rohre und Formstücke sind aus korrosionsbeständigem Material zu erstellen. Alle Leitungen im Gebäude sowie die Mauerdurchführungen müssen Dampf-diffusionsdicht isoliert werden, um Schwitzwasser zu vermeiden, denn Vorlauf- und Rücklaufleitungen führen gegenüber der Kellertemperatur kalte Sole. Da eine Volumenänderung der Sole bei verschiedenen Temperaturen auftritt, sind Sicherheitsarmaturen und Ausgleichsgefässe erforderlich. Die gesamte Erdwärmesondenanlage, einschliesslich Verteiler und Verbindungsleitungen, ist vor der Inbetriebnahme abzudrücken.

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Wärmequellen einer Wärmepumpe:

Eine Wärmepumpe transformiert bereits vorhandene Wärme in einem thermodynamischen Kreislauf auf ein höheres, nutzbares Wärmeniveau. Die vorhandene Wärme kann aus unterschiedlichen Quellen genutzt werden. Für diese Transformation ist Fremdenergie erforderlich, jedoch ist der Wirkungsgrad der eingesetzten Fremdenergie dadurch besonders hoch, dass die vorhandene Wärme aus der genutzten Wärmequelle kostenlos zur Verfügung steht.

Man unterscheidet im Wesentlichen drei verschiedene Typen von Elektrowärmepumpen. Kriterium ist dabei das Medium der Wärmequelle: Luft/Wasser-Wärmepumpe; Sole/Wasser-Wärmepumpe oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe.
Sole/Wasser-Wärmepumpen haben gegenüber den Luft/Wasser-Wärmepumpen ein breiteres Einsatzspektrum und erfordern eine individuelle Planung der Wärmequellenanlage. Bewährt haben sich als Wärmequellenanlage:

- Erdwärmesonden
- Erdreichkollektoren, Erdreichwärmetauscher
- Energiepfähle
- Absorber zur Aufstellung im Freien oder innerhalb temperierter Räume
- Wärmeaustauscher in Flüssen und Seen.

Luft/Wasser-Wärmepumpen können ebenso wie die Sole/Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen ganzjährig betrieben werden. Ungünstiger sind jedoch die niedrigen Lufttemperaturen in der kalten Jahreszeit und das dadurch geringere Energieangebot aus der Umgebung. Der Wärmebedarf des Hauses und die notwendige Vorlauftemperaturen nehmen zu, daraus folgt eine Verschlechterung der Jahresarbeitszahl.



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Wärmespeicherung:

Im Sommer liefert das gemässigte Klima ein Überangebot an Wärme, im Winter besteht ein Defizit. Ein Ausgleich kann über den Untergrund erfolgen. Es stehen verschiedenen Speichertechnologien bzw. -alternativen zur Verfügung.

  • Wärme- oder Kältespeicherung
  • mit oder ohne Wärmepumpen
  • Aquiferspeicher
  • Erdwärmesondenspeicher
  • Wärmequellen Abwärme, Umgebungswärme, Sonnenenergie


Geothermische Speichertechnologien sind zwar weltweit verbreitet, in der Schweiz bislang aber nur wenig umgesetzt worden. Das Interesse nimmt jedoch zu.


Quelle: systherma / Mengis


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