RAUGEO HPR HOCHDRUCK-TIEFENSONDEN EFFIZIENTE ERDWÄRMENUTZUNG IN TIEFEN BIS ZU 800 METERN. Bau Automotive Industrie

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1 RAUGEO HPR HOCHDRUCK-TIEFENSONDEN EFFIZIENTE ERDWÄRMENUTZUNG IN TIEFEN BIS ZU 800 METERN Bau Automotive Industrie

2 UNGENUTZTES POTENTIAL VORTEILE DER ERSCHLIESSUNG MITTELTIEFER GEOTHERMIE Tiefe (m) Temperatur ( C) Februar August Ungenutztes Potential in großen Tiefen Gängige Systeme zum Heizen von Gebäuden in Verbindung mit Wärmepumpen nutzen oberflächennahe Geothermie bis Maximaltiefen von 300 m. Mit zunehmender Tiefe steigen Erdreichtemperaturen stetig an. In Zentraleuropa zum Beispiel herrschen ab einer Tiefe von ca. 10 m das ganze Jahr über konstante Temperaturen von 8-12 C, die je 100 m Tiefe um ca. 3 K zunehmen. In 100 m Tiefe ist das Temperaturniveau demnach ca. 13 C, in 500 m Tiefe 25 C, in 800 m Tiefe sogar 34 C. Dieses Potenzial kann mit Erdwärmesonden optimal genutzt werden, die die Anforderungen von höheren Temperaturen und Drücken erfüllen. Die Erfahrungen aus der Praxis bestätigen, dass aufgrund der höheren Erdreichtemperatur ab 300 m Tiefe deutlich bessere Entzugsleistungen als mit kurzen Sonden erzielt werden. Dadurch wird die Leistungszahl der Wärmepumpe und damit die Systemeffizienz gesteigert. Aufgrund des höheren Temperaturniveaus in größeren Tiefen besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Anzahl an Gesamtbohrmetern zu reduzieren, was sich positiv auf die Installationskosten auswirkt. So kann beispielsweise eine 800-Meter-Sonde die Leistung von 10 bis 12 Sonden mit à 100 m ersetzen. In Gegenden mit thermischen Anomalien ist sogar eine direkte Heizung möglich. Dabei würde gänzlich auf eine Wärmepumpe verzichtet werden, wenn die Rücklauftemperatur für die Beheizung des Gebäudes ausreichend ist (free heating). Des Weiteren benötigt eine tiefe Sonde deutlich weniger Platz an der Oberfläche als mehrere kurze Sonden. Dadurch kann Erdwärme auch dort genutzt werden, wo wenig Platz zur Verfügung steht. Außerdem müssen grundwasserführende Schichten weniger häufig durchstoßen werden. Mai November tieferer Untergrund Die Vorteile der Tiefenerschließung --Durch Steigerung der Wärmepumpenleistungszahl steigt die Effizienz des Gesamtsystems; das reduziert Betriebskosten und verkürzt die Amortisationszeit --Reduzierung der Installationskosten durch wenige Bohrungen und Bohrmeter --Wenig Platzbedarf, besonders für den innerstädtischen Bereich und Objekte mit großer Heizlast geeignet (z.b. Schwimmbäder) --Verzicht auf eine Wärmepumpe in Gegenden mit thermischen Anomalien 2

3 GRÖSSERE TIEFEN HÖHERE ANFORDERUNGEN HOCHDRUCK- UND HOCHTEMPERATURBESTÄNDIGE ERDWÄRMESONDEN Hohe Anforderungen an Druck- und Temperaturbeständigkeit von Sonden Erdwärmesonden nach aktuellem Stand der Technik bestehen aus Rohren aus den Materialien PE100, PE-RC oder PE-Xa der Druckstufe PN 16. Unter Berücksichtigung des Betriebsdrucks von 1 bis 3 bar und dem hydrostatischem Druck von 1 bar/ 10 m Tiefe sind heutige Erdwärmesondentypen bis zu einer Einbautiefe von ca. 130 m aus eigenem Vermögen druckbeständig. Wenn Erdwärmesonden tiefer als 130 m eingebaut werden, ist deren dauerhafte Standsicherheit davon abhängig, ob im Bohrloch Wasser steht oder dieses ohne jegliche Hohlräume mit einem Verpressmaterial hinterfüllt ist. Für die dauerhaft sichere Erschließung der Erdwärmepotenziale in großen Tiefen ist es somit erforderlich, dass die eingesetzten Erdwärmesonden unabhängig von der Verpressung selbstständig den hydrostatischen Druck und den Betriebsdruck halten können, das heißt, z.b. in einer Tiefe von 600 m 60 bar hydrostatischen und 3 bar Betriebsdruck. Aufgrund der höheren Temperaturen kommen herkömmliche Sonden, mit Ausnahme von PE-Xa, an die Grenzen ihrer thermischen Belastbarkeit. So reduziert sich bspw. die Zeitstandsfestigkeit von PE100 oder PE-RC ab Temperaturen von 40 C signifikant. Aufgrund dessen müssen Erdwärmesonden für größere Tiefen, insbesondere bei geothermischen Anomalien, eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. RAUGEO HPR Hochdruck-Tiefensonde Produktbeschreibung Die stahlarmierte RAUGEO HPR Hochdruck- Tiefensonde (HPR = High Pressure Reinforced) ist darauf ausgelegt, den auftretenden Gesamtdruck sowie ihr Eigengewicht bei Tiefen bis zu 800 m und Erdreichtemperaturen bis zu 80 C selbständig zu tragen. Zu diesem Zweck ist das Sondenrohr aus drei Schichten aufgebaut. Das Innenrohr besteht aus hochdruckvernetztem und somit spannungsrissbeständigem Polyethylen PE-Xa, das eine Temperaturbeständigkeit bis zu 95 C aufweist. Dieses Innenrohr ist mit einer Armierung aus Edelstahldraht zur Aufnahme des Drucks umflochten. Zum Schutz dieser Armierung verfügt das Sondenrohr über eine äußere Mantelschicht aus zähem PE100. Alle Anschlüsse sind mittels werkseitig verpresster Anschlussfittinge fest mit dem Rohr verbunden und druckgeprüft. Der Sondenfuß sowie die speziell für diesen Anwendungsbereich entwickelte Verbindungstechnik bestehen aus korrosionsbeständigem Edelstahl Die RAUGEO HPR Hochdruck-Tiefensonde gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: Als HPR Koaxial-Sonde und als HPR Doppel-U-Sonde. PE-Schutzschicht Drahtarmierung PE-Xa 3

4 RAUGEO HPR HOCHDRUCK-TIEFENSONDE PRODUKTPROGRAMM KOAXIAL-SONDE RAUISO PE-Xa Rohr Sondenkopf 2 Sondenfuß 3 Vorlauf 4 Rücklauf 5 Wärmeisolierung gegen thermischen Kurzschluss Funktionsweise RAUGEO HPR Koaxial-Sonde Bei der RAUGEO HPR Koaxial-Sonde wird das Wärmeträgermedium im äußeren Ringraum nach unten geleitet. Am Sondenfuß aus Edelstahl angelangt, wird es umgeleitet, um dann im Innenrohr wieder nach oben zu steigen. Die koaxiale Bauweise der Sonde ermöglicht durch die langsame Abwärtsströmung und große Sondenoberfl äche eine optimale Entzugsleistung aus dem Erdreich ins Wärmeträgerfl uid. Das kleinere Innenrohr ermöglicht eine Rückführung des Wärmeträgerfl uids zur Erdoberfl äche mit höherer Geschwindigkeit und damit eine Reduzierung des Wärmeverlustes. Zudem kann eine zusätzlich aufgebrachte Wärmeisolierung, wie z.b. beim RAUISO PE-Xa Rohr, den thermischen Kurzschluss mindern. Durch die auf diese Weise erhöhte Vorlauftemperatur arbeitet die angeschlossene Wärmepumpe mit einer erhöhten Jahresarbeitszahl. Außerdem resultiert aus der schlanken Bauweise der Koaxial-Sonde ein geringer Bohrdurchmesser sowie ein gleichmäßiger Ringraum. Ausführung RAUGEO HPR Koaxial-Sonden Koaxial-Sonden werden mit werkseitig verpresstem und druckgeprüftem Sondenfuß aus Edelstahl geliefert. Bei den Koaxial-Sonden der Dimension 90 und 110 werden die äußeren Sondenrohre, abhängig von der Sondenlänge, in 2-3 Abschnitten unterschiedlicher Druckstufen geliefert, die mittels der ebenfalls werkseitig angepressten und druckgeprüften Verbindungselemente beim Verteufen der Sonde verbunden werden. Dimension d 75 d 90 d 110 Innenrohralternativen d 32 / d 40 d 40 / d 50 d 50 / d 63 Sondenlänge [m] Sondengewicht [kg/m] 1,8-2,0 3,2-3,5 5,0-5,5 Druckfestigkeit* [bar] bis 60 bis 70 bis 100 Sondenfußdurchmesser [mm] Gewicht Sondenfuß [kg] 15,0 19,0 23,0 * Abhängig von der Sondenlänge sind unterschiedliche Druckstufen möglich 4

5 RAUGEO HPR KOAXIAL-SONDE BEREITS IN DER PRAXIS BEWÄHRT Chair of Building Systems, ETH Zürich Haus Gisel Dr. Levis in Zumikon, Schweiz Trommelanhänger mit einer HPR Koaxial-Sonde à 450 m Projektbeispiel Architekturhaus Dr. Levis in Zumikon, Schweiz Auf Basis des von der KEOTO AG entwickelten Gebäudekonzeptes sowie der geothermischen Simulation des Schweizer Planungsbüros Geowatt AG konnte das bekannte Schweizer Architektenhaus von Dr. Levis in Zumikon erfolgreich energetisch saniert werden. Das ehrgeizig gesteckte Ziel des Gebäudes ist die Realisierung von null CO 2 -Emissionen. Um dieses Ziel zu erreichen, erfolgten u.a. die ersten Verteufungen von koaxialen RAUGEO HPR Hochdruck-Tiefensonden mit einem Durchmesser von je 90 mm sowie die Installation einer geothermischen Wärmepumpe. Die an der Wärmepumpe benötigte Verdampferleistung von ca. 54 kw wird mit einer Sondenlänge von insgesamt 900 m mit einer spezifischen Entzugsleistung von 60 W/Sondenmeter generiert. Der Erdreichspeicher, bestehend aus zwei 450 m langen Koaxial-Sonden, dient in Kombination mit den Photovoltaik-Hybridkollektoren und der Wärmepumpe als Energiequelle zur Klimatisierung des Gebäudes. Dabei wird die Überschusswärme aus den Hybridkollektoren im Sommer ins Erdreich eingespeist und im Winter werden die höheren Temperaturen zur effizienten Heizung genutzt. Installation der Tiefensonde Die beiden Bohrungen auf einer Tiefe von 450 m wurden durch das Team trotz knapper Platzverhältnisse mit normaler Bohrgeschwindigkeit erstellt. Nach dem Platzieren des Trommelanhängers wurden die Sonden über den werkseitig montierten Sondenfuß mit Wasser befüllt und anschließend beidseitig verschlossen. Somit konnte die Verteufung bis auf eine Endteufe von 450 m erfolgen. Die Sonde wurde mit konstanter Geschwindigkeit in ca. 50 Minuten eingebracht. Dies entspricht einer Geschwindigkeit von 9 m/min und ist somit vergleichbar mit der Einbaugeschwindigkeit einer herkömmlichen Doppel-U- Sonde aus PE oder PE-Xa. Nachfolgend wurde eine Druckprüfarmatur mit Hilfe von REHAU Schiebehülsen installiert, mit der die Druckprüfung erfolgreich durchgeführt werden konnte. Abschließend wurde das Bohrloch mit thermisch verbessertem Verfüllmaterial verpresst. Betrieb Ab dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Anlage, geplant im 2. Quartal 2012, erfolgt ein umfangreiches Monitoring, um die Ergebnisse der Simulation mit Realdaten zu vergleichen. 5

6 RAUGEO HPR HOCHDRUCK-TIEFENSONDE PRODUKTPROGRAMM DOPPEL-U-SONDE Funktionsweise RAUGEO HPR Doppel-U-Sonde Die RAUGEO HPR Doppel-U-Sonde besteht aus je vier armierten Rohren, die mit einem Sondenfuß aus Edelstahl durch Anschlussfi ttinge verbunden sind. Durch 2 Vor- und Rückläufe wird der Erde mehr Wärme entzogen als nur mit einer Rohrleitung (Einfach-U-Sonde). Dies führt zu einer Steigerung der Leistungszahl der Wärmepumpe. Generell sind Doppel-U-Sonden aufgrund ihres Rohrdurchmessers besser für Anwendungen mit großem Volumenstrom geeignet. Ausführung RAUGEO HPR Doppel-U-Sonden Zum optimalen Transport und Baustelleneinsatz werden die vier Rohrleitungen der Doppel-U-Sonde inklusive der werksseitig verpressten Anschlussfi t- tinge einzeln auf die Baustelle geliefert und dort mit dem zugehörigen Sondenfuß aus Edelstahl verbunden. Die Abdichtung erfolgt dabei über eine doppelte O-Ring-Dichtung. Sondenfuß Dimension d 40 d 50 d 63 Sondenlänge [m] Sondengewicht [kg/m] 2,3-2,5 3,2-3,5 5,0-6,0 Druckfestigkeit* [bar] bis 60 bis 70 bis 100 Sondenfußdurchmesser [mm] Gewicht Sondenfuß [kg] 16,5 23,0 43,0 * Abhängig von der Sondenlänge sind unterschiedliche Druckstufen möglich 6

7 RAUGEO HPR DOPPEL-U-SONDE IN DER PRAXIS ERFOLGREICH GETESTET Projektbeispiel Sanierung Mehrfamilienhaus in Zürich, Schweiz Im August 2009 wurde in Zürich die erste eigenständig druckfeste RAUGEO HPR Hochdruck- Tiefensonde verteuft. Bei dem Projekt handelte es sich um die Sanierung eines Mehrfamilienhauses mit vier Wohneinheiten im innerstädtischen Bereich. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse kam für die Nutzung von Erdwärme nur der Einsatz einer Tiefensonde in Frage. Installation der Tiefensonde Nach Erstellung der 300 m tiefen Bohrung wurde die Doppel-U-Sonde der Dimension 40 montiert. Hierzu wurden die Sondenrohre durch einfaches Einstecken der O-Ring-gedichteten Anschlussfittinge innerhalb von 10 Minuten mit dem Sondenfuß verbunden. Nach erfolgreicher Druckprobe wurde die Tiefensonde anschließend von einer Haspel in das Bohrloch eingeführt. Das hohe Eigengewicht der Sonde ermöglichte dabei eine sehr gleichmäßige und rasche Verteufung. Die anschließende Druckprobe bestand die Sonde ebenfalls erfolgreich. Die Einbauzeit und das Handling entsprachen dem Aufwand einer normalen PE- oder PE-Xa-Sonde gleicher Länge. Der Betrieb der Sonde funktioniert seitdem einwandfrei. Einstecken der Anschlussfittinge Verteufung einer Sonde 7

8 RAUGEO SYSTEMTECHNIK LÖSUNGEN FÜR EINE DAUERHAFT SICHERE NUTZUNG DER ERDWÄRME RAUGEO Systemtechnik Steigende Energiepreise und wachsendes ökologisches Bewusstsein führen zu erhöhten Anforderungen an Energiesysteme. Damit einher geht die Chance auf regenerative Energieträger umzusteigen, wie beispielsweise durch Nutzung der Erdwärme mit Hilfe von RAUGEO HPR Hochdruck-Tiefensonden. Aus diesem Grund bietet REHAU stetig weiterentwickelte Lösungen für eine dauerhaft sichere Nutzung der Erdwärme, um ein energieeffizientes Bauen und Modernisieren zu garantieren. RAUGEO Modulverteiler und Schacht Zum Anschluss der Solekreisläufe geothermischer Systeme, wie z.b. der RAUGEO HPR Hochdruck-Tiefensonde. Komplett montierter Modulverteiler (Vor- und Rücklauf) bestehend aus Einzelsegmenten aus glasfaserverstärktem wärme- und kältebeständigem Kunststoff (-20 bis +70 C) mit integrierten Luftkammern zur Wärmeisolation. Auch komplett konfektioniert im Schacht erhältlich. RAUGEO Anschlussleitung PE-Xa Als Verbindungsleitung zwischen Modulverteiler und Wärmepumpe. Die Anschlussleitung aus PE-Xa weist eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 95 C auf und ist äußerst robust gegenüber Beschädigungen und Punktlasten. RAUGEO Verfüllmaterial Fertig gemischtes Verfüllmaterial zur Verfüllung von Erdwärmesondenbohrungen. Das Verfüllmaterial ist frostbeständig und weist außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Ergiebigkeit auf. RAUGEO Modulverteiler RAUGEO Verteilerschacht RAUGEO Anschlussleitung PE-Xa RAUGEO Verfüllmaterial Unsere anwendungstechnische Beratung in Wort und Schrift beruht auf Erfahrung und erfolgt nach bestem Wissen, gilt jedoch als unverbindlicher Hinweis. Außerhalb unseres Ein usses liegende Arbeitsbedingungen und unterschiedliche Einsatzbedingungen schließen einen Anspruch aus unseren Angaben aus. Wir empfehlen zu prüfen, ob sich das REHAU Produkt für den vorgesehenen Einsatzzweck eignet. Anwendung, Verwendung und Verarbeitung der Produkte erfolgen außerhalb unserer Kontrollmöglichkeiten und liegen daher ausschließlich in Ihrem Verantwortungsbereich. Sollte dennoch eine Haftung in Frage kommen, richtet sich diese ausschließlich nach unseren Lieferungs- und Zahlungsbedingungen, einsehbar unter Dies gilt auch für etwaige Gewährleistungsansprüche, wobei sich die Gewährleistung auf die gleichbleibende Qualität unserer Produkte entsprechend unserer Spezi kation bezieht. Die Unterlage ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendungen, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben vorbehalten. REHAU VERKAUFSBÜROS/AGENCES REHAU AT: Linz: 4030 Linz, Tel.: , linz@rehau.com Wien: 2353 Guntramsdorf, Tel.: , wien@rehau.com CH: Bern: 3110 Münsingen, Tel.: , bern@rehau.com Vevey: 1618 Châtel-St. Denis, Tel.: , vevey@rehau.com Zürich: 8304 Wallisellen, Tel.: , zuerich@rehau.com DE: Berlin: Berlin, Tel.: , berlin@rehau.com Bielefeld: Bielefeld, Tel.: , bielefeld@rehau.com Bochum: Bochum, Tel.: , bochum@rehau.com Frankfurt: Dietzenbach, Tel.: , frankfurt@rehau.com Hamburg: Hamburg, Tel.: , hamburg@rehau.com Leipzig: Gerichshain, Tel.: , leipzig@rehau.com München: Höhenkirchen-Siegertsbrunn, Tel.: , muenchen@rehau.com Nürnberg: Erlangen/Eltersdorf, Tel.: , nuernberg@rehau.com Stuttgart: Renningen, Tel.: , stuttgart@rehau.com A13700 DE